CN101893739A - 多模光纤中高次模的空间滤波 - Google Patents

Abstract

一种用于消除高次模沿一段多模光纤传播的模式滤波器包括优选具有四分之一节距长度的梯度折射率(GRIN)透镜和小芯光纤形态的小孔元件。该构造产生傅立叶空间滤波器组件，其在捕捉光信号的基模的同时除去沿光纤传播的高次模。一段GRIN光纤优选被用作透镜，在该GRIN光纤透镜的输出端设置有小芯光纤，仅实质上收集光信号的在轴(on-axis)基模。因为GRIN光纤透镜从来源中移走高次模，小芯光纤仅捕捉基模信号。

Description

多模光纤中高次模的空间滤波

技术领域

本发明涉及一种用于除去沿多模光纤传播的高次模信号的模式滤波器(mode filter)，更具体地，涉及利用梯度折射率(Graded Index，GRIN)透镜的傅立叶变换特性协同小孔元件(pinhole element)阻挡高次模的进一步传播。

背景技术

大模式面积(LMA)光纤广泛用于制造基于光纤的元件例如大功率激光器和放大器。相对于常规的光纤，增大模式面积提供几个好处，例如减少信号衰减(与非线性有关)、在放大器中提高泵浦信号与增益介质的重叠以及提高蓄能容量。然而，增加这些光纤的模式面积导致它们变为“多模的”，其中通过沿光纤长度的分散或分布散射活动可以激发多空间模式。这些多空间模式干涉基本信号模式，改变光束的质心位置并增加最小焦斑大小(M²)。因此除去存在于由LMA光纤形成的光纤系统中的高次空间模式是所希望的。

目前在大功率光纤激光器方面的大量研究致力于设计复杂的LMA光纤构型，使它们仅有效地支持基模。设计LMA光纤的折射率分布和/或掺杂剂分布，使光纤对基模的微分增益或者对于高次模的微分损耗。早先已经将卷绕和/或锥形的LMA光纤用于去除高次模。然而，LMA光纤的紧密弯曲在提高非线性的同时将该模式移出光纤轴并且减小模式面积。该弯曲还影响信号和光纤的掺杂芯区的重叠度，从而减小增益。光纤锥形长度相对长(例如几厘米)，导致在小模式面积中传播所产生的非线性提高，并且锥形光纤部分是易碎的，需要专门的封装。

发明内容

本发明致力于现有技术中仍存在的需要，本发明涉及一种用于除去沿多模光纤如“大模式面积”(LMA)光纤传播的高次模信号的模式滤波器，更具体地，涉及利用GRIN透镜的傅立叶变换特性协同小孔元件阻挡高次模的进一步传播。

GRIN透镜可以是基于光纤的或者是散装光学元件。小孔元件优选包括耦合到GRIN透镜输出端以收集仅沿光轴传播的部分光信号的小芯光纤。由于GRIN透镜将高次模从光轴移走，因此仅光信号的基模将被耦合到小芯光纤。在本发明的空间模式滤波器的一优选实施方式中，与小芯光纤组合使用基于光纤的GRIN透镜，从而形成可以熔合到多模(LMA)光纤端面末端的“在纤(in-fiber)”模式滤波器。虽然这是优选的实施方式，也可以采用利用散装GRIN透镜的散装光学布置来获得相同的模式剥离结果。

在一个实施方式中，将本发明的模式滤波器设置在用作光纤放大器增益介质的一段LMA光纤的输出端，以便从放大信号中除去不希望的高次模。

本发明的另一实施方式包括沿着多模传输光纤串联配置的用于周期性“清洗”沿该多模光纤传播的光信号的多个模式滤波器。沿基于多模光纤的通信系统配置的多个空间模式滤波器起到周期性地除去在沿多模光纤的长度传播信号期间所产生的不希望的高次模信号的作用。

本发明的在纤实施方式(in-fiber embodiment)的一个优势是基模损耗的水平低。在本发明的一个优选的实施方式中，将GRIN光纤透镜直接熔合到多模信号光纤(例如，LMA光纤)的输出端。当结合光纤放大器使用时，各种其它的放大器元件也可以是基于光纤的(例如反射器、模变换器等)并直接耦合到本发明的模式滤波器，进一步降低光学系统内的插入损耗水平。

在下列讨论的过程中并且通过参考附图，本发明的其它和进一步的方面和实施方式将变得更明显。

附图说明

现在参考附图，

图1是显示傅立叶空间模式滤波的基本概念的图；

图2说明根据本发明形成的示例性的模式滤波器；

图3是说明GRIN光学透镜的傅立叶变换性能的一组模拟电场强度，图3(a)与基本LP₀₁模式有关，以及图3(b)～(d)与高次LP_0x模式有关；

图4说明关于基本LP₀₁模式和高次LP₀₂模式在场强方面的改变，显示在GRIN光学透镜的输入端(图4(a))和GRIN光学透镜输出端(图4(b))处的强度分布；

图5是关于基模和多个高次模在与径向坐标有关的给定半径内所含的模式能量分数的曲线图；

图6显示所计算的在LMA光纤的各种模式和小芯单模光纤的基模之间的耦合损耗(按dB)；

图7说明本发明的另一个实施方式，在这种情况下在空间模式滤波器的输出端利用GRIN模变换器将光束腰(beam waist)从小芯单模光纤重新变换为与LMA光纤的第二部分有关的较大的腰；

图8显示采用根据本发明的空间模式滤波器的一种示例性光纤通信系统，显示沿通信光纤按位置间隔分布设置的串联的四个单独的空间模式滤波器；以及

图9说明本发明的另一个实施方式，结合设置在空间模式滤波器输出端的波长选择反射元件非常适用于基于光纤的放大器或激光器构造。

具体实施方式

梯度折射率(GRIN)光学元件的透镜化性能在本领域是众所周知的。一般而言，GRIN光学元件具有如下列关系所定义的径向折射率分布：

$n\left(r\right)=n_0\sqrt{1-g^2{r}^2}$

其中n₀被定义为沿光学元件的中轴的折射率，g被定义为聚焦参数，以及r是定义光学元件大小的径向坐标。已经显示关于在GRIN光学元件的长度L＝π/(2g)(被定义为“四分之一节距”长度(“quarter pitch”length))上的传播，GRIN介质的本征模被傅立叶变换。因而，入射在GRIN光学元件上的任何电场将在通过该元件传播四分之一节距长度L时被傅立叶变换。

具有腰w₁的高斯射束(不是GRIN元件的本征模)在传播通过GRIN元件的四分之一节距长度时被傅立叶变换成具有腰w₂的另一个高斯射束。传播通过第二个四分之一节距GRIN元件将光束腰变换回到w₁。这些周期性产生的光束腰通过下式联系起来：

$w_1{w}_2=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\πng}}$

过去，已将GRIN元件的这种特性用于在具有不同模式面积的光纤之间实现模式匹配的耦合。例如在大功率的LMA光纤激光器系统的环境下，已将GRIN透镜用于选择性地使来自小芯单模光纤的光耦合成供随后放大的LMA光纤的基模。

根据本发明，目前利用GRIN透镜的傅立叶变换特性来实施傅立叶空间滤波，将高次模从沿着多模光纤传播的信号的希望的基模中分离出来。可以使本发明的空间模式滤波器耦合到例如LMA光纤放大器的端面以防止进一步放大高次模，或者可以沿一段多模传输光纤周期性地设置本发明的几个滤波器以除去在传播通信信号中可能出现的任何高次模。

图1说明利用傅立叶空间滤波从传播信号中除去高次模的基本概念。以不同角度的波矢量照射在透镜1上的光线被聚焦在透镜1的焦平面F的特定点上，这些点与相关的波矢量相对于透镜1的光轴OA的角度有关。如所示，具有平行于光轴的波矢量例如图1中的波矢量A的射线聚焦在焦平面F中的光轴OA上的一个点。具有非平行于光轴OA的波分矢量例如图1中的波矢量B的射线远离焦平面F中的光轴OA聚焦。对于波矢量的横向分量大的波，较大地偏离焦平面中的光轴。通过在焦平面F中设置小孔P，能够选择用于传输的希望的波矢量。例如，通过在光轴OA上设置小孔P，将传送平行于光轴OA传播的波矢量A，同时滤除全部其它的波矢量(例如波矢量B)。

已知通过光纤传播的光信号的基模显示出最小的横向波分矢量，而高次模具有较大的横向波分矢量。因此，当来自多模光纤的模式通过透镜聚焦时，基模位于大致以焦平面中的光轴为中心的小区域内，而高次模远离光轴聚焦。设置在焦平面内光轴上的小孔因此将仅传输在传送波束中的基模，而排除高次模。

图2说明根据本发明的一实施方式形成的示例性的空间模式滤波器10。在该实施方式中，模式滤波器10包括与一段小芯光纤14耦合的一段GRIN光纤12。GRIN光纤12起透镜的作用并进行必要的傅立叶空间滤波，而小芯光纤14提供阻断在空间上分离的高次模并仅准许传输基模所需的小孔孔径(pinhole aperture)。模式滤波器10用于与一段多模光纤16耦合并优选直接熔合到多模光纤16的端面17。多模光纤16可以包括标准多模光纤或大模式面积(LMA)光纤。为了方便起见，下文中将光纤16称作“LMA光纤”，可以理解为该描述还包括“多模光纤”。由于上述原因，持续传播高次模的许多应用是不希望的。根据本发明，如图1中的图所示，模式滤波器10利用傅立叶空间滤波起到引导这些高次模离开信号通道的作用。

参照图2，LMA光纤16具有由腰为w1的高斯射束近似的基模，而小芯光纤14具有w₂的高斯腰。参考上述式子，选择GRIN光纤透镜12的长度以使其聚焦参数g满足从w₁到w₂的光束腰模式转换。这确保使基模耦合到小芯光纤14中的损耗最小。如图2中图示，从LMA光纤16发射的光被傅立叶变换，同时传播通过四分之一节距长度的GRIN光纤透镜12。虽然在图2中所示的实施方式描述了具有“四分之一节距”长度GRIN光纤的空间模式滤波器，但普通技术人员将认识到本发明的范围包括根据傅立叶变换特性所需利用各种长度的GRIN光纤的空间模式滤波器。通常，傅立叶变换元件可以采取任何适合的光学元件的形式，如“散装”(分散)光学元件或基于光纤的光学元件。在大多数实施方式中，优选基于光纤的元件，因为其耦合损耗水平低。

尽管其后以低损耗将基本LP₀₁模式耦合到小芯光纤14中，但高次模的能量被排出光纤轴，结果遭受高的耦合损耗。小芯光纤14起“小孔”波矢量滤波器的作用并且仅传输最低的空间频率。

已进行了模拟，证实如本发明的空间滤波器中所用的GRIN透镜的傅立叶变换特性。将这些结果与具有相关的小芯单模光纤基模的GRIN透镜的输出端的电场强度的已知叠加相结合，能够计算模式滤波器的特性和耦合损耗。

图3说明在本发明的空间滤波器布置中在GRIN透镜的输出平面(即，“焦平面”)处的各种LP_0m模式(m＝1，2，3，4)的电场强度的分布。如上所讨论的那样，在这些模式传播通过GRIN透镜时它们被傅立叶变换。正如预期，在图3(a)中所示的基本LP₀₁模式保持以光轴为中心的高斯分布。相反，高次模的电场强度变为分布式的，发现在各种模式中大部分能量以环形围绕光轴，环的大小随模式阶次提高而增加。图3(b)说明关于LP₀₂模式的强度分布，图3(c)关于LP₀₃模式以及图3(d)关于LP₀₄模式。

图4说明对于基本LP₀₁模式和次高的LP₀₂模式在示例性的四分之一节距GRIN透镜的输入端和输出端的归一化电场强度。图4(a)中的图是在进入GRIN透镜的输入端处的电场强度曲线图-说明当信号沿着LMA光纤传播时出现的模式能量的重叠。GRIN透镜的傅立叶变换特性在图4(b)的曲线图中是明显的，其中基本上全部与基模有关的能量现在都集聚在GRIN透镜的中央光轴区域内。LP₀₂模式的傅里叶变换导致在与光轴空间分开的位置产生峰(在图4(b)中显示为“A”)，具有驻留在该峰区域内的该模式的大部分能量。该分布证实了也与LP₀₂模式有关的图3(b)的图。

图5中描绘的数据进一步证实中图3中所绘的电场强度结果，其中图5是在作为径向坐标的函数的给定半径内所含模式能量分数的曲线图。如所示，傅立叶变换后的高次模显示出与小芯单模光纤的芯区极少重叠。图6显示所计算的在LMA光纤的各种模式和小芯单模光纤的基模之间的耦合损耗(按dB)。如所示，LMA光纤的基本LP₀₁模式以极低的损耗(大致0.15dB)耦合到小芯单模光纤，而所有的高次模LP_0m遭受超过15dB的损耗。(注意，基对称性考虑，LP_nm模式，其中n是非零的，例如LP₁₂，具有对于轴对称形状的基模的零耦合)。

存在许多需要利用LMA光纤限制非线性信号失真的应用。尽管在现有技术中已经将GRIN光纤透镜用于以绝热、保留模式的方式把沿小芯光纤传播的单一模式信号耦合到大面积光纤中，但本发明的器件用于处理沿LMA光纤传播的多模信号。小孔元件与GRIN光纤透镜一起起到提供希望的空间模式滤波的作用。为了防止在用作小孔元件的小芯光纤中的非线性信号失真，尽可能限制其长度是合乎需要的。实际上，应当将该光纤的最大长度L1限制到小于或等于：

(w₁/w₂)²L₂

其中L₃是在GRIN透镜之前的LMA光纤的长度，以及w₁和w₂是如上定义的光束腰。对小芯光纤长度的该限制确保在小芯光纤中经历的非线性不大于LMA光纤的该前段所经历的非线性。

当防止沿小芯光纤的信号通道进一步传播时，其后，出现在GRIN光纤透镜末端的高次模信号将作为小芯光纤的包层模传播。因而，还考虑除去这些包层模使它们不出现在小芯光纤的末端所需的最小长度来确定对小芯光纤的长度的限制。显然，该长度将取决于每一系统组成部分的各种参数。实际上，通过特定的光纤设计或者通过向光纤表面涂覆高指数凝胶(high-index gel)或聚合物能够促进除去小芯光纤的包层模。可以连同本发明的布置使用这些和其它技术来减小用作小孔元件的小芯光纤的长度。

此外，已知芯的缺陷可以允许沿LMA光纤传播的基模实质上区别于理想的高斯形状。由现有技术可知，利用GRIN透镜进行波束成形以便将非高斯射束转换为优选的高斯形态，该特定类的GRIN透镜采用更复杂的构造，包括非抛物线的径向折射率分布。应当理解的是，这些更复杂的GRIN透镜可以用于实施存在非高斯信号条件的本发明。

如上所述，本发明的空间模式滤波器特别适合用于采用LMA光纤的光纤激光器和放大器系统。实施本发明的空间模式滤波器的优势在于它防止储存在激励介质中的能量被高次模抽离，否则它会继续在该介质内传播。

在图7中说明的本发明的另一个实施方式描绘了在光纤放大器系统内利用空间模式滤波器的示例性布置。应当理解的是，仅说明了完整的光纤放大器的一部分。参考图7，第一段LMA光纤20为传播的光信号O提供放大。LMA光纤20包含用于放大传播的光信号的稀土掺杂剂(例如，铒或镱)。与图2的空间模式滤波器10类似，空间模式滤波器30耦合到第一LMA光纤段20的端面22。模式滤波器30包括后面是小芯光纤34(用作本发明的空间滤波器中的小孔元件)的GRIN透镜32(在该实施例中包括一段光纤并且下文称作“GRIN光纤透镜32”)。如上述实施方式，GRIN光纤透镜32起到对传播的光信号进行傅里叶变换，并使传播的高次模离开光纤轴使得而后阻断它们进入小芯光纤34的作用。

为了将该放大的、滤过的信号传入连接的第二段LMA光纤26，将第二GRIN光纤透镜24耦合到小芯光纤34的输出端面36，从而保持优选的全光纤构造。在该实施例中，GRIN光纤透镜24起模变换器的作用，从而增加小芯光纤34输出的基模的光点大小以便匹配第二段LMA光纤26的基模(也就是说，将光束腰从w₂转换回到最初的w₁的模式大小。可以将第二段LMA光纤26直接耦合到第二GRIN光纤透镜24的端面25。

在本发明的又一个具体实施方式中，可以沿多段多模光纤例如传输光纤系统重复图7的布置，其中将第二GRIN透镜附加到各空间模式滤波器段的输出端以提供模式匹配。实际上，可以在沿多模传输光纤的不同位置设置第一GRIN透镜/小芯光纤/第二GRIN透镜的重复布置以周期性地滤出传播的光信号的不希望的高次模。

在图8中说明一种这样的采用多个空间模式滤波器的布置。如所示，将根据本发明形成的多个空间模式滤波器40-1、40-2、40-3和40-4的布置设置在多模光纤50段之间，各模式滤波器包括第一GRIN透镜42-i(i＝1，2，3，4)和小芯光纤44-i(i＝1，2，3，4)。将模变换器46-i(i＝1，2，3，4)，优选第二GRIN透镜，用于与各空间模式滤波器连接，使来自小芯单模光纤的滤波输出信号的模式与接下来的多模光纤50段的模式匹配。

图9给出本发明的空间模式滤波器的另一个实施方式，特别适合用于光纤激光器/放大器系统。在这种情况下，将反射元件60耦合到空间模式滤波器70的输出端，空间模式滤波器70如上所述包括GRIN光纤透镜72和小芯单模光纤74。结合稀土掺杂剂以为传播的光信号提供放大的一段LMA光纤80耦合到空间模式滤波器70的输入端。反射元件60可以采取例如以选择来反射传播的放大信号的波长的光栅周期写入光纤的光栅结构的形式。

当到达反射元件60时，基模信号倒转方向并重新通过小芯单模光纤74和GRIN光纤透镜72(如图8中箭头所示)，重新进入LMA光纤80。借助于GRIN光纤透镜72的模式变换特性的互逆特性，扩大反射信号的光点大小，以实质上匹配LMA光纤80的模式大小。反射的大模式面积信号由图9中的虚线显示。

虽然已经依据目前优选的实施方式描述了本发明，但应了解不将这样的公开解释为限制。对于本领域技术人员，在阅读了上述公开的内容后，各种变化和改进无疑将变得明显。因此，试图将所附权利要求解释为覆盖所有这样的改变，属于本发明的真实精神和范围。

Claims (9)

1.一种光学空间模式滤波器，用于与包括基模和至少一个高次模的多模输入信号一起使用，该空间模式滤波器包括：

梯度折射率(GRIN)光学透镜，用于接收多模输入信号，并显示出用于从沿光轴传播的光信号的基模中空间地分离该至少一个高次模的径向折射率分布；以及

耦合到该GRIN光学透镜的小孔元件，该小孔元件包括孔径，该孔径被设置为与光轴对齐并且孔径大小实质上仅准许沿光轴进一步传播多模输入信号的基模。

2.如权利要求1所述的光学空间模式滤波器，其中GRIN光学透镜包括定义为L＝π/(2g)的四分之一节距长度L，g是GRIN光学透镜的聚焦参数。

3.如权利要求1所述的光学空间模式滤波器，该滤波器进一步包括耦合到小孔元件的输出端的第二GRIN光学透镜，用于提高离开小孔元件的传播的基模光信号的模式面积。

4.如权利要求1所述的光学空间模式滤波器，其中将小孔元件设置为支撑具有第一模半径w₁的基模，并且输入的多模信号包括具有第二模半径w₂的基模，其中第一和第二模半径通过下式相关：

$w_1{w}_2=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\πng}}$

其中λ是传播的光信号的波长，n是GRIN光学透镜的折射率，以及g是GRIN光学透镜的聚焦参数。

5.如权利要求1所述的光学空间模式滤波器，其中聚焦参数g如下与所述GRIN光学透镜的折射率n的径向分布有关：

$n\left(r\right)=n_0\sqrt{1-g^2{r}^2}$

其中n₀与沿着中心光轴的折射率有关，以及r与光学元件段的径向坐标有关。

6.如权利要求1所述的光学空间模式滤波器，其中GRIN光学透镜包括用于将非高斯基模转换为高斯输出基模传播光信号的折射率分布。

7.如权利要求1所述的光学空间模式滤波器，其中小孔元件包括小芯光纤。

8.如权利要求7所述的光学空间模式滤波器，其中小芯信号模式光纤具有等于(w₁/w₂)²L₂的最大长度L₁，L₂是与GRIN光纤透镜的输入端耦合的输入多模光纤的长度，w₁是在GRIN光纤透镜的输入端处的多模信号的光束腰，以及w₂是在GRIN光纤透镜的输出端处的光信号的基模的光束腰。

9.一种从沿大模式面积光纤传播的光信号中除去高次模的方法，该方法包括步骤：

a)向用于从沿光轴传播的基模中空间地分离高次模的GRIN光学透镜施加作为输入的多模光信号；以及

b)在GRIN光学透镜的输出端使孔径对准光轴，该孔径准许实质上仅光信号的基模进一步传播。

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