CN101339273A - 一种光纤模式转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明具有实现模式之间转换的光纤模式转换器。所说的光纤模式转换器，是双芯光子晶体光纤，包括基质材料和空气孔组成的包层和纤芯，其特征在于，所说的纤芯是两个大小不等的纤芯，其中小的纤芯用于传输基模，大的纤芯用于传输高阶模；小纤芯的基模有效折射率和大纤芯相应高阶模的有效折射率在工作波长位置处相等。本发明的光纤模式转换器，利用两个纤芯中基模与高阶模之间的能量耦合，实现基模与高阶模之间的转换，可得转换的模式达到更加纯净。同时，由于采用双芯光子晶体光纤结构，在制造技术上不存在特殊的要求，并且容易实现批量化的生产，从而比采用光纤光栅更具竞争力。

Description

一种光纤模式转换器
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，具体涉及具有实现模式之间转换的光纤模式转换器。
背景技术
由于单模光纤可以避免多模光纤传输时的模间色散问题，因此目前广泛在通信、传感等领域应用最广的是单模光纤。近年来，人们也提出了许多新型的光纤结构。如采用光子带隙原理的Bragg光纤，其传输损耗最低的模式并非普通单模光纤的LP01模，而是TE01模[Optics Express，2001，9(13)，748]。此外，人们还提出采用高阶模实现色散补偿技术[Journal of Lightwave Technology，2005，23(11)，3426]以及将基模光转换为高阶模[OpticsLetters，2006，31(12)，1797]，从而实现大模场、低损耗光传输等等。
当以上几种光纤器件与其它常规光纤连接时，就需要借助模式转换器来实现LP01模与其它模式之间的转换。光纤模式转换器是一种实现光纤中不同模式场之间转换的器件。
人们已经提出了几种适用于光纤间模场转换的器件，其中最常见的是基于光纤光栅的模式转换器[Journal of Lightwave Technology，2005，23(11)，3426]。如采用光纤光栅将光纤的基模转换为高阶模，以及实现相反的功能。但采用光纤光栅时，基模光及转换后的高阶模都是在同一根光纤中传输的，因此，如果光纤光栅不能实现将基模光百分之百地转换为高阶模，则在光纤中将有剩余的基模光在光纤中传输。由于在以上几种光纤器件中，均要求光纤中只存在一个模式，从而实现另一种意义上的单模传输，因此，这些剩余能量将对传输的光信号产生干扰，从而影响光纤器件的性能。
发明内容
针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提出一种基于双芯光子晶体光纤结构的模式转换器。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案是：一种光纤模式转换器，是双芯光子晶体光纤，包括基质材料和空气孔组成的包层和纤芯，其特征在于，所说的纤芯是两个大小不等的纤芯，其中小的纤芯用于传输基模，大的纤芯用于传输高阶模；小纤芯的基模有效折射率和大纤芯相应高阶模的有效折射率在工作波长位置处相等。
所述的工作波长即需要进行模式转换的光的波长。由于耦合效应，这种波长的光进入光纤的任一纤芯后，两纤芯中的能量将发生周期性的转移。即如果从小的纤芯中输入基模光，则通过耦合，基模光将转换为大纤芯中与它在有效折射率上相匹配的高阶模。如果将光纤长度取为两者的耦合长度或耦合长度的整数倍，即可实现将基模光完全转换为高阶模。因此，上述所说的光纤模式转换器，其光纤长度最好取为两模式的耦合长度或耦合长度的整数倍。即使由于制造的误差如光纤长度存在误差等的关系，不能够实现完全的转换，如前所述，基模能量是存在于小的纤芯中，而高阶模能量是从大的纤芯中输出到其它光纤中去的，因而未完全转化的部分能量不会与转化后的模式相混合，从而不会影响光信号传输质量。因此，这种结构可以允许光纤长度存在一定的误差，这种误差只会导致模式转换效率的降低，而不会导致两个模式的混合，从而对转换后模式的质量没有影响。
采用相同的双芯光子晶体光纤结构，将高阶模从大纤芯中输入，则可以在另一端获得转换后的基模。采用这种方法可以将以高阶模形式在某些光纤中传输的光信号转换为单模光纤中的基模信号。
在上述所说的光纤模式转换器中，小的纤芯中填有低折射率的介质棒，大的纤芯由在规则网格结构上缺失的七个空气孔所组成。
在上述所说的光纤模式转换器中，规则网格为三角形或正方形结构。
本发明中所说的光纤的材料都是常规的，例如所说的基质材料，可以是纯石英，也可以是掺杂氟或B2O3、GeO2或P2O5等的石英材料，亦可采用聚合物材料如聚苯乙烯等。
本发明的光纤模式转换器，利用两个纤芯中基模与高阶模之间的能量耦合，实现基模与高阶模之间的转换，由于基模光与高阶模是在两个不同的纤芯中传输的，因而，即使基模光与高阶模之间不能实现完全的转换，剩余的能量仍然不会被耦合到相应的光纤中去，从而使得转换的模式达到更加纯净。同时，由于采用双芯光子晶体光纤结构，在制造技术上不存在特殊的要求，并且容易实现批量化的生产，从而比采用光纤光栅更具竞争力。
附图说明
图1为本发明的一种实施例的横截面示意图
其中，1-基质材料，2-空气孔，3-小纤芯，4-大纤芯。
图2为图1所示结构中小的纤芯的LP01模和大的纤芯中的LP02模的有效折射率与波长的关系示意图
图3为光信号在图1所示光纤中传输距离分别为0，L/3，2/3L，L时的场分布示意图，L为光纤实际长度，其值为12.7mm。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的优选实施例。本实施例实现基模LP01模与LP02模之间的转换。
实施例一：
如图1所示，双芯光子晶体光纤的基质材料1为纯石英，空气孔2的直径d为2.28μm，孔间距取为Λ＝4.56μm。小纤芯3是由掺杂的石英组成的，它比纯石英的折射率低0.004。大纤芯4由缺失的7个空气孔所组成。工作波长为1.55μm，光纤长度为12.7mm。图2为图1所示结构中小纤芯的LP01模和大纤芯中的LP02模的有效折射率与波长的关系示意图。两条曲线在此1.55μm处相交，因此，在此波长处小纤芯的LP01模和大的纤芯中的LP02模将发生周期性的能量耦合。将光纤长度取为两者的耦合长度，即12.7mm，就可以实现模式转换的目的。采用不同的光纤结构参数，可以实现小纤芯的LP01模与大纤芯中的其它模式之间的转换。在本实施例中，小纤芯中的LP01模的模场面积与损耗分别为27μm2和0.05dB/m。而大纤芯中的LP02对应的模场面积与损耗分别为75μm2和1×10-4dB/m。其模场面积较大，传输损耗低。且光纤的偏振相关性小，其14nm的带宽范围内光纤的偏振相关损耗小于0.14dB。图3为小纤芯中输入光信号后，光纤中的光场变化图，可以看出，转换效率很高。
上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

Claims (4)

1、一种光纤模式转换器，是双芯光子晶体光纤，包括基质材料和空气孔组成的包层和纤芯，其特征在于，所述的纤芯是两个大小不等的纤芯，其中小的纤芯用于传输基模，大的纤芯用于传输高阶模；小纤芯的基模有效折射率和大纤芯相应高阶模的有效折射率在工作波长位置处相等。
2、根据权利要求1所述的光纤模式转换器，其特征在于，其中光纤长度为两模式的耦合长度或耦合长度的整数倍。
3、根据权利要求2所述的光纤模式转换器，其特征在于：小的纤芯中填有低折射率的介质棒，大的纤芯由在规则网格结构上缺失的七个空气孔所组成。
4、根据权利要求3所述的光纤模式转换器，其特征在于：所说的规则网格为三角形或正方形结构。
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