一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器。

背景技术

近年来，云计算、大数据、物联网、无人驾驶、远程医疗等技术迅速崛起，他们的数据传输是通过互联网进行了传输，为了提高光子网络的容量和传输速度，各种光学复用技术(如波分复用、时分复用、偏振复用等)、高阶调制和编码被研究人员陆续提出，极大提高了单根光纤的总传输容量和光谱效率；但是，随着科技的进步，互联网的的数据流量传输逐年呈指数级增长，传统单模光纤的容量传输的速度以及不能满足互联网传输的需求，且传统单模光纤的容量想进一步提高十分困难。因此，为了提高当前光子网络的容量和传输速度，促使研究人员探索新的多路模分复用方式已是必然。模分复用概念的首次由S.Berdague和P.Facq提出，他们利用空间滤波技术在传统折射率渐变型多模光纤中传输两种不同模式的光，且每种模式的带宽都与其单独在单模光纤中传输时的带宽相同，这也使得在多模光纤中传输信息所产生的非线性效应减小。模分复用(Mode DivisionMultiplexing，简称MDM)技术，是指具有不同路径和模场分布、携带不同信息的多个正交模式，在同一多模光波导中共同传播的技术。模分复用技术的核心是模分复用器，其模式复用数量、带宽和插入损耗等性能决定着模分复用系统的性能。根据几何结构的不同，现有的模分复用器主要分为基于自由空间光路型、多模干涉器型(Multiode mode interference，简称MMI)、非对称定向耦合器型(Asymmetry directional coupler，简称ADC)、非对称Y结型、“光子灯笼”型和光子晶体光纤(Photonic crystal fiber，简称PCF)型。其中，PCF又称为微结构光纤，它的包层或纤芯含有不同排列的波长量级空气孔，这些空气孔贯穿光纤的整个长度，光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播，通过调整空气孔的结构、尺寸、排列方式，可以实现许多传统光纤不具备的导光特性，如大模场面积、高非线性、无休止单模、高双折射特性、以及超平坦色散等,具有很大的设计灵活性。因此，基于PCF设计的模分复用器，其有效缩短了器件的尺寸、极大增多模式复用数的同时，同时，该模分复用器还拥有宽工作带宽和低插入损耗，故此，在使用以及试验中较为常用。Chen M Y,Zhou J.Mode converterbased on mode coupling in an asymmetric dual-core photonic crystal fibre[J].Journal of Optics A-pure and Applied Optics,2008,10(1334):1-5提出了非对称双芯光子晶体光纤中基于模式耦合的模式复用器，通过在光子晶体光纤中引入两个相邻的缺陷形成一大一小两个纤芯，实现在长度12.7mm的光纤中耦合LP

综上，随着移动互联网在各垂直应用领域的深入发展，对于主干网中光纤通信系统的传输容量也在增加，而现有的模分复用器的器件长度较长，且工作带宽较窄，不适用于小型化集成化的现代光纤通信系统和模分复用系统，迫切需要研发一种具有更大工作带宽、更小尺寸和更低插入损耗的模分复用器。

发明内容

本发明提供了一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器，通过设置多个纤芯，增大了模分复用器的工作带宽，缩短了器件的长度。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器，所述模分复用器包括基底、空气孔层区域，所述空气孔层区域设置于所述基底上；

所述空气孔层区域由若干空气孔排列组成，所述空气孔层分为纤芯区域和包层区域，所述包层区域包裹所述纤芯区域；

所述纤芯包括主芯区域、第一旁芯区域、第二旁芯区域、第三旁芯区域和第四旁芯区域；

所述主芯区域位于所述基底的中心位置，所述第一旁芯区域、所述第二旁芯区域、所述第三旁芯区域和所述第四旁芯区域环绕所述主芯区域。

进一步的，所述主芯区域为由1个第七空气孔、1个第八空气孔、1个第九空气孔、1个第十空气孔和若干第一空气孔组成的圆形区域；

所述第一旁芯区域为由若干第二空气孔和1个第七空气孔组成的正六边形区域；

所述第二旁芯区域为由若干第三空气孔和1个第八空气孔组成的正六边形区域；

所述第三旁芯区域为由若干第四空气孔和1个第九空气孔组成的正六边形区域；

所述第四旁芯区域为由若干第五空气孔和1个第十空气孔组成的正六边形区域。

进一步的，所述主芯区域、所述第二旁芯区域、所述第三旁芯区域和所述第四旁芯区域内相邻两个空气孔之间的中心距Λ

进一步的，所述第一空气孔、所述第二空气孔所述第三空气孔、所述第四空气孔、所述第五空气孔、所述第六空气孔、所述第七空气孔、所述第八空气孔、所述第九空气孔及所述第十空气孔为圆形；

所述第五空气孔的直径为r

所述第四空气孔的直径为r

所述第六空气孔的直径为r

所述第三空气孔的直径为r

所述第二空气孔的直径为r

所述第十空气孔的直径为r

所述第一空气孔的直径为r

所述第八空气孔的直径为r

所述第九空气孔的直径为r

所述第七空气孔的直径为r

进一步的，所述包层区域由若干个第六空气孔组成，所述第六空气孔环绕所述纤芯区域，相邻两个第六空气孔的中心间距Λ

进一步的，所述空气孔层区域内空气孔设置有6层，由内而外分别为所述第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔、第五层空气孔和第六层空气孔；

所述第一层空气孔由个第七空气孔、个第一空气孔、个第八空气孔、个第一空气孔、个第九空气孔、个第一空气孔、个第十空气孔和个第一空气孔的顺序组成圆形；

所述第二层空气孔由个第二空气孔、个第三空气孔、个第六空气孔、个第四空气孔、个第五空气孔和个第六空气孔的顺序组成正六边形；

所述第三层空气孔包括个第二空气孔、个第六空气孔、个第三空气孔、个第六空气孔、个第四空气孔、个第六空气孔、个第五空气孔和个第六空气孔的顺序组成正六边形；

所述第四层空气孔由个第六空气孔组成正六边形；

所述第五层空气孔由个第六空气孔组成正六边形；

所述第六层空气孔由个第六空气孔组成正六边形。

进一步的，所述基底的材料为二氧化硅。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明是基于耦合模提出的五芯光子晶体型模分复用器。在基底上设置中设置主芯区域、第一旁芯区域、第二旁芯区域、第三旁芯区域和第四旁芯区域以及包层。采用旁芯区域的入射光调制成主芯区域内的耦合光，使得本器件的工作带宽扩大至1.33μm～1.95μm，提升模分复用器的工作带宽以及降低插入损耗的同时，有效地缩短了器件长度，使得模分复用器适用于小型化集成化的光纤通信系统和模分复用系统中。

2.本发明利用光子晶体光纤设计的灵活性，通过调整主芯区域、第一旁芯区域、第二旁芯区域、第三旁芯区域和第四旁芯区域内空气孔包层的半径和间距，即可在传输过程中，使旁芯区域中的LP

3.本发明充分发挥光子晶体光纤设计灵活的特点，通过设置六层空气孔的结构，实现五种模式的高效复用，使得模分复用器拥有超大带宽和低插入损耗，器件长度仅1.84mm，进而便于模分复用器与现有光纤通信系统熔接和组合，更适用于小型化集成化的现代光纤通信系统和模分复用系统，同时，器件在一定长度偏差范围内，总体变化在合理的范围内，能够适用于工厂化生产。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于五芯光子晶体光纤的超大带宽低损耗模分复用器的截面结构示意图；

图2为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中主芯区域LP

图3为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中主芯区域LP

图4为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中主芯区域LP

图5为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中主芯区域LP

图6为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中主芯区域LP

图7为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中主芯区域中有效折射率以及相邻两模式间有效折射率差随输入光波长的变化关系图；

图8为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第一旁芯区域中LP

图9为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第一旁芯区域中LP

图10为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第一旁芯区域中LP

图11为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第一旁芯区域中LP

图12为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第二旁芯区域中LP

图13为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第二旁芯区域中LP

图14为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第二旁芯区域中LP

图15为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第二旁芯区域中LP

图16为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第三旁芯区域中LP

图17为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第三旁芯区域中LP

图18为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第三旁芯区域中LP

图19为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第三旁芯区域中LP

图20为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第四旁芯区域中LP

图21为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第四旁芯区域中LP

图22为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第四旁芯区域中LP

图23为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中第四旁芯区域中LP

图24为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中LP

图25为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中LP

图26为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中LP

图27为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器中LP

图28为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器的尺寸变化+0.5％时耦合效率随输入光波长的变化图；

图29为一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器的尺寸变化-0.5％时耦合效率随输入光波长的变化图。

图中：1、第一空气孔；2、第二空气孔；3、第三空气孔；4、第四空气孔；5、第五空气孔；6、第六空气孔；7、第七空气孔；8、第八空气孔；9、第九空气孔；10、第十空气孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器，该模分复用器横向截面的结构如图1所示，包括基底、空气孔层区域；空气孔层区域设置于基底上；

空气孔层区域由若干空气孔排列组成，空气孔层区域分为纤芯区域和包层区域，包层区域与纤芯区域都设置于基底上，且包层区域包裹纤芯区域；

其中，纤芯区域包括主芯区域、第一旁芯区域、第二旁芯区域、第三旁芯区域和第四旁芯区域；

主芯区域位于基底的中心位置，第一旁芯区域、第二旁芯区域、第三旁芯区域和第四旁芯区域环绕主芯区域，包层区域主芯区域、第一旁芯区域、第二旁芯区域、第三旁芯区域和第四旁芯区域的外部，将上述区域包裹于内。

具体地，主芯区域为由内1个第七空气孔7、1个第八空气孔8、1个第九空气孔9、1个第十空气孔10和若干第一空气孔1排列组成；第一旁芯区域由若干第二空气孔2和1个第七空气孔7排列组成；第二旁芯区域由若干第三空气孔3和1个第八空气孔8排列组成；第三旁芯区域由若干第四空气孔4和1个第九空气孔9排列组成；第四旁芯区域由若干第五空气孔5和1个第十空气孔10排列组成，且主芯区域的形状为圆形，第一旁芯区域、第二旁芯区域、第三旁芯区域和第四旁芯区域的形状为正六边形。本领域技术人员可根据需求，选择构成主芯区域中第一空气孔1的数量、第一旁芯区域中第二空气孔2的数量、第二旁芯区域中第三空气孔3的数量、第三旁芯区域中第四空气孔4的数量和第四旁芯区域中第五空气孔5的数量，本申请实施过程中，主芯区域中设置8个第一空气孔1，与其他空气孔组成一个圆形区域，且主芯区域中第七气孔区域7与第八空气孔8间隔1个第一空气孔1，第八空气孔8与第九空气孔9间隔3个第一空气孔1，第九空气孔9与第十空气孔10间隔1个第一空气孔1，第十空气孔10与第七气孔区域7间隔3个第一空气孔1，安照该排列方式形成一个圆形；

第一旁芯区域中设置5个第二空气孔2，与第七空气孔7形成一个正六边形结构；第二旁芯区域中设置5个第三空气孔，与第八空气孔8形成一个正六边形结构；第三旁芯区域中设置5个第四空气孔4，与第第九空气孔9形成一个正六边形结构；第四旁芯区域中设置5个第五空气孔5，与第十空气孔10形成一个正六边形结构。同时，上述主芯区域、第二旁芯区域、第三旁芯区域和第四旁芯区域内相邻两个空气孔之间的中心距Λ

本发明利用光子晶体光纤设计的灵活性，在基底上设置了主芯区域、第一旁芯区域、第二旁芯区域、第三旁芯区域和第四旁芯区域共五个支持局域光传输的纤芯，采用旁芯区域调制主芯区域耦合光，将旁芯区域基模LP

进一步具体实施过程中，第一空气孔1、第二空气孔2、第三空气孔3、第四空气孔4、第五空气孔5、第六空气孔6、第七空气孔7、第八空气孔8、第九空气孔9及第十空气孔10均为圆形；同时，第五空气孔5、第四空气孔4、第六空气孔6、第三空气孔3、第二空气孔2、第十空气孔10、第一空气孔1、第八空气孔8、第九空气孔9及第七空气孔7的直径尺寸依次减小；

具体地，第五空气孔5的直径为r

更进一步的具体实施过程中，空气孔层区域内的空气孔设置有6层，由内而外分别为第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔、第五层空气孔和第六层空气孔；

第一层空气孔包括1个第七空气孔7、1个第八空气孔8、1个第九空气孔9、1个第十空气孔10和8个第一空气孔1，该空气孔的排列方式与主芯区域排列方式相同；

第二层空气孔包括2个第二空气孔2、2个第三空气孔3、2个第四空气孔4、2个第五空气孔5和6个第六空气孔6，上述空气孔按照2个第二空气孔2、2个第三空气孔3、3个第六空气孔6、2个第四空气孔4、2个第五空气孔5、3个第六空气孔6的顺序依次进行排列，形成一个包裹第一层空气孔的正六边形；

第三层空气孔包括3个第二空气孔2、3个第三空气孔3、3个第四空气孔4、3个第五空气孔5和12个第六空气孔6，上述空气孔按照3个第二空气孔2、1个第六空气孔6、3个第三空气孔3、5个第六空气孔6、3个第四空气孔4、1个第六空气孔6、3个第五空气孔5、5个第六空气孔6形成一个包裹第二层空气孔的正六边形；

第四层空气孔包括26个第六空气孔6组成个一个包裹第三层空气孔的正六边形；

第五层空气孔包括34个第六空气孔6组成个一个包裹第四层空气孔的正六边形；

第六层空气孔包括42个第六空气孔6组成个一个包裹第四层空气孔的正六边形；

其中，第四层空气孔、第五层空气孔和第六层空气孔内相邻两个空气孔中心距为Λ

对于所述基底，本领域技术人员可根据实际需求进行选取，本申请实施过程中采用二氧化硅为基底材料。

实施例1

一种基于五芯光子晶体光纤的模分复用器，该模分复用器包括基底、空气孔层区域；空气孔层区域设置于基底的上表面上；

空气孔层区域由若干空气孔组成，这些空气孔排列为6层，该6层空气孔从内自外依次为第一层空气孔、第二层空气孔、第三层空气孔、第四层空气孔、第五层空气孔和第六层空气孔，内套形成一个正六边形区域，且区域的最内层为圆形区域；

6层空气孔区域有可以分为纤芯区域和包层区域，包层区域与纤芯区域都设置于基底上，且包层区域包裹纤芯区域；

纤芯区域包括主芯区域、第一旁芯区域、第二旁芯区域、第三旁芯区域和第四旁芯区域；

主芯区域为由1个第七空气孔7、1个第八空气孔8、1个第九空气孔9、1个第十空气孔10和8个第一空气孔1组成的圆形区域，且位于基底的中心位置处；

第一旁芯区域为由5个第二空气孔2和1个第七空气孔7排列组成的正六边形区域，位于主芯区域左上侧位置，且相邻两个空气孔之间的中心距Λ

第二旁芯区域为由5个第三空气孔3和1个第八空气孔8排列组成的正六边形区域，位于主芯区域左下侧位置，且相邻两个空气孔之间的中心距Λ

第三旁芯区域由5个第四空气孔4和1个第九空气孔9排列组成的正六边形区域，位于主芯区域右下侧位置，且相邻两个空气孔之间的中心距Λ

第四旁芯区域由5个第五空气孔5和1个第十空气孔10排列组成的正六边形区域，位于主芯区域右上侧位置，且相邻两个空气孔之间的中心距Λ

第一旁芯区域、第二旁芯区域、第三旁芯区域和第四旁芯区域环绕主芯区域。

其中，第五空气孔5、第四空气孔4、第六空气孔6、第三空气孔3、第二空气孔2、第十空气孔10、第一空气孔1、第八空气孔8、第九空气孔9及第七空气孔7的直径尺寸依次减小，

即第五空气孔5的直径为r

图2-图6分别为本发明主芯区域复用模式LP

参见图7，该图所示的是模分复用器在这五个模式中有效折射率及相邻两个模式有效折射率差值随波长的变化。在模分复用系统中，不同模式的有效折射率差值Δ

参见8-图10，第一旁芯区域中LP

图11为本发明中第一旁芯区域中LP

参见图12-图14，本发明中第二旁芯区域中LP

图15为本发明中第二旁芯区域中LP

参见图16-图18，本发明中第三旁芯区域中LP

图19为本发明中第三旁芯区域中LP

参见图20-图22，本发明中第四旁芯区域中LP

图23为本发明中第四旁芯区域中LP

图24为输入光入射波的中心波长为1.55μm时，本发明LP

从图25可了解到本发明中LP

对于器件中纤芯区域内每个主芯区域以及旁芯区域内的耦合效率(耦合效率η定义为输入端旁芯中的光能量与输出端主芯中对应高阶模的光能量之比)是通过一下表达式(1)进行计算得出；

式中，P

器件的归一化耦合效率η

式中η

对于器件中主芯区域、第一旁芯区域、第二旁芯区、第三旁芯区域和第四旁芯区域的插入损耗是通过表达式(3)计算得出：

其中，插入损耗IL定义为输入能量和输出能量比值对数的十倍：

式中，P

对于器件的归一化插入损耗IL

式中IL

器件的耦合长度L

式中，β表示传播常数，λ表示入射光波长，f表示入射光频率，n表示模式的模式折射率，c表示光在真空中的传播速度，下标e和o分别代表该模式的偶模和奇模。

器件中主芯区域输入的LP

由此上述表达式(1)-(5)可计算得出，在入射光中心波长1.55μm处本发明整体归一化耦合效率为96.7％，归一化插入损耗为0.15dB、器件工作带宽宽1.33μm-1.95μm。

图26是本发明在LP

图28是本发明器件尺寸变化+0.5％时耦合效率随输入光波长的变化图；图29是本发明器件尺寸变化-0.5％时耦合效率随输入光波长的变化图；由图28和图29可知，在空气孔尺寸扩大+0.5％时，器件工作带宽为1.38μm-1.87μm；在空气孔尺寸扩大-0.5％时，器件工作带宽为1.4μm-1.87μm，总体变化在合理的范围内，能够适用于工厂化生产。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。