CN104076433A - 一种光纤模式分离器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光纤模式分离器，光纤由基质材料和三个纤芯组成；三个纤芯的中心连线成一直线，中间纤芯与两侧纤芯的中心距离相同。三个纤芯的折射率分布、纤芯尺寸相同。本发明采用三个纤芯的光纤结构，增大不同模式之间的耦合长度差别，实现模式的有效分离，并有效抑制模式之间的混扰。经串联后使用，可实现对多个不同模式的有效分离。光纤纤芯参数完全相同，避免了采用不同尺寸纤芯时，制作的困难和参数误差对光纤耦合性能的影响。

Description

一种光纤模式分离器
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，具体分为具有实现模式之间分离的模式分离器。 
背景技术
近年来，空分复用引起了人们广泛的兴趣。空分复用***采用多芯光纤或多模光纤实现。其中采用多模光纤时，是通过不同模式（包括不同的偏振模）实现模分复用的。由于多个不同的模式载荷不同的信息，因此，模分复用可以有效地提高光纤的传输容量。 
在模分复用***中，既需要将不同模式合成到一根光纤，也需要在接收端将不同的模式进行有效的分离。即在发送端需要模式合束器，而在接收端需要模式分离器。采用分立元件，如光栅可以实现模式的分离，但增加了***的复杂性。基于光纤结构的模式分离器的最简单例子是采用对称结构的双芯光纤耦合器，利用不同模式耦合长度的不同，通过选择合适的参数就可以实现模式分离的目的。由于要使不同模式的耦合长度满足特定的倍数关系，这种方法获得的分离器的带宽较窄。基于单模光纤与少模光纤耦合的双芯光纤同样也可作为模式合束器使用，其缺点是单模光纤的基模与少模光纤的高阶模基于折射率匹配耦合，由于难以实现宽带匹配，其工作带宽一般都较窄，且不同模式之间会发生耦合【Few-mode optical fiber for mode-division multiplexing(少模光纤用于模分复用）,Opt. Fiber Technol.,2011, 17(5): 490-494】。 
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的是提供一种具有宽带工作特性且有效避免模式间耦合的新型模式分离器。 
本发明的技术方案为：一种光纤模式分离器，包括三个纤芯与包层，所述包层有基质材料组成；所述三个纤芯的中心连线成一直线，中间纤芯与两侧纤芯的中心距离相同，所述三个纤芯的折射率分布相同、所述三个纤芯的直径相同，所述三个纤芯的归一化频率V满足V>2.405， ，其中a为纤芯半径，λ为工作波长，n core为纤芯折射率，n clad为包层折射率。 
作为本发明的进一步改进，所述三个纤芯的折射率a与包层的折射率n clad之差满足：n core-n clad>0.008。 
作为本发明的进一步改进，所述中间纤芯与两侧纤芯的中心距离d满足：d >2a+3 μm。 
作为本发明的进一步改进，所述三个纤芯的折射率a与包层的折射率n clad之差满足：n core-n clad>0.01,所述纤芯的归一化频率V满足V>3.832。 
本发明的技术效果为：采用三个纤芯的光纤结构，增大不同模式之间的耦合长度差别，实现模式的有效分离，并有效抑制模式之间的混扰。经串联后使用，可实现对多个不同模式的有效分离。光纤纤芯参数完全相同，避免了采用不同尺寸纤芯时，制作的困难和参数误差对光纤耦合性能的影响。 
附图说明
图1为本发明的一种实施例的横截面示意图； 
图2为双芯光纤中不同模式的耦合曲线；
图3为图1所示的光纤中不同模式的耦合曲线；
图4 为图1所示的光纤中从第一纤芯2输入LP02模后，在不同的传输距离处光纤的场强分布；
图5 为图1所示结构用于分离LP02模时，第三纤芯4的输出能量随波长变化曲线；
图6 为归一化频率V=4.8、纤芯中心间距d=18 μm时，a)为纤芯与包层折射率差为0.01不同模式的耦合曲线；b)为纤芯与包层折射率差为0.012不同模式的耦合曲线。
其中，1基质材料，2.第一纤芯、3.第二纤芯、4.第三纤芯。 
具体实施方式
图1所示为本发明光纤的横截面示意，包括基质材料1、第一纤芯2、第二纤芯3和第三纤芯4，第一纤芯2、第二纤芯3和第三纤芯4中心连线成一直线，第二纤芯3分别与第一纤芯2和第三纤芯4的中心距离相同。第一纤芯2、第二纤芯3和第三纤芯4的折射率分布、纤芯尺寸相同。三个纤芯的归一化频率V满足V>2.405。这里，，其中a为纤芯半径，λ为工作波长，n core为纤芯折射率，n clad为包层折射率。 
若输入光仅包含两种模式，即基模和一高阶模，则将光束从第一纤芯2输入，高阶模经耦合后，从第三纤芯4输出，基模保留在第一纤芯2，从而实现模式分离的目的。若输入光中包含多个模式，则光从第一纤芯2输入后，最高阶的模式(耦合长度最短的模式）将从第三纤芯4输出，而其它模式留在第一纤芯2。若需要将所有模式进行分离，则可以将从第一纤芯2输出的光再经模式分离器，分离出下一个高阶模。最终经多次分离可将所有模式都分离开。 
理论上，采用对称的双芯光纤也可以实现模式分离的功能。即基于不同模式具有不同的耦合长度，选择合适的光纤参数，可以使不同的模式从不同的纤芯输出，从而实现分束的目的。图2为双芯光纤的不同模式的耦合曲线，即将光从一侧纤芯输入时，另一侧纤芯中的模式能量随传输距离的变化曲线。由图可见，光纤基模耦合长度最长，而模式阶次越高，其耦合长度越短，如LP02模的耦合长度长于LP11模。阶次高的模式更容易耦合，因此耦合长度更短的原因是：阶次越高的模式其模场分布越向包层扩展，由光纤理论，模式之间的重叠区域越大，其耦合系数越大，因此，其耦合长度也就越短。 
  若LP02模的耦合长度远远短于LP11模，显然LP11模的耦合长度短于LP01模。因此，取光纤长度为LP02模的耦合长度，则，若含LP01模、LP11模、LP02模的光束从一纤芯输入，则LP02模将从另一纤芯输出，而LP01模、LP11模由于耦合长度长，能量尚在输入的纤芯中，因而，就可以实现LP02模的分离。若模式间的耦合长度差别不够大，则容易出现模式之间的混合，使输出模式的串扰增大，从而影响信息的提取和还原。例如，图2中所示LP01模、LP11模、LP02模、LP21模之间的耦合长度比为：12.25: 2.04: 1.14: 1。后三种波长的差别较小。 
显然，所述纤芯为非单模光纤，除传输基模即LP01模以外，至少能够传输LP11模，根据模式特性应有：归一化频率V>2.405。若要实现分离LP02模，则其归一化频率V>3.832。如图3所示为本发明所示的光纤中不同模式的耦合曲线。即将光从第一纤芯2输入时，第三纤芯4中的模式能量随传输距离的变化曲线。由图可见，由双芯结构变为三芯结构后，不同模式之间的耦合长度差别明显变大。图2中所示LP01模、LP11模、LP21模、LP02模之间的耦合长度比为：26: 3.44: 1.476: 1。可以这样来理解这种变化。三芯结构可以认为是在双芯结构的中心再加一个纤芯而得到。而对于耦合长度较短，即模式间重叠区域较大的模式，增加一个纤芯后，两相邻纤芯之间的模式重叠会更大，因而更容易产生强的耦合，因此，从一侧纤芯输入的光可以很快先经第二纤芯3，再被耦合长另一侧纤芯。而对于双芯结构中耦合长度较长的模式，增加了一个纤芯后，其耦合长度减小效果不明显。即采用三芯结构可以有效地增大不同模式之间的耦合长度的差别，从而使模式分离更为容易。由图3可见，第一纤芯2的LP02模经过一段距离传输，将与第二纤芯3发生耦合，再与第三纤芯4耦合后，被转移到第三纤芯4。若经这段距离传输，其它模式都难以被耦合到第三纤芯4，则取光纤长度为LP02模从第一纤芯2耦合到第三纤芯4的耦合长度，当输入光从第一纤芯2输入时，就可以将LP02模分离出来。 
图5给出图1所示结构用于分离LP02模时，第三纤芯4的输出能量随波长变化曲线。由图可见，LP02模可在较宽带宽范围内均可低损耗输出，而LP01模、LP11模的能量都很低。即LP02模可被有效分离，且其它模式的串扰很小。 
图6给出归一化频率V、纤芯中心间距d相同，而纤芯与包层折射率差不同的情况下，光从一侧纤芯输入时，另一侧纤芯的能量曲线。由图可见，当纤芯与包层折射率差较大时，高阶模的能量转换较高，同时不同模式间的耦合长度差别较大。这是因为，在归一化频率V相同的情况下，纤芯与包层折射率差越大，则模式间的有效折射率差别也越大，也即不同模式在包层中的能量分布差别也越大。这就导致不同模式间耦合长度的差别的进一步增大。因此，采用较大的纤芯与包层折射率差可以使模式分离器的性能更优。 
显然，本发明光纤同样可以作为模式合束器。即将需要合成的光分别从两侧纤芯输入，耦合长度短的模式经耦合后，到达另一侧纤芯，与另一束光汇合后输出。模式合束时，应先合成耦合长度较长的模式，再合成耦合长度较短的模式。最终获得多个模式的合束光。 
  
实施例一：
以下结合附图说明本发明的优选实施例。如图1所示，本实施例实现LP02模与LP01模、LP11模之间的分离。光纤基质材料1为纯石英， 三个纤芯的半径为6.15 μm，纤芯与包层的折射率差为0.012。相邻纤芯的中心距离为22 μm。光从第一纤芯2输入，LP02模从第三纤芯4输出，其它模式从第一纤芯2输出。其耦合长度曲线如图3所示。可见，LP02模耦合长度远远小于另两个模式的耦合长度。取光纤长度为33.5 mm。第三纤芯4输出的不同模式的能量如图4所示。可见，在1.48-1.515μm波长范围内，LP02模的输出功率均大于-1 dB，而另两个模式的能量均小于-30 dB，因此，第三纤芯4可输出具有低串扰的LP02模。
 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。 

Claims (4)

1.一种光纤模式分离器，包括三个纤芯与包层，所述包层有基质材料组成；其特征在于：所述三个纤芯的中心连线成一直线，中间纤芯与两侧纤芯的中心距离相同，所述三个纤芯的折射率分布相同、所述三个纤芯的直径相同，所述三个纤芯的归一化频率V满足V>2.405，                                                ，其中a为纤芯半径，λ为工作波长，n core为纤芯折射率，n clad为包层折射率。
2.根据权利要求1所述的一种光纤模式分离器，其特征在于，所述三个纤芯的折射率a与包层的折射率n clad之差满足：n core-n clad>0.008。
3.根据权利要求1所述的一种光纤模式分离器，其特征在于，中间纤芯与两侧纤芯的中心距离d满足：d >2a+3 μm。
4.根据权利要求1所述的一种光纤模式分离器，其特征在于，所述三个纤芯的折射率a与包层的折射率n clad之差满足：n core-n clad>0.01，所述纤芯的归一化频率V满足V>3.832。
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