CN101231368A - 用于互连不同光纤的光纤设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种耦接波导被互连在发射光纤和接收光纤间以便减少耦接损失。该耦接波导包括整体形成的具有非抛物线折射率轮廓的渐进指数透镜。该渐进指数透镜接收由发射光纤发射的光学信号的耦接模场作为输入，并且将该耦接模场转换为与接收光纤的相应的耦接模场匹配的横向空间分布。

Description

用于互连不同光纤的光纤设备和方法

技术领域

本发明一般地涉及光纤设备和方法，并且特别地涉及用于互连不同光纤的光纤设备和方法。

背景技术

高功率光纤、放大器和其它设备通常由必须以低光学损失互连的许多个体光纤和组件组装而成。近来开发的高功率光纤具有非传统的模场面积，例如，大于100平方微米，以及任意的基本LP₀₁模场形状，诸如环形、模场中心有坪(plateau)等。另外，某些光纤被设计为承载更高阶横向模式诸如LP₀₂模式的信号，而且它不是传统形状。使用已有的技术不能有效地互连这种非标准模场。

发明内容

本发明解决上述问题以及其它问题，本发明的一个方面涉及用于提供具有不同的横向模场分布的发射光纤和接收光纤间的低损失耦接的系统和技术，所述不同横向模场分布中至少有一个是非高斯的。该系统包括在发射光纤和接收光纤之间互连的特别设计的耦接波导。该耦接波导包括具有非抛物线折射率轮廓的整体形成的渐进指数透镜。该渐进指数透镜接收由发射光纤发射的光学信号的耦接模场作为输入，并且将耦接模场转换为与接收光纤的相应的耦接模场匹配的横向空间分布。

根据本发明的另一个方面，可以将所述的耦接波导耦接到接收光纤的终端，以便转换以碰撞辐射形式接收的输入模场分布。可替换地，可以将该耦接波导耦接到发射光纤的终端，以便在以发射的辐射的形式提供发射光纤的输出之前，转换发射光纤输出的模场分布。

通过参考下面的详细说明和附图，可以明了本发明的其它特征和优点。

附图说明

图1A和1B示出了一对图，它们比较示例的单模光纤(SMF)和大模面积(LMA)铒/镱(Er∶Yb)掺杂增益光纤的折射率轮廓和LP₀₁基本模场分布；

图2A和2B示出了一对图，它们比较SMF光纤和LMA光纤在1550nm处的基本LP₀₁模场的数值预测近场光学强度；

图3示出了由示例的SMF和LMA光纤装配的光学传输线的分解图；

图4示出了在示例的SMF和LMA光纤之间互连了具有抛物线折射率轮廓的耦接波导的光学传输线的分解图；

图5示出了在示例的SMF和LMA光纤之间互连了根据本发明设计的具有非抛物线折射率轮廓的耦接波导的光学传输线的分解图；

图6示出了耦接波导的最佳的抛物线折射率轮廓；

图7示出了根据本发明的一个方面，耦接波导的最佳的非抛物线折射率轮廓；

图8示出了一个图，示出了耦接波导的最佳的抛物线折射率轮廓、耦接波导的最佳的非抛物线折射率轮廓和非抛物线折射率的步进方式的近似；

图9示出了比较LMA光纤的LP₀₁模场分布、具有最佳抛物线折射率的耦接波导的信号输出、和具有最佳非抛物线折射率的耦接波导的信号输出的图；

图10示出了说明各种耦接模式的耦接损失的长度相关性的图；

图11示出了未按比例绘制的根据本发明的另一个方面的多模耦接波导的截面图；

图12示出了说明根据本发明的另一个方面用于设计耦接波导的方法的流程图；

图13-15是一系列说明结合了根据本发明的耦接波导的光纤传输线的可替换的配置的图。

具体实施方式

本发明的一个方面提供用于减少具有不同模场-其中至少一个为非高斯-的发射光纤和接收光纤间的耦接损失的技术。描述了一种用于设计和制造具有非抛物线指数轮廓的特别设计的多模光纤的技术，当被互连在发射和接收光纤之间时，平滑地转换发射光纤输出模场的大小和形状转换，以便大体上与接收光纤的模场分布匹配。与用于减少耦接损失的现有技术相比，所述的技术和耦接波导实现了明显改进的耦接损失的减少，所述现有技术包括，例如，将短长度的抛物线指数轮廓多模光纤用于光纤互连的技术。如此处所述，可以使用数字光纤设计工具以便基于将被互连的光纤的特性设计这种特别的非抛物线多模中间光纤。可以使用改进的化学蒸汽沉积(MCVD)或其它适合的光纤制造技术生产所述的光纤设备。

现在就传统的单模光纤(SMF)和典型的大模面积(LMA)铒/镱(Er∶Yb)掺杂增益光纤的基本LP₀₁模场的耦接损失的减少描述本发明的设计和功能。从下面的讨论中将理解，所述技术的范围延伸出本例子中使用的特定光纤和耦接模式。

如下面更详细描述的，SMF光纤LP₀₁模场分布具有基本上为高斯的形状，然而LMA光纤LP₀₁模场分布具有非常非高斯的形状。图1A和1B示出了两种光纤间的不同。图1A示出了图100，对SMF光纤102和LMA光纤104各自的折射率轮廓进行了比较。在图100中，x轴相应于每个光纤之上的以微米表示的辐射位置，每个光纤的中心相应于原点。Y轴相应于作为辐射位置的函数的每个光纤的折射率。台阶状迹线102示出了SMF光纤的折射率轮廓，并且M形迹线104示出了LMA光纤的折射率轮廓。从图1A可见，与传统的SMF相比，LMA光纤的指数轮廓具有(1)非常高的芯线覆层指数差，(2)强的中心下降，和(3)非常大的芯线直径。

图1B示出了图120，比较了在1550nm处承载相同光学能量的两种光纤中的每一个的各自的LP₀₁基本模场分布。在图120中，x轴也相应于两种光纤中的每一个的辐射位置。Y轴相应于以任意单位表示的电场。高的单峰迹线122示出了SMF光纤的LP₀₁基本模场分布。短的双峰迹线124相应于LMA光纤的LP₀₁基本模场分布。图2A和2B是一对图140和160，比较了1550nm处的SMF光纤140和LMA光纤160的基本LP₀₁模场的数值预测近场光强。

如从图1B、2A和2B可见，基本LP₀₁模场在其形状和其大小方面都不同。通过这两个模场间的重叠积分计算的光学损失大约是7.4dB。结果，当使用传统的方法诸如毗连耦接、熔接、或大体积透镜(bulk lenses)将两个光纤彼此直接连接时，存在明显数量的光学损失。另一个问题是当两个光纤或其中之一能够传导高阶模式，诸如在该例子中为LMA光纤时，某些“丢失”的光学能量可以被高阶模式捕捉到，从而引起多路干扰(MPI)或其它有害的影响。

可以使用热诱发掺杂物扩散，以便在熔接处处理模场的大小和形状两者。当将熔接处保持为高温时，包括芯线的掺杂物将接近高斯浓度分布，并且从而在大模光纤中在接合处产生高斯模场形状。然而，掺杂物扩散所需的时间与直线距离的平方成比例。因此，当芯线直径相对大时，诸如此处描述的LMA光纤，即使以可能的最高温度的扩散速率该时间也太长了以致于不合实际。另外，掺杂物扩散不是一种非常灵活的技术。

图3示出了简化分解图以说明通过互连SMF发射光纤210和LMA接收光纤220构造光纤传输线。由箭头202指示信号传播的方向。为了便于参考，在各个光纤末端之上给出两个光纤210和220的各自的基本LP₀₁模场分布212和222。如上所述，两个模场分布212和222的形状和大小的差异导致在数量明显的耦接损失。

一种用于减少耦接损失的技术是使用包括具有抛物线折射率轮廓的长度精确并且短的，典型地比1微米更短的，渐进指数多模光纤的渐进指数(GRIN)光纤透镜，也称为“渐进折射率透镜”，以便将具有高斯形状的输出模场转换为仍然为高斯形状但是具有不同大小的模场。在图4中示出了这种技术的局限。

图4示出了简化的分解图以说明改进的光学传输线250，其中通过使用结合了具有最佳的抛物线折射率轮廓的GRIN透镜的耦接波导230，减少了耦接损失。耦接波导230转换发射光纤210的光学信号输出。在耦接波导230的输出端给出了转换后的信号232的基本LP₀₁模场分布。如图4所示，转换后的模场232更接近地匹配接收光纤模场分布222的大小。然而如从图4可见，两个模场232和222仍然具有明显不同的形状，这导致了数量明显的耦接损失。

图5示出了根据本发明的一个方面的传输线300的简化分解图，其中通过使用结合了具有根据此处描述的技术设计的最佳的非抛物线折射率轮廓的GRIN透镜的耦接波导240，减少了耦接损失。如图5中所示，耦接波导240的输出是横向模场分布242，其明显地改进了与接收光纤模场分布222的匹配，与使用图4中所示的具有抛物线折射率轮廓的耦接波导可实现的耦接损失减少的数量相比，导致了耦接损失减少的明显提高。

可以通过光纤光学装置和传统的光学装置间的类比说明本发明。带有抛物线指数轮廓的GRIN光纤透镜类似于传统光学装置中所使用的球面透镜。通常由于球面透镜的球形表面轮廓的几何形状易于研磨并且经济而使用它们。光学工程师早已知道非球面透镜可以克服像差，并且通常优于球面透镜，但是它们相对难以制造并且昂贵。如同抛物线指数光纤的光路长度，球面透镜的光路长度根据距离光轴的距离的平方而改变。本发明采用具有非抛物线指数轮廓的多模GRIN光纤透镜。非抛物线GRIN光纤透镜类似于非球面透镜。然而，与传统的光学装置不同，抛物线指数光纤相对于非抛物线指数光纤不存在制造优势。

可将高斯形模场分布理解为可由下面的数学函数描述一种模式的电场分布E的情况：

$E=\mathrm{Aexp}(-\frac{r^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2})---\left(1\right)$

其中A是常数，r是光纤内的辐射位置，并且ω₀是模场半径。按照定义，在光纤的横截面上，引导横向模式具有恒定的复相角，即，平面相位。因此，当将本发明用作两个光纤的引导横向模式间的模式转换器时，在多模光纤耦接波导段的输入和输出端处，光纤的横截面上的相角基本上恒定。

可以借助于M²参数量化给定的轴对称模场分布为高斯分布的程变，M²参数定义为：

$M^2=\frac{\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{r}^3{E}^2\mathrm{dr}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}r{\left(\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dr}}\right)}^2\mathrm{dr}}{\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}r{E}^2\mathrm{dr}}---\left(2\right)$

其中由M²＝1.0定义高斯形状。当M²参数增大时，模场的形状逐渐地为非高斯的。一般地说，当耦接具有小于1.2的M²参数的第一光纤和具有具有大于1.2的M²的第二光纤时，或当耦接具有大于1.2的M²参数的两个光纤时，当前描述的技术特别有用。然而应当理解，当前描述的技术可用于降低至少其中之一具有非高斯模场的任何光纤组合的耦接损失。

现在描述设计用于减少样品SMF和LMA光纤间的耦接损失的耦接波导的技术。首先，基于上述的图1B、2A和2B中所示的模场分布，通过使用适合的技术，诸如柱状对称标尺有限差分束传播方法(FD-BPM)，研制出最佳的抛物线指数轮廓。图6示出了给出了最佳抛物线指数轮廓402的图400。

然后对最佳抛物线指数轮廓402进行各种扰动，诸如等式(3)所包含的那些。可以根据将要互连的具体的光纤改变所选择的特定扰动。例如，为了减少当前讨论的SMF和LMA光纤间的耦接损失，特定的扰动包括将中心下降引入抛物线指数轮廓，并且将径向相关性指数从2改变为大约2.5的扰动。

可以使用适合的数值例程诸如FD-BPM代码预测存在扰动的抛物线轮廓的光学耦接。可以采用试差或非线性优化例程搜索相关的参数空间，以便找到产生改进的性能的扰动折射率轮廓。改进的性能可以被量化为LP₀₁-LP₀₁耦接损失，或发射和接收光纤的任意其它两种模式间的耦接损失。如下所述，改进的性能可以是耦接为接收光纤的非预期模式的最小化。

通过上述技术的应用，发现扰动折射率轮廓，其包括(1)高斯形中心下降和(2)半径上的折射率的非抛物线相关性。图7示出了给出了扰动折射率轮廓452的通常形状的图450。可由下式表示折射率轮廓452：

$n\left(r\right)=n_{\mathrm{clad}}+\{1-\mathrm{Cexp}(-{(r/w)}^2)\}\{n_0\sqrt{1-2\mathrm{\Δ}{\left(\frac{r}{a}\right)}^R}-n_{\mathrm{clad}}\}---\left(3\right)$

其中n(r)是作为径向位置r的函数的折射率轮廓，n₀是r＝0处的芯线的中心处的折射率，n_clad是覆层的折射率，a是芯线的半径，g是控制芯线的陡度的参数，C是控制高斯形中心下降的深度的参数，并且ω是控制高斯形中心下降的宽度的参数。Δ是由下式给出的芯线的中心和覆层间的相对指数差：

$\mathrm{\Δ}=\frac{{n_0}^2-{n_{\mathrm{clad}}}^2}{2{n_0}^2}---\left(4\right)$

如果指数g等于2，并且如果系数C等于0，则等式(3)和(4)描述抛物线指数轮廓。图6中给出的最佳抛物线指数轮廓402具有下面的值：

n_clad＝1.444；

n₀＝1.4725；

Δ＝0.01917；

a＝43μm；

g＝2；

和C＝0。

如果在等式(3)中，C≠0或g≠2或满足两者，则得到的指数轮廓是非抛物线的。图7中给出的最佳非抛物线指数轮廓452具有下面的值：

n_clad＝1.444；

n₀＝1.4725；

Δ＝0.01917；

a＝20.6μm；

g＝2.46；

w＝4.7μm；

和C＝0.22。

应当注意，可以使用其它技术和等式数学地表达非抛物线指数轮廓。因此应当理解，作为所述技术的例子给出等式(3)，并且所述技术的范围超出该特定例子之外。

图8示出了图500，其比较了用于将作为发射光纤的SMF的LP₀₁模式的能量耦接为作为接收光纤的LMA光纤的基本LP₀₁模式的三种不同的耦接波导折射率轮廓。迹线502示出了上述的最佳抛物线折射率轮廓。迹线504示出了上述的最佳非抛物线折射率轮廓。迹线506示出了迹线504的步进近似，其中迹线504被分解为10个对称的步长506a-j。

图9是图550，其比较了LMA光纤552的基本LP₀₁模场和抛物线指数轮廓的耦接波导552的输出的横向模场分布以及非抛物线指数轮廓耦接波导556的横向模场分布。可以清楚地看到LMA光纤552和非抛物线指数轮廓耦接波导556的模场分布间的提高的一致性。

借助于柱状对称标尺有限差分束传播方法(FD-BPM)计算折射率轮廓的预测耦接损失。当最佳抛物线指数轮廓光纤段大约为346微米长时，图8中的抛物线指数轮廓具有大约1.25dB的预测耦接损失。相反，当多模耦接波导段大约为205微米长时，连续的非抛物线指数轮廓504具有大约0.1dB的预测耦接损失。应当注意，发射光纤的各个模式和接收光纤的各个模式间的耦接损失在两个传播方向上是相同的；换言之，耦接损失彼此相反。因此本发明在光学上彼此相反，并且对任意传播方向上的光学耦接有效。

本发明的功效取决于大体上非抛物线的多模耦接波导段内的若干引导横向模式间的光纤干扰。当输入电场进入多模耦接波导段时，它被分解为若干个引导横向模式，它们中的每一个以不同的轴向传播常量，换言之，以不同的相速度通过多模耦接波导段。通常仅有少许多模耦接波导段引导的横向模式被输入场充分激励。当它们独立地穿过多模耦接波导段时，每个不同的引导横向模式内包含的光能的数量基本保持恒定。然而，因为每个模式以不同的相速度穿过，当它们被在多模耦接波导段的输出处重组时，各个模式间通常积累有相对相差。各个模式间积累的相对相差使得多模耦接波导段的输出处的光场大体上不同于其输入处的光场。在由激励的横向模式的相速度确定的某个特定距离处，可以基本上没有积累的相对相差地重组这些模式。在这些特定的情况下，原始输入场被在输出处大体上再现。

在本发明的某些实施例中，多模波导内被充分激励的模式的数目相对的小，即，小于10，并且因此存在一个或多个距离，所有激励的模式积累近乎0或π的相对相位。在这些距离处，输入和输出模场两者具有平面相位，并且从而适合于耦接到一个平面相位输出电场，它例如可以是接收光纤的一个特定模式。当本发明中至少一个被充分激励的模式的积累相对相位大体上接近π而不是0度时，输出电场可以表现出与输入电场大体上不同的大小和形状。

在现有技术的抛物线指数GRIN光纤透镜中，所有的相速度等同地间隔开，结果产生平面相位的距离可以被定义为所谓的“全斜度”、“半斜度”和“四分之一斜度”距离。在“全斜度”距离，所有模式间的积累相对相位被乘以2π，并且输出电场具有与输入信号相同的极性。在“半斜度”距离，所有模式中的相对相差也被乘以2π，但是电场具有与输入信号相反的极性。在“四分之一斜度”距离，每个奇数号模式(LP₀₁，LP₀₃，LP₀₅等)具有非常接近0度的积累相对相位，而每个偶数号模式(LP₀₂，LP₀₄，LP₀₆等)具有非常接近π度的积累相对相位。这个事实使得现有技术的GRIN光纤透镜能够产生高斯输入信号和高斯输出信号的大小间的大幅改变，但是不允许输入和输出电场间的形状的改变。在本发明的某些实施例中，激励模式的相速度也以整倍数地彼此不同，在该情况下存在特定的距离，在该距离处，“四分之一斜度”差可被定义为相邻模式具有非常接近π度积累相对相位差的距离。然而在该情况下，本发明可以产生输入和输出电场的大小和形状两者间的大幅改变。

应当注意，可以略微扰动发射光纤、耦接波导和接收光纤的各个芯线的对齐，诸如通过成角度地分开或芯线同心。在该情况下，少量的光可能被耦接到不希望的模式内。这种随机的耦接不会相当大地影响本发明的操作的上述原理。

当使用本发明在两种不同光纤的特定模式间直接耦接光学信号时，从发射光纤的模式耦接到非抛物线多模耦接波导段的任意横向模式的能量数量近似等于非抛物线多模耦接波导的横向模式和接收光纤的所希望的模式间耦接的能量的数量。可以通过对带有适合的规格化的模场应用重叠积分，数值地估计这种耦接。当输入和输出场间的光学耦接被做得越对称(例如，通过调节多模耦接波导段的指数轮廓)，本发明提供越有效的耦接。

因此在尝试使用本发明直接耦接两个不同的光纤时，目标是设计表现出两个重要特性的非抛物线耦接波导段：(1)输入场和该段的给定模式间的光学耦接必须近似等于所希望的输出场和该段的该模式间的光学耦接；和(2)该段的长度应当被选择为接近这样的长度，在该长度处耦接波导内的至少某些激励模式的积累相对相位大体为π度，而耦接波导中其它激励模式的积累相对相位大体为0度。

图10是示出了被耦接于接收光纤的各种模式间的光学能量的数量如何取决于非抛物线指数轮廓耦接波导的长度的图600。迹线601-604分别示出接收光纤中的LP₀₁、LP₀₂、LP03和LP04模式的长度相关性。迹线601示出了作为耦接波导长度的函数的接收光纤的LP₀₁模式中的信号能量损失百分比，而迹线602-604示出了由接收光纤内的若干非预期高阶芯线获得的信号能量的百分比。图600示出了特定耦接波导的段长设计可以如何影响LP₀₁模式中的能量损失数量，以及有多少能量被耦接到高阶芯线模式中，而这可能是不希望发生的。

具体地，如图600所示，在205微米的特定段长，LP₀₁模式601中的能量损失的数量最小。然而，在这个段长处为将耦接到接收LMA光纤的高阶芯线模式中的能量的数量最小化。例如，耦接到接收LMA光纤的LP₀₃模式603内的光学能量的数量被在大约163微米处最小化，并且在205微米处接近局部最大值。如果最重要的设计目标是最小化到LP₀₃模式603中的耦接，则段长可以被选择为接近163微米，即使这个段长导致增加的LP₀₁模式损失601。

一旦为耦接波导设计了适合的折射率轮廓，就可以根据现有技术中已知的标准光纤制造技术诸如改进的化学蒸汽沉积(MCVD)处理制造光纤。在该处理中，化学反应在外部管的内表面上以一层接一层的方式沉积由二氧化硅(SiO₂)或其它适合的材料制成的汽化的化学烟灰。在下一层的沉积之前巩固每个烟灰层。

一旦完成了化学沉积处理，将衬底管加热到足够高的温度，使其瓦解，并且使得烧结沉积的烟灰层以便形成固体的圆柱预制品。如果需要，可以使用氢氟酸、等离子腐蚀、或其它适合的技术调整预制品的外直径。另外，可以给预制品提供二氧化硅管作为覆盖层(overclad)以便修改预制品的外直径。然后将完成的预制品拉成光纤。

在成品光纤中沉积的烟灰层成为同心圆柱区域。可以通过给每个沉积的烟灰层添加一种或多种指数改变掺杂物，精确地控制成品光纤中的每个圆柱区域的折射率轮廓。典型的掺杂物包括锗、铝、氟和磷。所述技术允许以极高的精度控制各个层的折射率和径向尺寸。

可以使用MCVD技术制造具有非抛物线折射率轮廓的耦接波导。如图8中的迹线506所示，可以使用一系列步长506a-j近似折射率轮廓。每个步长相应于沉积烟灰的一层。可以使用上述的建模技术优化步长的数目和每个步长的具体尺寸。另外，在确定将使用的层的数目时可以考虑制造费用。层数预期在7到50间的范围内，虽然取决于具体的环境，层数可能落在该范围之外。实际上沉积层可以表现出可能影响耦接波导的性能的波动或其它非均匀性。通过调整耦接波导的径向折射设计，可以补偿这些非均匀性。通常，可能需要制造若干玻璃预制品，并且可能需要通过预制品或光纤设计的若干次反复改进设计。图11示出了未按比例绘制的成品光纤700的横截面。光纤700包括芯线702和外部覆层704。芯线包括10个同心的分层区域704a-j，每一层相应于图8中所示的步进方式的折射率轮廓506中的一个步长。

数值模拟显示步进方式的设计能够容忍小的制造变化。另外，即使出现这种变化，预测的耦接损失也比通常使用抛物线折射率轮廓可实现的耦接损失低得多。基于熔接以及随后的精密分开的，用于在两个其它光纤间装配精确的次微米光纤段的方法是本领域已知的。

根据本发明的另一个方面，通过操控非抛物线多模耦接波导段的指数轮廓调整耦接设备的性能。可以使用诸如UV照射、热诱发掺杂物扩散、或高温下耦接波导段的物理伸展或收缩操控组装的耦接波导段的折射率轮廓。以这种方式，可以调整和改进从预制品拉伸出的光纤或组装的耦接段的性能。如此处使用的，调整可以包括，单独地或组合地，下面的任意一个或全部：(1)减少不同光纤的发射和接收模式间的光学损失；(2)减少耦接到光纤终端器时的光学损失；(3)提高M²从而提高从光纤终端器发射的束质量；或(4)其它适合的技术。

图12示出了根据上述技术，用于设计和制造具有非抛物线折射率轮廓以便减少不同光纤间的耦接损失的耦接波导的一般方法800的流程图。在步骤801，基于将要耦接的模场研发最佳抛物线折射率轮廓。在步骤802，使用数值例程预测最佳抛物线折射率轮廓出现各种扰动时的光学耦接。在步骤803，搜索参数空间以便寻找产生改进的性能的扰动折射率轮廓。最后在步骤804，制造具有所希望的折射率轮廓的耦接波导。如上所述，步骤804通常包括对径向折射设计的迭代调整和细化。

图13-15示出了一系列说明包括具有非抛物线折射率轮廓的多模耦接波导的光学传输系统的可替换配置的图。应当理解图13-15旨在是根据本发明的诸方面的示例性的而不是无遗漏的配置。

图13示出了根据本发明的一个方面的光学传输线900。该传输线包括具有其中至少一个为非高斯分布的不同模场分布的发射光纤902和接收光纤904。如上所述的定制的多模光纤906用于互连发射光纤902和耦接波导906。耦接波导906具有耦接到发射光纤902的在此处被称为“输入端”的第一端，以及耦接到接收光纤904的在此处被称为“输出端”的第二端。如上所述，耦接波导具有精确的长度。

多模耦接波导906可以通过机械毗连耦接、熔接或其它适合的技术附加到其它光纤902和904。多模光纤906的特殊设计确保它将从发射光纤902射出的光学信号的大小和形状两者转换为大体上与接收光纤904匹配，从而获得耦接损失的充分减少。应当理解，发射光纤902或接收光纤904可以是单模或多模的。另外，虽然以发射光纤902和接收光纤904的基本LP₀₁模式描述了本发明给出的方面，所述的技术可以应用于将发射光纤的任意特定模式耦接到接收光纤的任意特定模式。

如图14和15中所示，可以在光纤的终点使用根据本发明的定制的耦接波导。例如在图14中，耦接波导926的输出耦接到接收光纤924的终点。没有发射光纤被耦接到耦接波导926的输入端。而是保持耦接波导的输入端暴露在外，并且接收来自碰撞辐射922形式的光学输入。因此使用这种配置，可以使用精确长度的定制的非抛物线多模光纤转换从外部源诸如大体积光源928等发射到光纤内的光强模式的大小和形状。

在图15中，耦接波导946的输入端连接到发射光纤942。没有接收光纤连接到耦接波导946的输出端。而是保持耦接波导的输出端暴露在外，并且提供发射辐射形式的光学输出，它可以用于例如给大体积光学接收器948提供信号。因此使用这种配置，可以采用精确长度的定制的多模光纤以便操控从光纤的站点发射的光强轮廓的大小和或形状。以这种方式，可以使得光纤源诸如光纤激光或放大器的发射的空间轮廓更为高斯形。

应当注意，可以使用上述的系统和技术提供耦接波导输入处的高模式到耦接波导输出处的大体上为高斯形的横向空间分布耦接。大体上为高斯形的横向空间分布可以，但是不必，相应于基本模式。这种配置可以用于，例如，可能具有极大的模面积的高模式放大器的放大器出口。希望将高模式放大器的输出转换为大体上为高斯形的横向空间分布，从而可以使用传统的光学装置校准和传输得到的束。可以使用相板(phase plate)在开放的空间内进行这种转换，但是不必在光纤终点处放置端帽以减小中心波瓣的高强度。使用共振长程光栅模式转换器被局限为将相对小的模面积接入基本模式。如此处所述，可以使用非抛物线耦接波导将高阶模式接入大的基本上为高斯形的横向空间分布。输出段不同于高阶模式光纤。耦接波导可以终结在具有大芯线的输出光纤内，终结在无芯线光纤段内或终结在开放空间内。

应当理解，可以结合传统的光纤、微构造光纤、极化保持(PM)光纤、单模光纤、多模光纤、掺杂稀土的增益产生光纤诸如光纤和放大器中所使用的那些、以及包层泵浦(cladding pumped)光纤诸如双覆层光纤等使用本发明。

另外，虽然本发明主要旨在耦接大模面积光纤的非高斯形LP₀₁模场间的能量，本发明还适用于耦接非高斯光场的其它情况。例如，本发明还可以用于将能量接入或取出通常表现为非高斯形的高阶光纤模式(LP₀₂、LP₀₃等)。作为另一个例子，本发明可以表现出明显的非抛物线指数轮廓的光杆而不是光纤的形式出现。这种非抛物线指数轮廓杆透镜可用于大体积透镜或镜子或其它非光纤设备的装配。

可以应用此处描述的技术减少其中至少一个为非高斯的任意两个不同形状的模场分布间的耦接损失。通过给耦接波导的输入和输出模场分布数学地建模，可以产生减少耦接损失的耦接波导的非抛物线折射率轮廓的数学模型。然后如此处所述，可以使用MCVD技术或其它适合的技术构造建模的耦接波导。可以使用经验式技术调整耦接波导的折射率轮廓，以便优化性能。

虽然前面的描述包括使得本领域的技术人员能够实现本发明的细节，应当认识到该描述本质上是说明性的，并且它的许多修改和变形对于从这些技术受益的本领域的技术人员是显而易见的。因此旨在仅由所附的权利要求定义本发明，并且在现有技术允许的最宽范围内解释该权利要求。

Claims (11)

1.一种光纤耦接系统，包括一对传输光纤和规定长度的多模耦接波导，所述一对传输光纤包括用于发射光学信号的发射光纤和用于接收光学信号的接收光纤，所述发射光纤和接收光纤具有不同的横向模场分布，它们中的至少一个是非高斯的，所述多模耦接波导具有连接到所述发射光纤的输入端和耦接到所述接收光纤的输出端，其特征在于：

所述耦接波导包括整体形成的具有非抛物线折射率轮廓的渐变指数透镜，所述渐变指数透镜接收由所述发射光纤发射的光学信号的耦接模场作为输入，并且将该耦接模场转换为与所述接收光纤的相应的耦接模场匹配的横向空间分布。

2.如权利要求1的耦接系统，其中所述耦接波导的折射率轮廓横向地而不是轴向地改变。

3.如权利要求2的耦接系统，其中所述耦接波导传导在所述耦接波导的输入端处由所述发射光纤的激励形成的一系列横向模式，从而在所述耦接波导的输出端发射的光场表现出所述波导的横截面上大体恒定的光学相位，而所述输出端的光学能量的横向分布与所述耦接波导的输入端处的光学能量的横向分布显著不同，从而由所述耦接波导的轴线长度上的至少一个横向模式积累的相对相位近似为π度，并且从而由所述耦接波导的轴线长度上的其它横向模式积累的相对相位近似为0度。

4.如权利要求3的耦接系统，其中由数字Δ的整数倍数分隔所述传导横向模式系列中的任意两个模式，所述数字Δ是所述耦接波导的横向折射率轮廓所特有的，

从而所述耦接波导中任意两个传导横向模式Δn的轴向传播常数间的差可以表达为Δn＝N＊Δ，其中N是整数，并且Δ是所述耦接波导设计特有的数字。

5.如权利要求4的耦接系统，其中所述耦接波导具有被挑选为近似为四分之一斜度的长度，从而在耦接波导的长度上，在具有相邻轴向传播常数的耦接波导模式间，积累有近似为π度的相对相位。

6.如权利要求5的耦接系统，其中所述渐进型指数透镜转换所述光学信号的基本模式LP₀₁，从而它具有大体上与所述接收光纤的基本模式LP₀₁场分布匹配的横向空间分布。

7.如权利要求1的耦接系统，其中所述耦接波导的输入和输出端和所述传输光纤对间的至少一个耦接是熔接。

8.如权利要求1的耦接系统，其中所述传输光纤对中的至少一个传输光纤具有M²参数大于1.2的模场。

9.如权利要求1的耦接系统，其中所述耦接波导具有由

$n\left(r\right)=n_{\mathrm{clad}}+\{1-\mathrm{Cexp}(-{(r/w)}^2)\}\{n_0\sqrt{1-2\mathrm{\Δ}{\left(\frac{r}{a}\right)}^R}-n_{\mathrm{clad}}\}$

描述的折射率轮廓，其中C≠0或g≠2，或C≠0并且g≠2。

10.一种用于构造光学传输线的方法，其特征在于：

提供规定长度的具有输入端和输出端的多模耦接波导，所述多模光纤段包括具有非抛物线折射率轮廓的整体形成的渐进指数透镜，所述渐进指数透镜转换从所述耦接波导段的输入端传播到输出端的光学信号的耦接模式，从而其在所述耦接波导的输出端处的横向空间分布大体上与指定的接收耦接模式匹配，所述耦接模式中的至少一个是非高斯的，并且

将所述耦接波导段的一端耦接到传输光纤的终点，所述耦接波导段提供在所述第一段端处的第一模场分布与所述第二段端处的第二模场分布间的耦接，所述两个模场分布中的至少一个是非高斯的。

11.如权利要求10的方法，还包括：

将所述耦接波导段的另一端连接到第二传输光纤的终点，所述传输光纤具有不同的模场分布，它们中的至少一个是非高斯的，所述耦接波导提供两个光纤间的低损失耦接。

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