CN104483735B - 一种全光纤模式转换器的光*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全光纤模式转换器及光***，全光纤模式转换器由模式耦合的光纤部分和模式剥离器的光纤部分组成，二者是接合的；全光纤模式转换器的光***结构为输入光纤、第一个模场匹配器、全光纤模式转换器、第二个模场匹配器、输出光纤依次熔接在一起，以达到模式转换的目的；第一种传播模式从输入光纤经过第一个模场匹配器以最低的损耗传输到全光纤模式转换器，经过全光纤模式转换器之后光纤中只存在第二种传播模式，然后经过第二个模场匹配器以最小的损耗将所述的第二种传播模式传输到输出光纤而输出。本发明用于光纤模式转换，具有实现简单，转换效率高，转换噪声小等特点。

Description

一种全光纤模式转换器的光***
技术领域
本发明涉及一种全光纤模式转换器的光***。
背景技术
光纤是一种由玻璃或者塑料制作而成的纤维，利用光的全反射的原理作为光传导的工具。光纤的裸纤一般分为三层：中心为高折射率玻璃纤芯，中间为低折射率硅玻璃包层，最外是加强用的树脂涂覆层。光信号被限制在纤芯内传输，为此，纤芯折射率n1要大于光纤包层的折射率n2。
根据光纤半径绘制折射率的图形通常被称为折射率分布图。一般有阶梯折射率分布、梯形折射率分布，三角形折射率分布等。根据光纤理论，不同的折射率分布可以实现不同的光纤应用。例如，单模光纤主要采用阶梯折射率分布，自聚焦光纤的折射率分布一般采用抛物线形的梯度折射率分布。
众所周知，光是一种电磁波。因而，可以使用麦克斯韦方程组来描述光纤中光信号的传输情况。麦克斯韦方程组的一个解即对应着一种传输模式，对应着电磁场在光纤中的一种分布形式。按照分布形式，圆波导的模式可以分为：横电模(TE)、横磁模(TM)以及混合模(HE or EH)。除了上述的导波模之外，还有包层模、辐射模和泄漏模。
在实际应用中，光纤纤芯折射率与光纤包层折射率之差是很小的，这种光纤被称为弱导光纤。采用弱导光纤的标量近似解法，可以得到相对简单的横向强度分布和数学表达式，有利于光纤问题的分析。
光纤传输***一般使用单模光纤，即只有基模(LP01)是传导模。然而，高阶模有负色散和更大的有效区域的特性，在光纤平坦增益和色散补偿等方面有特殊的应用。于是，将基模转换成高阶模式是很有必要的。
目前主要有两种主要的光纤模式转换方法。第一种方法，称为横向方法，借助延迟元件在光纤信号传播方向上的某一点修改信号的横向强度分 布。上述延迟元件引入受控的相位跃变，假设所有元件可以完美地对齐，则这种技术在理论上能够将第一种模式100％转换到第二种模式。
因此，专利US6404951 B2提出了一种基于相位选择元件来实现模式转换的方法，这种相位选择元件包含折射或者反射元件，例如透镜、反射镜、光栅等等。这类模式转换器的设计复杂、相对体积庞大以及环境适应性差，因此，其难以长期工作，并且调节难度很大。
考虑到上述因素，专利US7835603 B2提出了一种全光纤模式转换器，这种转换器采用拉锥光纤实现微透镜的功能，并使用特种多模光纤实现相位选择的功能，然后熔接各个部分，最终实现光纤模式的转换。然而这种方法对于光纤熔接、拉锥等制作工艺要求相当严格，所以很难实现批量生产。
第二种方法，称为纵向方法，沿着光信号传播的方向引入周期性的扰动，这样的扰动导致基本模式和高阶模式之间的耦合。然而，这种方法无法达到100％的模式耦合，即基模与高阶模在光纤中一起传播并产生噪声。
专利US6999659 B1就提出了一种应用于降低色散的模式转换元件。光纤中置入两对布拉格光栅，使得光纤中传输基模(LP01)和至少一个高阶模式(LPmn)，从而达到色散补偿的作用。
发明内容
为了克服现有模式转换器的缺陷，本发明提出一种具有实现简单、转换效率高、转换噪声小等特点的全光纤模式转换器的光***。
本发明的技术方案为：
一种全光纤模式转换器的光***，包括：包括输入光纤、两个模场匹配器、全光纤模式转换器、输出光纤，其特征在于：输入光纤、第一个模场匹配器、全光纤模式转换器、第二个模场匹配器、输出光纤依次熔接在一起，以达到模式转换的目的；第一种传播模式从输入光纤经过第一个模场匹配器以最低的损耗传输到全光纤模式转换器，经过全光纤模式转换器之后光纤中只存在第二种传播模式，然后经过第二个模场匹配器以最小的损耗将所述的第二种传播模式传输到输出光纤而输出。
输入光纤适于发送以第一种模式转播的光信号；
第一个模场匹配器适于输入光纤和全光纤模式转换器的模场直径的匹配；
全光纤模式转换器适于将第一种传播模式转换成第二种传播模式；
第二个模场匹配器适于全光纤模式转换器和输出光纤的模场直径的匹配；
输出光纤适于发送以第二种模式传播的光信号。
输出光纤适于发送以第二种模式传播的光信号。
所述第一种传播模式和第二种传播模式是不同的传播模式LPmn。
所述输入光纤、输出光纤中之一光纤是多模光纤。
所述输入光纤、输出光纤中之一光纤是高阶模式(HOM)光纤。
所述输入光纤、输出光纤中之一光纤为色散补偿光纤。
所述输入光纤、输出光纤中之一光纤为布拉格光栅组分光纤。
所述输入光纤、输出光纤中之一光纤为放大光纤。
所述放大光纤是激光辐射光纤或拉曼放大光纤。
所述的全光纤模式转换器由模式耦合的光纤部分和模式剥离器的光纤部分组成，所述模式耦合的光纤部分和模式剥离的光纤部分是接合的；所述模式耦合的光纤部分适用于第一种传播模式和第二种传播模式之间的耦合；所述模式剥离器的光纤部分适用于剥离除第二种传播模式之外的包层模、辐射模和泄露模的传播模式。
所述的模式耦合的光纤部分具有预定长度、预定的折射率分布，预定的芯径以及预定的内芯径位置。
所述的模式剥离的光纤部分具有与模式耦合的光纤部分匹配的包层折射率、纤芯折射率、包层直径以及纤芯直径。
所述的模式耦合的光纤部分的长度为光纤传播模式在纤芯和内纤芯之间耦合的周期。
所述的模式耦合的光纤部分的折射率分布包含一个或多个跃变。
所述的模式耦合的光纤部分的芯径为0.5微米到100微米。
所述的模式耦合的光纤部分的内纤芯位置为高阶模的横向场振幅最大的位置。
所述的模式剥离的光纤部分的长度至少需要大于模式耦合的光纤部分预定长度。
所述的模式剥离的光纤部分的长度为10000微米到100,000微米。
本发明用于光纤模式转换，具有实现简单，转换效率高，转换噪声小 等特点。
附图说明
图1是包括本发明的全光纤模式转换器的光***的示意图。
图2是本发明的全光纤模式转换器的结构示意图。
图3是本发明的全光纤模式转换器的模式耦合(LP01-LP02)光纤部分的横截面示意图。
图4是本发明的全光纤模式转换器的模式耦合(LP01-LP02)光纤部分的折射率分布。
图5是本发明的全光纤模式转换器的模式耦合(LP01-LP02)光纤部分的横向场分布。
图6是本发明的全光纤模式转换器的模式耦合(LP01-LP11)光纤部分的横截面示意图。
图7是本发明的全光纤模式转换器的模式耦合(LP01-LP21)光纤部分的横截面示意图。
图8是本发明的LP01和LP02模式能量在模式耦合光纤部分的能量变化曲线。
图9是本发明的总能量和LP02模式能量在模式剥离光纤部分的能量变化曲线。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，本发明全光纤模式转换器的光***，包括输入光纤10、两个模场匹配器(20，40)、全光纤模式转换器(30)、输出光纤(50)，输入光纤(10)、第一个模场匹配器(20)、全光纤模式转换器(30)、第二个模场匹配器(40)、输出光纤(50)依次熔接在一起，以达到模式转换的目的。第一种传播模式从输入光纤10经过第一个模场匹配器(20)以最低的损耗传输到全光纤模式转换器(30)，经过全光纤模式转换器(30)之后光纤中只存在第二种传播模式，然后经过第二个模场匹配器(40)以最小的损耗将所述的第二种传播模式传输到输出光纤50而输出。
如图2所示是本发明的模式转换器的结构示意图，由模式耦合的光纤部分(31)、模式剥离的光纤部分(32)组成，二者是接合的。第一种传播模式在模式耦合的光纤部分(31)全部转换成第二种模式以及其他不稳定的模式，其他不稳定的模式为：包层模、辐射模和泄露模。这些不稳定的模式在模式剥离的光纤部分(32)被剥离出去，最后输出的为稳定的不带任何噪声的第二种传播模式的光信号。
图3是本发明的全光纤模式转换器的模式耦合的光纤部分的横切面示意图，图4是其对应的折射率分布。该特殊设计的光纤可以实现LP01向LP02模式的耦合。模式耦合的光纤部分(31)包括：包层(31.1)、纤芯(31.2)、内纤芯(31.3)。纤芯(31.2)与包层(31.1)组成第一个光波导，纤芯(31.2)与内纤芯(31.3)组成第二个光波导。第一种模式在模式耦合的光纤部分中传输时，能量周期性的在上述第一个光波导和第二个光波导之间转换，其耦合周期为L。因此，在传播方向上L处，在第二个光波导内的能量达到最大。对于预定的包层、纤芯、内纤芯的参数，第二个光波导内的横向场分布与第一个波导内的第二种传播模式的横向场分布最为相似。在此处，第二种传播模式的耦合效率达到最大值，同时第一种传播模式被全部转换为第二种传播模式和其他不稳定模。然后，经过模式剥离光纤部分(32)，不稳定的模式被剥离出去。最后，只剩第二种传播模式传输到输出光纤中。
上述模式耦合的光纤部分(31)的内纤芯(31.3)的位置，在不同的模式转换应用中是不同的。其位置是在转换的高阶模的横向场分布的最大振幅处。如图3所示，是LP01转LP02的模式转换器的模式耦合的光纤部分的横截面示意图，LP02模式的横向场分布的振幅在光纤轴心处达到最大，因此，内纤芯(31.3)的位置在光纤轴心处；如图6所示，是LP01转LP11的模式转换器的模式耦合的光纤部分的横截面示意图，LP02模式的横向场分布的振幅在光纤半径r＝4μm处达到最大，因此，内纤芯(31.3)的位置在光纤半径r＝4μm处；如图7所示，是LP01转LP21的全光纤模式转换器的模式耦合光纤部分的横截面示意图，LP21模式的横向场分布的振幅在光纤半径r＝7.5μm以及r＝-7.5μm处同时达到最大，因此，该模式转换器有两个内纤芯(31.3)，其位置分别在光纤半径r＝7.5μm和r＝-7.5μm处。
上述模式耦合的光纤部分(31)的纤芯和包层参数，在不同的模式转 换应用中是不同的。首先，为了保证转换的高阶模式(LPmn)可以在光纤中传播，包层和纤芯对应的归一化频率V大于转换的高阶模(LPmn)的归一化截止频率V1。其次，为了不激发出更高阶模式(LPmn’，其中n’＝n+1)，包层和纤芯对应的归一化频率V小于更高阶模(LPmn’)的归一化截止频率V2。根据研究，包层和纤芯对应的归一化频率V越大模式转换效率越高，因此，根据包层和纤芯的参数计算出来的归一化频率V应尽可能的接近V2。
上述模式耦合的光纤部分的内纤芯的折射率和芯径，在不同的模式转换应用中是不同的。内纤芯与纤芯组合成第二个光波导，包层与纤芯组合成第一个光波导，根据上述理论，在光纤传输方向的耦合周期L处，当第二个光波导的横向场分布，与第一个光波导的第二个模式的横向场分布最为吻合时，模式转换效率达到最大。因此，设计特定的内纤芯的折射率和芯径的大小，以保证合适的横向场分布。如图5所示，是LP01转LP02模式转换器的第二个光波导中基模的横向场分布(虚线)，和第一个光波导中第二种传播模式(LP02)的横向场分布(实线)。
以LP01转LP02的模式转换器为例，模式耦合转换部分光纤的折射率分布如图4所示，包层直径为200μm，折射率为1.485；纤芯直径为31μm，折射率为1.487；内纤芯在光纤的中心，直径为9μm，折射率为1.4894；模式耦合转换部分光纤的长度为271μm。如图8所示，在光信号传播方向Z，LP01模式能量不断减小，LP02模式能量不断增加。在271μm处，LP02模式的能量达到最大为86％，LP01模式的能量达到最小值接近0％。此时光信号传输进入模式剥离光纤部分，其包层直径为200μm，折射率为1.485；纤芯直径为31μm，折射率为1.487；模式剥离部分的光纤长度至少为20mm。如图9所示，光纤内传输信号的总能量(实线)逐渐减小，直至与LP02模式的能量(虚线)基本相等。LP01模式的光信号经过本发明的模式转换器之后，有86％的能量转化为LP02模式的能量，其余14％的能量转化为其他模式能量并最终被剥离出去。

Claims (7)

1.一种全光纤模式转换器的光***，包括：输入光纤（10）、两个模场匹配器（20，40）、全光纤模式转换器（30）、输出光纤（50），其特征在于：输入光纤（10）、第一个模场匹配器（20）、全光纤模式转换器（30）、第二个模场匹配器（40）、输出光纤（50）依次熔接在一起；
输入光纤（10）适于发送以第一种模式转播的光信号；
第一个模场匹配器（20）适于输入光纤（10）和全光纤模式转换器的模场直径的匹配；
全光纤模式转换器（30）适于将第一种传播模式转换成第二种传播模式；
第二个模场匹配器（40）适于全光纤模式转换器和输出光纤（50）的模场直径的匹配；
输出光纤（50）适于发送以第二种模式传播的光信号；
所述的全光纤模式转换器（30）由模式耦合的光纤部分（31）和模式剥离的光纤部分（32）组成，所述模式耦合的光纤部分（31）和模式剥离的光纤部分（32）是接合的；所述模式耦合的光纤部分（31）适用于第一种传播模式和第二种传播模式之间的耦合；所述模式剥离的光纤部分（32）适用于剥离除第二种传播模式之外的包层模、辐射模和泄露模的传播模式；所述的模式耦合的光纤部分具有预定长度、预定的折射率分布，预定的芯径以及预定的内芯径位置；所述的模式耦合的光纤部分的内纤芯位置为高阶模的横向场振幅最大的位置。
2.根据权利要求1所述的全光纤模式转换器的光***，其特征在于：所述第一种传播模式和第二种传播模式是不同的传播模式LPmn；所述输入光纤（10）、输出光纤（50）中之一光纤是多模光纤。
3.根据权利要求1所述的全光纤模式转换器的光***，其特征在于：所述的模式剥离的光纤部分具有与模式耦合的光纤部分匹配的包层折射率、纤芯折射率、包层直径以及纤芯直径。
4.根据权利要求1所述的全光纤模式转换器的光***，其特征在于：所述的模式耦合的光纤部分的长度为光纤传播模式在纤芯和内纤芯之间耦合的周期。
5.根据权利要求1所述的全光纤模式转换器的光***，其特征在于：所述的模式耦合的光纤部分的折射率分布包含一个或多个跃变。
6.根据权利要求1所述的全光纤模式转换器的光***，其特征在于：所述的模式耦合的光纤部分的芯径为0.5微米到100微米。
7.根据权利要求1所述的全光纤模式转换器的光***，其特征在于：所述的模式剥离的光纤部分的长度为10000微米到100,000微米。
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