环形纤芯结构光纤设计与制备技术研究

伍淑坚,杜 城,罗文勇,李尚远,李 伟,柯一礼,何 晴,戚 卫

(1.烽火通信科技股份有限公司,武汉 430074;2.锐光信通科技有限公司,武汉 430074; 3.清华大学 电气工程系,北京 100084)

0 引 言

随着物联网、云计算以及通信网络的快速发展,全球网络流量保持了每年30%以上的增长速度。如何可持续地提高通信系统容量以应对不断增长的容量需求,已成为光通信亟待解决的关键问题。近年来基于轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)模式的空分复用技术在国内外引起了广泛关注。但由于OAM模式的特殊性,传统单模光纤会导致模式串扰,无法支持OAM模式长距离传输。因此光子OAM光纤通信迫切需要可支持多个OAM模式传输的低串扰和低损耗光纤。

美国波士顿和南加州大学合作在2012年利用高折射率环形光纤实现了4个模式(含两个OAM模式)1.1 km无多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)复用传输[1],并在2013年结合波分复用传输使传输速率达到1.6 Tbit/s[2]；为进一步增大环形光纤纤芯和包层的折射率差,2013年美国波士顿大学设计并制作了空气芯环形光纤,实现了12个光涡旋模式传输[3]；加拿大拉瓦尔大学也设计了一种空气芯环形光纤,其可支持36个光涡旋模式[4]。空气芯环形光纤可以支持更多数量的光涡旋模式,但目前报道的传输距离还都较短,光纤损耗较大。

因此,为解决新型长传输距离和大容量OAM传输光纤技术面临的问题,本文开展了单环、多环以及保偏型OAM光纤和OAM光子晶体光纤的技术研究,并对直插式光纤放大器所需要的环形芯掺铒光纤进行了研究,以满足与长距离OAM传输光纤的匹配增益。

1 环形芯OAM传输光纤研究

1.1 单环芯结构光纤研究

由于OAM模式的特殊性,传统的单模和多模光纤会导致模式串扰,无法支持光子OAM模式在光纤中长距离传输。因此光子OAM光纤通信迫切需要新型光纤。基于光纤制造难度与工程化需求,本文针对契合OAM模式光强特点的环形芯光纤开展了研究。

OAM模式组内的模式传播常数分裂量Δβ=2πΔneff/λ与光纤折射率剖面n(r)的径向导数有极大的关系:

式中:Δneff为模式传输有效折射率差；λ为信号光波长；r为单环芯厚度；n为单环芯相对折射率；→e为模式的电场分布；A为芯区面积(d A为面积微元)；tot为total简写。因此,面向无MIMO OAM模式复用方案的OAM光纤设计,采用高折射率差、高折射率导数的阶跃型结构。通过模拟仿真,形成能够支持±2阶OAM模式的实心单圆环芯OAM光纤结构,如图1所示。图2所示为仿真单圆环芯结构光纤的输出强度与输出相位情况。

根据单圆环芯结构OAM信号传输光纤结构特点,综合比较多种光纤预制棒制造工艺技术特点,团队采用等离子体化学气相沉积(Plasma Chemical Vapor Deposition,PCVD)工艺进行单圆环芯结构OAM光纤制备工艺研究。通过对环形纤芯折射率突变控制和内应力消除等工艺难点开展攻关,解决了高折射率环形纤芯结构光纤预制棒应力损伤难题,实现了结构均一的大尺寸环形纤芯结构OAM光纤预制棒制备。通过反复的工艺研究与验证,形成了环形纤芯光纤高稳态拉丝工艺技术,有效保障了高折射率环形纤芯结构在高温形变中的结构一致性。最终实现了单圆环芯结构OAM传输光纤的研制,其光纤预制棒折射率剖面图与OAM光纤端面如图3所示。

提升不同阶数OAM模式间的有效折射率差,在光纤制造工艺方面面临多方面瓶颈。因此,从系统应用角度降低MIMO信号处理难度,也能够实现更大容量的光纤传输目标,对光纤的传输要求也发生改变。

图1 满足±2阶OAM模式的实心单圆环芯光纤结构

图2 仿真单圆环芯光纤+1、+2阶OAM模式输出

团队采用耦合模理论对光纤结构微扰(例如微弯曲)OAM光纤模式组间耦合系数进行了理论分析。将微扰进行二阶泰勒级数展宽:

图3 光纤预制棒折射率剖面与OAM光纤端面图

式中:x、y和z为光纤中的坐标系,以光纤纤芯为原点,截面为xy平面,光传播方向为z；Δn为光纤内各处折射率的变化；f(z)为折射率沿z方向的变化(主要是弯曲引起的)；n0为z=0即光纤端面处的折射率,将这一点选作起始点；由于光纤采用xyz坐标系并不方便,因此在计算中将光纤的横截面由xy平面转换成极坐标系(柱坐标系)的r和φ,其分别为离z轴的距离和偏离参考点的角度。

式(2)的一阶项主要引起相邻模式组间耦合,二阶项主要引起隔一阶的模式组间耦合。基于上述理论分析,通过优化光纤剖面,以降低上述组间耦合系数为目标进行了超低耦合环芯光纤设计优化。利用OAM模式组内的4个OAM模式传输4路信号,在进行4×4 MIMO信号处理时,需要尽量降低模式组内部的群延迟差以降低MIMO滤波器的规模(抽头数),需要光纤组内OAM模式间尽量简并(传播常数尽量相同)。因此,通过模拟仿真分析,将环形芯结构波导由阶跃型分布优化为特定的渐变型折射率分布。通过工艺优化,提高芯—包层折射率差,降低光纤内部的各种微扰,成功拉制了高质量的新型渐变抛物线折射率环芯OAM光纤。

如图4所示,通过采用芯层高掺锗和包层掺氟工艺,获得了高达0.025的芯—包层折射率差。共支持0～5阶6个模式组,其中1阶以上模式组间的neff均大于1e-3,模式组间串扰＜-23 d B/km,足以支持较长距离传输。组内4个OAM模式间的neff均小于1e-5,实现了高度的组内模式简并,全面达到了设计目标。其中R为光纤几何中心至环形芯折射率最高处的距离；w为渐变环型芯区的宽度；Δ为芯区相对折射率差；l为OAM阶数。

图4 环形纤芯光纤结构图及支持模式组

本文对所研制的实心单环OAM光纤的传输特性进行了进一步研究。测量结果如图5所示,经2 m的环形光纤传输后,可以得到OAM模场图和干涉图,证明光纤中激发出了相应的OAM模式。经过5.5 km传输后,得到稳定的模场图和解调后的高斯亮斑,说明环形光纤支持±1和±2阶OAM模式的传输。

该光纤共拉制3个批次,通过工艺改善与波导结构整型优化,其损耗不断改善,分别为1.0、0.75及0.34 d B/km,最长样品达50 km。已在该渐变折射率环芯光纤上演示了具有8个OAM模式和12个波长的模分复用-波分复用(Mode Division Multiplexing-Wavelength Division Multiplexing,MDM-WDM)方案,其总容量为5.376 Tbit/s,并打破了光子轨道角动量-模分复用(Orbital Angular Momentum-Mode Division Multiplexing,OAMMDM)的10 km障碍。

图5 单环阶跃型OAM光纤模式传输结果

1.2 多环芯结构光纤研究

为了进一步提高单根光纤中支持OAM模式的数量,本文结合空分复用理念,设计了3环OAM光纤结构,3个环芯分别支持0～±2、0～±2和0～±5阶OAM传输,总共支持36个有效OAM通道。具体的光纤结构参数和设计结果如图6所示,图中,r1为光纤几何中心至第1芯层内边缘的距离；r2为光纤几何中心至第1芯层外边缘的距离；r3为光纤几何中心至第2芯层内边缘的距离；r4为光纤几何中心至第2芯层外边缘的距离；r5为光纤几何中心至第3芯层内边缘的距离；r6为光纤几何中心至第3芯层外边缘的距离。每个环模式间的有效折射率差如图7所示。

图6 3环OAM光纤设计参数

结合优化的沉积参数和材料配方,团队实现了纤维轮廓的精确控制,可准确地实现在光纤包层中具有环形芯结构的制造,该技术有利于具有较高有效折射率差的光纤波导结构实现。同时,系统性地研究多环芯光纤的制备工艺技术,通过控制纤芯折射率的波动并减小光纤内应力,解决了光纤性能的脆弱性问题,成功制备了结构均匀度高的大尺寸环形芯光纤。光纤实物端面如图8所示。

图7 每个环内模式间有效折射率差

图8 3环型光纤端面检测图

测量系统对2 m的同轴3环光纤传输特性进行了测量分析,结合左旋和右旋两个偏振态,在1.55μm波长处共实现了96个OAM模态的传输。其中内环可以传输0～±4阶共16个不同的OAM模态；中环可以传输±6～±14阶共36个不同的OAM模态；外环可以传输±10～±20阶共44个不同的OAM模态。测量所得的96个OAM模态的模场分布图和干涉图如图9所示。

图9 同轴3环光纤传输后,输出的96个OAM模态的模场分布图及干涉图

2 特殊波导OAM-保偏型环形芯光纤研究

阶跃型高折射率差光纤可以将每个模式组内的4个OAM模式分裂为两个小组,但每个小组仍然包含两个简并模式。其中一组为OAM与偏振同向旋转(均为左旋或右旋),另一组为OAM与偏振反向旋转(OAM左旋、偏振右旋或OAM右旋、偏振左旋)。通过打破光纤的圆对称性,可以进一步分裂两个偏振态,从而实现4个模式完全非简并。

团队提出一种熊猫型结构的保偏环形光纤,支持LP01x、LP01y、共10个模式的传输,并使每个模式间的Δneff都大于1×10-4,模式间保持分离用作独立通信信道。光纤结构解决了高阶保偏模式的截止问题,是现有光纤结构中支持保偏模式数量(10个)最多的光纤。光纤结构如图10所示,图中,L为光纤应力区直径；Λ为应力区中心到光纤芯区中心的距离。

分析每个模场分布,如图11所示。图11(a)中给出应力区域不存在时,高折射率环状区域中的模场图。当引入应力棒时,由于应力双折射作用,每个本征模式会演变成为相应的LP模式,模场分布变为图11(b)。

图10 保偏型环形芯OAM光纤设计图

图11 保偏环芯模场分布图

3 掺铒型环形芯结构OAM光纤

目前国内普遍采用的稀土离子掺杂方式为液相掺杂法工艺,即将稀土离子浸入疏松的二氧化硅粉末中,然后进行烧结。该工艺较为简单、灵活性好,因而已被广泛应用。但这种方法掺杂浓度偏低,重复性差,且由于工艺限制,普遍存在着掺杂不均匀、掺杂浓度高发生析出和预制棒纤芯直径很难做大等技术难点,不适用于面向长距离传输系统的掺铒OAM增益光纤的研制。

因此研究团队基于稀土离子螯合物高温蒸发系统,配合高精度的改进化学气相沉积(Modified Chemical Vapour Deposition,MCVD)装备,开展全气相高浓度掺杂工艺研究,实现稀土离子与共掺剂的全气相掺杂,以突破制约通信系统信号放大效率的增益稳定性和信号噪声控制瓶颈,实现高浓度均匀掺铒光纤预制棒制备。

同时,研究团队还开展了掺铒光纤拉丝工艺研究,针对环形芯结构长度方向上一致性需求,明确不同掺杂组分与拉丝工艺参数的交互作用,实现环形芯结构掺铒OAM传输光纤的高稳态拉制。由于掺铒光纤中存在包括铝和磷等多种共掺剂,在拉丝工序中由于不同元素在高温熔融环境下扩散特性的差异,会造成波导结构变化并影响掺铒光纤的增益特性。因此,为了提升光纤结构的稳定性,需要对加热炉体的适应性进行改造,对高温炉保护气流与温度场的稳定性进行研究并对高温炉进行改造,对涂覆模具的全新设计与制造和对系统PID控制器参数进行整定设计等。同时还需要对制造掺铒OAM光纤的拉丝工艺涉及的各项参数进行充分的研究,如研究拉丝温度、送棒速度、涂覆材料、拉丝速度、固化条件、收丝条件、环境温度和湿度等对光纤几何尺寸、光学特性和机械特性等的影响,满足与长距离OAM传输光纤匹配增益光纤的研制。最终实现具备良好增益放大特性的支持OAM信号放大的系列掺铒光纤,OAM信号增益效果如图12所示。其增益达到了15～20 d B。

图12 掺铒OAM增益光纤测试结果

4 光子晶体型环形芯OAM传输光纤

为了多途径实现光纤波导介质中OAM信号的高保真和大容量长距离传输,与相关合作单位开展了具有支架式中空环形芯微结构OAM传输光纤的设计与工艺研究。经过模拟仿真,获得了优化结构设计,并基于系统性工艺研究解决了空气孔塌陷和中心环形变等工艺难点,实现了如图13所示的环形芯微结构OAM光纤研制。由测试分析可知,目前OAM传输光纤的信号传输性能与仿真结果存在差异,因此在设计方面优化调整石英杆结构厚度及中心环结构尺寸,以期实现多个OAM模式的稳定传输,形成如图14所示的光纤结构设计。

图13 环形芯微结构OAM光纤SEM检测端面图

图14 改进型环形芯微结构OAM光纤设计图

5 结束语

本文探索研究了光波导中电磁波OAM模式群传播与演化机理,模拟并评估了OAM模式在不同波导结构光纤中的模式特性和传播效果,并在原创性模块化MIMO的可扩展系统架构中,实现了10 km距离8个螺旋光模式复用光纤的制造,数据总容量达5.12 Tbit/s,频谱效率10.24 bit/s/Hz。后续需要继续开展OAM信道特性的机理研究,面向大容量传输需求,有效提升支持大数量和高阶数OAM模式的多环型光纤性能。