多芯光纤的扇入/扇出
多芯光纤的扇入/扇出
随着第五代移动通信(5th Generation mobile networks,5G)技术走向商用,物联网智慧城市的不断发展,光通信容量需求不断提升。在单模光纤(Single Mode Fiber,SMF)链路中,时分复用、波分复用和偏振复用等技术手段可用于拓宽系统容量,但随着数字数据业务的增长,所需的带宽密度急剧增长导致SMF链路无法满足需求。基于多芯光纤(Multi-Core Fiber,MCF)的空分复用(Spatial Division Multiplexing,SDM)是解决SMF链路容量限制的最有效方法之一。
常见的多芯光纤-Multicore fiber (MCF) 类型
由于光纤尺度和结构的不同,在MCF的实际应用中,需要一个MCF和单芯光纤之间的耦合元件。这种元件被称为扇入扇出 (Fan-In/Fan-Out,FIFO)器件。
MCF FIFO器件是连接 SMF 束和MCF必不可少的关键器件。
目前，MCF FIFO器件的制作方法主要包括熔融法、光纤束法、自由空间光法和三维集成波导法等四种类型。
1. 熔融法
熔融拉锥法是指将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤靠拢并在高温下熔融,同时向两侧拉伸,最终在加热区域形成双锥体结构,通过控制光纤的扭转角度或拉伸的长度从而实现光的耦合或分光等功能。
熔融拉锥方法制作 FIFO 的过程相对简易,需要的设备少,但在指标要求高的应用场景下,光纤的折射率分布需要精心设计,拉锥过程需要严格控制。
2. 光纤束法
通过预处理光纤束的方法制作 MCFFIFO 器件,是指先将多个单芯光纤外径通过刻蚀、定制或其他方法使之与 MCF 的芯间距相等,然后再将多个单芯光纤按照比例和结构排列,再固定并将端面抛光,最后将光纤束与 MCF 熔接或通过物理对接等方式形成 FIFO 器件。
光纤束法的关键在于处理和排布多根单芯光纤，操作过程比较精细。处理单芯光纤的包层有刻蚀法或者定制，需与 MCF 的芯间距一致。因此处理过程需要严格控制，单芯光纤的排布也需要高精度的设备。对比熔融拉锥法，光纤束法的成本优势不大；插入损耗相对较好，串扰也比较低。
3. 自由空间光法
自由空间光法是指利用体光学方法制作MCF FIFO 器件,即利用透镜、棱镜和调整架等体光学元件调节并优化 MCF 与多个单芯光纤的耦合,使得耦合效率最优,最后将光路固定,形成 MCF FIFO器件。
自由空间光法制作 MCFFIFO 的优点是 MCF中每个芯与单个单芯光纤的对接可以单独调节,且与偏振无关。但当芯数增加时,光路较复杂,对调整架和光学元件的精度和稳定度要求较高。当芯数较少且对偏振有要求时,可以选择该方法。
4. 三维集成波导法
波导型的 MCFFIFO 器件是在玻璃、聚合物、平面光波导、硅基或氮化硅等各种平台上通过不同波导将 MCF中各个芯的光导出到多个单芯光纤的器件。
硅基光电子由于具有与互补金属氧化物半导体工艺兼容、低成本、高集成度和高可靠性的优势,是实现光电子和微电子集成、光互连的最佳方案,因此硅基是极具潜力的平台。当硅基器件应用于 MCF 光传输系统时,通过硅基 FIFO 器件易于实现硅基光器件与 MCF 的对接。
基于以上几种主要的 MCF FIFO器件制作方法，本文介绍一种紧凑和低串扰XT的FIFO组件。使用商用的光纤准直器组件。
该方法是基于简单的图像分割，使用两个具有不同焦距的微透镜准直器，可以很容易地实现，用于大多数具有正方形或六角形核心排列的MCF。
4. Core MCF FIFO的工作原理
图(a)显示了使用两个简单的凸透镜进行的图像分割的基本几何形状。在成像系统中，当一个物体被放置在第一凸透镜的焦点上时，可以在第二个凸透镜后面的焦点上形成一个真实的、倒置的和去放大的图像。退焦率由两个透镜的焦距比值（f2/f1）决定，可用于转换从输入SMF到输出MCF的核心螺距距离，以实现FIFO器件。该技术可用于大多数具有方形或六边形中心排列的MCF。
