CN105022114B - 一种级联型长周期光纤光栅的滤模器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种级联型长周期光纤光栅的滤模器，该滤模器为一段基于多个级联的长周期光纤光栅的少模光纤，在纤芯写入多段长周期光纤光栅，少模光纤由纤芯和包层组成，光纤外侧采用低折射率材料，少模光纤的涂覆层为高折射率材料。所述低折射率材料是比包层折射率低的材料，所述每段长周期光纤光栅在不同波长下满足光纤基模(LP₀₁)与包层模耦合的相位匹配条件。本发明采用长周期光纤光栅结构使其光纤基模与包层模发生耦合，而其它高阶模不发生耦合或耦合后能量仍转移回来，从而实现滤除基模和保留高阶模的目的。本发明可以有效增大工作带宽，可以运用于少模光纤通信的模式复用系统中，以提高模式的纯度，减小模式间的串扰。

Description

一种级联型长周期光纤光栅的滤模器

技术领域

本发明涉及少模光纤通信领域，运用于少模光纤通信的模式复用系统及器件中，以提高模式的纯度，减小模式间的串扰。

背景技术

随着网络事业的发展，人们对光纤通信容量的需求越来越大。增加长距离通信容量的一个有效办法就是使用波分复用技术。波分复用系统可以实现在一根光纤中同时传输多个波长不同、载有不同信息的光波，从而增加通信容易。为分离这些光波，并抑制其它波长光的干扰，需要滤波器进行滤波。滤波器的目的是保证所需要的波长范围的信号通过，抑制波长范围外的信号，所以滤波器在信号的输入输出过程中起着关键的作用，是必不可少的器件，其性能的好坏决定着整个系统的通信质量。

随着人们对信息需求的日益增长，由于单模光纤自身固有的非线性效应限制，单模光纤可能在未来不远的时间达到可以预见的“带宽耗尽”，因此寻求一种能从根本上解决单模光纤自身“带宽极限”的光传送技术成为重中之重，以多模光纤中的不同模式传输不同的信息的方法成为其中的一种方案。少模光纤支持的模式数大于单模光纤，但小于传统多模光纤，这使得其既能提供若干可供复用的稳定信道，又不至于引起大的模式色散，因此少模光纤的模分复用技术就是在这种大背景下应运而生。这就是被认为是打破单模光纤传输极限最具前景的办法之一的空分复用技术。与滤波器在波分复用系统中的地位相似，在空分复用系统中也需要具有选择性滤除模式功能的滤模器件，即滤模器。

对于模分复用系统来说，模式转换技术至关重要。在模分复用系统中，主要是指将基模转换到其他高阶模或将高阶模转换到基模的过程。单模光纤可以产生基模，但是高阶模的产生需要由基模转化，这转化过程不会是完全转换的，会残留一些基模，这就会产生模式间的串扰，这时就需要滤模器来滤除不需要的模式而不影响需要的模式。

可以看出，滤模器性能的好坏同样决定着整个空分复用系统的通信质量。而目前并没有适合的滤模器。

目前，国内外研究者对模分复用解决方案主要归纳为基于光纤结构的模分复用以及基于空间光学元件的模分复用。人们提出了双芯光纤结构模式耦合器[Opt.Lett.，2000，25，pp.：710-712]，通过控制光纤耦合器相互作用的参数来实现模式复用与解复用器。人们也提出了SLM(Spatial Light Modulator)结构模式耦合器[IEEE ICTON(2012)，Th.A1.3.]。

发明内容

针对以上不足，本发明的目的是提出一种损耗低、体积小、稳定性好、工作带宽大及可靠性高的基于长周期光纤光栅的滤模器。

本发明的技术方案是：一种级联型长周期光纤光栅的滤模器，包括光纤，以及在所述光纤的纤芯写入N段(N≥2)长周期光纤光栅，所述光纤光栅被低折射率材料所包围；

所述光纤为少模光纤，包括纤芯和包层，光纤的归一化频率V＞2.405，所述归一化频率其中a为纤芯半径，λ为工作波长，n_core(λ)为波长为λ时的纤芯折射率，n_clad(λ)为波长为λ时的包层折射率；所述长周期光纤光栅使所述光纤的基模(LP₀₁模)与包层模(LP_0n模，n＞2)发生耦合，对于第i段(i＝1，2，...N)长周期光纤光栅，其周期Λ_i满足Λ_i＝λ_i/(n_o(λ_i)-n_cλ_i))，其中λ_i为光栅的中心波长，n_o(λ_i)为光纤基模(LP₀₁模)的有效折射率，n_c(λ_i)为包层模(LP_0n模，n＞2)的有效折射率；为增加滤模带宽，至少有两段长周期光纤光栅其中心波长之差Δ满足15≥Δ≥5nm；

所述低折射率材料其折射率n₁低于包层折射率n_clad，以形成包层模；每段所述光纤光栅之间至少有一段长度不短于10mm的所述少模光纤；所述少模光纤的涂覆层的折射率n_jack高于所述少模光纤的包层折射率n_clad，以形成有效的包层模滤模机制。

进一步，所述长周期光纤光栅均采用切趾型光栅结构，第i段(i＝1，2，...N)光纤光栅沿光纤轴向的光栅幅值变化表达式为：v(Z)＝cos(πZ/L_i)，-L_i/2＜Z＜L_i/2，L_i为第i段光纤光栅的长度。

进一步，所述长周期光纤光栅的中心波长之间满足：λ_j+1＞λ_j，这里j＝1，2...，N-1，且任意两段相邻的长周期光纤光栅的中心波长之差Δ均满足15＞Δ＞5nm。

进一步，所述长周期光纤光栅的周期满足：Λ_j+1＝Λ_j(1+s/λ_j)，其中：15≥s≥5nm。

进一步，所述少模光纤的归一化频率V＜5.52。

进一步，所述光纤在光纤光栅部分去除涂覆层，相邻的两段光纤光栅之间保留不少于30mm的涂覆层，所述光纤光栅及光纤光栅之间的光纤段均置于折射率低于光纤包层折射率的液体中。

进一步，所述光纤光栅外侧包裹的低折射率材料的折射率n₁与包层的折射率n_clad之差满足：0.05＞(n_dad-n₁)＞0.001。

进一步，所述少模光纤的涂覆层的折射率与所述少模光纤的包层折射率之差满足：n_jack-n_clad＞0.005

本发明的技术效果：采用相位匹配光纤光栅结构，在少模光纤纤芯写入长周期光纤光栅，使其光纤基模(LP₀₁)与包层模发生耦合，而其它高阶模不发生耦合，从而实现滤除基模的目的。采用切趾光栅结构，使高阶模能量耦合回纤芯，从而减小了光栅对传输模式的损耗。长周期光纤光栅的耦合效率与波长有关，因此其工作带宽较窄。基于此，本发明提出采用联级长周期光纤光栅结构，由周期不同的长周期光纤光栅级联而成，并采用少模光纤结构实现对包层模的滤除，从而增大了工作带宽。本发明可以运用于少模光纤通信的模式复用系统中，以提高模式的纯度，减小系统模式间的串扰。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的示意图；

图2为传输光波长为1.55μm时，非切趾光纤光栅中LP₀₁模和LP₁₁模的能量与传输距离的关系图；

图3为传输光波长为1.55μm时，切趾光纤光栅中LP₀₁模和LP₁₁模的能量与传输距离的关系图；

图4为中心波长为1.55μm的光栅分别在切趾和非切趾条件下，LP₀₁模的归一化输出能量与波长的关系图；

图5为中心波长为1.55μm的光栅分别在切趾和非切趾条件下，LP₁₁模的归一化输出能量与波长的关系图；

图6为LP₀₁模经单个光纤光栅(光栅中心波长分别为1.54，1.55和1.56μm)后的归一化输出能量随波长关系图；

图7为传输光波长为1.555μm时，级联光纤光栅(光栅中心波长分别为1.54，1.55和1.56μm)中LP₀₁模能量与传输距离的关系图；

图8为传输光波长为1.555μm时，级联光纤光栅(光栅中心波长分别为1.54，1.55和1.56μm)中LP₁₁模能量与传输距离的关系图；

图9为级联光纤光栅中(光栅中心波长分别为1.54，1.55和1.56μm)LP₀₁模和LP₁₁模能量随波长的关系图；

图10为三个周期相同的光栅组成的级联光纤光栅(光栅中心波长为1.55μm)中，LP₀₁模和LP₁₁模的归一化输出能量随波长的关系图。

图中，1为纤芯，2为包层，3为低折射率材料，4、5、6为周期不同的三段长周期光纤光栅，7为高折射率材料。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明实现的是对光纤中的基模进行滤模，而保留其高阶模，因此，所用的光纤是一种少模光纤，其在工作波长处的归一化频率V＞2.405。图1为本发明一种实施例的示意图。图1中，在光纤的纤芯1写入了三段长周期光纤光栅，光纤光栅被低折射率材料3所包围，低折射率材料3的折射率n₁低于包层2折射率n_clad，从而形成包层模。长周期光纤光栅使光纤的基模(LP₀₁模)与其中一个包层模发生耦合，根据模式耦合原理，包层模中一般LP_0n模(n为正整数)更容易与包层模发生耦合，为便于说明这里假设与光纤基模发生耦合的包层模为LP₀₃模。按长周期光纤光栅匹配条件，光栅的周期满足Λ_i＝λ_i/(n_o(λ_i)-n_c(λ_i))，(i＝1，2，3)，其中λ_i为第i个光栅的中心波长，n_o(λ_i)为光纤基模(LP₀₁模)在波长为λ_i时的有效折射率，n_c(λ_i)为包层LP₀₃模在波长为λ_i时时的有效折射率。由光栅理论，满足相位匹配条件的两个模式将发生能量耦合，即光栅可实现光纤的基模与包层LP₀₃模之间的转换。每段光栅之间至少有一段长度不短于10mm的少模光纤，其目的是将包层模衰减以达到去除的目的。为此要求：少模光纤的涂覆层的折射率n_jack高于所述少模光纤的包层2折射率n_clad，以形成有效的包层模滤模机制。在实际使用时，光纤可支持LP₀₁模和高阶模(如LP₁₁模)的传输，光从输入端进入该滤模器后，在光栅4中λ₁波长及其工作带宽区间的LP₀₁模将转换为包层的LP₀₃模，再传输到光栅4和光栅5之间的少模光纤中，由于少模光纤的涂覆层的折射率n_jack高于所述少模光纤的包层2折射率n_clad，因而包层模因无法在其中有效传输而被泄露。这样，光纤的LP₀₁模先经光栅转换为包层模，然后包层模被泄露，从而实现将LP₀₁模滤除的目的，从而避免包层模再次经光栅进入光纤纤芯1。然后传输光进入光栅5，再次有部分LP₀₁模被转换为包层的LP₀₃模，并经少模光纤被衰减，同理光栅6和随后的一段少模光纤同样起滤模作用，最终实现在输出端只剩下LP₁₁模，而LP₀₁模在较宽的波长范围被滤除。由于长周期光纤光栅的工作带宽一般较窄，为了增加滤模的带宽，这里采用了不同中心波长的光栅串联的方法，以增加滤模器的工作带宽。

由于光纤还传输高阶模，而包层模模式数量往往也很多，对于长周期光纤光栅，即使光纤中的高阶模与包层模不满足前面的光栅匹配公式，其仍可以发生一部分的能量耦合。而这就导致高阶模的能量损耗。为此，长周期光纤光栅均采用切趾型光栅结构，第i段光纤光栅沿光纤轴向的光栅幅值变化表达式为：v(Z)＝cos(πZ/L_i)，-L_i/2＜Z＜L_i/2，L_i为第i段光纤光栅的长度。图2给出光纤的LP₀₁模和LP₁₁模在单个非切趾光栅中的能量传输情况，由图可见，LP₀₁模由于满足光栅匹配可以发生完全的能量转换，而LP₁₁模也会发生部分的能量转换。图3给出光纤的LP₀₁模和LP₁₁模在单个切趾光栅中的能量传输情况，由图可见，LP₀₁模仍然可以发生完全的能量转换，而LP₁₁模也会发生部分的能量转换，但能量会转换回来，最终输出的模式能量仍然很高。其基本原理是利用切趾光栅的幅值在光栅两端较小的特点，使LP₁₁模的能量耦合逐渐减小，从而减小其能量损耗。图4和图5分别是光纤的LP₀₁模和LP₁₁模在切趾和非切趾情况下的输出光谱曲线。由图可见，切趾和非切趾光栅下LP₀₁模均能够实现高效转换，而非切趾情况下LP₁₁模的输出能量明显减小，相对比的，切趾情况下LP₁₁模的输出能量在99.5％以上。

图6为LP₀₁模经单个光纤光栅(中心波长分别为1.54，1.55和1.56μm)后的输出能量随波长关系曲线。这里定义LP₀₁模的输出能量小于10％(即LP₀₁模被衰减10dB以上)的波长范围为其工作带宽，则三种光栅情况下，其工作带宽均约为6nm。图7给出将这三种光栅级联起来以后，输入波长为1.555μm的LP₀₁模时，光纤中的总能量和LP₀₁模的传输能量与传输距离的关系曲线。由图可见，LP₀₁模在三段光栅中均会发生一定的能量转换，最终使得输出的能量达到输入能量的10％以下。同时，在光栅中总能量保持不变，即LP₀₁模只转换为包层模，而在光栅之间的少模光纤起到了泄露包层模能量的作用，从而使得到达下一段光栅时，光纤中的包层模均已经被泄露完毕。图8给出将这三种光栅级联起来以后，输入波长为1.555μm的LP₁₁模时，光纤中的总能量和LP₁₁模的传输能量与传输距离的关系曲线。由图可见，LP₁₁模在光栅中传输时仍会与包层模发生能量耦合，但其能量会耦合回来，从而使其输出能量值仍然很高。

图9为级联光栅中LP₀₁模和LP₁₁模的输出能量随波长的曲线图，由图可见，其工作波长范围为1537～1563nm，带宽达到26nm。与单个光栅滤模相比，其带宽明显增加。理论上，相同周期的光栅级联也可实现增加带宽的效果。图10给出了三个中心波长均为1.55μm的光栅组合后，其LP₀₁模和LP₁₁模的输出能量随波长的关系曲线。由图可见，其工作波长范围为1543～1558nm，带宽为15nm，明显小于本发明结构的带宽(如图9所示)。显然，光栅的中心波长均不相同的情况下，其带宽会更宽。

理论分析表明：用于滤模的长周期光纤光栅的工作带宽一般为10nm左右，为此，长周期光纤光栅的中心波长之差Δ一般应满足15≥Δ≥5nm，从而使级联后的工作带宽足够宽。

长周期光纤光栅刻制时其周期一般需要根据输出光谱进行调整。可以采用一种简单的方式确定级联光栅的周期。这里要求长周期光纤光栅的中心波长之间满足：λ_j+1＞λ_j，这里λ_j(j＝1，2...，N-1)。由光栅周期计算公式Λ_j＝λ_j/(n_o(λ_j)-n_c(λ_j))，同理Λ_j+1＝λ_j+1/(n_o(λ_j+1)-n_c(λ_j+1))，由于λ_j+1和λ_j相差很小，因此，其对应的纤芯1和包层2折射率基本相同，可以认为n_o(λ_j)＝n_o(λ_j+1)，n_c(λ_j)＝n_c(λ_j+1)。由此可推得：Λ_j+1＝Λ_j(1+(λ_j+1-λ_j)/λ_j)。而又由于两相邻光栅的中心波长之差Δ＝λ_j+1-λ_j要求满足：15≥λ_j+1-λ_j≥5nm。因此，Λ_j+1＝Λ_j(1+s/λ_j)，其中：15≥s≥5nm。因此，确定中心波长之差s后，即可根据第一段光栅的周期而得到其它光栅的周期值。

由于需要保证光纤模式间具有一定的折射率差，因此较理想的情况下，要求光纤的归一化频率5.52＞V＞2.405，符合这种条件的光纤至少可以支持LP₀₁和LP₁₁两个模式，至多支持LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁和LP₀₂四个模式。

包层模是在光纤包层2中传输的，即将整个光纤当作纤芯，外侧低折射率材料当作包层。光纤不能直接裸露在空气中，如果直接裸露在空气中，光纤包层2和外侧的折射率之差达到0.45，则光纤包层模数量将非常多，且其模式有效折射率范围很宽，使得纤芯1中的高阶模也容易与包层模发生耦合，从而引起高的损耗。在低折射率材料3其折射率n₁与包层2折射率n_clad之差0.05＞(n_clad-n₁)＞0.001时，其对高阶模的影响较小。

低折射率材料3可以采用盐水溶液，通过控制盐水的比例来调节盐水的折射率，考虑到盐水溶液的折射率会受到温度等条件的影响，可将盐水溶液的折射率调配至1.44左右，即与光纤包层2的折射率之差为0.01，这样可以大大减小包层模的数量以及其有效折射率的范围。

一般而言，两段光纤光栅之间保留10mm的少模光纤即可实现有效滤除包层模，为了更彻底地滤模包层模，增大对光纤基模的衰减，优选方案要求相邻的两段光纤光栅之间保留不少于30mm的少模光纤，并保留涂覆层，涂覆层的折射率n_jack比包层2折射率n_clad高，即形成“内低外高”的折射率分布。优选情况下，涂覆层的折射率n_jack比包层2折射率n_clad至少高0.005，这样，由于折射率差大，包层模将更容易形成泄露。

以上就是本发明的设计原理，在制作过程中，可以在一段少模光纤上写入符合上述要求的长周期光纤光栅，相邻光栅之间的光纤要留有足够的长度的少模光纤，光纤表面都有涂覆层且折射率比包层2略高，相邻光栅之间的光纤不要剥去涂覆层，这里的涂覆层就可以充当外包层高折射率材料7，最后将这段光纤浸在调配好的溶液中，以黑色密封小盒封装。

本发明以三段光栅级联为例子说明，实现可根据工作带宽的需求选择合适的级联数量。

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模与包层模LP₀₃模之间的转换，通过滤除包层模间接达到滤除基模的目的。

实施例：

如图1所示，少模光纤包层2材料为纯石英，纤芯1与包层2折射率差为0.01，涂覆层折射率比包层2折射率高0.005，纤芯1直径为10μm，包层2直径为125μm，在纤芯1写入三段切趾型结构长周期光纤光栅，光栅部分除掉涂覆层，第一段对应的是中心波长为1.54μm的光栅，Λ₁为198.7μm，L₁为17.49mm；第二段对应的是中心波长为1.55μm的光栅，Λ₂为200μm，L₂为18mm；第三段对应的是中心波长为1.56μm的光栅，Λ₃为201.7μm，L₃为18.15mm。光栅之间间隔长度为30mm的光纤并保留其涂覆层，将写入长周期光纤光栅的少模光纤浸在装有折射率为1.44左右的盐水溶液的黑色密封小盒中。光纤的LP₀₁模衰减10dB对应的波长范围为1537nm～1563nm，LP₁₁模在该波长范围内能量损耗小于2％，该滤模器的工作带宽为26nm。

综上，本发明的一种级联型长周期光纤光栅的滤模器，该滤模器为一段基于多个级联的长周期光纤光栅的少模光纤，在纤芯写入多段长周期光纤光栅，少模光纤由纤芯和包层组成，光纤外侧采用低折射率材料，少模光纤的涂覆层为高折射率材料。所述低折射率材料是比包层折射率低的材料，所述每段长周期光纤光栅在不同波长下满足光纤基模(LP₀₁)与包层模耦合的相位匹配条件。本发明采用长周期光纤光栅结构使其光纤基模与包层模发生耦合，而其它高阶模不发生耦合或耦合后能量仍转移回来，从而实现滤除基模和保留高阶模的目的。本发明采用级联长周期光纤光栅结构，该结构为由多段周期不同的长周期光纤光栅组成，可以有效增大工作带宽。本发明滤模器可以运用于少模光纤通信的模式复用系统中，以提高模式的纯度，减小模式间的串扰。

以上对本发明所提供的一种级联型长周期光纤光栅的滤模器并对此进行了详细介绍，本文应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种级联型长周期光纤光栅的滤模器，其特征在于：包括光纤，以及在所述光纤的纤芯写入N段长周期光纤光栅，N≥2，所述光纤光栅被低折射率材料所包围；

所述光纤为少模光纤，包括纤芯和包层，光纤的归一化频率V>2.405，所述归一化频率其中a为纤芯半径，λ为工作波长，n_core(λ)为波长为λ时的纤芯折射率，n_clad(λ)为波长为λ时的包层折射率；

所述长周期光纤光栅使所述光纤的基模与包层模发生耦合，其中基模为LP₀₁模，包层模为LP_0n模，n>2，对于第i段长周期光纤光栅，i＝1,2,…N，其周期Λ_i满足Λ_i＝λ_i/(n_o(λ_i)-n_c(λ_i))，其中λ_i为光栅的中心波长，n_o(λ_i)为光纤基模LP₀₁模的有效折射率，n_c(λ_i)为包层模LP_0n模的有效折射率，其中n>2；至少有两段长周期光纤光栅其中心波长之差Δ满足15nm≥Δ≥5nm；

所述低折射率材料其折射率n_l低于包层折射率n_clad，以形成包层模；每段所述光纤光栅之间至少有一段长度不短于10mm的所述少模光纤；所述少模光纤的涂覆层的折射率n_jack高于所述少模光纤的包层折射率n_clad，以形成有效的包层模滤模机制。

2.根据权利要求1所述的一种级联型长周期光纤光栅的滤模器，其特征在于：所述长周期光纤光栅均采用切趾型光栅结构，第i段光纤光栅沿光纤轴向的光栅幅值变化表达式为：ν(Z)＝cos(πZ/L_i)，-L_i/2<Z<L_i/2，L_i为第i段光纤光栅的长度，i＝1,2,…N。

3.根据权利要求1所述的一种级联型长周期光纤光栅的滤模器，其特征在于：所述长周期光纤光栅的中心波长之间满足：λ_j+1＞λ_j，这里j＝1,2…,N-1，且任意两段相邻的长周期光纤光栅的中心波长之差Δ均满足15nm≥Δ≥5nm。

4.根据权利要求1所述的一种级联型长周期光纤光栅的滤模器，其特征在于：所述长周期光纤光栅的周期满足：Λ_j+1＝Λ_j(1+s/λ_j)，其中：15nm≥s≥5nm，λ_j为长周期光纤光栅的中心波长。

5.根据权利要求1所述的一种级联型长周期光纤光栅的滤模器，其特征在于：所述少模光纤的归一化频率V<5.52。

6.根据权利要求1所述的一种级联型长周期光纤光栅的滤模器，其特征在于：所述光纤在光纤光栅部分去除涂覆层，相邻的两段光纤光栅之间保留不少于30mm的涂覆层，所述光纤光栅及光纤光栅之间的光纤段均置于折射率低于光纤包层折射率的液体中。

7.根据权利要求1所述的一种级联型长周期光纤光栅的滤模器，其特征在于：所述光纤光栅外侧包裹的低折射率材料的折射率n_l与包层的折射率n_clad之差满足：0.05>(n_clad-n_l)>0.001。

8.根据权利要求1所述的一种级联型长周期光纤光栅的滤模器，其特征在于：所述少模光纤的涂覆层的折射率与所述少模光纤的包层折射率之差满足：n_jack-n_clad>0.005。