CN101014891A - 模式转换器 - Google Patents

Abstract

一种光纤内模式转换器，包含：构成输入微透镜的光纤部分，所述输入微透镜适于扩展光信号的波振面；构成相移区域的光纤部分，所述相移区域适于将所述光信号的传播模式转换成另一种传播模式；以及构成输出微透镜的光纤部分。所述构成输入微透镜的光纤部分是接合的，而且所述构成输出微透镜的光纤部分是接合的，相对于自由空间模式转换，该转换器是致密的并且损耗被降至最低。

Description

模式转换器

技术领域

本发明涉及光纤中的光模式转换。

背景技术

传统的光纤包含光纤芯，光纤芯具有传输以及在适当情况下放大光信号的功能，并且被光纤包层包围，光纤包层具有将光信号限制在芯内的功能。为此，芯的折射率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。按照惯例，到光纤中央的距离r沿横坐标轴绘制，光纤芯的折射率和光纤包层的折射率的差异沿纵坐标轴绘制。这些表述方式“阶梯”、“梯形”和“三角形”分别相对于具有阶梯形、梯形和三角形的图形而使用。这些曲线通常表示对于光纤的理论或设置点分布，并且光纤结构限制可以导致显著不同的分布。

取决于光纤芯的尺寸和光波的属性，在光纤中传输的光信号可以是单模信号或多模信号。在光纤中传输的传播模式具有特定的横向强度分布。纵向被定义为信号在光纤中的光传播轴，横截面被定义为垂直于光纤纵轴的平面。

在新的高比特率波分复用(WDM)传输网络中，特别地，对等于或高于40G比特/秒或160G比特/秒的比特率，管理色散是有利的。目的是在对于复用的所有波长值都基本上等于零的连接上获得累积色散，以便限制脉冲的扩展。“累积色散”这一表述方式是指色散在光纤长度上的积分；在恒定色散的情况下，累积色散等于用光纤的长度乘以色散后的乘积。在复用的波长范围上限制累积色散的斜率也是有益的，以便防止或限制复用的信道之间的失真。按照惯例，该斜率是色散相对于波长的导数。

单模光纤(SMF)和非零色散位移光纤(NZ-DSF⁺)在传统的光纤传输系统中用作线路光纤。这些光纤具有正色散和正色散斜率。本领域内公知的，使用短长度的色散补偿光纤(DCF)来补偿用作线路光纤的单模光纤和NZ-DSF⁺光纤的色散和色散斜率。

一般而言，光纤传输系统使用由单模光纤构成的线路光纤，在单模光纤中只有基本LP01模式被引导。然而，较高阶模式的属性能够针对特定的光纤用途，例如用于使增益平滑或用于补偿色散，而被开发。于是，有必要将基本模式转换成空间模式或更高阶。例如，更高阶模式(HOM)光纤具有负色散和大的有效区域。

有两种主要的光纤模式转换方法。第一种方法，称为纵向方法，沿着超出给定信号传播距离z的光纤部分的轴引入周期性的扰动。这样的扰动，例如长周期光栅，导致基本模式和更高阶模式之间的耦合。然而，该方法不能获得100％的模式耦合。尽管有衰减，基本模式持续在HOM光纤的更高阶模式的信号传播中被引导并产生噪声。

第二种方法，称为横向方法，借助于延迟元件沿着信号的传播在给定点修改信号的横向强度分布，所述延迟元件适于引入受控的相位跃变。假设相移元件完美地对准信号传播轴，则这种技术理论上能提供第一模式和第二模式的100％的耦合。

因此，国际专利申请第WO99/49342号提出，通过在两个光波导之间插入相位选择元件来实现横向光纤模式转换，该相位选择元件能包含折射或反射元件，例如透镜、反射镜、光栅、电-光组件等等。然而，这种类型的模式转换器复杂、不灵活以及相对庞大。此外，这种类型的自由空间转换器对环境敏感，因此，其难以长期工作并难以调节。

欧洲专利申请EP 1 343 031公开了一种滤波器内横向模式转换器，即完全在滤波器内部实施的横向模式转换器。这种类型的转换器包含光波导，光波导包括光敏区域，光敏区域包括沿波导断面的特定折射率分布，该分布同时定义了纵向绝热转变和横向引导的模式分布。因此，通过波导的光敏区域的受控辐射，局部修改波导的折射率是可能的。折射率分布的径向变异实现了模式转换，沿波导辐射的精确控制特别地确保了径向变异的绝热纵向转变。然而，这种控制是困难的，并且使光纤掺杂以获得特定的感光分布是复杂的。

发明内容

本发明目的在于减轻现有技术的缺陷。本发明提出一种简化的、实现了更有效的横向转换的模式转换器。

由此，本发明提出一种光纤内模式转换器，包含：

-构成输入微透镜的光纤部分，所述输入微透镜适于扩展光信号的波振面，

-构成相移区域的光纤部分，所述相移区域适于将所述光信号的传播模式转换成另一种传播模式，以及

-构成输出微透镜的光纤部分。

根据特性，构成输入微透镜的光纤部分是接合的，而且构成输出微透镜的光纤部分是接合的。

根据特性，构成相移区域的光纤部分具有预定长度、预定的折射率分布以及预定的芯径。

根据特性，构成相移区域的光纤部分的折射率分布包含一个或多个跃变。

根据特性，构成相移区域的光纤部分的长度从25微米(μm)到1000微米。

根据特性，构成相移区域的部分的芯径从0.5μm到100μm。

因此，本发明涉及的光系统包括：

-适于发送以第一传播模式传播的光信号的第一光纤，

-适于将所述第一传播模式转换成第二传播模式的本发明的模式转换器，

-适于发送以第二传播模式传播的光信号的第二光纤。

根据特性，第一和第二传播模式是圆形对称模式LP0m。

根据特性，所述光纤之一是多模光纤。

根据特性，所述光纤之一是更高阶模式的光纤。

在应用中，所述光纤之一是色散补偿光纤。

在应用中，所述光纤之一是布拉格光栅组分光纤(Bragg gratingcomponent fiber)。

在应用中，所述光纤之一是放大光纤。

在应用中，所述放大光纤是激光辐射光纤。

在应用中，所述放大光纤是拉曼放大光纤。

根据特性，所述光系统还包括适于将所述第二传播模式转换成第一传播模式的本发明的第二模式转换器。

附图说明

在阅读以举例方式给出的并参照了附图的下列描述后，本发明的特性和优势将变得更加明显，在附图中：

图1是包括本发明的模式转换器的光传输系统的示意图，

图2是本发明的模式转换器的示意图，

图3示出本发明的转换器的输入微透镜，

图4是分别在单模光纤和HOM光纤中传播模式LP01和LP02的远场强角分布的模拟曲线，

图5示出在与本发明的转换器等效的傅立叶面(Fouier plan)上的装置，

图6是显示本发明的模式转换器的孔径比的示意图。

具体实施方式

本发明的模式转换器包括接合的光纤部分。头两个部分构成适于使得输入光信号发散并使其平行校准的输入微透镜。接下来的一部分构成相移区域，所述相移区域适于引入适当的相移以修改强度的横向分布以便将输入信号的传播模式转换成另一种传播模式。接下来的两部分构成输出微透镜，所述输出微透镜适于将输出信号聚焦到合适的波导。

由于光纤部分被接合在一起，与自由空间解决方案相比，所述转换器是致密的并且损耗被减到最小。

图1是包括本发明的模式转换器的光传输系统的示意图。光纤信号可以是WDM信号，其在传输光纤中被传输，例如，该传输光线通常是单模光纤。在这种情况下，光纤信号以基本的LP01模式传输。

如上所述，一般地，有必要补偿单模传输光纤线路上的色散。通过使用更高阶模式补偿光纤，也就是说，信号的色散在例如LP02模式的更高阶传播模式中补偿，则这样的补偿能进行得更加有效。

更高阶模式补偿光纤的一定长度因此插入到两个模式转换器之间的传输线路中，这两个模式转换器分别适于将LP01模式转换成由HOM光纤采纳的更高阶模式，和将更高阶模式转换成LP01模式，LP01模式被再次注入单模光纤，在单模光纤中色散得到补偿。

如上所述，模式转换必须有效，换句话说与转换后模式的重叠必须尽可能地接近100％，以便限制在HOM光纤中引入的噪声，这可能限制其色散补偿效率。然而，该双重转换必须将信号的光功率损耗减至最低。

图2是本发明的模式转换器的示意图。该光纤内类型转换器完全在光纤内实施，这有力地限制了光功率损耗。

转换器包括构成输入微透镜的光纤部分10、构成相移区域的光纤部分20，以及构成输出微透镜的光纤部分30。微透镜10、30后面将参照图3进行详细描述。相移区域是具有折射率分布、预定芯径e和预定长度L的光纤部分20。“相移”这一表述方式意味着在场的给定空间位置引入至少一个特定值的相位跃变。

因而，以给定的第一传播模式在光纤40内导入的光信号的波振面由输入微透镜10进行扩展。在相移区域20中传播的光信号因此不再被引导并且可能受到相移的影响，相移导致了光模式转换。然后，转换后模式的波振面由输出微透镜30聚焦以匹配输出光纤50的数值孔径。接下来，以第二给定传播模式传播的光信号被引导入输出光纤50。

例如，在单模传输光纤40中以LP01模式传播的信号被提供到转换器的输入。输入微透镜10对LP01模式的波振面进行扩展和平行校准。在相移区域20中传播的波不被引导，尽管该部分具有可以用作波导的芯和光纤包层。输入微透镜10已经将输入模式的场扩展到超出光纤部分20的数值孔径。如下所述，相移区域20因此引入适当的相位跃变，例如将LP01模式转换成LP02模式。然而，LP02模式在相移区域20中不再被引导并且具有比HOM光纤50的数值孔径大得多的模式直径。输出微透镜30然后聚焦LP02模式以匹配HOM光纤的孔径。

必须理解，光信号的相同路由适用相对的转换；HOM光纤40将例如LP02模式信号的更高阶传播模式信号引入到输入微透镜10。接着，LP02模式信号在相移区域20被转换成LP01模式。然后，输出微透镜30将LP01模式信号聚焦到单模光纤50上。

图3示出本发明的转换器的输入微透镜10。该图还示出(阴影)由微透镜进行的光模式扩展。

微透镜的理论和特性在P.Chanciou等人所著的“Design andPerformance of Expanded Mode Fiber Using Microoptics”中进行了说明。微透镜由包括纯硅区域11的光纤部分构成，纯硅区域11的作用如焊接到分级折射率区域12的发散透镜，分级折射率区域12的作用如会聚透镜。这类组件可以从Optogone得到。

输入微透镜的一个功能是使得输入光信号的波振面发散。纯硅部分不具有光芯并且输入信号的光模式在该部分不再被引导。输入微透镜的另一个功能是使用分级折射率区域来平行校准发散的光束。

输出微透镜的功能是使得相移部分的输出光信号的波振面会聚并将其聚焦到光纤上，使得在输出光纤中，转换后模式和选择的传播模式之间的重叠最大化。

因而，微透镜具有两个双向功能并且用作二重光透镜。

因此，在光纤中被引导的输入信号由发散透镜导致发散，所述发散透镜由输入微透镜的纯硅区域组成。发散的光束接着由会聚透镜进行平行校准，所述会聚透镜由输入微透镜的分级折射率区域组成。

同样地，未被引导但是被平行校准的光束可以由第一透镜导致会聚，所述第一透镜由输出微透镜的分级折射率区域组成。然后由第二透镜对光束进行平行校准，以便将光束引导进具有适当模式直径的光纤中，其中所述第二透镜由输出微透镜的纯硅区域组成。

纯硅区域的长度L_S和分级折射率区域的长度L_GRIN根据输入和输出模式的场径来选择，也就是说，根据微透镜的输入和输出端的光纤的芯径来选择。这些长度L_S和L_GRIN确定了以上描述的等效透镜的焦距。

因此，从导入和受限的输入信号，例如在具有模式场径9μm的单模光纤中以LP01模式传播的单模信号，微透镜能提供具有5μm到80μm直径的扩展的平行校准信号。

使用微透镜来转换在相移区域20中以平行光束形式传播的扩展信号的传播模式。因此，相移区域的作用如在空间引入适当相位跃变的相板。

构成相移区域的光纤部分具有分级的折射率分布，该分布可以是矩形、阶梯形或适于产生更较复杂形状相移的任何其他形状。因此，取决于折射率分布，在信号传播模式场中的不同位置上产生不同值的一个或多个相位跃变是可能的。

例如，相位跃变π能被引入到在满足下列等式的上述类型的光纤中传播的光信号传播模式的相位中，其中λ是光信号的波长，L是相移区域的长度，Δn是相移部分的折射率跃变：

λ/2＝(Δn)L

例如，对于1550纳米(nm)的发送光信号和具有10^-2折射率跃变的光纤来说，相移区域的长度L必须是77.5μm。根据相位跃变区域的光纤分布，光纤的长度L可以是25μm到1000μm。

要引入的相位跃变的位置由构成相移区域的光纤部分的折射率跃变的径向位置确定。如果要引入单个相位跃变，例如将LP01模式转换成LP02模式，则可以使用具有适当芯径 e的矩形折射率分布的光纤。

图4显示了在单模光纤和HOM光纤中，对于不同传播模式，随角度θ变化的远场强。

LP01模式和要求的模式之间的变换功能确定了角度θ₁，在该角度有必要引入例如相位跃变π，以使得远场对应于要求的模式，在该例中所述要求的模式是LP02模式。在图4的例子中，该角度θ₁是5.68°。为了获得具有改进重叠的模式转换，可以设想其他相位跃变分布。

图5示出在与本发明的转换器等效的傅立叶面(Fouier plan)上的光学装置。发送器4对应于以第一种模式传播的输入光信号。焦距为f的透镜1对应于输入微透镜，相板2对应于相移部分20，焦距为f’的透镜3对应于输出微透镜。相板2具有直径为 e、具有相对于周围区域的折射率跃变的中央区域，其对应于光纤20的芯。该区域的直径e确定了要引入的相位跃变的角位置。

因此，构成相移区域的光纤的芯的直径 e被链接到第一和第二微透镜的焦距f和f’。转换器中输入模式的扩展必须受控，以便由折射率跃变引入的相位跃变相对于输入模式的角度分布被正确地定位。

图6显示了本发明的模式转换器的孔径比。相板位于傅立叶空间(Fourier space)，输入光纤(例如单模光纤)位于A，输出光纤(例如HOM光纤)位于B’。光纤在点A和B’看到相板的相应半角θ和θ’被确定。如果两个微透镜10和30的焦距被优化，则模式耦合效率被最大化。

接着，定义比率α＝sin(θ)/sin(θ’)。当α是θ的线性函数时，观察到最大耦合。对于与图4的场分布相应的光纤，通过根据LP01和LP02之间的耦合效率而改变参数α，已经建立了等式α＝aθ+b，a＝0.13，b＝0.09。

已经模拟了用本发明的转换器耦合1550nm光信号的LP01模式到LP02模式。角θ₁和θ’都被设置为大约5.68°，这给出θ＝2°。具有矩形折射率分布和折射率跃变10^-3的775μm光纤部分用于相移区域。构成相移区域的光纤芯径 e是输出微透镜的焦距f’的函数，该函数由等式e＝2f’*tanθ’定义。

认为单模光纤中的LP01模式信号的84％的功率被耦合进HOM光纤。

必须理解，构成本发明的模式转换器的光纤部分的参数必须根据要求的应用来确定。这样，在HOM光纤中，针对色散补偿应用的将LP01模式转换成LP02模式的本发明的转换器和在HOM光纤输出端被设计为将LP02模式转换成LP01模式的相同类型的转换器，或者将LP01模式转换成LP03模式的相同类型的转换器，在输入、输出微透镜方面，将不会具有相同参数(L_S和L_GRIN)或相同相移区域光纤折射率跃变分布。

例如，对于更高阶模式泵浦或LP03中的色散补偿应用，可以要求到LP03模式的转换。

特别地，构成相移区域的光纤部分可以具有分级的折射率分布或者适于向要转换的传播模式中引入适当相位移动的其他任何分布。

本发明的模式转换器具有圆形对称性。因此，它适于对任何圆形对称模式LP0m实现模式转换。

在给出这里通过举例方式提供的信息，本领域技术人员将能够确定的输入输出微透镜的参数和用于相移区域的光纤的折射率分布。某些参数可以由商业限制或通过具有固定芯径 e和固定折射率跃变Δn进行固定，所述商业限制例如具有特定焦距的特定微透镜的商业可用性。

参照使用HOM光纤进行色散补偿应用中本发明的模式转换器的例子描述了图1。然而，还可以设想其他应用，例如借助于倾斜布拉格光栅在更高阶模式中进行增益平坦化。

本发明的模式转换器同样可以用于在具有良好放大效率的放大光纤或激光辐射光纤中的泵浦应用。

Claims (16)

1.一种光纤内模式转换器，用于转换接收的光信号的传播模式，其包含：

-构成输入微透镜的光纤部分(10)，所述微透镜适于扩展所述光信号的波振面，

-构成相移区域的光纤部分(20)，所述相移区域适于将所述光信号的所述传播模式转换成另一种传播模式，以及

-构成输出微透镜的光纤部分(30)，所述输出微透镜适于以所述另一种传播模式发送所述光信号。

2.根据权利要求1的模式转换器，其特征在于，所述构成输入微透镜的光纤部分是接合的，而且所述构成输出微透镜的光纤部分是接合的。

3.根据权利要求1或2的模式转换器，其特征在于，所述构成相移区域的光纤部分具有预定长度(L)、预定的折射率分布以及预定的芯径(e)。

4.根据前述权利要求任一项的模式转换器，其特征在于，所述构成相移区域的光纤部分的折射率分布包含一个或多个跃变(Δn)。

5.根据前述权利要求任一项的模式转换器，其特征在于，所述构成相移区域的光纤部分的长度从25微米到1000微米。

6.根据前述权利要求任一项的模式转换器，其特征在于，所述构成相移区域的光纤部分的芯径从0.5微米到100微米。

7.一种光系统，包括：

-适于发送以第一传播模式传播的光信号的第一光纤(40)，

-根据权利要求1至6任一项的、适于将所述第一传播模式转换成第二传播模式的模式转换器，

-适于发送以第二传播模式传播的光信号的第二光纤。

8.根据权利要求7的光系统，其特征在于，所述第一和第二传播模式是不同的圆形对称模式LP0m。

9.根据权利要求7或8的光系统，其特征在于，所述光纤(40、50)之一是多模光纤。

10.根据权利要求7至9任一项的光系统，其特征在于，所述光纤(40、50)之一是更高阶模式(HOM)的光纤。

11.根据权利要求7至10任一项的光系统，其特征在于，所述光纤(40、50)之一是色散补偿光纤。

12.根据权利要求7至10任一项的光系统，其特征在于，所述光纤(40、50)之一是布拉格光栅组分光纤。

13.根据权利要求7至10任一项的光系统，其特征在于，所述光纤(40、50)之一是放大光纤。

14.根据权利要求13的光系统，其特征在于，所述放大光纤是激光辐射光纤。

15.根据权利要求13或14的光系统，其特征在于，所述放大光纤是拉曼放大光纤。

16.根据权利要求7至15任一项的光系统，其特征在于，所述光系统还包括权利要求1至6任一项的第二模式转换器，所述第二模式转换器适于将所述第二传播模式转换成第一传播模式。

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