弱耦合多芯少模光纤的声波导布里渊散射特性_张泽霖.pdf
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1、 :专题:新型光纤张泽霖,周慧,秦钰,等 弱耦合多芯少模光纤的声波导布里渊散射特性 光通信研究,():,():弱耦合多芯少模光纤的声波导布里渊散射特性张泽霖,周慧,秦钰,许维维,蒋新力,曹珊珊,谢书鸿,沈一春,肖力敏(中天科技精密材料有限公司,江苏 南通 ;复旦大学 信息科学与工程学院,上海 ;江苏中天科技股份有限公司,江苏 南通 ;中天科技光纤有限公司,江苏 南通 )摘要:光纤中的声波导布里渊散射()可在较低光功率水平激发,该散射噪声对大容量空分复用光纤通信、数字相干传输及光量子传输影响较大。针对空分复用光纤通信系统,文章对自制弱耦合芯模光纤的 特性进行了理论和实验研究。结果表明,由于不同纤
2、芯与光纤中心的距离差异,弱耦合芯模光纤中不同纤芯具有明显的 分布差异。未来需要在不同的纤芯中采取不同的 噪声补偿方法以实现高信噪比和低误码率的空分复用传输。关键词:空分复用;多芯光纤;少模光纤;声波导布里渊散射;声光相互作用中图分类号:;文献标志码:文章编号:(),(,;,;,;,):(),:;引言近年来,在海量数据流量应用的驱动下,单模光纤“容量危机”日益凸显。以多芯光纤为主的新型空分复用(,)光纤通信系统成为解决单模光纤“容量危机”、突破非线性香农极限的必由之路。为更好地应对高速大容量光通信系统的传输需求,将空间上的多芯结构与少模纤芯结合制备得到多芯少模光纤,并在少模芯内采用高阶调制技术,
3、如 进制正交振幅调制(,),有望大幅提升 光纤通信系统的频谱效率。在传输 信号的 光纤通信系统中,传输容量会随着更高的复用维度不断增加,但受光纤色散及 非线性效应的影响,系统噪声容限也会变得更低,造成更高误码率。特别是近期研究发现,光纤中的声波导布里渊散射(,)具有低激发阈值特性,。不同于后向布里渊散射,参与 过程为横向声场且散射光波会随入射光波同向传输,其对高阶信号传输的影响更是不容忽视,。年,等人揭示了收稿日期:;修回日期:;纸质出版日期:基金项目:工信部高质量制造发展专项资助项目()作者简介:张泽霖(),男,山东淄博人。博士,主要研究方向为新型通信光纤及光纤传感技术。通信作者:肖力敏,研
4、究员。:沈一春,正高级工程师。:.年第期总第 期光 通 信 研 究 ()信号在单模光纤中的 噪声产生机制及分布情况,并提出锁相注入、反相位调制和数字补偿等多种噪声补偿方法;年,等人研究了 进制信号在标准单模光纤中传输的 噪声抑制及补偿方案;年,等人首次研究了信号在弱耦合芯单模及 芯单模光纤传输中的 噪声分布特性。尽管近年来人们对多芯单模光纤 噪声特性及补偿机制的研究日渐增多,但目前对于多芯少模光纤中 噪声的特性研究却鲜有报道。本文首先利用打孔法制备了一款适用于 光纤通信系统的弱耦合同质芯模光纤,该多芯光纤具有折射率环芯设计,可支持个光学模式独立传输。利用 干涉装置对该芯模光纤中心纤芯及外围纤芯
5、的 谱图进行探测,并对两者之间的特性差异进行了理论分析与解释。实验及理论结果表明,需要在不同纤芯采取不同的 噪声补偿方法以实现信号在 系统的高信噪比和低误码率传输。基于折射率环芯结构的弱耦合芯模光纤制备若实现信号在大容量空分模分复用光纤通信系统中的传输,首先须制备具有低模式串扰的多芯少模光纤。过往研究发现,具有折射率环芯设计的少模 光纤通过增大两 个 相 邻 光 学 线 偏 模(,)的有效折射率差()可实现模式串扰的有效抑制 。基于此研究结论,本文采用在少模纤芯内采取环芯折射率设计以获取更大的 。为保证更高的光纤结构精 度 以 降 低 后 续 扇 入扇 出(,)器件的制备难度,本文将采用二氧化
6、硅母材预先打孔、少模芯棒插入的多芯少模光纤制备方法。首先,通过气相轴向沉积及 、退火工艺充分释放材料内部应力,制备得到高纯二氧化硅母材。随后,在数控多孔精密钻床平台完成对芯棒孔及定位孔的精确打孔。同时,采用公司自主研发的管内沉积法进行少模芯棒的精细制备。为匹配钻孔尺寸,将制备得到的少模芯棒进行精准外径延伸,经酸洗后,完成多芯少模光纤预制棒组装。最后,将组装好的光纤预制棒采用多参量控制在线拉丝方法进行光纤拉制。该光纤采用丙烯酸酯基聚合物为光纤外涂层,拉制裸纤外径为 的芯模光纤。对拉制的芯模光纤进行光学及几何性能测试。图所示为光纤端面及少模芯层折射率测试结果。经测量,每个外层纤芯与中心纤芯的距离均
7、保持一致,平均距离为 。在光纤制备过程中,通过插入标记棒()来识别每个纤芯的具体位置。对 于 少 模 纤 芯,经 理 论 计 算,可 以 支 持 、及 个独立的 模式进行稳定传输,其归一化光场分布图如图所示。在芯少模光纤制备之前,我们首先利用单套管拉丝方法制备了裸线外径为 的单芯少模光纤。利用该单芯少模光纤,各个传输模式的相关测试结果如表所示。可以看到,相邻两模式间的有效折射率差均满足 ,这使得纤芯内部的模式串扰能够被充分抑制。另外,芯模光纤的相关测试结果也在表中呈现。利用背向散射法测试了 芯模光纤的芯层衰减,纤芯在 波长下的芯层损耗测试结果分别为 、及 ,平均芯层损耗为 。该测试结果表明,拉
8、制的芯模光纤具有相对较低的衰减(均小于 )且芯间分布较为一致,可以应用于 光纤传输系统。图光纤截面结构 光通信研究 年第期总第 期图少模纤芯归一化光场分布 表单芯模光纤参数 有效折射率 相邻模式有效折射率差 有效模场面积 色散 衰减 表弱耦合芯模光纤参数 参数数值平均芯层间距 光纤外径 涂覆层外径 芯层平均损耗 弯曲损耗 圈 弱耦合芯模光纤中 特性的实验研究对于石英光纤中的 效应,其物理本质是入射光场与分子热运动激发的横向声场在热平衡状态下的声光相互作用。参与 过程的横向声场可分为两类,一类是具有圆对称分布的(为正整数)模式,另一类是混合扭转 (为正整数)模式,两类声模式均可通过声光相互作用产
9、生对入射光波的相位调制作用。因此,可以利用相干探测装置将该相位调制转换为对入射光波的强度调制,进而可以实现对 谱图的精确探测。基于此探测原理,我们将利用光纤 干涉装置对自制弱耦合芯模光纤中的 特性进行实验探究,探测系统装置如图所示。图芯模光纤 谱图测试装置 系统选用中心波长为 的高功率稳定性、窄线宽半导体激光器作为探测光源,激光器线宽为 ,输出功率为 。随后,经光纤隔离器进入掺铒光纤放大器,经光纤放大器放大后进入可调谐带通光纤滤波器。该光纤滤波器具有极窄的 透过带宽(),可充分滤除掺铒光纤放大器带来的宽带自发辐射放大噪声,确保整个探测装置具有较高的系统信噪比。随后,调节偏振控制器使得进入 干涉
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