一種全光纖模式轉(zhuǎn)換器及光系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)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(dǎo)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)不同的光纖應(yīng)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(gè)解即對應(yīng)著一種傳輸模式，對應(yīng)著電磁場在光纖中的一種分布形式。按照分布形式，圓波導(dǎo)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(dǎo)波模之外，還有包層模、輻射膜和泄漏模。
[0005]在實(shí)際應(yīng)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(dǎo)光纖。采用弱導(dǎo)光纖的標(biāo)量近似解法，可以得到相對簡單的橫向強(qiáng)度分布和數(shù)學(xué)表達(dá)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(dǎo)模。然而，高階模有負(fù)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(bǔ)償?shù)确矫嬗刑厥獾膽?yīng)用。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(diǎn)修改信號的橫向強(qiáng)度分布。上述延遲元件引入受控的相位躍變，假設(shè)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(shí)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(shè)計(jì)復(fù)雜、相對體積龐大以及環(huán)境適應(yīng)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(shí)現(xiàn)微透鏡的功能，并使用特種多模光纖實(shí)現(xiàn)相位選擇的功能，然后熔接各個(gè)部分，最終實(shí)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(dāng)嚴(yán)格，所以很難實(shí)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(dǎo)致基本模式和高階模式之間的耦合。然而，這種方法無法達(dá)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(yīng)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(gè)高階模式(LPmn)，從而達(dá)到色散補(bǔ)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(shí)用新型提出一種具有實(shí)現(xiàn)簡單、轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)換噪聲小等特點(diǎn)的全光纖模式轉(zhuǎn)換器及光系統(tǒng)。
[0013]本實(shí)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(gè)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(gè)模場匹配器、全光纖模式轉(zhuǎn)換器、第二個(gè)模場匹配器、輸出光纖依次熔接在一起，以達(dá)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(bǔ)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(yù)定長度、預(yù)定的折射率分布，預(yù)定的芯徑以及預(yù)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(gè)或多個(gè)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(yù)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(shí)用新型用于光纖模式轉(zhuǎn)換，具有實(shí)現(xiàn)簡單，轉(zhuǎn)換效率高，轉(zhuǎn)換噪聲小等特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0038]圖1是包括本實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施方式】
[0047]結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步描述。
[0048]如圖1所示，本實(shí)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(gè)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(gè)模場匹配器(20)、全光纖模式轉(zhuǎn)換器(30)、第二個(gè)模場匹配器(40)、輸出光纖(50)依次恪接在一起，以達(dá)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(gè)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(gè)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(shí)用新型的模式轉(zhuǎn)換器的結(jié)