環形纖芯結構光纖設計與制備技術研究

伍淑堅,杜 城,羅文勇,李尚遠,李 偉,柯一禮,何 晴,戚 衛

(1.烽火通信科技股份有限公司,武漢 430074;2.銳光信通科技有限公司,武漢 430074; 3.清華大學 電氣工程系,北京 100084)

0 引 言

隨著物聯網、云計算以及通信網絡的快速發展,全球網絡流量保持了每年30%以上的增長速度。如何可持續地提高通信系統容量以應對不斷增長的容量需求,已成為光通信亟待解決的關鍵問題。近年來基于軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)模式的空分復用技術在國內外引起了廣泛關注。但由于OAM模式的特殊性,傳統單模光纖會導致模式串擾,無法支持OAM模式長距離傳輸。因此光子OAM光纖通信迫切需要可支持多個OAM模式傳輸的低串擾和低損耗光纖。

美國波士頓和南加州大學合作在2012年利用高折射率環形光纖實現了4個模式(含兩個OAM模式)1.1 km無多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)復用傳輸[1],并在2013年結合波分復用傳輸使傳輸速率達到1.6 Tbit/s[2]；為進一步增大環形光纖纖芯和包層的折射率差,2013年美國波士頓大學設計并制作了空氣芯環形光纖,實現了12個光渦旋模式傳輸[3]；加拿大拉瓦爾大學也設計了一種空氣芯環形光纖,其可支持36個光渦旋模式[4]。空氣芯環形光纖可以支持更多數量的光渦旋模式,但目前報道的傳輸距離還都較短,光纖損耗較大。

因此,為解決新型長傳輸距離和大容量OAM傳輸光纖技術面臨的問題,本文開展了單環、多環以及保偏型OAM光纖和OAM光子晶體光纖的技術研究,并對直插式光纖放大器所需要的環形芯摻鉺光纖進行了研究,以滿足與長距離OAM傳輸光纖的匹配增益。

1 環形芯OAM傳輸光纖研究

1.1 單環芯結構光纖研究

由于OAM模式的特殊性,傳統的單模和多模光纖會導致模式串擾,無法支持光子OAM模式在光纖中長距離傳輸。因此光子OAM光纖通信迫切需要新型光纖。基于光纖制造難度與工程化需求,本文針對契合OAM模式光強特點的環形芯光纖開展了研究。

OAM模式組內的模式傳播常數分裂量Δβ=2πΔneff/λ與光纖折射率剖面n(r)的徑向導數有極大的關系:

式中:Δneff為模式傳輸有效折射率差；λ為信號光波長；r為單環芯厚度；n為單環芯相對折射率；→e為模式的電場分布；A為芯區面積(d A為面積微元)；tot為total簡寫。因此,面向無MIMO OAM模式復用方案的OAM光纖設計,采用高折射率差、高折射率導數的階躍型結構。通過模擬仿真,形成能夠支持±2階OAM模式的實心單圓環芯OAM光纖結構,如圖1所示。圖2所示為仿真單圓環芯結構光纖的輸出強度與輸出相位情況。

根據單圓環芯結構OAM信號傳輸光纖結構特點,綜合比較多種光纖預制棒制造工藝技術特點,團隊采用等離子體化學氣相沉積(Plasma Chemical Vapor Deposition,PCVD)工藝進行單圓環芯結構OAM光纖制備工藝研究。通過對環形纖芯折射率突變控制和內應力消除等工藝難點開展攻關,解決了高折射率環形纖芯結構光纖預制棒應力損傷難題,實現了結構均一的大尺寸環形纖芯結構OAM光纖預制棒制備。通過反復的工藝研究與驗證,形成了環形纖芯光纖高穩態拉絲工藝技術,有效保障了高折射率環形纖芯結構在高溫形變中的結構一致性。最終實現了單圓環芯結構OAM傳輸光纖的研制,其光纖預制棒折射率剖面圖與OAM光纖端面如圖3所示。

提升不同階數OAM模式間的有效折射率差,在光纖制造工藝方面面臨多方面瓶頸。因此,從系統應用角度降低MIMO信號處理難度,也能夠實現更大容量的光纖傳輸目標,對光纖的傳輸要求也發生改變。

圖1 滿足±2階OAM模式的實心單圓環芯光纖結構

圖2 仿真單圓環芯光纖+1、+2階OAM模式輸出

團隊采用耦合模理論對光纖結構微擾(例如微彎曲)OAM光纖模式組間耦合系數進行了理論分析。將微擾進行二階泰勒級數展寬:

圖3 光纖預制棒折射率剖面與OAM光纖端面圖

式中:x、y和z為光纖中的坐標系,以光纖纖芯為原點,截面為xy平面,光傳播方向為z；Δn為光纖內各處折射率的變化；f(z)為折射率沿z方向的變化(主要是彎曲引起的)；n0為z=0即光纖端面處的折射率,將這一點選作起始點；由于光纖采用xyz坐標系并不方便,因此在計算中將光纖的橫截面由xy平面轉換成極坐標系(柱坐標系)的r和φ,其分別為離z軸的距離和偏離參考點的角度。

式(2)的一階項主要引起相鄰模式組間耦合,二階項主要引起隔一階的模式組間耦合。基于上述理論分析,通過優化光纖剖面,以降低上述組間耦合系數為目標進行了超低耦合環芯光纖設計優化。利用OAM模式組內的4個OAM模式傳輸4路信號,在進行4×4 MIMO信號處理時,需要盡量降低模式組內部的群延遲差以降低MIMO濾波器的規模(抽頭數),需要光纖組內OAM模式間盡量簡并(傳播常數盡量相同)。因此,通過模擬仿真分析,將環形芯結構波導由階躍型分布優化為特定的漸變型折射率分布。通過工藝優化,提高芯—包層折射率差,降低光纖內部的各種微擾,成功拉制了高質量的新型漸變拋物線折射率環芯OAM光纖。

如圖4所示,通過采用芯層高摻鍺和包層摻氟工藝,獲得了高達0.025的芯—包層折射率差。共支持0～5階6個模式組,其中1階以上模式組間的neff均大于1e-3,模式組間串擾＜-23 d B/km,足以支持較長距離傳輸。組內4個OAM模式間的neff均小于1e-5,實現了高度的組內模式簡并,全面達到了設計目標。其中R為光纖幾何中心至環形芯折射率最高處的距離；w為漸變環型芯區的寬度；Δ為芯區相對折射率差；l為OAM階數。

圖4 環形纖芯光纖結構圖及支持模式組

本文對所研制的實心單環OAM光纖的傳輸特性進行了進一步研究。測量結果如圖5所示,經2 m的環形光纖傳輸后,可以得到OAM模場圖和干涉圖,證明光纖中激發出了相應的OAM模式。經過5.5 km傳輸后,得到穩定的模場圖和解調后的高斯亮斑,說明環形光纖支持±1和±2階OAM模式的傳輸。

該光纖共拉制3個批次,通過工藝改善與波導結構整型優化,其損耗不斷改善,分別為1.0、0.75及0.34 d B/km,最長樣品達50 km。已在該漸變折射率環芯光纖上演示了具有8個OAM模式和12個波長的模分復用-波分復用(Mode Division Multiplexing-Wavelength Division Multiplexing,MDM-WDM)方案,其總容量為5.376 Tbit/s,并打破了光子軌道角動量-模分復用(Orbital Angular Momentum-Mode Division Multiplexing,OAMMDM)的10 km障礙。

圖5 單環階躍型OAM光纖模式傳輸結果

1.2 多環芯結構光纖研究

為了進一步提高單根光纖中支持OAM模式的數量,本文結合空分復用理念,設計了3環OAM光纖結構,3個環芯分別支持0～±2、0～±2和0～±5階OAM傳輸,總共支持36個有效OAM通道。具體的光纖結構參數和設計結果如圖6所示,圖中,r1為光纖幾何中心至第1芯層內邊緣的距離；r2為光纖幾何中心至第1芯層外邊緣的距離；r3為光纖幾何中心至第2芯層內邊緣的距離；r4為光纖幾何中心至第2芯層外邊緣的距離；r5為光纖幾何中心至第3芯層內邊緣的距離；r6為光纖幾何中心至第3芯層外邊緣的距離。每個環模式間的有效折射率差如圖7所示。

圖6 3環OAM光纖設計參數

結合優化的沉積參數和材料配方,團隊實現了纖維輪廓的精確控制,可準確地實現在光纖包層中具有環形芯結構的制造,該技術有利于具有較高有效折射率差的光纖波導結構實現。同時,系統性地研究多環芯光纖的制備工藝技術,通過控制纖芯折射率的波動并減小光纖內應力,解決了光纖性能的脆弱性問題,成功制備了結構均勻度高的大尺寸環形芯光纖。光纖實物端面如圖8所示。

圖7 每個環內模式間有效折射率差

圖8 3環型光纖端面檢測圖

測量系統對2 m的同軸3環光纖傳輸特性進行了測量分析,結合左旋和右旋兩個偏振態,在1.55μm波長處共實現了96個OAM模態的傳輸。其中內環可以傳輸0～±4階共16個不同的OAM模態；中環可以傳輸±6～±14階共36個不同的OAM模態；外環可以傳輸±10～±20階共44個不同的OAM模態。測量所得的96個OAM模態的模場分布圖和干涉圖如圖9所示。

圖9 同軸3環光纖傳輸后,輸出的96個OAM模態的模場分布圖及干涉圖

2 特殊波導OAM-保偏型環形芯光纖研究

階躍型高折射率差光纖可以將每個模式組內的4個OAM模式分裂為兩個小組,但每個小組仍然包含兩個簡并模式。其中一組為OAM與偏振同向旋轉(均為左旋或右旋),另一組為OAM與偏振反向旋轉(OAM左旋、偏振右旋或OAM右旋、偏振左旋)。通過打破光纖的圓對稱性,可以進一步分裂兩個偏振態,從而實現4個模式完全非簡并。

團隊提出一種熊貓型結構的保偏環形光纖,支持LP01x、LP01y、共10個模式的傳輸,并使每個模式間的Δneff都大于1×10-4,模式間保持分離用作獨立通信信道。光纖結構解決了高階保偏模式的截止問題,是現有光纖結構中支持保偏模式數量(10個)最多的光纖。光纖結構如圖10所示,圖中,L為光纖應力區直徑；Λ為應力區中心到光纖芯區中心的距離。

分析每個模場分布,如圖11所示。圖11(a)中給出應力區域不存在時,高折射率環狀區域中的模場圖。當引入應力棒時,由于應力雙折射作用,每個本征模式會演變成為相應的LP模式,模場分布變為圖11(b)。

圖10 保偏型環形芯OAM光纖設計圖

圖11 保偏環芯模場分布圖

3 摻鉺型環形芯結構OAM光纖

目前國內普遍采用的稀土離子摻雜方式為液相摻雜法工藝,即將稀土離子浸入疏松的二氧化硅粉末中,然后進行燒結。該工藝較為簡單、靈活性好,因而已被廣泛應用。但這種方法摻雜濃度偏低,重復性差,且由于工藝限制,普遍存在著摻雜不均勻、摻雜濃度高發生析出和預制棒纖芯直徑很難做大等技術難點,不適用于面向長距離傳輸系統的摻鉺OAM增益光纖的研制。

因此研究團隊基于稀土離子螯合物高溫蒸發系統,配合高精度的改進化學氣相沉積(Modified Chemical Vapour Deposition,MCVD)裝備,開展全氣相高濃度摻雜工藝研究,實現稀土離子與共摻劑的全氣相摻雜,以突破制約通信系統信號放大效率的增益穩定性和信號噪聲控制瓶頸,實現高濃度均勻摻鉺光纖預制棒制備。

同時,研究團隊還開展了摻鉺光纖拉絲工藝研究,針對環形芯結構長度方向上一致性需求,明確不同摻雜組分與拉絲工藝參數的交互作用,實現環形芯結構摻鉺OAM傳輸光纖的高穩態拉制。由于摻鉺光纖中存在包括鋁和磷等多種共摻劑,在拉絲工序中由于不同元素在高溫熔融環境下擴散特性的差異,會造成波導結構變化并影響摻鉺光纖的增益特性。因此,為了提升光纖結構的穩定性,需要對加熱爐體的適應性進行改造,對高溫爐保護氣流與溫度場的穩定性進行研究并對高溫爐進行改造,對涂覆模具的全新設計與制造和對系統PID控制器參數進行整定設計等。同時還需要對制造摻鉺OAM光纖的拉絲工藝涉及的各項參數進行充分的研究,如研究拉絲溫度、送棒速度、涂覆材料、拉絲速度、固化條件、收絲條件、環境溫度和濕度等對光纖幾何尺寸、光學特性和機械特性等的影響,滿足與長距離OAM傳輸光纖匹配增益光纖的研制。最終實現具備良好增益放大特性的支持OAM信號放大的系列摻鉺光纖,OAM信號增益效果如圖12所示。其增益達到了15～20 d B。

圖12 摻鉺OAM增益光纖測試結果

4 光子晶體型環形芯OAM傳輸光纖

為了多途徑實現光纖波導介質中OAM信號的高保真和大容量長距離傳輸,與相關合作單位開展了具有支架式中空環形芯微結構OAM傳輸光纖的設計與工藝研究。經過模擬仿真,獲得了優化結構設計,并基于系統性工藝研究解決了空氣孔塌陷和中心環形變等工藝難點,實現了如圖13所示的環形芯微結構OAM光纖研制。由測試分析可知,目前OAM傳輸光纖的信號傳輸性能與仿真結果存在差異,因此在設計方面優化調整石英桿結構厚度及中心環結構尺寸,以期實現多個OAM模式的穩定傳輸,形成如圖14所示的光纖結構設計。

圖13 環形芯微結構OAM光纖SEM檢測端面圖

圖14 改進型環形芯微結構OAM光纖設計圖

5 結束語

本文探索研究了光波導中電磁波OAM模式群傳播與演化機理,模擬并評估了OAM模式在不同波導結構光纖中的模式特性和傳播效果,并在原創性模塊化MIMO的可擴展系統架構中,實現了10 km距離8個螺旋光模式復用光纖的制造,數據總容量達5.12 Tbit/s,頻譜效率10.24 bit/s/Hz。后續需要繼續開展OAM信道特性的機理研究,面向大容量傳輸需求,有效提升支持大數量和高階數OAM模式的多環型光纖性能。