一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及D型传感器

一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器
技术领域
1.本发明属于光纤器件领域，涉及一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器


背景技术：

2.信息技术是推动社会进步的重要技术之一，信息现代化已成为推动社会发展的重要动力。特别是随着5g、6g、物联网、远程诊疗和智慧城市等的兴起，大容量的信息化传输能力已成为信息现代化的必要基础，而干线的传输容量已近极限，因此大力发展新的空分或模分复用技术已成必然。
3.模分复用是引入模式作为一个新的自由度来对传输信道进行扩容的一种技术，在基于光纤结构的模分复用系统中每一种模式都被认为是一独立的信道。模分复用系统的核心在于模分复用器的设计，目前的技术主要有基于自由空间光路的相位屏、“光子灯笼”、全光纤型耦合器等。现有的模分复用器，存在尺寸较大且难以与后续长距离光纤模式复用波导对接的问题，这使得难以适用于小型化和集成化模分复用系统。
4.近年，表面等离子体共振效应(spr)已被广泛应用于微结构光纤的传感领域之中。其中，基于表面等离子体共振型光子晶体光纤(pcf)传感器的工作原理是在pcf包层中通过选择一些空气孔作为传感通道，并利用高压微流体化学气相沉积的方法在pcf的空气孔中沉积金属线、纳米颗粒或金属薄膜，然后，将待测的分析物填充到涂覆金属材料的空气孔内，就实现了该型传感器的设计。然而，通过上述方法获得的传感器在实际实施中难度很大。
5.随着现代信息技术的发展，光纤通信系统对器件的集成化及小型化提出了较高的要求。单一功能的光器件组合使用不仅会增加器件体积，同时也会附加更多的能量损耗，以此来看，多功能集成器件便具有了很大的研究需求及价值。模分复用器与spr传感技术相结合是一种新颖且高效的设计，这意味着该模分复用器在正常工作的同时可对其工作环境实现实时的自检自测，便于研究人员对器件的性能及故障进行分析。现今对模分复用器与光纤传感技术进行结合的研究开展的还十分有限，但对二者进行结合研究制备多功能集成器件并进行应用的前景则日渐明朗，并成为一种趋势。多功能光纤集成器件的市场也十分广阔，并对全光集成具有重要意义。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器，其具有小型化高集成性、抗外界干扰性强、具有更低插入损耗、更易于制作的优点；并且，该模分复用器通过简单的d型化侧抛处理，即可使该器件在实现模式复用的同时具备传感检测能力。
7.本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器，其特殊之处在于：
8.包括基底材料以及高折射率掺杂棒；所述高折射率掺杂棒位于基底材料内；所述基底材料进行d型化侧抛处理；
9.所述高折射率掺杂棒包括第一高折射率掺杂棒、第二高折射率掺杂棒、第三高折射率掺杂棒、第四高折射率掺杂棒、第五高折射率掺杂棒；
10.所述第一高折射率掺杂棒位于基底材料的中心位置，第二、三、四、五高折射率掺杂棒按顺序依次分布在第一高折射率掺杂棒的外围；
11.第二、三、四、五高折射率掺杂棒的直径相等，所述第一高折射率掺杂棒直径大于第二、三、四、五高折射率掺杂棒直径；
12.所述第二高折射率掺杂棒、第三高折射率掺杂棒、第四高折射率掺杂棒、第五高折射率掺杂棒与第一高折射率掺杂棒的几何中心的距离逐渐增大；
13.所述第一高折射率掺杂棒区域构成模分复用器的中心纤芯，所述第二高折射率掺杂棒区域构成模分复用器的右侧旁芯，所述第三高折射率掺杂棒区域构成模分复用器的左侧旁芯，所述第四高折射率掺杂棒区域构成模分复用器的上侧旁芯，所述第五高折射率掺杂棒区域构成模分复用器的下侧旁芯，中心纤芯用作复用信号的输出纤芯，各旁芯用作模式调制信号的输入纤芯及传感检测纤芯。
14.进一步地，上述第一高折射率掺杂棒的直径r1为16μm；第二、三、四、五高折射率掺杂棒的直径r2均为7μm。
15.进一步地，上述第二高折射率掺杂棒与第一高折射率掺杂棒的几何中心的距离d1为16.5μm；第三高折射率掺杂棒与第一高折射率掺杂棒的几何中心的距离d2为18.5μm；第四高折射率掺杂棒与第一高折射率掺杂棒的几何中心的距离d3为20μm；第五高折射率掺杂棒与第一高折射率掺杂棒的几何中心的距离d4为29μm。
16.进一步地，上述第一高折射率掺杂棒的材料折射率n1为1.45485；所述第二高折射率掺杂棒的材料折射率n2为1.456442；所述第三高折射率掺杂棒的材料折射率n3为1.45230；所述第四高折射率掺杂棒的材料折射率n4为1.44918；所述第五高折射率掺杂棒的材料折射率n5为1.44680。
17.进一步地，上述基底材料为二氧化硅。
18.进一步地，上述上侧旁芯的几何中心与光纤侧抛面的垂直距离为8.5um，抛磨面金膜厚度为50um。
19.另外，本发明还提出一种上述基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
20.步骤1)：中心纤芯复用模式的选择
21.根据模截止条件确定上述中心纤芯为六模波导，并在中心纤芯可提供的六种传输模式中选择了lp
01
、lp
11
、lp
02
、lp
31
和lp
12
五个模式作为中心纤芯的待复用传输模，避免复用lp
21
与lp
02
模式产生串扰。
22.步骤2)：选取四个旁芯高折射率棒的掺杂浓度
23.在满足折射率匹配原理的首要前提下，使得通入上、下、左、右旁芯的lp
01
模式的光信号在保证良好的模式纯净度的条件下将逐步向中心纤芯耦合并分别转换为lp
31
、lp
12
、lp
02
、lp
11
模式的光信号；
24.步骤3)：计算光纤长度以及旁芯与中心纤芯芯间距
25.根据超模理论，通过有限元法分别计算得到中心纤芯与各旁芯的耦合长度随其芯间距的变化关系；
26.步骤4)：将选取的具有不同掺杂浓度的高折射率棒分别插入用激光打孔后的石英基底中，确保光纤长度以及各旁芯与中心纤芯的芯间距，然后放到拉丝塔上对其进行拉制来实现制作。
27.步骤5)：对制成的五芯光纤侧抛至其上侧旁芯的几何中心与光纤侧抛面的垂直距离为8.5um后，使用磁控溅射仪对其抛磨面进行金膜涂覆操作，涂覆金膜厚度设置为50um。利用上侧旁芯中传输的lp
01
模式光与抛磨面上所镀的金发生spr反应，即可使该器件在实现模式复用的同时具备传感检测能力。
28.进一步地，上述步骤3)中，将各部分模式转换的耦合长度调制在同一个光纤长度下，即以光纤长度确定各旁芯与中心纤芯的芯间距，使在器件的输出端同时获得四个模式的同步转换。
29.本发明的优点：
30.(1)本发明提出的一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器，采用的是多个模式同时调制同步耦合的设计思路，相较于分段式(级联型)耦合来说，该设计有效地缩短了器件长度，降低了连接处损耗及制作复杂程度，提高了器件设计的集成性。
31.(2)本发明提出的一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器，通过在中心纤芯可提供的六种传输模式中选择了除去lp
21
的五个模式作为中心纤芯的待复用传输模，此设计思路既兼顾了实现五模传输功能又高效简便地避免了复用lp
21
与lp
02
模式产生串扰。
32.(3)本发明提出的一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器，该模分复用器在中心波长附近8nm带宽范围内插入损耗il低于1db/m,il在1.55μm波长处最低为0.55db/m，远低于大家普遍采用的1db插入损耗的评价标准。
33.(4)本发明提出的一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器，仅由不同掺杂浓度的高折射率棒以及石英基底构成，其结构简单，制作过程较为容易。其中五根高折射率棒的掺杂浓度设计合理易于制备。旁芯与中心纤芯的芯间距最小为16.5μm，最大为29μm，该制作参数将使得对石英基底进行激光打孔更为可控，成品率更高。
34.(5)本发明提出的一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器，其输入端口可与多芯空分复用光纤搭配使用，输出端口与长距离传输少模光纤尺寸相近易于熔接，本发明的模分复用器将更适用于小型化和集成化模分复用系统。
35.(6)本发明提出的一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器，对该五芯光纤进行简单的侧抛及金属镀膜处理后，利用旁芯中传输的lp
01
模式光与抛磨面上所镀的金发生spr反应，即可使该器件在实现模分复用的同时具备传感检测能力。
36.(7)本发明提出的一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器，成功集成了模分复用与spr传感两种功能，使得该模分复用器在正常工作的同时可对其工作环境实现实时的自检自测，便于研究人员对器件的性能及故障进行分析。该设计在降低器件体积、提高系统集成度及降低不同光器件连接处能量损耗等方面都具有重要价值。
附图说明
37.图1是本发明实施例一的模分复用器的光纤截面结构示意图；
38.图2是本发明实施例一的模分复用器3d结构及工作示意图；
39.图3是本发明实施例一的中心纤芯不同模式下的有效折射率随波长的变化关系；
40.图4是本发明实施例一的在不同r2条件下的旁芯基模有效折射率随旁芯材料折射率的变化关系；
41.图5是本发明实施例一的五芯光纤的超模模场示意图；
42.图6是本发明实施例一的各模式转换的耦合长度随双芯组合波导的芯间距λ的变化关系；
43.图7是本发明实施例一的中心波长处模式转换复用过程能量曲线图；
44.图8是本发明实施例一的中心波长附近波段的器件插入损耗示意图；
45.图9是本发明实施例一的模分复用器在中心波长处的各期望模式的模式消光比随光纤传输长度的变化关系；
46.图10是本发明实施例一的通入(a)右(b)左(c)上(d)下旁芯的基模在模式转换过程中对其余旁芯的串扰随光纤传输距离变化的关系曲线。
47.图11是本发明实施例二的基于五芯光纤的模分复用器及d型传感器的光纤截面结构图。
48.图12是本发明实施例二的基于五芯光纤的模分复用器及d型传感器的上侧旁芯lp
01
模式光的y偏振方向模式损耗与波长的关系。
49.其中，1、第一高折射率掺杂棒；2、第二高折射率掺杂棒；3、第三高折射率掺杂棒；4、第四高折射率掺杂棒；5、第五高折射率掺杂棒；6、基底材料；7、高折射率掺杂棒。
具体实施方式
50.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
51.参见图1和图2，本发明提供一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器，其包括基底材料6以及高折射率掺杂棒7。高折射率掺杂棒7包括第一高折射率掺杂棒1、第二高折射率掺杂棒2、第三高折射率掺杂棒3、第四高折射率掺杂棒4、第五高折射率掺杂棒5。所述第一高折射率掺杂棒1位于基底材料6的圆心位置，第二、三、四、五高折射率掺杂棒分别位于以第一高折射率掺杂棒1的几何中心为坐标原点的xy正负半轴上。第二、三、四、五高折射率掺杂棒直径大小相同，第一高折射率掺杂棒1直径大于第二、三、四、五高折射率掺杂棒直径。所述基底材料6进行d型化侧抛处理。
52.所述第二高折射率掺杂棒2、第三高折射率掺杂棒3、第四高折射率掺杂棒4、第五高折射率掺杂棒5与第一高折射率掺杂棒1的几何中心的距离依次增大。
53.第一高折射率掺杂棒1区域构成模分复用器的中心纤芯，第二高折射率掺杂棒2区
域构成模分复用器的右侧旁芯，第三高折射率掺杂棒3区域构成模分复用器的左侧旁芯，第四高折射率掺杂棒4区域构成模分复用器的上侧旁芯，第五高折射率掺杂棒5区域构成模分复用器的下侧旁芯。中心纤芯用作复用信号的输出纤芯，各旁芯用作模式调制信号的输入纤芯及传感检测纤芯。
54.作为本发明的一个优选实施例，所述第一高折射率掺杂棒1的直径r1为16μm；第二、三、四、五高折射率掺杂棒7的直径r2均为7μm。
55.作为本发明的一个优选实施例，所述第二高折射率掺杂棒2与第一高折射率掺杂棒1的几何中心的距离d1为16.5μm；第三高折射率掺杂棒3与第一高折射率掺杂棒1的几何中心的距离d2为18.5μm；第四高折射率掺杂棒4与第一高折射率掺杂棒1的几何中心的距离d3为20μm；第五高折射率掺杂棒5与第一高折射率掺杂棒1的几何中心的距离d4为29μm。
56.作为本发明的一个优选实施例，所述第一高折射率掺杂棒1的材料折射率n1为1.45485；所述第二高折射率掺杂棒2的材料折射率n2为1.456442；所述第三高折射率掺杂棒3的材料折射率n3为1.45230；所述第四高折射率掺杂棒4的材料折射率n4为1.44918；所述第五高折射率掺杂棒5的材料折射率n5为1.44680。
57.作为本发明的一个优选实施例，所述基底材料6为二氧化硅。
58.作为本发明的一个优选实施例，所述上侧旁芯的几何中心与光纤侧抛面的垂直距离为8.5um，抛磨面金膜厚度为50um。
59.本发明通过对光纤的侧面进行抛磨，然后选择在抛光外表面上沉积纳米金属薄膜，相对于孔内镀膜制备难度大大降低；另外，将待测分析物放置在光纤外侧，这大大降低了传感器对待测液体的接触难度，从而提高了传感器的检测效率。
60.一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器的制作方法，包括以下步骤：
61.步骤1)：中心纤芯复用模式的选择
62.根据模截止条件确定上述中心纤芯为六模波导，并在中心纤芯可提供的六种传输模式中选择了lp
01
、lp
11
、lp
02
、lp
31
和lp
12
五个模式作为中心纤芯的待复用传输模，避免复用lp
21
与lp
02
模式产生串扰。
63.步骤2)：选取四个旁芯高折射率棒的掺杂浓度
64.光纤四个旁芯高折射率棒的掺杂浓度的选取是在满足折射率匹配原理的首要前提下，进一步统筹考虑模截止条件以及实际制作的难易度得到的，使得通入上、下、左、右旁芯的lp
01
模式的光信号在保证良好的模式纯净度的条件下将逐步向中心纤芯耦合并分别转换为lp
31
、lp
12
、lp
02
、lp
11
模式的光信号。
65.步骤3)：计算光纤长度以及旁芯与中心纤芯芯间距
66.光纤长度以及旁芯与中心纤芯芯间距的选取所采用的方法为：根据超模理论，通过有限元法分别计算得到各双芯组合波导(中心纤芯与各旁芯)的耦合长度随其芯间距的变化关系。为了在器件的输出端同时获得四个模式的同步转换，最佳做法是将四个模式转换的耦合长度均调制在光纤长度下。综合考虑该模分复用器件的应用需求以及器件的尺寸要求，本发明将该多芯光纤的长度选择为1.8cm。并将各部分模式转换的耦合长度调制在该光纤长度下，即以光纤长度确定各个旁芯与中心纤芯的芯间距。
67.步骤4)：将具有不同掺杂浓度的高折射率棒7分别插入用激光打孔后的石英基底6
中，然后放到拉丝塔上对其进行拉制来实现制作。掺杂棒所在区域则构成了多芯光纤的纤芯，中心纤芯位于光纤端面的圆心位置并作为模分复用器的复用通道，其余四个旁芯分别位于以中心纤芯的几何中心为坐标原点的xy正负半轴上，并作为模分复用器的模式调制的输入通道。
68.对中心纤芯的复用模式的消光比进行了计算分析，结果表明各复用模式均具有较高的模式转换纯净度。对每个模式转换过程对其余旁芯的因非期望能量耦合引起的串扰进行了分析，结果显示，由非期望耦合所带来的芯间串扰可忽略不计，确保了该多芯光纤模分复用器的每个模式转换过程的独立稳定性。并且发现旁芯间基模模式有效折射率的差值越大，越能减小芯间非期望能量耦合所带来的串扰。
69.步骤5)：对制成的五芯光纤侧抛至其上侧旁芯的几何中心与光纤侧抛面的垂直距离为8.5um后，使用磁控溅射仪对其抛磨面进行金膜涂覆操作，涂覆金膜厚度设置为50um。利用上侧旁芯中传输的lp
01
模式光与抛磨面上所镀的金发生spr反应，即可使该器件在实现模式复用的同时具备传感检测能力。
70.实施例一
71.图1是本发明实施例一的模分复用器的光纤截面结构示意图。光纤由sio2基底材料6和五根高折射率掺杂棒构成，每根高折射率掺杂棒都构成一个局域光传输的独立纤芯。其中，中心纤芯位于光纤端面的圆心位置并作为模分复用器的复用通道，其余四个旁芯作为模分复用器的模式调制输入端分别位于以中心纤芯的几何中心为坐标原点的xy正负半轴上。五芯的十字形排列有利于将旁芯间的距离控制在一个较大的数值，这将简单有效地降低旁芯间的芯间串扰，并使得每个旁芯向中心纤芯对应高阶模式的转换更加独立。
72.图2是本发明实施例一的模分复用器3d结构及工作示意图。本发明通过将具有不同掺杂浓度的高折射率棒分别插入用激光打孔后的石英基底中，然后放到拉丝塔上对其进行拉制来实现制作。通过结构设计和参数优化，实现了上、下、左、右四个旁芯的lp
01
模式的光向中心纤芯中lp
31
、lp
12
、lp
02
、lp
11
四个高阶模式的耦合转换。并与中心纤芯中输入的lp
01
模式光一起实现了在复用器输出端的五模复用。
73.图3是本发明实施例一的中心纤芯不同模式下的有效折射率随波长的变化关系。对于模分复用器，用于承载模式复用的纤芯的设计至关重要。考虑到少模光纤(fmf)中较少的模式数量可以显著地降低模式色散，本发明将中心纤芯设计为少模纤芯。根据模式截止原理，当导模的传输常数等于外包层中平面波的传输常数时，将发生模式截止。当导模截止时，导模的本征值u趋近于归一化截至频率a纤芯半径，n1为纤芯材料折射率，n2为包层材料折射率，λc为截止波长)。而当5.52008《vc《6.38016时，光纤中将支持lp
01
，lp
11
，lp
21
，lp
02
，lp
31
，和lp
12
六个导模，而lp
41
模及更高阶的模式将全部截止，并转化为辐射模在包层中传播。根据设计需要，本发明将中心纤芯的直径r1确定为16um，掺杂折射率n1确定为1.45485，并将其作为基础参数。经计算分析，该中心纤芯的归一化截止频率为5.7460，满足上述模式截止条件，可以形成六模纤芯。
74.图4是本发明实施例一的在不同r2条件下的旁芯基模有效折射率随旁芯材料折射率的变化关系。为了降低制作难度，本发明在对旁芯进行设计时将它们的纤芯半径全部设置为相同的参量r2。图4利用有限元方法分析了在1.55μm波长下，不同r2条件下的旁芯基模
有效折射率随旁芯材料折射率的变化关系。为了展示旁芯与中心纤芯相应模式间的相位匹配关系，图中用横虚线标示了中心纤芯中所支持传输的四个高阶模(从上到下依次为lp
11
、lp
02
、lp
31
和lp
12
)的模式有效折射率(分别为1.45142、1.44792、1.44563、1.44437)。如图4所示，旁芯基模有效折射率随旁芯材料折射率的增大而增大，当旁芯基模的有效折射率等于所标示的中心纤芯的高阶模的有效折射率时，则两模式之间满足相位匹配条件，此时旁芯基模有效折射率所对应的旁芯材料折射率则代表在此共振效应发生时旁芯所需设置材料折射率的大小。
75.本发明在仿真时考虑了实际的掺杂棒制作许可，按现有工艺水平，在1.55μm时石英中掺锗后其材料的相对折射率差上升的最大限制一般在1％～2％之间，此处按上升0.018进行考虑，横坐标取值限制到了1.458。令人印象深刻的是，图4中当r2＝5μm时，在横坐标的取值范围内，旁芯基模的有效折射率没有达到与中心纤芯lp
11
模的有效折射率相等的条件，这说明在可制备的前提下，该旁芯基模与中心纤芯lp
11
模无法达成相位匹配。而当r2为9μm时，用于转换lp
11
和lp
02
模的旁芯的归一化截止频率vc》2.405，不满足单模传输条件，这可能会导致在光输入时带来除基模以外的高阶模式的激发，影响该光纤的模式纯净度。基于以上分析，本发明确定了r2＝7μm这一最优参数，并同时确定了四个旁芯的掺杂折射率，即当右旁芯掺杂折射率n2＝1.456442时，右旁芯基模与中心纤芯lp
11
模完成相位匹配；当左旁芯掺杂折射率n3＝1.45230时，左旁芯基模与中心纤芯lp
02
模完成相位匹配；当上旁芯掺杂折射率n4＝1.44918时，上旁芯基模与中心纤芯lp
31
模完成相位匹配；当下旁芯掺杂折射率n5＝1.44680时，下旁芯基模与中心纤芯lp
12
模完成相位匹配。综合以上分析，上下左右四个旁芯的半径均为r2＝7μm，其材料折射率分别为1.44918、1.44680、1.45230和1.456442。
76.图5是本发明实施例一的五芯光纤的超模模场示意图。根据超模理论，发生光耦合效应的双芯波导(中心纤芯与旁芯)会在光传输过程中同时激发出电场振幅相同的对称模和反对称模，即一种在两个相互靠近的波导中同时存在光场的组合模式，如图5所示。图中展示的均为发生光耦合效应时存在于双芯波导的超模图像，其中(a)、(c)、(e)、(g)四个超模为对称模，而(b)、(d)、(f)、(h)四个超模则为反对称模。
77.图6是本发明实施例一的各模式转换的耦合长度随双芯组合波导的芯间距λ的变化关系。耦合长度对于多模式转换器是一个非常重要的指标。耦合长度可定义为光能量全部从双芯中的一个纤芯转移到另外一个纤芯所需要的传输距离，耦合长度取决于工作波长，还取决于两个纤芯间的距离。本发明提出的五芯光纤模分复用器包括四个模式转换过程，我们只有将各部分模式转换的耦合长度调制为同一参数，才能在光纤输出端的中心纤芯中同时得到五种传输模式。由于该光纤主要考虑在1.55μm波长处的模式转换及复用，所以我们仅探讨耦合长度随旁芯与中心纤芯芯间距的变化关系。根据对称模与反对称模光场叠加原理，耦合长度lc可表示为发生光耦合效应的双芯波导的对称模和反对称模实现π相位差的长度即：
[0078][0079]
式中和β

和β-分别代表对称模与反对称模的传播常数，这两个值可以通过有限元法计算得到。
[0080]
从图6中可以看出，各阶模式转换的耦合长度均随其芯间距的增大而增大。且在相同的芯间距条件下，模式转换的阶数越低，双芯组合波导的耦合长度越小。通过对比lp
01
→
lp
11
模式转换与lp
01
→
lp
31
模式转换的耦合长度曲线可以明显看出，低阶模式双芯组合波导的耦合长度随芯间距的变化会更为明显。为了在器件的输出端同时获得四个模式的同步转换，最佳做法是将四个模式转换的耦合长度均调制在光纤长度下。综合考虑该模分复用器件的应用需求以及器件的尺寸要求，本发明将该多芯光纤的长度选择为1.8cm。图6中虚线标示了在1.8cm耦合长度下各旁芯与中心纤芯间所需要设置的间距分别为16.5μm，18.5μm，20μm和29μm。
[0081]
图7是本发明实施例一的中心波长处模式转换复用过程能量曲线图。采用光束传播法对该五芯光纤进行通光仿真来研究其传输特性，在z＝0cm时即光源入射处，光纤输入端的五个纤芯分别通入了携带不同信息的基模光信号，每个基模的能量大小均以归一化的0.2来表示。随着传输距离的增加，上下左右旁芯的基模逐渐转换为中心纤芯对应的各高阶模，中心纤芯开始出现混合光场模斑。旁芯的基模能量随之减小，中心纤芯对应的各高阶模能量增加，而中心纤芯的基模能量则几乎不发生改变。由于同一信道不同模式间会存在一定的模间干涉，所以便导致模式能量曲线均出现了较大的波动。当z＝1.8cm即光纤末端时，上下左右旁芯的能量几乎完全消失，中心纤芯的基模以及转换完成的高阶模均具有较高的能量。我们根据模式转换效率的定义计算得到了中心纤芯lp
01
、lp
11
、lp
02
、lp
31
、lp
12
五个模式的耦合效率分别为92.7％，87.8％，94.5％，90.4％，75％。
[0082]
图8是本发明实施例一的中心波长附近波段的器件插入损耗示意图。模分复用器的插入损耗(il)是衡量该器件性能的主要指标,其与模式转换效率有关。模分复用器整体模式转换效率越低，器件的插入损耗(il)就越高。现普遍采用的标准为在工作波段下插入损耗应低于1db。插入损耗以输入和输出的能量比值为基准来进行表示，具体的表达式为
[0083][0084]
在研究时，将在z＝0处所有纤芯的输入总能量作为p
in
，在z＝1.8cm处(即该多芯光纤末端位置)中心纤芯的输出总能量作为p
out
来进行计算。为了确定该模分复用器的适用工作波段，本发明计算了在1.53μm-1.58μm波段下的器件插入损耗，如图8所示。结果显示，该模分复用器在中心波长附近8nm带宽范围内插入损耗il低于1db/m,il在1.55μm波长处最低为0.55db/m。
[0085]
图9是本发明实施例一的模分复用器在中心波长处的各期望模式的模式消光比随光纤传输长度的变化关系。对于模分复用系统来说，消光比(er)是最重要的参数之一，我们可以用消光比这一参数来描述复用信道内的模式串扰。
[0086]
消光比(er)的定义为：
[0087][0088]
其中,和分别为模分复用器的输出端的期望模式lp
lm
(目标输出模式)和非期望模式lp
others
(非目标输出模式)的总光功率。
[0089]
对于本发明所提出的多芯光纤型模分复用器来说，当仅对该光纤输入端其中一个
纤芯通光时，计算其对应待转换模式在光纤输出端的消光比，消光比(er)越大，说明非期望转换模式对期望转换模式的串扰就越小；消光比(er)越小，则考虑在内的所有其他非期望模式对期望模式的串扰就越大。
[0090]
在本发明中我们将考虑前五阶线偏振模式(lp
01
、lp
11
、lp
21
、lp
02
、lp
31
、lp
12
)对期望模式的影响。如图9所示为该模分复用器在中心波长处各期望模式的模式消光比随传输长度的变化关系。随着传输长度的增加，各期望转换模式的模式消光比均呈现上升的趋势，消光比er
12
(lp
12
模式的消光比)与er
01
在传输距离1cm之后均出现了较大的波动；消光比er
11
和er
02
一开始呈现缓慢的上升趋势，在传输距离1.5cm之后则趋于平稳；消光比er
31
在传输距离1.5cm之前随着传输距离的增加缓慢提高，在传输距离1.5cm处会有一个较为明显的提高，并在传输距离1.8cm处达到最大值，之后随传输距离的增加又缓慢下降。由于该光纤截取1.8cm时，各期望转换模式均可以获得较高的模式消光比(er
01
＝21.2db、er
11
＝33.3db、er
02
＝26.6db、er
31
＝39.1db、er
12
＝48.3db)，所以本发明所提出的多芯光纤模分复用器的模间串扰会非常小，对于模式的调制以及复用来说可以获得很高的模式纯净度。
[0091]
图10是本发明实施例一的通入(a)右(b)左(c)上(d)下旁芯的基模在模式转换过程中对其余旁芯的串扰随光纤传输距离变化的关系曲线。对于本发明所提出的多芯光纤模分复用器，为了确保其每个模式转换及复用的过程是独立且稳定的，本发明对每个模式转换过程对其余旁芯产生的影响进行了分析，参考多芯少模光纤的芯间串扰计算公式，本发明所采用的计算公式为
[0092]
xt
a-b
＝10*lg(pb)-10*lg(pa p
a'
)
[0093]
其中，xt
a-b
为通入旁芯a的基模向中心纤芯模式转换过程中对旁芯b因产生非期望能量耦合所带来的串扰，pa为通入旁芯a的基模的光功率，p
a'
为中心纤芯内对应的转换模式的光功率，pb为某一旁芯内的总光功率。图10(a)为通入右侧旁芯的基模在模式转换过程中对其余旁芯的串扰随光纤传输距离变化的关系曲线，如图所示，xt
r-l
(右旁芯通入的基模在模式转换过程中对左旁芯产生的串扰)、xt
r-u
(右旁芯通入的基模在模式转换过程中对上旁芯产生的串扰)、xt
r-d
(右旁芯通入的基模在模式转换过程中对下旁芯产生的串扰)随光纤传输长度的增加均产生了较大的波动，且其波动范围约20db。但总体来看，xt
r-l
、xt
r-u
、xt
r-d
均保持在一个非常低的水平，在1.8cm光纤输出端xt
r-l
、xt
r-u
、xt
r-d
分别为-36.9db、-53.5db、-54.1db。则相比较而言，xt
r-l
数值略大；图10(b)为通入左侧旁芯的基模在模式转换过程中对其余旁芯的串扰随光纤传输距离变化的关系曲线，从图中可以看出，xt
l-r
、xt
l-d
随光纤传输长度的增加同样会产生较大的波动，波动范围约20.0db，并且xt
l-r
与图10(a)中的xt
r-l
的波动趋势几乎一致，但在1.8cm光纤输出端xt
l-r
、xt
l-d
分别为-40.8db、-47.9db。xt
l-u
则随光纤传输长度的增加缓慢升高，在1.8cm光纤输出端也可达到-38db；图10(c)为通入上侧旁芯的基模在模式转换过程中对其余旁芯的串扰随光纤传输距离变化的关系曲线，从图中我们可以明显看出，xt
u-l
、xt
u-d
随光纤传输长度的增加而较为平稳的缓慢升高，最终在1.8cm光纤输出端xt
u-l
、xt
u-d
分别达到了-37.7db、-28.0db。值得注意的是，此时的xt
u-r
、xt
u-l
分别与图10(a)、图10(b)中的xt
r-u
、xt
l-u
的曲线波动趋势一致，但xt
u-r
在1.8cm光纤输出端可达到-55db。由此我们得到结论，xt
a-b
与xt
b-a
随光纤传输长度变化的趋势几乎一致，且数值也相差较小；图10(d)为通入下侧旁芯的基模在模式转换过程中对其余旁芯的串扰随光纤传输距离变化的关系曲线，观察图中xt
d-r
、xt
d-l
、xt
d-u
的变化趋势，即可印证上文所
提出的结论。且在1.8cm光纤输出端xt
d-r
、xt
d-l
、xt
d-u
分别达到了-47.6db、-45.5db、-28.0db。
[0094]
根据上文所述，(通入a/b旁芯的基模向中心纤芯模式转换过程中对b/a旁芯的串扰)存在如下大小关系：通过对比该多芯光纤的旁芯基模模式有效折射率的差值关系：我们发现旁芯间基模模式有效折射率的差值越大，越能减少芯间非期望能量耦合所带来的串扰。原因是该多芯光纤结构为异质结构，光纤的每个旁芯均设置了不同的纤芯折射率，这将会引起纤芯中信号的传播常数差异，从而减小旁芯间的非期望能量耦合。同时考虑到该光纤用作模分复用的距离仅为1.8cm，则由非期望能量耦合所带来的芯间串扰即可忽略不计，因此确保了该多芯光纤模分复用器的每个模式转换过程的独立稳定性。
[0095]
综上，本发明通过调整掺杂棒的材料折射率、直径大小和光纤长度的选择，使得通入上、下、左、右旁芯的lp
01
模式的光信号将逐步向中心纤芯耦合并分别转换为lp
31
、lp
12
、lp
02
、lp
11
模式的光信号，并与通入中心纤芯的lp
01
模式的光信号在光纤的输出端实现五种模式的完全转换及复用。
[0096]
实施例二
[0097]
本实施例给出一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器。
[0098]
对实施例一中的基于五芯光纤的模分复用器进行侧面抛磨处理，将五芯光纤侧抛至其上侧旁芯的几何中心与光纤侧抛面的垂直距离为8.5um后，使用磁控溅射仪对其抛磨面进行金膜涂覆操作，涂覆金膜厚度设置为50um。利用上侧旁芯中传输的lp
01
模式光与抛磨面上所镀的金发生spr反应，即可使该器件在实现模式复用的同时具备传感检测能力，该基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器的光纤截面结构如图11所示。
[0099]
图12显示了所测分析物折射率为1.35时，该光纤器件的上侧旁芯lp
01
模式光y偏振方向模式损耗与波长的关系。图中显示，该光纤器件在波长1.43μm处有一个明显的损耗峰。
[0100]
本发明所提出的一种基于五芯光纤的低损耗五模模分复用器及d型传感器成功集成了模分复用与spr传感两种功能，使得该模分复用器在正常工作的同时可对其工作环境实现实时的自检自测，便于研究人员对器件的性能及故障进行分析。该设计在降低器件体积、提高系统集成度及降低不同光器件连接处能量损耗等方面都具有重要价值。
[0101]
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。