專利名稱:一種全光纖模式轉(zhuǎn)換器及光系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種全光纖模式轉(zhuǎn)換器及光系統(tǒng)，全光纖模式轉(zhuǎn)換器由模式耦合的光纖部分和模式剝離器的光纖部分組成，二者是接合的；全光纖模式轉(zhuǎn)換器的光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為輸入光纖、第一個模場匹配器、全光纖模式轉(zhuǎn)換器、第二個模場匹配器、輸出光纖依次熔接在一起，以達到模式轉(zhuǎn)換的目的；第一種傳播模式從輸入光纖經(jīng)過第一個模場匹配器以最低的損耗傳輸?shù)饺饫w模式轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過全光纖模式轉(zhuǎn)換器之后光纖中只存在第二種傳播模式，然后經(jīng)過第二個模場匹配器以最小的損耗將所述的第二種傳播模式傳輸?shù)捷敵龉饫w而輸出。本實用新型用于光纖模式轉(zhuǎn)換，具有實現(xiàn)簡單，轉(zhuǎn)換效率高，轉(zhuǎn)換噪聲小等特點。
【專利說明】一種全光纖模式轉(zhuǎn)換器及光系統(tǒng)

【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及一種全光纖模式轉(zhuǎn)換器及光系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]光纖是一種由玻璃或者塑料制作而成的纖維，利用光的全反射的原理作為光傳導的工具。光纖的裸纖一般分為三層:中心為高折射率玻璃纖芯，中間為低折射率硅玻璃包層，最外是加強用的樹脂涂覆層。光信號被限制在纖芯內(nèi)傳輸，為此，纖芯折射率Ill要大于光纖包層的折射率n2。
[0003]根據(jù)光纖半徑繪制折射率的圖形通常被稱為折射率分布圖。一般有階梯折射率分布、梯形折射率分布，三角形折射率分布等。根據(jù)光纖理論，不同的折射率分布可以實現(xiàn)不同的光纖應用。例如，單模光纖主要采用階梯折射率分布，自聚焦光纖的折射率分布一般采用拋物線形的梯度折射率分布。
[0004]眾所周知，光是一種電磁波。因而，可以使用麥克斯韋方程組來描述光纖中光信號的傳輸情況。麥克斯韋方程組的一個解即對應著一種傳輸模式，對應著電磁場在光纖中的一種分布形式。按照分布形式，圓波導的模式可以分為:橫電模(TE)、橫磁模(TM)以及混合模(HE or EH)。除了上述的導波模之外，還有包層模、輻射膜和泄漏模。
[0005]在實際應用中，光纖纖芯折射率與光纖包層折射率之差是很小的，這種光纖被稱為弱導光纖。采用弱導光纖的標量近似解法，可以得到相對簡單的橫向強度分布和數(shù)學表達式，有利于光纖問題的分析。
[0006]光纖傳輸系統(tǒng)一般使用單模光纖，即只有基模(LPOl)是傳導模。然而，高階模有負色散和更大的有效區(qū)域的特性，在光纖平坦增益和色散補償?shù)确矫嬗刑厥獾膽?。于是，將基模轉(zhuǎn)換成高階模式是很有必要的。
[0007]目前主要有兩種主要的光纖模式轉(zhuǎn)換方法。第一種方法，稱為橫向方法，借助延遲元件在光纖信號傳播方向上的某一點修改信號的橫向強度分布。上述延遲元件引入受控的相位躍變，假設所有元件可以完美地對齊，則這種技術(shù)在理論上能夠?qū)⒌谝环N模式100%轉(zhuǎn)換到第二種模式。
[0008]因此，專利US6404951 B2提出了一種基于相位選擇元件來實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換的方法，這種相位選擇元件包含折射或者反射元件，例如透鏡、反射鏡、光柵等等。這類模式轉(zhuǎn)換器的設計復雜、相對體積龐大以及環(huán)境適應性差，因此，其難以長期工作，并且調(diào)節(jié)難度很大。
[0009]考慮到上述因素，專利US7835603 B2提出了一種全光纖模式轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器采用拉錐光纖實現(xiàn)微透鏡的功能，并使用特種多模光纖實現(xiàn)相位選擇的功能，然后熔接各個部分，最終實現(xiàn)光纖模式的轉(zhuǎn)換。然而這種方法對于光纖熔接、拉錐等制作工藝要求相當嚴格，所以很難實現(xiàn)批量生產(chǎn)。
[0010]第二種方法，稱為縱向方法，沿著光信號傳播的方向引入周期性的擾動，這樣的擾動導致基本模式和高階模式之間的耦合。然而，這種方法無法達到100%的模式耦合，即基模與高階模在光纖中一起傳播并產(chǎn)生噪聲。
[0011]專利US6999659 BI就提出了一種應用于降低色散的模式轉(zhuǎn)換元件。光纖中置入兩對布拉格光柵，使得光纖中傳輸基模(LPOl)和至少一個高階模式(LPmn)，從而達到色散補償?shù)淖饔谩?br>

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為了克服現(xiàn)有模式轉(zhuǎn)換器的缺陷，本實用新型提出一種具有實現(xiàn)簡單、轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)換噪聲小等特點的全光纖模式轉(zhuǎn)換器及光系統(tǒng)。
[0013]本實用新型的技術(shù)方案為:
[0014]—種全光纖模式轉(zhuǎn)換器的光系統(tǒng)，包括:包括輸入光纖、兩個模場匹配器、全光纖模式轉(zhuǎn)換器、輸出光纖，其特征在于:輸入光纖、第一個模場匹配器、全光纖模式轉(zhuǎn)換器、第二個模場匹配器、輸出光纖依次熔接在一起，以達到模式轉(zhuǎn)換的目的；第一種傳播模式從輸入光纖經(jīng)過第一個模場匹配器以最低的損耗傳輸?shù)饺饫w模式轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過全光纖模式轉(zhuǎn)換器之后光纖中只存在第二種傳播模式，然后經(jīng)過第二個模場匹配器以最小的損耗將所述的第二種傳播模式傳輸?shù)捷敵龉饫w而輸出。
[0015]輸入光纖適于發(fā)送以第一種模式轉(zhuǎn)播的光信號；
[0016]第一個模場匹配器適于輸入光纖和全光纖模式轉(zhuǎn)換器的模場直徑的匹配；
[0017]全光纖模式轉(zhuǎn)換器適于將第一種傳播模式轉(zhuǎn)換成第二種傳播模式；
[0018]第二個模場匹配器適于全光纖模式轉(zhuǎn)換器和輸出光纖的模場直徑的匹配；
[0019]輸出光纖適于發(fā)送以第二種模式傳播的光信號。
[0020]輸出光纖適于發(fā)送以第二種模式傳播的光信號。
[0021]所述第一種傳播模式和第二種傳播模式是不同的傳播模式LPmn。
[0022]所述輸入光纖、輸出光纖中之一光纖是多模光纖。
[0023]所述輸入光纖、輸出光纖中之一光纖是高階模式(HOM)光纖。
[0024]所述輸入光纖、輸出光纖中之一光纖為色散補償光纖。
[0025]所述輸入光纖、輸出光纖中之一光纖為布拉格光柵組分光纖。
[0026]所述輸入光纖、輸出光纖中之一光纖為放大光纖。
[0027]所述放大光纖是激光輻射光纖或拉曼放大光纖。
[0028]所述的全光纖模式轉(zhuǎn)換器由模式耦合的光纖部分和模式剝離器的光纖部分組成，所述模式耦合的光纖部分和模式剝離的光纖部分是接合的；所述模式耦合的光纖部分適用于第一種傳播模式和第二種傳播模式之間的耦合；所述模式剝離器的光纖部分適用于剝離除第二種傳播模式之外的包層模、輻射模和泄露模的傳播模式。
[0029]所述的模式耦合的光纖部分具有預定長度、預定的折射率分布，預定的芯徑以及預定的內(nèi)芯徑位置。
[0030]所述的模式剝離的光纖部分具有與模式耦合的光纖部分匹配的包層折射率、纖芯折射率、包層直徑以及纖芯直徑。
[0031]所述的模式耦合的光纖部分的長度為光纖傳播模式在纖芯和內(nèi)纖芯之間耦合的周期。
[0032]所述的模式耦合的光纖部分的折射率分布包含一個或多個躍變。
[0033]所述的模式耦合的光纖部分的芯徑為0.5微米到100微米。
[0034]所述的模式耦合的光纖部分的內(nèi)纖芯位置為高階模的橫向場振幅最大的位置。
[0035]所述的模式剝離的光纖部分的長度至少需要大于模式耦合的光纖部分預定長度。
[0036]所述的模式剝離的光纖部分的長度為10000微米到100，000微米。
[0037]本實用新型用于光纖模式轉(zhuǎn)換，具有實現(xiàn)簡單，轉(zhuǎn)換效率高，轉(zhuǎn)換噪聲小等特點。

【附圖說明】

[0038]圖1是包括本實用新型的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的光系統(tǒng)的示意圖。
[0039]圖2是本實用新型的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖3是本實用新型的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的模式耦合(LP01-LP02)光纖部分的橫截面示意圖。
[0041]圖4是本實用新型的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的模式耦合(LP01-LP02)光纖部分的折射率分布。
[0042]圖5是本實用新型的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的模式耦合(LP01-LP02)光纖部分的橫向場分布。
[0043]圖6是本實用新型的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的模式耦合(LP01-LP11)光纖部分的橫截面示意圖。
[0044]圖7是本實用新型的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的模式耦合(LP01-LP21)光纖部分的橫截面示意圖。
[0045]圖8是本實用新型的LPOl和LP02模式能量在模式耦合光纖部分的能量變化曲線。
[0046]圖9是本實用新型的總能量和LP02模式能量在模式剝離光纖部分的能量變化曲線。

【具體實施方式】
[0047]結(jié)合附圖對本實用新型做進一步描述。
[0048]如圖1所示，本實用新型全光纖模式轉(zhuǎn)換器的光系統(tǒng)，包括輸入光纖10、兩個模場匹配器(20，40)、全光纖模式轉(zhuǎn)換器(30)、輸出光纖(50)，輸入光纖(10)、第一個模場匹配器(20)、全光纖模式轉(zhuǎn)換器(30)、第二個模場匹配器(40)、輸出光纖(50)依次恪接在一起，以達到模式轉(zhuǎn)換的目的。第一種傳播模式從輸入光纖10經(jīng)過第一個模場匹配器(20)以最低的損耗傳輸?shù)饺饫w模式轉(zhuǎn)換器(30)，經(jīng)過全光纖模式轉(zhuǎn)換器(30)之后光纖中只存在第二種傳播模式，然后經(jīng)過第二個模場匹配器(40)以最小的損耗將所述的第二種傳播模式傳輸?shù)捷敵龉饫w50而輸出。
[0049]如圖2所示是本實用新型的模式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖，由模式耦合的光纖部分
(31)、模式剝離的光纖部分(32)組成，二者是接合的。第一種傳播模式在模式耦合的光纖部分(31)全部轉(zhuǎn)換成第二種模式以及其他不穩(wěn)定的模式，其他不穩(wěn)定的模式為:包層模、輻射模和泄露模。這些不穩(wěn)定的模式在模式剝離的光纖部分(32)被剝離出去，最后輸出的為穩(wěn)定的不帶任何噪聲的第二種傳播模式的光信號。
[0050]圖3是本實用新型的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的模式耦合的光纖部分的橫切面示意圖，圖4是其對應的折射率分布。該特殊設計的光纖可以實現(xiàn)LPOl向LP02模式的耦合。模式耦合的光纖部分(31)包括:包層(31.1)、纖芯(31.2)、內(nèi)纖芯(31.3)。纖芯(31.2)與包層(31.1)組成第一個光波導，纖芯(31.2)與內(nèi)纖芯(31.3)組成第二個光波導。第一種模式在模式耦合的光纖部分中傳輸時，能量周期性的在上述第一個光波導和第二個光波導之間轉(zhuǎn)換，其耦合周期為L。因此，在傳播方向上L處，在第二個光波導內(nèi)的能量達到最大。對于預定的包層、纖芯、內(nèi)纖芯的參數(shù)，第二個光波導內(nèi)的橫向場分布與第一個波導內(nèi)的第二種傳播模式的橫向場分布最為相似。在此處，第二種傳播模式的耦合效率達到最大值，同時第一種傳播模式被全部轉(zhuǎn)換為第二種傳播模式和其他不穩(wěn)定模。然后，經(jīng)過模式剝離光纖部分(32)，不穩(wěn)定的模式被剝離出去。最后，只剩第二種傳播模式傳輸?shù)捷敵龉饫w中。
[0051]上述模式耦合的光纖部分(31)的內(nèi)纖芯(31.3)的位置，在不同的模式轉(zhuǎn)換應用中是不同的。其位置是在轉(zhuǎn)換的高階模的橫向場分布的最大振幅處。如圖3所示，是LPOl轉(zhuǎn)LP02的模式轉(zhuǎn)換器的模式耦合的光纖部分的橫截面示意圖，LP02模式的橫向場分布的振幅在光纖軸心處達到最大，因此，內(nèi)纖芯(31.3)的位置在光纖軸心處；如圖6所示，是LPOl轉(zhuǎn)LPll的模式轉(zhuǎn)換器的模式耦合的光纖部分的橫截面示意圖，LP02模式的橫向場分布的振幅在光纖半徑r = 4ym處達到最大，因此，內(nèi)纖芯(31.3)的位置在光纖半徑r =4 μπι處；如圖7所示，是LPOl轉(zhuǎn)LP21的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的模式耦合光纖部分的橫截面示意圖，LP21模式的橫向場分布的振幅在光纖半徑r = 7.5 μπι以及r = -7.5 μπι處同時達到最大，因此，該模式轉(zhuǎn)換器有兩個內(nèi)纖芯(31.3)，其位置分別在光纖半徑r = 7.5 μ m和r = -7.5 μ m 處。
[0052]上述模式耦合的光纖部分(31)的纖芯和包層參數(shù)，在不同的模式轉(zhuǎn)換應用中是不同的。首先，為了保證轉(zhuǎn)換的高階模式(LPmn)可以在光纖中傳播，包層和纖芯對應的歸一化頻率V大于轉(zhuǎn)換的高階模(LPmn)的歸一化截止頻率VI。其次，為了不激發(fā)出更高階模式(LPmn’，其中n’= n+1)，包層和纖芯對應的歸一化頻率V小于更高階模(LPmn’)的歸一化截止頻率V2。根據(jù)研宄，包層和纖芯對應的歸一化頻率V越大模式轉(zhuǎn)換效率越高，因此，根據(jù)包層和纖芯的參數(shù)計算出來的歸一化頻率V應盡可能的接近V2。
[0053]上述模式耦合的光纖部分的內(nèi)纖芯的折射率和芯徑，在不同的模式轉(zhuǎn)換應用中是不同的。內(nèi)纖芯與纖芯組合成第二個光波導，包層與纖芯組合成第一個光波導，根據(jù)上述理論，在光纖傳輸方向的耦合周期L處，當?shù)诙€光波導的橫向場分布，與第一個光波導的第二個模式的橫向場分布最為吻合時，模式轉(zhuǎn)換效率達到最大。因此，設計特定的內(nèi)纖芯的折射率和芯徑的大小，以保證合適的橫向場分布。如圖5所示，是LPOl轉(zhuǎn)LP02模式轉(zhuǎn)換器的第二個光波導中基模的橫向場分布(虛線)，和第一個光波導中第二種傳播模式(LP02)的橫向場分布(實線)。
[0054]以LPOl轉(zhuǎn)LP02的模式轉(zhuǎn)換器為例，模式耦合轉(zhuǎn)換部分光纖的折射率分布如圖4所示，包層直徑為200 μ m，折射率為1.485 ;纖芯直徑為31 μ m，折射率為1.487 ;內(nèi)纖芯在光纖的中心，直徑為9 μ m，折射率為1.4894 ;模式耦合轉(zhuǎn)換部分光纖的長度為271 μ m。如圖8所示，在光信號傳播方向Z，LPOl模式能量不斷減小，LP02模式能量不斷增加。在271 μ m處，LP02模式的能量達到最大為86%，LPOl模式的能量達到最小值接近0%。此時光信號傳輸進入模式剝離光纖部分，其包層直徑為200 μ m，折射率為1.485 ;纖芯直徑為31 μ m，折射率為1.487 ;模式剝離部分的光纖長度至少為20mm。如圖9所示，光纖內(nèi)傳輸信號的總能量(實線)逐漸減小，直至與LP02模式的能量(虛線)基本相等。LPOl模式的光信號經(jīng)過本實用新型的模式轉(zhuǎn)換器之后，有86 %的能量轉(zhuǎn)化為LP02模式的能量，其余14%的能量轉(zhuǎn)化為其他模式能量并最終被剝離出去。
【權(quán)利要求】
1.一種全光纖模式轉(zhuǎn)換器的光系統(tǒng)，包括:包括輸入光纖(10)、兩個模場匹配器(20，40)、全光纖模式轉(zhuǎn)換器(30)、輸出光纖(50)，其特征在于:輸入光纖(10)、第一個模場匹配器(20)、全光纖模式轉(zhuǎn)換器(30)、第二個模場匹配器(40)、輸出光纖(50)依次恪接在一起； 輸入光纖(10)適于發(fā)送以第一種模式轉(zhuǎn)播的光信號； 第一個模場匹配器(20)適于輸入光纖(10)和全光纖模式轉(zhuǎn)換器的模場直徑的匹配； 全光纖模式轉(zhuǎn)換器(30)適于將第一種傳播模式轉(zhuǎn)換成第二種傳播模式； 第二個模場匹配器(40)適于全光纖模式轉(zhuǎn)換器和輸出光纖(50)的模場直徑的匹配； 輸出光纖(50)適于發(fā)送以第二種模式傳播的光信號。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的光系統(tǒng)，其特征在于:所述第一種傳播模式和第二種傳播模式是不同的傳播模式LPmn ;所述輸入光纖(10)、輸出光纖(50)中之一光纖是多模光纖。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的光系統(tǒng)，其特征在于:所述的全光纖模式轉(zhuǎn)換器(30)由模式親合的光纖部分(31)和模式剝離器的光纖部分(32)組成，所述模式耦合的光纖部分(31)和模式剝離的光纖部分(32)是接合的；所述模式耦合的光纖部分(31)適用于第一種傳播模式和第二種傳播模式之間的耦合；所述模式剝離器的光纖部分(32)適用于剝離除第二種傳播模式之外的包層模、輻射模和泄露模的傳播模式。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的光系統(tǒng)，其特征在于:所述的模式耦合的光纖部分具有預定長度、預定的折射率分布，預定的芯徑以及預定的內(nèi)芯徑位置。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的光系統(tǒng)，其特征在于:所述的模式剝離的光纖部分具有與模式耦合的光纖部分匹配的包層折射率、纖芯折射率、包層直徑以及纖芯直徑。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的光系統(tǒng)，其特征在于:所述的模式耦合的光纖部分的長度為光纖傳播模式在纖芯和內(nèi)纖芯之間耦合的周期。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的光系統(tǒng)，其特征在于:所述的模式耦合的光纖部分的折射率分布包含一個或多個躍變。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的光系統(tǒng)，其特征在于:所述的模式耦合的光纖部分的芯徑為0.5微米到100微米。9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的光系統(tǒng)，其特征在于:所述的模式耦合的光纖部分的內(nèi)纖芯位置為高階模的橫向場振幅最大的位置。10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全光纖模式轉(zhuǎn)換器的光系統(tǒng)，其特征在于:所述的模式剝離的光纖部分的長度為10000微米到100，000微米。
【文檔編號】G02B6-24GK204287535SQ201420666743
【發(fā)明者】祝啟欣, 施建宏 [申請人]武漢銳科光纖激光器技術(shù)有限責任公司