基于少模光纤的全光纤熔融型模式复用器结构设计与特性研究

作     者：王招财 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：席丽霞

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：少模光纤 模式选择耦合器 模式复用器 

摘      要：随着科技的进步,以互联网+为理念的全新经济模式时时刻刻的影响着当今人们的生活方式。随着智慧城市、移动互联网、物联网和5G商用时代的来临,互联网流量几乎以每两年翻一番的速度增长。但是当前基于单模光纤（SMF）的通信系统的传输容量已接近饱和,无法满足人们日益增长的流量需求。在光场的维度中除了时间,频率,复振幅和偏振以外,空间维度是另一种可以提供复用和提高频谱效率的物理属性。因此,利用空间维度的空分复用（SDM）技术引起了相当大的关注。模分复用（MDM）是SDM中最具应用前景的方案之一,它通过复用少模光纤（FMF）或轨道角动量（OAM）光纤模式来提高通信容量。除了对多模光纤的研究之外,实现MDM的关键挑战之一是模式转换和复用器件的开发。在众多的模分复用技术方案中,全光纤型模式转换和复用器件因其插入损耗小、集成度高等特点在建立全光纤SDM系统中具有天然的优势。为了避免在SDM系统接收端使用多输入多输出（MIMO）的数字信号处理（DSP）技术对模式进行解调,设计一种无串扰的模式转换和复用器件是必不可少的。因而为了实现MIMO-less的SDM系统,设计一种性能优越的模式转换和复用器具有很高的研究价值。本文对适用于MIMO-less的SDM系统的新型少模光纤及模式转换和复用器件进行了研究,设计出了一种能在1530nm-1625nm波长范围内（C+L波段）支持7种模式同时复用传输的模式选择耦合器和复用器,并对其性能进行了详细的分析。主要研究内容如下:（1）提出了基于椭圆环形芯（ERCF）结构少模光纤的模式选择耦合器（MSC）和模式复用器,对ERCF进行了优化设计。该光纤能够在C+L波段传输7种线偏振（LP）模式,且满足临近简并模式的有效折射率差均大于1×10-4。最后对ERCF的性能进行了深入分析。（2）研究了 MSC的结构参数（孔间距和旋转角）变化对耦合器性能（耦合效率和耦合长度）的影响。深入探讨了单模光纤中基模偏振态变化对各模式耦合效率的影响。通过对耦合器结构参数的折衷选择,设计出一种具有高模式纯度和模式耦合效率的模式选择耦合器。（3）通过将MSC进行级联,设计出一种能同时复用7种模式的模式复用器。给出了模式复用器的具体结构参数和制造方案。对C+L波段下,模式复用器各模式的耦合效率和消光比进行了仿真,实现在C波段7种LP模式耦合效率均高于64%,消光比均高于15dB。