專利名稱：多模光纖中高次模的空間濾波的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于除去沿多模光纖傳播的高次模信號的模式濾波器(mode filter)，更具體地，涉及利用梯度折射率(Oiiaded Index, GRIN)透鏡的傅立葉變換特性協(xié) 同小孔元件(pinhole element)阻擋高次模的進一步傳播。
背景技術：
大模式面積(LMA)光纖廣泛用于制造基于光纖的元件例如大功率激光器和放大 器。相對于常規(guī)的光纖，增大模式面積提供幾個好處，例如減少信號衰減(與非線性有關)、 在放大器中提高泵浦信號與增益介質的重疊以及提高蓄能容量。然而，增加這些光纖的模 式面積導致它們變?yōu)椤岸嗄５摹?，其中通過沿光纖長度的分散或分布散射活動可以激發(fā)多 空間模式。這些多空間模式干涉基本信號模式，改變光束的質心位置并增加最小焦斑大小 (M2)0因此除去存在于由LMA光纖形成的光纖系統(tǒng)中的高次空間模式是所希望的。目前在大功率光纖激光器方面的大量研究致力于設計復雜的LMA光纖構型，使它 們僅有效地支持基模。設計LMA光纖的折射率分布和/或摻雜劑分布，使光纖對基模的微 分增益或者對于高次模的微分損耗。早先已經(jīng)將卷繞和/或錐形的LMA光纖用于去除高次 模。然而，LMA光纖的緊密彎曲在提高非線性的同時將該模式移出光纖軸并且減小模式面 積。該彎曲還影響信號和光纖的摻雜芯區(qū)的重疊度，從而減小增益。光纖錐形長度相對長 (例如幾厘米)，導致在小模式面積中傳播所產(chǎn)生的非線性提高，并且錐形光纖部分是易碎 的，需要專門的封裝。

發(fā)明內容
本發(fā)明致力于現(xiàn)有技術中仍存在的需要，本發(fā)明涉及一種用于除去沿多模光纖如 “大模式面積”(LMA)光纖傳播的高次模信號的模式濾波器，更具體地，涉及利用GRIN透鏡 的傅立葉變換特性協(xié)同小孔元件阻擋高次模的進一步傳播。GRIN透鏡可以是基于光纖的或者是散裝光學元件。小孔元件優(yōu)選包括耦合到 GRIN透鏡輸出端以收集僅沿光軸傳播的部分光信號的小芯光纖。由于GRIN透鏡將高次 模從光軸移走，因此僅光信號的基模將被耦合到小芯光纖。在本發(fā)明的空間模式濾波器的 一優(yōu)選實施方式中，與小芯光纖組合使用基于光纖的GRIN透鏡，從而形成可以熔合到多模 (LMA)光纖端面末端的“在纖(in-fiber)”模式濾波器。雖然這是優(yōu)選的實施方式，也可以 采用利用散裝GRIN透鏡的散裝光學布置來獲得相同的模式剝離結果。在一個實施方式中，將本發(fā)明的模式濾波器設置在用作光纖放大器增益介質的一 段LMA光纖的輸出端，以便從放大信號中除去不希望的高次模。本發(fā)明的另一實施方式包括沿著多模傳輸光纖串聯(lián)配置的用于周期性“清洗”沿 該多模光纖傳播的光信號的多個模式濾波器。沿基于多模光纖的通信系統(tǒng)配置的多個空間 模式濾波器起到周期性地除去在沿多模光纖的長度傳播信號期間所產(chǎn)生的不希望的高次 模信號的作用。
3
本發(fā)明的在纖實施方式(in-fiber embodiment)的一個優(yōu)勢是基模損耗的水平 低。在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，將GRIN光纖透鏡直接熔合到多模信號光纖(例 如，LMA光纖)的輸出端。當結合光纖放大器使用時，各種其它的放大器元件也可以是基于 光纖的(例如反射器、模變換器等)并直接耦合到本發(fā)明的模式濾波器，進一步降低光學系 統(tǒng)內的插入損耗水平。在下列討論的過程中并且通過參考附圖，本發(fā)明的其它和進一步的方面和實施方 式將變得更明顯。


現(xiàn)在參考附圖，圖1是顯示傅立葉空間模式濾波的基本概念的圖；圖2說明根據(jù)本發(fā)明形成的示例性的模式濾波器；圖3是說明GRIN光學透鏡的傅立葉變換性能的一組模擬電場強度，圖3 (a)與基 本LPtll模式有關，以及圖3 (b) (d)與高次LPtlx模式有關；圖4說明關于基本LPtll模式和高次LPtl2模式在場強方面的改變，顯示在GRIN光學 透鏡的輸入端(圖4(a))和GRIN光學透鏡輸出端(圖4(b))處的強度分布；圖5是關于基模和多個高次模在與徑向坐標有關的給定半徑內所含的模式能量 分數(shù)的曲線圖；圖6顯示所計算的在LMA光纖的各種模式和小芯單模光纖的基模之間的耦合損耗 (按 dB)；圖7說明本發(fā)明的另一個實施方式，在這種情況下在空間模式濾波器的輸出端利 用GRIN模變換器將光束腰(beam waist)從小芯單模光纖重新變換為與LMA光纖的第二部 分有關的較大的腰；圖8顯示采用根據(jù)本發(fā)明的空間模式濾波器的一種示例性光纖通信系統(tǒng)，顯示沿 通信光纖按位置間隔分布設置的串聯(lián)的四個單獨的空間模式濾波器；以及圖9說明本發(fā)明的另一個實施方式，結合設置在空間模式濾波器輸出端的波長選 擇反射元件非常適用于基于光纖的放大器或激光器構造。
具體實施例方式梯度折射率(GRIN)光學元件的透鏡化性能在本領域是眾所周知的。一般而言， GRIN光學元件具有如下列關系所定義的徑向折射率分布n(r) = nQsj\-g2r2其中Iltl被定義為沿光學元件的中軸的折射率，g被定義為聚焦參數(shù)，以及r是定義 光學元件大小的徑向坐標。已經(jīng)顯示關于在GRIN光學元件的長度L= Ji/(2g)(被定義為 “四分之一節(jié)距”長度(“quarter pitch”length))上的傳播，GRIN介質的本征模被傅立葉 變換。因而，入射在GRIN光學元件上的任何電場將在通過該元件傳播四分之一節(jié)距長度L 時被傅立葉變換。具有腰W1的高斯射束(不是GRIN元件的本征模)在傳播通過GRIN元件的四分 之一節(jié)距長度時被傅立葉變換成具有腰W2的另一個高斯射束。傳播通過第二個四分之一節(jié)距GRIN元件將光束腰變換回到Wl。這些周期性產(chǎn)生的光束腰通過下式聯(lián)系起來W1W2=Y/πng過去，已將GRIN元件的這種特性用于在具有不同模式面積的光纖之間實現(xiàn)模式 匹配的耦合。例如在大功率的LMA光纖激光器系統(tǒng)的環(huán)境下，已將GRIN透鏡用于選擇性地 使來自小芯單模光纖的光耦合成供隨后放大的LMA光纖的基模。根據(jù)本發(fā)明，目前利用GRIN透鏡的傅立葉變換特性來實施傅立葉空間濾波，將高 次模從沿著多模光纖傳播的信號的希望的基模中分離出來?？梢允贡景l(fā)明的空間模式濾波 器耦合到例如LMA光纖放大器的端面以防止進一步放大高次模，或者可以沿一段多模傳輸 光纖周期性地設置本發(fā)明的幾個濾波器以除去在傳播通信信號中可能出現(xiàn)的任何高次模。圖1說明利用傅立葉空間濾波從傳播信號中除去高次模的基本概念。以不同角度 的波矢量照射在透鏡1上的光線被聚焦在透鏡1的焦平面F的特定點上，這些點與相關的 波矢量相對于透鏡1的光軸OA的角度有關。如所示，具有平行于光軸的波矢量例如圖1中 的波矢量A的射線聚焦在焦平面F中的光軸OA上的一個點。具有非平行于光軸OA的波分 矢量例如圖1中的波矢量B的射線遠離焦平面F中的光軸OA聚焦。對于波矢量的橫向分 量大的波，較大地偏離焦平面中的光軸。通過在焦平面F中設置小孔P，能夠選擇用于傳輸 的希望的波矢量。例如，通過在光軸OA上設置小孔P，將傳送平行于光軸OA傳播的波矢量 A，同時濾除全部其它的波矢量(例如波矢量B)。已知通過光纖傳播的光信號的基模顯示出最小的橫向波分矢量，而高次模具有較 大的橫向波分矢量。因此，當來自多模光纖的模式通過透鏡聚焦時，基模位于大致以焦平面 中的光軸為中心的小區(qū)域內，而高次模遠離光軸聚焦。設置在焦平面內光軸上的小孔因此 將僅傳輸在傳送波束中的基模，而排除高次模。圖2說明根據(jù)本發(fā)明的一實施方式形成的示例性的空間模式濾波器10。在該實 施方式中，模式濾波器10包括與一段小芯光纖14耦合的一段GRIN光纖12。GRIN光纖12 起透鏡的作用并進行必要的傅立葉空間濾波，而小芯光纖14提供阻斷在空間上分離的高 次模并僅準許傳輸基模所需的小孔孔徑(pinhole aperture) 0模式濾波器10用于與一段 多模光纖16耦合并優(yōu)選直接熔合到多模光纖16的端面17。多模光纖16可以包括標準多 模光纖或大模式面積(LMA)光纖。為了方便起見，下文中將光纖16稱作“LMA光纖”，可以 理解為該描述還包括“多模光纖”。由于上述原因，持續(xù)傳播高次模的許多應用是不希望的。 根據(jù)本發(fā)明，如圖1中的圖所示，模式濾波器10利用傅立葉空間濾波起到引導這些高次模 離開信號通道的作用。參照圖2，LMA光纖16具有由腰為wl的高斯射束近似的基模，而小芯光纖14具有 W2的高斯腰。參考上述式子，選擇GRIN光纖透鏡12的長度以使其聚焦參數(shù)g滿足從W1到 W2的光束腰模式轉換。這確保使基模耦合到小芯光纖14中的損耗最小。如圖2中圖示，從 LMA光纖16發(fā)射的光被傅立葉變換，同時傳播通過四分之一節(jié)距長度的GRIN光纖透鏡12。 雖然在圖2中所示的實施方式描述了具有“四分之一節(jié)距”長度GRIN光纖的空間模式濾波 器，但普通技術人員將認識到本發(fā)明的范圍包括根據(jù)傅立葉變換特性所需利用各種長度的 GRIN光纖的空間模式濾波器。通常，傅立葉變換元件可以采取任何適合的光學元件的形式， 如“散裝”(分散)光學元件或基于光纖的光學元件。在大多數(shù)實施方式中，優(yōu)選基于光纖的元件，因為其耦合損耗水平低。盡管其后以低損耗將基本LPtll模式耦合到小芯光纖14中，但高次模的能量被排出 光纖軸，結果遭受高的耦合損耗。小芯光纖14起“小孔”波矢量濾波器的作用并且僅傳輸 最低的空間頻率。已進行了模擬，證實如本發(fā)明的空間濾波器中所用的GRIN透鏡的傅立葉變換特 性。將這些結果與具有相關的小芯單模光纖基模的GRIN透鏡的輸出端的電場強度的已知 疊加相結合，能夠計算模式濾波器的特性和耦合損耗。圖3說明在本發(fā)明的空間濾波器布置中在GRIN透鏡的輸出平面(即，“焦平面”) 處的各種LPtlm模式(m= 1,2,3,4)的電場強度的分布。如上所討論的那樣，在這些模式傳 播通過GRIN透鏡時它們被傅立葉變換。正如預期，在圖3(a)中所示的基本LPtll模式保持 以光軸為中心的高斯分布。相反，高次模的電場強度變?yōu)榉植际降模l(fā)現(xiàn)在各種模式中大部 分能量以環(huán)形圍繞光軸，環(huán)的大小隨模式階次提高而增加。圖3(b)說明關于LPtl2模式的強 度分布，圖3 (c)關于LPtl3模式以及圖3(d)關于LPtl4模式。圖4說明對于基本LPtll模式和次高的LPtl2模式在示例性的四分之一節(jié)距GRIN透 鏡的輸入端和輸出端的歸一化電場強度。圖4(a)中的圖是在進入GRIN透鏡的輸入端處的 電場強度曲線圖-說明當信號沿著LMA光纖傳播時出現(xiàn)的模式能量的重疊。GRIN透鏡的傅 立葉變換特性在圖4(b)的曲線圖中是明顯的，其中基本上全部與基模有關的能量現(xiàn)在都 集聚在GRIN透鏡的中央光軸區(qū)域內。LPtl2模式的傅里葉變換導致在與光軸空間分開的位 置產(chǎn)生峰(在圖4(b)中顯示為“A”)，具有駐留在該峰區(qū)域內的該模式的大部分能量。該 分布證實了也與LPtl2模式有關的圖3(b)的圖。圖5中描繪的數(shù)據(jù)進一步證實中圖3中所繪的電場強度結果，其中圖5是在作為 徑向坐標的函數(shù)的給定半徑內所含模式能量分數(shù)的曲線圖。如所示，傅立葉變換后的高次 模顯示出與小芯單模光纖的芯區(qū)極少重疊。圖6顯示所計算的在LMA光纖的各種模式和小 芯單模光纖的基模之間的耦合損耗(按dB)。如所示，LMA光纖的基本LPtll模式以極低的損 耗(大致0. 15dB)耦合到小芯單模光纖，而所有的高次模LPtlm遭受超過15dB的損耗。(注 意，基對稱性考慮，LPnm模式，其中η是非零的，例如LP12，具有對于軸對稱形狀的基模的零 華禹合)ο存在許多需要利用LMA光纖限制非線性信號失真的應用。盡管在現(xiàn)有技術中已經(jīng) 將GRIN光纖透鏡用于以絕熱、保留模式的方式把沿小芯光纖傳播的單一模式信號耦合到 大面積光纖中，但本發(fā)明的器件用于處理沿LMA光纖傳播的多模信號。小孔元件與GRIN光 纖透鏡一起起到提供希望的空間模式濾波的作用。為了防止在用作小孔元件的小芯光纖中 的非線性信號失真，盡可能限制其長度是合乎需要的。實際上，應當將該光纖的最大長度Ll 限制到小于或等于(W1ZW2) 2L2其中L3是在GRIN透鏡之前的LMA光纖的長度，以及W1和W2是如上定義的光束 腰。對小芯光纖長度的該限制確保在小芯光纖中經(jīng)歷的非線性不大于LMA光纖的該前段所 經(jīng)歷的非線性。當防止沿小芯光纖的信號通道進一步傳播時，其后，出現(xiàn)在GRIN光纖透鏡末端的 高次模信號將作為小芯光纖的包層模傳播。因而，還考慮除去這些包層模使它們不出現(xiàn)在
6小芯光纖的末端所需的最小長度來確定對小芯光纖的長度的限制。顯然，該長度將取決于 每一系統(tǒng)組成部分的各種參數(shù)。實際上，通過特定的光纖設計或者通過向光纖表面涂覆高 指數(shù)凝膠(high-index gel)或聚合物能夠促進除去小芯光纖的包層模。可以連同本發(fā)明 的布置使用這些和其它技術來減小用作小孔元件的小芯光纖的長度。此外，已知芯的缺陷可以允許沿LMA光纖傳播的基模實質上區(qū)別于理想的高斯形 狀。由現(xiàn)有技術可知，利用GRIN透鏡進行波束成形以便將非高斯射束轉換為優(yōu)選的高斯形 態(tài)，該特定類的GRIN透鏡采用更復雜的構造，包括非拋物線的徑向折射率分布。應當理解 的是，這些更復雜的GRIN透鏡可以用于實施存在非高斯信號條件的本發(fā)明。如上所述，本發(fā)明的空間模式濾波器特別適合用于采用LMA光纖的光纖激光器和 放大器系統(tǒng)。實施本發(fā)明的空間模式濾波器的優(yōu)勢在于它防止儲存在激勵介質中的能量被 高次模抽離，否則它會繼續(xù)在該介質內傳播。在圖7中說明的本發(fā)明的另一個實施方式描繪了在光纖放大器系統(tǒng)內利用空間 模式濾波器的示例性布置。應當理解的是，僅說明了完整的光纖放大器的一部分。參考圖 7，第一段LMA光纖20為傳播的光信號0提供放大。LMA光纖20包含用于放大傳播的光信 號的稀土摻雜劑(例如，鉺或鐿)。與圖2的空間模式濾波器10類似，空間模式濾波器30 耦合到第一 LMA光纖段20的端面22。模式濾波器30包括后面是小芯光纖34 (用作本發(fā)明 的空間濾波器中的小孔元件)的GRIN透鏡32 (在該實施例中包括一段光纖并且下文稱作 "GRIN光纖透鏡32”)。如上述實施方式，GRIN光纖透鏡32起到對傳播的光信號進行傅里 葉變換，并使傳播的高次模離開光纖軸使得而后阻斷它們進入小芯光纖34的作用。為了將該放大的、濾過的信號傳入連接的第二段LMA光纖26，將第二 GRIN光纖透 鏡24耦合到小芯光纖34的輸出端面36，從而保持優(yōu)選的全光纖構造。在該實施例中，GRIN 光纖透鏡24起模變換器的作用，從而增加小芯光纖34輸出的基模的光點大小以便匹配第 二段LMA光纖26的基模(也就是說，將光束腰從W2轉換回到最初的巧的模式大小?？梢?將第二段LMA光纖26直接耦合到第二 GRIN光纖透鏡24的端面25。在本發(fā)明的又一個具體實施方式
中，可以沿多段多模光纖例如傳輸光纖系統(tǒng)重復 圖7的布置，其中將第二 GRIN透鏡附加到各空間模式濾波器段的輸出端以提供模式匹配。 實際上，可以在沿多模傳輸光纖的不同位置設置第一 GRIN透鏡/小芯光纖/第二 GRIN透 鏡的重復布置以周期性地濾出傳播的光信號的不希望的高次模。在圖8中說明一種這樣的采用多個空間模式濾波器的布置。如所示，將根據(jù)本發(fā) 明形成的多個空間模式濾波器40-1、40-2、40-3和40_4的布置設置在多模光纖50段之間， 各模式濾波器包括第一 GRIN透鏡42-i(i = 1,2,3,4)和小芯光纖44_i (i = 1，2，3，4)。將 模變換器46-i(i = 1，2，3，4)，優(yōu)選第二 GRIN透鏡，用于與各空間模式濾波器連接，使來自 小芯單模光纖的濾波輸出信號的模式與接下來的多模光纖50段的模式匹配。圖9給出本發(fā)明的空間模式濾波器的另一個實施方式，特別適合用于光纖激光器 /放大器系統(tǒng)。在這種情況下，將反射元件60耦合到空間模式濾波器70的輸出端，空間模 式濾波器70如上所述包括GRIN光纖透鏡72和小芯單模光纖74。結合稀土摻雜劑以為傳 播的光信號提供放大的一段LMA光纖80耦合到空間模式濾波器70的輸入端。反射元件60 可以采取例如以選擇來反射傳播的放大信號的波長的光柵周期寫入光纖的光柵結構的形 式。
當?shù)竭_反射元件60時，基模信號倒轉方向并重新通過小芯單模光纖74和GRIN光 纖透鏡72 (如圖8中箭頭所示)，重新進入LMA光纖80。借助于GRIN光纖透鏡72的模式變 換特性的互逆特性，擴大反射信號的光點大小，以實質上匹配LMA光纖80的模式大小。反 射的大模式面積信號由圖9中的虛線顯示。雖然已經(jīng)依據(jù)目前優(yōu)選的實施方式描述了本發(fā)明，但應了解不將這樣的公開解釋 為限制。對于本領域技術人員，在閱讀了上述公開的內容后，各種變化和改進無疑將變得明 顯。因此，試圖將所附權利要求解釋為覆蓋所有這樣的改變，屬于本發(fā)明的真實精神和范圍。
權利要求
一種光學空間模式濾波器，用于與包括基模和至少一個高次模的多模輸入信號一起使用，該空間模式濾波器包括梯度折射率(GRIN)光學透鏡，用于接收多模輸入信號，并顯示出用于從沿光軸傳播的光信號的基模中空間地分離該至少一個高次模的徑向折射率分布；以及耦合到該GRIN光學透鏡的小孔元件，該小孔元件包括孔徑，該孔徑被設置為與光軸對齊并且孔徑大小實質上僅準許沿光軸進一步傳播多模輸入信號的基模。
2.如權利要求1所述的光學空間模式濾波器，其中GRIN光學透鏡包括定義為L=π/ (2g)的四分之一節(jié)距長度L，g是GRIN光學透鏡的聚焦參數(shù)。
3.如權利要求1所述的光學空間模式濾波器，該濾波器進一步包括耦合到小孔元件的 輸出端的第二 GRIN光學透鏡，用于提高離開小孔元件的傳播的基模光信號的模式面積。
4.如權利要求1所述的光學空間模式濾波器，其中將小孔元件設置為支撐具有第一模 半徑W1的基模，并且輸入的多模信號包括具有第二模半徑W2的基模，其中第一和第二模半 徑通過下式相關Λ 其中λ是傳播的光信號的波長，η是GRIN光學透鏡的折射率，以及g是GRIN光學透 鏡的聚焦參數(shù)。
5.如權利要求1所述的光學空間模式濾波器，其中聚焦參數(shù)g如下與所述GRIN光學透 鏡的折射率η的徑向分布有關n{r) = n^\-g2r2其中％與沿著中心光軸的折射率有關，以及r與光學元件段的徑向坐標有關。
6.如權利要求1所述的光學空間模式濾波器，其中GRIN光學透鏡包括用于將非高斯基 模轉換為高斯輸出基模傳播光信號的折射率分布。
7.如權利要求1所述的光學空間模式濾波器，其中小孔元件包括小芯光纖。
8.如權利要求7所述的光學空間模式濾波器，其中小芯信號模式光纖具有等于(W1/ w2) 2L2的最大長度L1, L2是與GRIN光纖透鏡的輸入端耦合的輸入多模光纖的長度，W1是在 GRIN光纖透鏡的輸入端處的多模信號的光束腰，以及W2是在GRIN光纖透鏡的輸出端處的 光信號的基模的光束腰。
9.一種從沿大模式面積光纖傳播的光信號中除去高次模的方法，該方法包括步驟a)向用于從沿光軸傳播的基模中空間地分離高次模的GRIN光學透鏡施加作為輸入的 多模光信號；以及b)在GRIN光學透鏡的輸出端使孔徑對準光軸，該孔徑準許實質上僅光信號的基模進一步傳播。
全文摘要
一種用于消除高次模沿一段多模光纖傳播的模式濾波器包括優(yōu)選具有四分之一節(jié)距長度的梯度折射率(GRIN)透鏡和小芯光纖形態(tài)的小孔元件。該構造產(chǎn)生傅立葉空間濾波器組件，其在捕捉光信號的基模的同時除去沿光纖傳播的高次模。一段GRIN光纖優(yōu)選被用作透鏡，在該GRIN光纖透鏡的輸出端設置有小芯光纖，僅實質上收集光信號的在軸(on-axis)基模。因為GRIN光纖透鏡從來源中移走高次模，小芯光纖僅捕捉基模信號。
文檔編號G02B6/34GK101893739SQ20101016713
公開日2010年11月24日 申請日期2010年4月22日 優(yōu)先權日2009年4月23日
發(fā)明者雅耶什·C.·亞沙帕拉 申請人:Ofs飛泰爾公司