CN103698848A - 一种光纤模式转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光纤模式转换器，光纤模式转换器由光纤I、光纤II、光纤III组成，通过光纤I、光纤II先将基模转换成过渡高阶模1，光纤II、光纤III再将高阶模1转换成所需的高阶模2，其中光纤I用于传输基模，光纤II和光纤III用于传输高阶模，光纤I的基模有效折射率和光纤II、光纤III相应高阶模的有效折射率在工作波长处相等。本发明的光纤模式转换器，利用光纤中基模与高阶模之间的耦合，实现基模与高阶模之间的转换，可以实现宽带高效率转换。不同的模式在不同的光纤中传输，模式间串扰小，同时具有光纤结构简单、连接方便的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，具体涉及实现模式之间转换的光纤模式转换器。
背景技术
由于单模光纤可以避免多模光纤传输时的模间色散问题，因此目前广泛应用在通信、传感等领域。近年来，人们提出了许多新型的光纤结构。如采用光子带隙原理的Bragg光纤，其传输损耗最低的模式并非普通单模光纤的LP01模，而是TE01模。此外，人们还提出采用高阶模实现色散补偿技术，从而实现大模场、低损耗光传输等。
采用高阶模还可以实现信息传输。空分复用被认为是进一步提高光纤通信容量的方法。在空分复用系统中，最典型的两种方法是在多芯光纤或者多模光纤上实现空分复用。在不同纤芯或者不同模式内传输多个信号可以提高通信容量。
当使用到以上光纤技术时，就需要借助模式转换器实现LP01模与其它模式之间的转换。光纤模式转换器是一种实现光纤不同模式场之间转换的器件。人们已经提出了几种适用于光纤模式转换的器件，其中最常用的是基于光纤光栅的模式转换器，但是其工作带宽较窄，约几纳米。此外，人们还提出了在一根光纤的两个纤芯中实现模式转换的方法[Applied Optics,2012,51(19),4388]，这种模式转换器可以实现LP01模和LP02模的相互转换，但是该结构转换效率大于80%的波长范围为22nm，带宽较窄。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提出一种能在很宽的带宽范围内工作的宽带光纤模式转换器。
本发明的技术方案是：一种光纤模式转换器，包括光纤I、光纤II、光纤III，其特征在于：所述光纤I和光纤II的部分包层研磨后贴合在一起形成耦合区，且耦合区的纤芯间距小于光纤I和光纤II的纤芯间距，所述光纤I的基模有效折射率和光纤II的高阶模1的有效折射率在工作波长处相等，所述光纤I和光纤II耦合区的长度为光纤I的基模和光纤II的高阶模1在工作波长处的耦合长度L1的整数倍；所述光纤II和光纤III的部分包层研磨后贴合在一起形成耦合区，且耦合区的纤芯间距小于光纤II和光纤III的纤芯间距，所述光纤II的高阶模1有效折射率和光纤III的高阶模2的有效折射率在工作波长处相等，所述光纤II和光纤III耦合区的长度为光纤II的高阶模1和光纤III的高阶模2在工作波长处的耦合长度L2的整数倍。 所述纤芯间距是指两根并排放置的光纤的纤芯边缘的最短距离。耦合长度是两光纤的模式发生一次完全耦合所对应的光纤长度。而耦合区长度是指实际制作时，两光纤能够发生能量耦合的区域。显然耦合区长度应是其耦合长度的整数倍。
进一步，所述光纤I和光纤II耦合区的纤芯间距d1<12μm；所述光纤II和光纤III耦合区的纤芯间距d2<10μm。
作为本方案的进一步改进，要求光纤I和光纤II纤芯间距d1≤6μm，光纤II和光纤III纤芯间距d2≤6μm。
作为本方案的进一步改进，要求光纤I的归一化频率V1满足V1<2.405,光纤II的归一化频率V2满足V2>2.405，光纤III的归一化频率V3满足V3>3.832，且满足V1<V2<V3。
本发明的有益效果是：采用简单的光纤结构，实现了不同光纤中不同模式的转换，通过中间模式的过渡，有效提高了光纤基模与所需转换的高阶模之间的转换效率。不同的模式在不同的光纤中传输，输出的模式是单一的模式，不会混合其它不需要的模式。
附图说明
图1为本发明一种实施例的示意图；
图2为图1所示结构中光纤I的LP01模、光纤II的LP11模和光纤III的LP02模的有效折射率与波长的关系示意图；
图3为图1所示结构中，纤芯间距d1=d2=6μm，从光纤I的LP01模转换到光纤II的LP11模、光纤II的LP11模转换到光纤III的LP02模时转换效率与波长的关系示意图；
图4为不同模式之间转换时的带宽与光纤间距之间的关系示意图。
具体实施方式
理论上，两根光纤并排放置且纤芯靠近的两种不同模式可以实现相互转换，前提是两种模式的有效折射率相等（或相近）。但实际上，当一根光纤的基模与另一根光纤的较高阶的模式，如LP01模需要转换时，由于两种模式差异较大，往往难以实现宽带的有效折射率匹配。为此，需要探索其它有效的方法。
图1为本发明一种实施例的示意图。其中，光纤I、光纤II分别经研磨去除部分包层，然后贴合在一起；光纤II的另一区域和光纤III分别经磨去部分包层后，然后贴合在一起。光纤I、光纤II耦合区的长度为光纤I的基模和光纤II的高阶模1在工作波长处的耦合长度L1的整数倍，光纤II、光纤III耦合区的长度为光纤II的高阶模1和光纤III的高阶模2在工作波长处的耦合长度L2的整数倍。在工作带宽范围内的光波进入光纤后，，由于耦合效应，其能量将发生周期性的转移。即如果从光纤I输入光，光纤I将被激发出基模，则通过光纤I和光纤II耦合区，基模光将转换为光纤II中的高阶模1，从光纤II输出的高阶模1再经光纤II和光纤III耦合区，与光纤III的高阶模2发生耦合，再将光转换为光纤III与它在有效折射率相等的高阶模2。即光纤II为光纤I与光纤III之间进行模式转换的中间过渡光纤，高阶模1作为基模和高阶模2的过渡模式。本模式转换器还可实现反向转换，即高阶模2从光纤III输入，经光纤II转换为高阶模1，再与光纤I耦合，转换为基模。
根据耦合理论，对于两根并排放置，纤芯距离较近的光纤，若其中一根光纤的一个模式与另一根光纤的另一个模式的有效折射率在某波长相等，则两模式相位匹配，因而，两个模式可以在两根光纤之间相互转换，即便两模式的有效折射率不完全相等，在匹配点附近，由于两模式的有效折射率相差很小，两模式也可以发生有效的耦合。
图2为图1所示结构中光纤I的LP01模、光纤II的LP11模和光纤III的LP02模的有效折射率与波长的关系示意图，若光纤I与光纤III直接耦合，即LP01模直接与LP02模耦合，则在两者有效折射率匹配处，其转化效率依然很高，但由于两者的有效折射率曲线斜率相差较大，离开匹配点时，其有效折射率差值较大，两模式之间的转化效率将明显下降。而当使光纤的LP01模先与光纤I的LP11模发生耦合，再使光纤II的LP11模与光纤III的LP02模发生耦合，此时，由于LP01模与光纤I的LP11模之间的有效折射率曲线相差较小，两者容易获得宽带耦合，同样光纤II的LP11模与光纤III的LP02模的有效折射率曲线相差较小，两者容易获得宽带耦合。因此，这样就使得LP01模到LP02模的转换效率和带宽得到有效提高。
图3为图1所示结构中，纤芯间距d1=d2=6μm，从光纤I的LP01模转换到光纤II的LP11模、光纤II的LP11模转换到光纤III的LP02模时转换效率与波长的关系示意图。由图可见，LP01与LP11、LP11与LP02的转换效率大于90%的波长范围都较宽；而LP01与LP02直接转换时，转换效率大于90%的波长范围相对较窄。
图4分别给出了光纤I与光纤II耦合将光纤I的LP01模转换到光纤II的LP11模、光纤II与光纤III耦合将光纤III的LP11模转换到光纤III的LP02模、以及光纤I与光纤III耦合将光纤I的LP01模转换到光纤III的LP02模时的工作带宽曲线。这里定义转换效率大于90%的波长范围为工作带宽。由图可见，转换带宽随着纤芯间距的减小而增大，将光直接从LP01模转换到LP02模时相比将LP11作为过渡转换时带宽窄。当光纤I和光纤II纤芯间距d1较大，或光纤II和光纤III纤芯间距d2较大时，其转换效率和转换带宽都很低。因此，选择较小的纤芯间距，能够实现宽带模式转换。
当需要实现LP01模和LP02模之间的转换时，光纤I、光纤II、光纤III的归一化频率V1、V2、V3应满足V1<2.405，V2>2.405和V3>3.832。这是因为光纤I中传输的是LP01模，为了避免高阶模的出现对其传输性能的影响，要求光纤I保持单模传输，即有V1<2.405。而光纤II、光纤III分别需要传输LP11和LP02模，为此应有V2>2.405和V3>3.832。为保证光纤II中的LP11模和光纤III中的LP02模之间的有效折射率匹配，需要满足V2<V3。即应有V1<V2<V3。
本发明的光纤模式转换器只有耦合区光纤被贴合到一起，在其它区域不同的模式在不同的光纤中传输。因此，相比于基于双芯结构的模式转换器，采用本发明结构，由于不同的模式在不同的光纤中传输，输出的模式是单一的模式，不会混合其它不需要的模式。因此，这种转换器的带宽只与模式的转换效率有关，在对转换效率要求可以降低的场合，其工作带宽还可以增加。
以下结合附图说明本发明的优选实施例。本实施例实现基模LP01模与LP02模之间的转换。
实施例：
如图1所示，光纤I、光纤II、光纤III的包层材料均为纯石英，纤芯与包层折射率差均为0.005。光纤I的纤芯直径为7.9μm，光纤II的纤芯直径为15.5μm，光纤I和光纤II纤芯之间距离d1=6μm，光纤II和光纤III纤芯之间距离d2=6μm，光纤III的纤芯直径为24.3μm。其中光纤I、光纤II采用研磨光纤包层的方法，将光纤I和光纤II的一端研磨掉部分包层后粘合在一起，研磨长度为L1，再研磨光纤II的另一端和光纤III的部分包层后粘合在一起，研磨长度为L2，将研磨好的三根光纤放置在一起密封封装。光纤I中LP01模、光纤II中LP11模和光纤III中的LP02模的有效折射率与波长的关系如图2所示。三条曲线在波长1.55μm处相交，因此，在此波长处可以实现匹配。取光纤I、光纤II的长度L1为两者的耦合长度，即L1=5.66mm，取光纤II、光纤III的长度L2为两者的耦合长度，即L2=10.63mm，就可以实现模式之间的转换。在转换效率大于90%的波长范围为1518nm~1582nm，其工作带宽可达64nm。
上述附图仅为说明性示意图，并不对本发明的保护范围形成限制。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
Claims (5)
1.一种光纤模式转换器，包括光纤I、光纤II和光纤III，其特征在于：所述光纤I和光纤II的部分包层研磨后贴合在一起形成耦合区，且耦合区的纤芯间距小于光纤I和光纤II的纤芯间距，所述光纤I的基模有效折射率和光纤II的高阶模1的有效折射率在工作波长处相等，所述光纤I和光纤II耦合区的长度为光纤I的基模和光纤II的高阶模1在工作波长处的耦合长度L1的整数倍；所述光纤II和光纤III的部分包层研磨后贴合在一起形成耦合区，且耦合区的纤芯间距小于光纤II和光纤III的纤芯间距，所述光纤II的高阶模1的有效折射率和光纤III的高阶模2的有效折射率在工作波长处相等，所述光纤II和光纤III耦合区长度为光纤II的高阶模1和光纤III的高阶模2在工作波长处的耦合长度L2的整数倍；
所述纤芯间距是指两根并排放置的光纤的纤芯边缘的最短距离。
2.根据权利要求1所述的一种光纤模式转换器，其特征在于：所述光纤I和光纤II耦合区的纤芯间距d1<12μm；所述光纤II和光纤III耦合区的纤芯间距d2<10μm。
3.根据权利要求1所述的一种光纤模式转换器，其特征在于：所述光纤I和光纤II耦合区的纤芯间距d1≤6μm；所述光纤II和光纤III耦合区的纤芯间距d2≤6μm。
4.根据权利要求1所述的一种光纤模式转换器，其特征在于：所述光纤I的归一化频率V1满足V1<2.405,光纤II的归一化频率V2满足V2>2.405，光纤III的归一化频率V3满足V3>3.832，且满足V1<V2<V3；所述归一化频率 
，其中a为纤芯半径，λ为工作波长，n core 为纤芯折射率，n clad 为包层折射率。
5.根据权利要求1所述的一种光纤模式转换器，其特征在于：所述光纤I、光纤II和光纤III一起密封封装。
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