CN103439767A

CN103439767A - 一种可编程的光纤模式激励和耦合方法

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Publication number: CN103439767A
Application number: CN2013102588333A
Authority: CN
Inventors: 于大伟; 沈平; 付松年; 唐明; 周金龙; 朱冬宏
Original assignee: JIANGSU JINDI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JIANGSU JINDI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: CN103439767B

Abstract

本发明公开一种光通信领域中可编程的光纤模式激励和耦合方法，先将第一单模光纤发出的光束先经过第一准直透镜，再通过偏振分束器分开成水平和垂直方向偏振光，依次通过法拉第旋光器、半波片和硅基液晶激励出高阶模式光束，然后分别反射后水平输入至偏振分束器，合束输出高阶模式的光合束，将光合束从水平方向输入合束器，将第二单模光纤发出的光束经过第二准直透镜，从垂直方向输入合束器，与输入合束器的水平方向的高阶模式的光合束一起输出合束器，经聚焦透镜耦合进少模光纤；利用硅基液晶对光场进行相位调制，液晶每个像素的电压可以通过编程进行控制，实现任意高阶模式的高精度选择性激励，同时实现偏振复用和模式复用功能。

Description

一种可编程的光纤模式激励和耦合方法

技术领域

本发明涉及光通信领域中模式复用系统的光纤模式选择性激励与耦合技术，具体涉及一种光纤模式选择性激励与多种模式向同根少模光纤耦合方法，主要用于选择性地激励出高阶模式

，并实现多种模式向同根少模光纤的低插入损耗耦合。

背景技术

与传统的光纤通信复用技术相比，模式复用技术利用的是光纤中光场的空间维度，利用多种模式分别传输不同信息，从而达到提高光纤通信系统容量的目的；同时由于增大了光纤纤芯的有效面积，一定程度上减弱了光纤非线性对光信号的损伤，而限制这一技术发展的关键在于精确的模式选择性激励与耦合。

现有的光纤复用激励方案，有基于长周期光纤光栅的模式激励、基于偏心注入的模式激励等，光栅刻写复杂，受温度影响较大，而且工作波长的动态范围很窄，总是受限于模式选择性激励的精确度、灵活度、工作波长范围和可实现程度，这对于波分复用和模分复用相结合的场合不适用。

现有的多模光纤到少模光纤的模式耦合方案，采用全光纤结构，但插入损耗大，模间干涉和模间串扰大，而且不适用于激励模场分布较为复杂的模式，也不适用于模场分布为圆环形的模式，如

模式。

现有的基于多模干涉（MMI）的模式激励与耦合方案，是利用单模光纤、多模光纤及单模光纤的连接而产生的多模干涉来实现模式激励，这种方案的问题在于所能激励的模式只能是一些低阶模，而且受限于工作的波长，同时所激励模式的精确度受到环境因素的影响，实用性不强。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于硅基液晶和偏振分束器的可编程的光纤模式激励和耦合方法，精确且容易地实现对任意模式的高精度选择性激励和多个不同模式到少模光纤的耦合。

本发明采用的技术方案包括以下步骤：（1）将第一单模光纤发出的光束先经过第一准直透镜，再通过一个偏振分束器将两个正交偏振态的光分开成水平方向偏振光和垂直方向偏振光，水平方向偏振光和垂直方向偏振光均分别依次通过一个法拉第旋光器、一个半波片和一个硅基液晶，激励出高阶模式的水平方向光束和垂直方向光束；（2）高阶模式的水平方向光束和垂直方向光束分别反射，反射光束分别依次通过所述一个半波片、一个法拉第旋光器后水平输入至所述偏振分束器，并从偏振分束器合束，水平输出高阶模式的光合束；（3）将所述高阶模式的光合束从水平方向输入所述合束器，将第二单模光纤发出的光束经过第二准直透镜，从垂直方向输入合束器，与输入合束器的水平方向的高阶模式的光合束一起输出合束器；（4）输出合束器的光束经聚焦透镜耦合进少模光纤。

本发明与现有的光纤模式激励和耦合技术相比，其有益效果在于：

1、硅基液晶是偏振敏感器件，利用硅基液晶对光场进行相位调制，不改变光场的偏振特性，故激励的高阶光场模式隔离度很高，而且由于液晶每个像素的电压可以通过编程进行控制，通过对硅基液晶的控制电压进行编程调控，故可以实现任意高阶模式的高精度选择性激励。同时，通过偏振分束器（PBS）对光的偏振态进行分离，可以对正交的两路线偏振光分别进行模式转换，使得两个偏振态的光可以进行独立的模式转换，从而可以与通信系统中的偏振复用技术相容，即同时实现了偏振复用和模式复用功能，能够实现多个不同模式到少模光纤的耦合。隔离度可达28dB以上，插入损耗小于5dB，工作波长范围由透镜表面的镀膜决定，采用合适的镀膜工艺，工作波长可以覆盖C波段（1530nm-1565nm），工作波长带宽较大。

2、本发明的扩展性强，在一定的插入损耗容限内，可以增加液晶和合束器的数目来增加激励与耦合的模式数目。本发明具有模式隔离度高、耦合插入损耗低、稳定性强等优点。

3、本发明的模式激励与耦合方案为空间光调制，所用的器件在市场上均容易采购到，而且光路搭建容易，稳定性强，激励模式灵活可调，可以实现灵活的模式激励与耦合。本发明可以广泛地应用在模式复用系统的模式选择性激励与多种模式到同根少模光纤耦合场合。

附图说明

图1为本发明一种可编程的光纤模式激励和耦合方法所采用的光纤模式激励和耦合系统与少模光纤的结构框图；

图2为图1中偏振分束器5对光束偏振态的作用原理图，其中，（a）图是具有两种正交偏振态的光通过偏振分束器5时所发出的偏振分离原理图；（b）图是两路线偏振光经过硅基液晶反射回来后发生了偏振旋转现象，并实现偏振合束的原理图。

图中：1、2—单模光纤；3、4—准直透镜；5—偏振分束器；6、8—法拉第旋光器；7、9—硅基液晶；10—合束器；11、12—聚焦透镜；13—少模光纤；14、15—半波片。

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达成发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图，对依据本发明提出的基于硅基液晶和偏振分束器的可编程控制的光纤模式选择性激励与耦合系统的具体实施方式及工作原理进行详细说明。

由图1可知，本发明提供的方法采用如图1所示的系统，该系统是一种光纤模式激励和耦合系统，包括两个单模光纤1、2、两个准直透镜3、4、两个硅基液晶7、9、两个法拉第旋光器6、8、一个偏振分束器5和一个合束器10。单模光纤1发出的激光经过准直透镜3，单模光纤2发出的激光经过准直透镜4，实现扩束准直，扩大模场有效面积，便于进行空间光调制，同时减小光束的发散程度，以减小插入损耗。两个单模光纤1、2的输出光束均为高斯光束，束腰

可以定义为：

，

其中

和

分别为单模光纤1、2的半径和V-数。可以利用光线矩阵方法分析高斯光束的准直效果，令

为单模光纤1、2输出端面的参数，则

的表达式如下式所示：

，

其中

为激光波长，经过

距离传输到达相应的准直透镜3、4前表面，其

参数为：

，

经过准直透镜3、4，在准直透镜3、4后表面的

参数为：

，

其中

为准直透镜3、4的光线传输矩阵，A、B、C、D为传输矩阵的四个元素，

为准直透镜的焦距，

为准直透镜的厚度，

为物方主面到准直透镜座顶点的距离，

为像方主面到准直透镜右顶点的距离。此时光束束腰大小

为：

。

本发明将准直光束通过偏振分束器将两个正交偏振态的激光分开，分别通过法拉第旋光器和硅基液晶进行空间光调制，实现光纤模式的转换，激励出理想的高阶模式，具体如下；

如图2（a）所示，准直透镜3的准直光束从垂直方向通过偏振分束器5（PBS）的1号端口输入，将两个正交偏振态的激光分开形成水平方向偏振的光和垂直方向偏振的光。所述的水平方向偏振的光从偏振分束器5的3号端口透射出，正向通过法拉第旋光器6，使偏振方向旋转

角，再正向通过半波片14，调整偏振态，使之与硅基液晶7所要求的偏振方向一致，通过半波片14后的光束正向传输到达硅基液晶7表面。所述的垂直方向偏振的光发生反射出，经过偏振分束器5的2号端口出射，正向通过法拉第旋光器8，使偏振方向旋转

角，再正向通过半波片15调整偏振态，使之与硅基液晶9所要求的偏振方向一致，通过半波片15后的光束正向传输到达硅基液晶9表面。

如图2（b）所示，光束经过硅基液晶7并反射，实现了相位调制，从而达到光场模式转换的目的，激励出理想的高阶模式，反射光反向通过半波片14，通过半波片14后光束的偏振方向恢复到入射时的状态；进而反向通过法拉第旋光器6使偏振方向继续旋转之后到达偏振分束器5。同理，光束经过硅基液晶9并反射，并反向通过半波片15，通过半波片15后光束的偏振方向恢复到入射时的状态，进而反向通过法拉第旋光器8使偏振方向继续旋转

之后到达偏振分束器5。这样，到达偏振分束器5的水平方向和垂直方向的两束光的偏振态均已经发生了

的改变，水平方向光束垂直方向偏振，发生反射，垂直方向光束水平方向偏振，发生透射，到达偏振分束器5的水平方向和垂直方向的两束光从偏振分束器5的4号端口合束水平输出。

从偏振分束器5的4号端口合束水平输出的的高阶模式的光合束正向输入合束器10，从单模光纤2中出射的光经过准直透镜4准直，准直透镜4的准直光束从垂直方向正向输入合束器10，经过合束器10与所述的高阶模式的光合束一起输出合束器10，输出合束器10的光速依次经聚焦透镜11和聚焦透镜12后，耦合进少模光纤13。

硅基液晶7表面和准直透镜3后表面的光线距离为

，则传输到达硅基液晶7表面的光场参数

为：

，

此时光斑尺寸

为：

，

设硅基液晶7的透过率函数为

，则在距离硅基液晶7为

处的光场（反射回来的光场）可以认为是硅基液晶7处光场的菲涅尔近似，

，

其中

、

为硅基液晶7表面的点的坐标，

、

为观察平面（距离硅基液晶7为

处的与光路垂直的平面）上点的坐标，

为液晶透过率函数，即硅基液晶7表面的光的电场分布函数；

为观察平面上的光的电场分布；

为波数，其定义为：

，

相应的光强分布为

，而聚焦透镜11、12不会改变光场的形状和相位分布，故只需硅基液晶7处实现很好的模式转换即可。

进一步的，利用硅基液晶进行模式转换，可以通过控制液晶像素的电压而使液晶呈现理想的相位调制模板，可以对光场进行相位调制，从而达到模式转换的目的。如果需要改变激励的高阶模式，可以通过改变硅基液晶7的像素点的控制电压，改变相应的相位延时来实现。

设计合适的液晶透过率函数

，即可实现模式从基模向任意的高阶模式进行转换。对于阶数不太高的高阶模，可以只通过改变相位就能实现模式转换，相应的液晶透过率函数

只是相位延时函数，通过对光场进行相位的调节实现模式的转换。对于阶数较高的高阶模，相应的液晶透过函数

则实现光强和相位的联合调制，其函数的具体形式可以通过软件模拟求解（如模拟退火法），从而得到硅基液晶7的控制电压。

值得注意的是，由于实际激励与耦合系统的尺寸限制，对单模光纤1、2的输出光进行准直时光纤端面不一定严格处于准直透镜3、4的焦平面上，而应该使得光束的大部分能量处于聚焦透镜3、4的视场范围内，从而减小系统的插入损耗。只有选择合适的单模光纤1、2输出光场位置，才能使得有足够大的光斑到达液晶表面，实现良好的模式转换，同时保证接收端收集到足够多的光场能量，从而降低插入损耗。

本发明中，用于模式转换的硅基液晶是市场上可以买到的普通液晶调制器，其他器件也容易采购，因而所提议的模式选择性激励与耦合方案可以很容易实现，通过更换器件，可以实现系统对工作波长的动态适应性，增强了系统可靠性。

Claims

1.一种可编程的光纤模式激励和耦合方法，其特征是包括如下步骤：

（1）将第一单模光纤发出的光束先经过第一准直透镜，再通过一个偏振分束器将两个正交偏振态的光分开成水平方向偏振光和垂直方向偏振光，水平方向偏振光和垂直方向偏振光均分别依次通过一个法拉第旋光器、一个半波片和一个硅基液晶，激励出高阶模式的水平方向光束和垂直方向光束；

（2）高阶模式的水平方向光束和垂直方向光束分别反射，反射光束分别依次通过所述一个半波片、一个法拉第旋光器后水平输入至所述偏振分束器，并从偏振分束器合束，水平输出高阶模式的光合束；

（3）将所述高阶模式的光合束从水平方向输入所述合束器，将第二单模光纤发出的光束经过第二准直透镜，从垂直方向输入合束器，与输入合束器的水平方向的高阶模式的光合束一起输出合束器；

（4）输出合束器的光束经聚焦透镜耦合进少模光纤。

2.根据权利要求1所述的一种可编程的光纤模式激励和耦合方法，其特征是：

步骤（1）中，从第一准直透镜输出准直光束，准直光束从垂直方向通过偏振分束器的1号端口输入，水平方向偏振光从偏振分束器的3号端口透射出，垂直方向偏振光从偏振分束器的2号端口出射；通过一个法拉第旋光器后的偏振光偏振方向旋转

Figure 2013102588333100001DEST_PATH_IMAGE002

角，再正向通过一个半波片，调整偏振态后与硅基液晶所要求的偏振方向一致。

3.根据权利要求1所述的一种可编程的光纤模式激励和耦合方法，其特征是：步骤（2）中，反射光束通过一个半波片的偏振方向恢复到入射时的状态，通过法拉第旋光器使偏振方向继续旋转

；输入至所述偏振分束器的水平方向光束和垂直方向光束的偏振态均已有

的改变。

4.根据权利要求1所述的一种可编程的光纤模式激励和耦合方法，其特征是：改变硅基液晶的像素点的控制电压以改变相应的相位延时来改变激励的高阶模式。