CN103928829B - 一种基于少模光纤布拉格光栅的高阶模获取装置 - Google Patents

Abstract

一种基于少模光纤布拉格光栅的高阶模获取装置，属于通信技术领域。依次由光源（101）、光源尾纤（102）、少模光纤（103）、光纤环形器（104）和少模光纤布拉格光栅（105）构成，选择光源（101）输出激光的工作波长λ₁，使其与某一模式的自耦合谐振峰的中心波长相匹配，从而使得满足少模光纤布拉格光栅布拉格条件的该模式被少模光纤布拉格光栅（105）反射，然后由端口2进入光纤环形器（104），再经光纤环形器（104）从端口3输出，其它不满足少模光纤布拉格光栅布拉格条件的模式则透过少模光纤布拉格光栅（105）后输出；从而在端口3或少模光纤布拉格光栅（105）的后面获取高阶模。本发明是一种实现简单、稳定性高、成本低廉的高阶模获取装置。

Description

一种基于少模光纤布拉格光栅的高阶模获取装置

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于少模光纤布拉格光栅的高阶模获取装置。

背景技术

随着互联网业务、物联网、交互式网络电视（IPTV）及应用云计算的新一代大型数据中心等带宽消耗型业务的不断增多，网络带宽的需求达到了前所未有的高度，为了解决不断出现的“带宽消耗”型业务对光传送网带来的巨大压力，人们通过各种办法提高现有的光传输容量。然而，由于单模光纤自身固有的非线性效应的限制，在未来不远的时间可能达到可以预见的“带宽耗尽”。因此寻求一种新的解决单模光纤自身“带宽极限”的光传送技术具有重要意义，基于少模光纤的模式复用技术就是在这种大背景下应运而生的。

基于少模光纤的模式复用，是指利用少模光纤中有限的正交模式作为独立信道来加载信息，使系统的传输容量得以成倍的增长。同时，少模光纤具有比较大的模场面积，其非线性容限也很高，能很好规避非线性效应对系统的不利影响。

在基于少模光纤的模式复用系统中，如何获得高阶模式至关重要。现有的获取高阶模式的技术主要有长周期光纤光栅（LPFG）技术、自由空间光学技术和基于波导装置的定向耦合技术（DC）等。然而，自由空间光学技术的结构相对复杂，长周期光纤光栅技术需要特定的装置来使光纤产生周期性地形变，容易造成光纤的损伤。而基于波导装置的定向耦合技术（DC）可以得到较低的插入损耗，但是，如何与光纤链路高效耦合是一项挑战性工作。因此，设计一种简单、高效的结构装置来获取高阶模式成为模式复用技术的研究重点之一。

发明内容

针对现有获取高阶模式技术的不足，本发明提出一种基于少模光纤布拉格光栅的高阶模获取装置，采用少模光纤布拉格光栅+光纤环形器的全光纤型的结构方案，实现高阶模获取,进而利用获取的不同的高阶模来加载信息，实现模式复用通信。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案是：一种少模光纤布拉格光栅+光纤环形器，其特征在于：利用少模光纤布拉格光栅反射峰的中心波长与光纤传输模式的相关性，选择光源的工作波长与某一高阶模（如LP₁₁模）对应的少模光纤布拉格光栅反射峰的中心波长相匹配，使该高阶模（如LP₁₁模）满足少模光纤布拉格光栅布拉格条件而被反射，结合光纤环形器的单向传输特性，从而在少模光纤布拉格光栅的反射端获取我们所需要的该高阶模（如LP₁₁模）。

为了实现这样的目的，本发明设计的获取高阶模式的装置，其结构如图1所示，分别由光源101、光源尾纤102、少模光纤103、光纤环形器104和少模光纤布拉格光栅105构成。其中：光源101产生波长为λ₁的激光，由光源尾纤102输出（光源尾纤102的单模截止波长小于光源的工作波长λ₁，此时光源尾纤102仅支持一个基模，LP₀₁模，如HI1060光纤作为光源尾纤102，其截止波长约为920nm，当光源工作在1060nm波段时，HI1060尾纤仅支持LP₀₁模的传输）。当激光经图1所示的A点进入少模光纤103（少模光纤103不同于光源尾纤102，其单模截止波长要大于激光的工作波长λ₁，此时少模光纤103可以支持两个及以上模式，如SMF-28e光纤，其单模截止波长为1260nm，当光源工作在1064nm波段时可支持LP₁₁模和LP₀₁模的传输）后，高阶模式被激发，并与原有的LP₀₁模一同由端口1进入光纤环形器104。这些模式由光纤环形器104的端口2输出后到达少模光纤布拉格光栅105，满足少模光纤布拉格光栅布拉格条件的模式被少模光纤布拉格光栅105反射后由端口2进入光纤环形器104，经由光纤环形器104从端口3输出，不满足少模光纤布拉格光栅布拉格条件的模式则透过少模光纤布拉格光栅105输出。

利用CCD成像系统在D点记录少模光纤布拉格光栅105反射光的光场分布，在C点记录少模光纤布拉格光栅105透射光的光场分布，进而通过分析光场特性验证本发明的高阶模获取装置的可行性。

所述的少模光纤布拉格光栅105，在实际生产中主要使用相位掩模法制作，当相位掩模板确定后，少模光纤布拉格光栅105的周期Λ也将确定，然后由λ=2Λn_eff可计算出不同模式的布拉格波长λ，式中，n_eff表示少模光纤布拉格光栅105纤芯中模式的有效折射率，不同模式的n_eff不同。对于实际使用相位掩膜法制作少模光纤布拉格光栅105时，单侧的紫外曝光会导致纤芯横向折射率分布不均匀，从而发生模式间的耦合，此时测量少模光纤布拉格光栅105的反射谱，将会得到不同的反射峰，其中包括任一模式的自耦合谐振峰和模式间交叉耦合谐振峰，选择光源101输出激光的工作波长λ₁与某一高阶模式的自耦合谐振峰的中心波长相匹配。相匹配的数量关系描述如下：设某一高阶模式的自耦合谐振峰的中心波长为λ₂，其3dB带宽为Δλ₂，光源101输出激光的工作波长为λ₁，其3dB带宽为Δλ₁，选择λ₁满足如下条件：

${\mathrm{\&lambda;}}_2-\frac{{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_1}{2}<{\mathrm{\&lambda;}}_1<{\mathrm{\&lambda;}}_2+\frac{{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_2+\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}{2}---\left(1\right)$

则可实现光源101输出激光的工作波长与某一高阶模的自耦合谐振峰的中心波长的匹配，结合本发明的装置即可实现该高阶模式的获取。

所述的相位掩模法是指将少模光纤103光敏后，紧贴在相位掩模板上，利用位相光栅母板近场衍射所产生的干涉条纹在少模光纤103中形成折射率的周期性扰动的原理形成少模光纤布拉格光栅105，即将待写入少模光纤布拉格光栅105部分的少模光纤103的保护层需剥去形成裸纤，裸纤两端需要应力拉直，用紫外光源经过透镜会聚到相位掩模板上进行照射，在近场形成周期性的条纹分布,利用近场光强对光敏的少模光纤103进行曝光,从而在纤芯中写人少模光纤布拉格光栅105，经过上述操作后，就可得到本发明所述的少模光纤布拉格光栅105。

这里的少模光纤103可以是1550nm波段的，也可以是1310nm波段的，还可以是1060nm波段的。不同波段的少模光纤103在少模光纤布拉格光栅105写入时所使用的相位掩模板的周期是不同的，如1550nm波段的少模光纤103，使用周期为538nm的相位掩模板；1310nm波段的少模光纤103，使用周期为455nm的相位掩模板；1060nm波段的少模光纤103，使用周期为368nm的相位掩模板。紫外光源可以选择Tuilaser公司的ExciStar M100激光器，其工作波长是248nm，脉冲输出能量最高为150mJ。

本发明使用的光源101是采用掺杂增益光纤108、半导体泵浦源106、高反光栅107、低反光栅109制作的全光纤型光源，连接示意图如附图2所示。半导体泵浦源106输出的泵浦光，通过掺杂增益光纤108，在泵浦光的作用下，掺杂增益光纤108内的稀土离子吸收泵浦光，其电子被激励到较高的能级上，实现了离子数反转。反转后的粒子以辐射形成从高能级转移到基态，输出荧光，经过由高反光栅107和低反光栅109形成的谐振腔的作用，从而形成稳定的激光输出。不同波段采用的掺杂增益光纤108和半导体泵浦源106不同，对于1310nm波段，选用掺镨光纤作为掺杂增益光纤，可选择波长1060nm波段的半导体激光器做半导体泵浦源，如上海瀚宇光纤通信技术有限公司的1064nm的半导体激光器；对于1550nm波段，可采用掺铒光纤作为掺杂增益光纤，半导体泵浦源可选择980nm半导体激光器，如深圳兴博科技的980nm单模泵浦激光器，北京中讯光普科技LSB-PUMP-980半导体激光器；对于1060nm波段，采用掺镱光纤作为掺杂增益光纤，半导体泵浦源选择975nm的半导体激光器，如上海科乃特激光科技有限公司VENUS系列975半导体激光器等。高反光栅107和低反光栅109的布拉格反射波长是一致的，且与待获取的某一高阶模式自耦合谐振峰的中心波长一致。这样，利用图2的结构可以制备出输出波长与该高阶模式自耦合谐振峰中心波长相匹配的全光纤型光源，其输出激光的强度由半导体泵浦源的泵浦功率控制。

本发明使用3端口的光纤环形器104，利用其单向传输特性，实现本发明的功能。其特殊性在于光纤环形器104的尾纤与少模光纤103相同，确保高阶模能顺利通过光纤环形器104到达少模光纤布拉格光栅105，以及经少模光纤布拉格光栅105反射的高阶模式能够顺利返回光纤环形器104，由光纤环形器104的端口3输出。

系统功能：

本发明提出的高阶模获取技术采用少模光纤布拉格光栅＋光纤环形器的结构，当光源的工作波长与某一高阶模的反射峰中心波长（自耦合谐振峰的中心波长）相匹配时，使得该高阶模满足少模光纤布拉格光栅的布拉格条件而被反射，结合环形器的单向传输特性，即可实现该高阶模的获取。以仅支持LP₀₁模与LP₁₁模的双模光纤布拉格光栅为例，具体阐述本发明的功能。

（1）当光源的工作波长与LP₁₁模的自耦合谐振峰的中心波长相匹配时，LP₁₁模式将被双模光纤布拉格光栅所反射，而LP₀₁模式透射，通过一个3端口光纤环形器在双模光纤布拉格光栅的反射光中得到LP₁₁模式。

（2）当光源的工作波长与LP₀₁模的自耦合谐振峰的中心波长相匹配时，LP₀₁模式将被双模光纤布拉格光栅反射，而LP₁₁模式透射，因此可以在双模光纤布拉格光栅的透射光中得到LP₁₁模式。

需要说明的是：对于支持三个及以上模式的少模光纤布拉格光栅，只能在反射端得到所需的高阶模。而在透射端只能得到多个模式叠加，无法得到某个单一的高阶模。

本发明具有如下特点:

本发明所提出的基于少模光纤布拉格光栅的高阶模获取装置，其实验系统是一种全光纤化结构，易与光纤链路耦合，且插入损耗低、体积小，是一种实现简单、稳定性高、成本低廉的高阶模获取装置。

附图说明

图1：本发明所述的基于少模光纤布拉格光栅的高阶模获取装置的结构示意图；

图2：本发明所述的光源连接关系示意图；

图3：1062.8nm激光光源的光谱图；

图4：实施例所述的双模光纤布拉格光栅的反射谱；

图5：1062.8nm激光作为光源时图1中A、B、C、D四点的光场分布图；

图6：1064.7nm激光光源的光谱图；

图7：1064.7nm激光作为光源时图1中A、B、C、D四点的光场分布图。

具体实施方式

实施例1：工作波长1062.8nm时，用SMF-28e做少模光纤，利用少模光栅的反射特性获取LP₁₁模。

本实施例中，选用上海瀚宇光纤通信技术有限公司制备的中心波长为1063nm的反射率分别为99.069%和10.53%的高低反光栅（尾纤为HI1060）、选用上海瀚宇光纤通信技术有限公司的Nufern YSF-LO型掺镱光纤作为掺杂增益光纤、选用上海科乃特激光科技有限公司VENUS系列975nm半导体激光器作为半导体泵浦源，制备出中心波长为1062.8nm的全光纤型光源，如附图2所示，作为本例实验系统的光源，输出的光谱图如附图3所示。

选用四川滕光科技有限公司特制的1060nm波段的3端口光纤环形器，选用北京泰克里科公司的SMF-28e光纤作为本实施例的1060nm波段的少模光纤。特别说明SMF-28e光纤的单模截止波长为1260nm，当激光器的工作波长为1062.8nm时，SMF-28e光纤中只存在两种模式，即LP₀₁和LP₁₁模。本实施例中，使用的少模光纤布拉格光栅是采用周期为368nm的相位掩模板在SMF-28e光纤上进行紫外曝光而制备的双模光纤布拉格光栅，其反射谱如附图4所示，反射峰1为LP₀₁模式的自耦合谐振峰；反射峰2为LP₀₁与LP₁₁的交叉耦合谐振峰，交叉耦合谐振峰是由于光栅实际制作过程中侧向写入导致的横向折射率分布不均匀而引起的；反射峰3为LP₁₁模式的自耦合谐振峰。三个反射峰的中心波长分别为1064.7nm，1063.8nm以及1062.8nm。用光束质量分析仪记录图1中A、B、C、D四点的光场分布，如附图5所示。由于激光器尾纤HI1060在1062.8nm波长上只支持一个模式，因此A点观察到的光场分布为LP₀₁模式，为标准的圆形光场分布，能量主要集中在光斑中心部分。当激光耦合入光纤环形器的尾纤SMF-28e光纤之后，LP₁₁模式被激发，在B点处观察的光场分布为LP₀₁与LP₁₁的叠加结果，因此光斑较A点略有增大。由于1062.8nm的激光对应的是双模光纤布拉格光栅中LP₁₁模的自耦合谐振峰，当SMF-28e光纤中的LP₀₁和LP₁₁模传输到双模光纤布拉格光栅时，LP₁₁模满足双模光纤布拉格光栅的布拉格条件而被反射，因此在D点处呈现LP₁₁模式的光场分布，即呈现圆环形的光场分布，能量主要集中在光斑边缘。而LP₀₁模式透射输出，因此C点的光场分布与LP₀₁模式的模场分布接近，仍为标准的圆形光场分布。在附图1中的A点处，调节光源尾纤HI1060与SMF-28e光纤之间的偏心距离，当A点处于中心位置时，LP₀₁模的插入损耗最小，为8.33dB；当A点处于最佳偏心位置时（偏心量为1.4um），LP₁₁模的插入损耗最小，为9.30dB。实施例2：工作波长1064.7nm时，用SMF-28e做少模光纤，利用少模光栅的透射特性获取LP₁₁模。

本实施例中，选用上海瀚宇光纤通信技术有限公司制备的中心波长为1065nm的反射率分别为99.184%和10.58%的高低反光栅（尾纤为HI1060），选用上海瀚宇光纤通信技术有限公司的Nufern YSF-LO型掺镱光纤作为掺杂增益光纤、选用上海科乃特激光科技有限公司VENUS系列975nm半导体激光器作为半导体泵浦源，制作出中心波长为1064.7nm的全光纤型光源，如附图2所示，作为本例实验系统的光源，输出的光谱图如附图6所示。

选用四川滕光科技有限公司特制的1060nm波段的3端口光纤环形器，选用北京泰克里科公司的SMF-28e光纤作为本实施例的1060nm波段的少模光纤。特别说明SMF-28e光纤的单模截止波长为1260nm，当激光器的工作波长为1064.7nm时，该光纤中只存在两种模式，即LP₀₁和LP₁₁模。本实施例中，使用的少模光纤光栅是采用周期为368nm的相位掩模板在SMF-28e光纤上进行紫外曝光而制备的双模光纤布拉格光栅，制备的双模光纤布拉格光栅的反射谱如附图4所示，反射峰1为LP₀₁模式的自耦合谐振峰；反射峰2为LP₀₁与LP₁₁的交叉耦合谐振峰，交叉耦合谐振峰是由于光栅实际制作过程中侧向写入导致的横向折射率分布不均匀而引起的；反射峰3为LP₁₁模式的自耦合谐振峰。三个反射峰的中心波长分别为1064.7nm，1063.8nm以及1062.8nm。用光束质量分析仪分别记录附图1中A、B、C、D四点的光场分布，如附图7所示。其中A、B点处的输出与1062.8nm激光作为光源时的输出一致，分别为基模LP₀₁模的光场分布（标准的圆形光场分布）以及LP₀₁模和LP₁₁模式的叠加光场分布（略有增大的圆形光斑）。1064.7nm激光对应的是双模光纤布拉格光栅中LP₀₁模式的自耦合谐振峰，当SMF-28e光纤中的LP₀₁模式和LP₁₁模式传输到双模光纤布拉格光栅时，LP₀₁模式因为满足了双模光纤布拉格光栅的布拉格条件而被反射，因此本例在D点观察到了一个标准的圆形光场分布，能量主要集中在光斑中心部分，与LP₀₁模式的模场分布一致；而LP₁₁模式则透射出双模光纤布拉格光栅，因此C点的输出呈现出圆环形的光场分布，能量主要集中在光斑边缘位置，与LP₁₁模式的模场分布相同。在附图1的A点，调节光源尾纤HI1060光纤与SMF-28光纤之间的偏心距离，当A点位于中心位置时，LP₀₁模的插入损耗最小，为4.17dB。而当A点位于最佳偏心位置（1.4um）时，LP₁₁模的插入损耗最小，为5.98dB。

与实施例1相比，实施例2中LP₁₁模在最佳偏心位置时的插入损耗较小，这是由于当以1064.7nm的激光作为光源时，LP₁₁模仅仅经过一次光纤环形器，因此在这种情况下的LP₁₁模插入损耗要低于以1062.8nm的激光作为光源时的LP₁₁模的插入损耗。

以上以1060nm波段光信号和双模光纤布拉格光栅为例，对本发明所述的基于少模光纤布拉格光栅的高阶模式的获取装置进行了详细介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下，对它进行的各种显而易见的改变（如信号光波长改变为1550nm、1310nm等其他波段信号光，高阶模改变为LP₀₂模、LP₁₂模等其他所有高阶模）都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于少模光纤布拉格光栅的高阶模获取装置，其特征在于：依次由光源(101)、光源尾纤(102)、少模光纤(103)、光纤环形器(104)和少模光纤布拉格光栅(105)构成，且采用相位掩膜法制作少模光纤布拉格光栅(105)；光源(101)输出激光的工作波长为λ₁，光源尾纤(102)的单模截止波长小于λ₁，少模光纤(103)的单模截止波长大于λ₁；波长为λ₁的激光经光源尾纤(102)后仅有一个基模，即LP₀₁模；再经少模光纤(103)后，高阶模式被激发，并与LP₀₁模一同由光纤环形器(104)的端口1进入光纤环形器(104)；上述多个模式的激光由光纤环形器(104)的端口2输出后到达少模光纤布拉格光栅(105)，由于少模光纤布拉格光栅(105)纤芯横向折射率分布的不均匀，使得进入少模光纤布拉格光栅(105)的多个模式发生模式间的耦合，产生任一模式的自耦合谐振峰和多个模式间的交叉耦合谐振峰；选择光源(101)输出激光的工作波长λ₁，使其与某一模式的自耦合谐振峰的中心波长相匹配，从而使得满足少模光纤布拉格光栅布拉格条件的该模式被少模光纤布拉格光栅(105)反射，然后由端口2进入光纤环形器(104)，再经光纤环形器(104)从端口3输出，其它不满足少模光纤布拉格光栅布拉格条件的模式则透过少模光纤布拉格光栅(105)后输出；从而在端口3或少模光纤布拉格光栅(105)的后面获取高阶模；相匹配条件为

${\mathrm{\&lambda;}}_2-\frac{{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_1}{2}<{\mathrm{\&lambda;}}_1<{\mathrm{\&lambda;}}_2+\frac{{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}_2+\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&lambda;}}{2}$

其中，λ₂为某一高阶模式的自耦合谐振峰的中心波长，其3dB带宽为Δλ₂；λ₁为光源(101)输出激光的工作波长，其3dB带宽为Δλ₁。

2.如权利要求1所述的一种基于少模光纤布拉格光栅的高阶模获取装置，其特征在于：少模光纤(103)是1550nm波段、1310nm波段或1060nm波段。

3.如权利要求1所述的一种基于少模光纤布拉格光栅的高阶模获取装置，其特征在于：光源(101)是由掺杂增益光纤(108)、半导体泵浦源(106)、高反光栅(107)、低反光栅(109)制作的全光纤型光源；半导体泵浦源(106)输出的泵浦光，通过掺杂增益光纤(108)，在泵浦光的作用下，掺杂增益光纤(108)内的稀土离子吸收泵浦光，其电子被激励到较高的能级上，实现了离子数反转；反转后的粒子以辐射形成从高能级转移到基态，输出荧光，经过由高反光栅(107)和低反光栅(109)形成的谐振腔的作用，从而形成稳定的激光输出。

4.如权利要求1所述的一种基于少模光纤布拉格光栅的高阶模获取装置，其特征在于：光纤环形器(104)的尾纤与少模光纤(103)相同。

5.如权利要求1所述的一种基于少模光纤布拉格光栅的高阶模获取装置，其特征在于：相位掩模法是指将少模光纤(103)光敏后，紧贴在相位掩模板上，利用相位光栅母板近场衍射所产生的干涉条纹在少模光纤(103)中形成折射率的周期性扰动的原理形成少模光纤布拉格光栅(105)。