CN106019475A - 一种少模光纤器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种少模光纤器件，所述光纤器件的纤芯由主纤芯和辅助纤芯组成。其中，主纤芯只有一个，且其归一化频率V_m满足V_m>2.405，即支持高阶模传输。辅助纤芯的数量为M，这里M≥1。辅助纤芯的一端与主纤芯的侧面相交，且主纤芯的中心轴线与辅助纤芯的中心轴线处于同一平面内。辅助纤芯的另一端位于光纤端面，在此端面，任意两个纤芯的中心距离均大于两者的纤芯半径之和。任一辅助纤芯与主纤芯之间的参数满足：主纤芯至少有一个传输模其有效折射率低于辅助纤芯基模的有效折射率。本发明提出一种新型少模光纤器件，能够实现对少模光纤中的模式进行转换、合并、分离或滤除。

Description

一种少模光纤器件

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，具体为一种能够实现对少模光纤中的模式进行转换、合并、分离或滤除等功能的光纤器件。

背景技术

近年来，由于单模光纤传输容量的限制，使得基于少模光纤的通信技术引起了人们广泛的兴趣。采用少模光纤，以不同的模式传输不同的信息的方法，即所谓的模分复用技术，可以成倍地提高光纤的传输容量，同时，少模光纤还可以具有更大的纤芯面积，以减少各种复用技术导致的光纤非线性效应。除了在模分复用技术方面的应用以外，少模光纤还可以通过选择性激发高阶模的方法，实现大模场单模传输、色散补偿、超短脉冲传输以及非线性应用等。

在模分复用系统中，能够实现模式间转换、将不同的模式复用到少模光纤以及实现少模光纤中模式的解复用等功能的少模光纤器件是决定系统性能的关键因素之一。采用空间光学元件的方法虽然能量实现对模式的复用和解复用，但存在附加损耗大、稳定性差、以及器件尺寸大等缺点，而全光纤器件可以很好地克服这些缺点。采用长周期光纤光栅可以实现少模光纤的基模与高阶模之间的高效转换，带宽达到34nm[IEEE Photon.Technol.Lett.,2015,27(9):1006-1009]。采用长周期光纤光栅级联的方法，理论上可以实现高阶模之间转换，但其3dB带宽也仅为约10nm[Opt.Express,2014,22(10):11488-11497]。基于单模光纤与少模光纤耦合的双芯光纤可以实现模式的分离，但难以避免不同模式之间的耦合[Opt.Fiber Technol.,2011,17(5):490-494]。采用多芯光纤可以实现多种模式的复用与分离，其缺点其模场变形比较严重[Opt.Express,010,18(5):4709-4716]。采用波导结构，也可实现模式分离，但结构相对复杂[Opt.Express,2013,21(15):17904-17911，Opt.Express,2013,21(17):20220-20229]。采用锥形的光子晶体光纤结构也可以实现宽带的模式转换[Opt.Lett.,2007,32(4):328-330]，但也只能实现光纤基模与高阶模之间的转换。

通常，基于模式耦合原理的模式转换器的转换特性存在很强的波长依赖性，工作带宽较窄，输出频谱均匀性差。由于光纤中的四重简并模的模式有效折射率相等，因此对这种模式的复用和分解也存在很大的困难。对于少模光纤系统的应用，目前仍然缺乏有效手段以实现选择性的滤除某个或某些特定模式。综上所述，可以灵活地实现少模光纤中各种不同模式间的转换以及实现将不同模式复用、合并、分离以及滤除的光纤器件仍然尚待开发。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种能够实现对少模光纤中的模式进行转换、合并、分离或滤除等多种功能的少模光纤器件。

本发明的技术方案为：

一种少模光纤器件，由纤芯和包层组成，其特征在于：所述纤芯包括一个主纤芯和M个辅助纤芯，M≥1；主纤芯的归一化频率V_m满足V_m>2.405，即支持高阶模传输；辅助纤芯的一端与主纤芯的侧面相交，且主纤芯的中心轴线与辅助纤芯的中心轴线处于同一平面内；辅助纤芯的另一端延伸至光纤的多芯端面，光纤的单芯端面只有主纤芯；多芯端面的一端，任意两个纤芯的中心距离均大于两者的纤芯半径之和；任一辅助纤芯与主纤芯之间的参数满足：主纤芯至少有一个模式的有效折射率低于辅助纤芯基模的有效折射率。

优选地，主纤芯和辅助纤芯的截面均为圆形。

优选地，所述辅助纤芯的基模有效折射率与主纤芯的任一模式的有效折射率之差的绝对值均大于0.0001。

优选地，辅助纤芯仅支持单模传输，即要求其归一化频率V_f满足V_f<2.405。

优选地，所述辅助纤芯满足：n_i-1>n_f>n_i(I≥i>1)或n_f>n_i(i＝1)；其中，n_i为主纤芯的第i个模式的有效折射率，I为主纤芯的模式总数，且有n_i-1>n_i(I≥i>1)，n_f为辅助纤芯的基模有效折射率。则此辅助纤芯为主纤芯的第i个模式配套的辅助纤芯，可用于输入\输出主纤芯的第i个模式。

优选地，主纤芯的一个四重简并模有两个配套的辅助纤芯，这两个辅助纤芯的中心轴线和主纤芯的中心轴线所确定的平面之间的夹角满足90°/m；m为大于等于1的整数，指主纤芯的四重简并模的横向电场沿圆周的最大值的对数。

优选地，辅助纤芯的数量M与主纤芯模式数量I和主纤芯四重简并模数量N的关系为：M＝I+N；其中I个辅助纤芯的中心轴线与主纤芯的中心轴线均处于同一平面内，定义辅助纤芯为第一类辅助纤芯，分别用于输入\输出主纤芯的I个模式；另外N个辅助纤芯的中心轴线不在此平面内，定义为第二类辅助纤芯，分别用于输入\输出主纤芯的N个四重简并模式中的另一个模式。

优选地，辅助纤芯的中心轴线在主纤芯中心轴线上的投影长度满足：任一第一类辅助纤芯的中心轴线在主纤芯中心轴线上的投影长度大于任一第二类辅助纤芯的中心轴线在主纤芯中心轴线上的投影长度。

优选地，第一类辅助纤芯有且仅有一个配套的主纤芯模式；第二类辅助纤芯有且仅有一个配套的主纤芯的四重简并模。

优选地，第一类辅助纤芯的基模有效折射率均大于主纤芯的基模有效折射率n¹。

优选地，所述辅助纤芯的数量为6，第一类辅助纤芯为4个，在多芯端面上的四个第一类辅助纤芯按照中心轴线与主纤芯中心轴线的距离依次减小排列；第二类辅助纤芯为2个，两个第二类辅助纤芯的中心轴线和第一类辅助线芯的中心轴线与主纤芯中心轴线构成的平面的夹角分别为45°和90°。

本发明的技术效果为：本发明提出的新型少模光纤器件，可以实现少模光纤中不同模式之间的模场转换、可以通过丛纤芯将不同的光信号转换为少模光纤中的不同模式，从而实现模分复用；也可以将少模光纤中的模式分别耦合到不同的丛纤芯并输出，从而实现少模光纤中不同模式信号的分离，即解复用；还可以实现选择性的下载和上传不同的模式信号，并可选择性地滤除少模光纤中的高阶模以及在少模光纤中实现单模传输，实现对简并的高阶模进行分离等功能。所述结构还具有对光纤的参数不敏感、允许具有较大的制作容差、工作波长范围宽以及输出能量均匀性好和偏振无关等优点。本发明可以广泛应用于少模光纤通信、传感等系统中。

附图说明

图1为本发明所述光纤的实施例1的结构示意图。

图2为光从本发明所述光纤的实施例1的辅助纤芯输入时，从主纤芯输出的模式能量曲线，其中横坐标为辅助纤芯与包层折射率差。图中a、b、c、d分别表示辅助纤芯基模有效折射率等于主纤芯的LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂模的有效折射率时的值。

图3为光从光从本发明所述光纤的实施例1的辅助纤芯输入时，从主纤芯输出的模式能量曲线与波长的关系曲线，其中辅助纤芯的基模有效折射率大于主纤芯的LP₂₁模而小于主纤芯的LP₁₁模的有效折射率。

图4为光从光从本发明所述光纤的实施例1的多芯端面主纤芯输入，从单芯端面主纤芯输出的模式能量曲线与波长的关系曲线，其中辅助纤芯的基模有效折射率大于主纤芯的LP₂₁模而小于主纤芯的LP₁₁模的有效折射率。其中，(a)输入LP₀₁模，(b)输入LP₁₁模，(c)输入LP₂₁模，(d)输入LP₀₂模。

图5为光从光从本发明所述光纤的实施例1的单芯端面主纤芯输入时，从多芯端面输出的模式能量曲线与波长的关系曲线，其中辅助纤芯的基模有效折射率大于主纤芯的LP₁₁模而小于主纤芯的LP₀₁模的有效折射率。其中，(a)输入LP₀₁模，(b)输入LP₁₁模，(c)输入LP₂₁模，(d)输入LP₀₂模。

图6给出了本发明所述光纤的实施例2的结构示意图。

图7为光从本发明所述光纤的实施例2单芯端面主纤芯输入时，从辅助纤芯输出的模式能量曲线与波长的关系曲线。其中，(a)输入LP₁₁偶模，(b)输入LP₂₁奇模。

图8为光从本发明所述光纤的实施例2多芯端面辅助纤芯输入时，从主纤芯输出的模式能量曲线与波长的关系曲线。其中，(a)光从辅助纤芯6输入，(b)光从辅助纤芯9输入。

图中，

1为主纤芯，2为辅助纤芯，3为包层，21、22、23、24、25为第一类辅助纤芯，26为第二类辅助纤芯。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所提供的少模光纤器件，由纤芯和包层组成，所述纤芯包括一个主纤芯和M个辅助纤芯，M≥1；主纤芯和辅助纤芯的截面均为圆形、且中心轴线均为直线。主纤芯的归一化频率V_m满足V_m>2.405，即支持高阶模传输；所述辅助纤芯的基模有效折射率与主纤芯的任一模式的有效折射率之差的绝对值均大于0.0001。辅助纤芯的一端与主纤芯的侧面相交，且主纤芯的中心轴线与辅助纤芯的中心轴线处于同一平面内；辅助纤芯的另一端延伸至光纤的多芯端面，光纤的单芯端面只有主纤芯，多芯端面的一端，任意两个纤芯的中心距离均大于两者的纤芯半径之和；任一辅助纤芯与主纤芯之间的参数满足：主纤芯至少有一个模式的有效折射率低于辅助纤芯基模的有效折射率。

实施例1

图1为本发明所述光纤实施例1的结构示意图。所述辅助纤芯的数量M＝1，且满足：n_i-1>n_f>n_i(I≥i>1)或n_f>n_i(i＝1)；其中，n_i为主纤芯的第i个模式的有效折射率，I为主纤芯的模式总数，且有n_i-1>n_i(I≥i>1)，n_f为辅助纤芯的基模有效折射率。主纤芯和辅助纤芯数量均为一。多芯端面存在主纤芯和辅助纤芯，而单芯端面处只存在主纤芯。

在工作波长处，主纤芯1为一种少模纤芯，即其可以传输高阶模，本发明通过引入辅助纤芯2实现对主纤芯1中模式的导入、提取、转换等操作。

一.光从多芯端面的辅助纤芯输入

假设主纤芯能够支持LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂四个模式的传输。若辅助纤芯的基模(LP₀₁模)的有效折射率大于主纤芯LP₂₁模的有效折射率且小于主纤芯LP₁₁模的有效折射率，则当从辅助纤芯输入基模时，将在主纤芯激发出LP₂₁模，并从单芯端面输出。若辅助纤芯的基模(LP₀₁)的有效折射率大于主纤芯LP₀₂模的有效折射率且小于主纤芯LP₂₁模的有效折射率，则当从辅助纤芯输入基模时，其将在主纤芯激发出LP₀₂模，并从单芯端面输出。

光从多芯端面的辅助纤芯输入，从单芯端面的主纤芯输出，且满足：n_i-₁>n_f>n_i(I≥i>1)或n_f>n_i(i＝1)；则辅助纤芯的基模将转换为主纤芯的第i个模式。这里定义主纤芯的第i个模式的有效折射率为n_i，I为主纤芯的模式总数，且有n_i-1>n_i(I≥i>1)，n_f为辅助纤芯的基模有效折射率。

图2为光从实施例1所述结构的辅助纤芯输入时，从主纤芯输出的模式能量曲线，其中横坐标为辅助纤芯与包层折射率之差。随着辅助纤芯与包层折射率之差的增大(这里假设包层折射率不变，也即实际上是辅助纤芯的折射率在增大)，其辅助纤芯的基模有效折射率也随之增大，因而其与主纤芯中模式的有效折射率关系也发生变化。图中a、b、c、d分别表示辅助纤芯基模有效折射率分别与主纤芯的LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂模的有效折射率相等时对应的辅助纤芯与包层折射率之差的位置。即当辅助纤芯的基模有效折射率依次超过主纤芯的LP₀₂、LP₂₁、LP₁₁和LP₀₁模时，由辅助纤芯输入的光也将依次转化为主纤芯的LP₀₂、LP₂₁、LP₁₁和LP₀₁模。同时，除在a-d位置及附近的小范围内，主纤芯会激发出两种模式外，在其它位置，其均能实现高效转换，转换损耗不超过-0.03dB。转换特性具有对辅助纤芯的折射率不敏感的特点，即辅助纤芯的折射率在一定的区间变化对输出能量影响很小。由图可见，当辅助纤芯基模有效折射率小于主纤芯的LP₀₂模，即主纤芯模式的有效折射率均大于辅助纤芯基模有效折射率时，其无法形成有效的模式转换。

图3为光从实施例1的辅助纤芯输入时，从主纤芯输出的模式能量曲线与波长的关系曲线，其中辅助纤芯的基模有效折射率大于主纤芯的LP₂₁模而小于主纤芯的LP₁₁模的有效折射率。可见在超宽波长范围内主纤芯LP₂₁模被激发，且主纤芯中其它模式能量均小于-20dB，即仅有LP₂₁模被有效激发。

二.光从多芯端面主纤芯输入

若光从多芯端面主纤芯输入，则根据辅助纤芯参数的不同，其从单芯端面输出的结果也不同。假设主纤芯能够支持LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂四个模式的传输，而辅助纤芯的基模(LP₀₁)的有效折射率大于主纤芯LP₂₁模的有效折射率且小于主纤芯LP₁₁模的有效折射率。则有，从多芯端面主纤芯分别输入LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁模时，从端口B输出的模式分别为：LP₀₁、LP₁₁、LP₀₂模，即前两者模式不变，而LP₂₁模将转换为LP₀₂模；若输入为LP₀₂模，则其将发生泄露而不再从端口B输出。同理，若辅助纤芯的基模(LP₀₁)模的有效折射率大于主纤芯LP₁₁模的有效折射率且小于主纤芯LP₀₁模的有效折射率。则有，从多芯端面主纤芯分别输入LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁模时，从单芯端面输出的模式分别为：LP₀₁、LP₂₁、LP₀₂模，即后两者模式发生转变；若输入为LP₀₂模，则其将发生泄露而不再从端口B输出。

光从多芯端面的主纤芯输入，从单芯端面的主纤芯输出；主纤芯与辅助纤芯的参数满足：n_i-1>n_f>n_i(I≥i>1)或n_f>n_i(i＝1)；若存在正整数j，满足I>j≥i，则从多芯端面输入的主纤芯的第j个模式将转换为主纤芯的第j+1个模式输出，而从多芯端面输入的主纤芯的第I个模式将被滤除。

图4为光从实施例1的多芯端面主纤芯输入，从单芯端面主纤芯输出的模式能量曲线与波长的关系曲线，其中辅助纤芯的基模有效折射率大于主纤芯的LP₂₁模而小于主纤芯的LP₁₁模的有效折射率。其中，(a)输入LP₀₁模，(b)输入LP₁₁模，(c)输入LP₂₁模，(d)输入LP₀₂模。由图可见，输入的LP₀₁模和LP₁₁模仍保持低损耗传输；而其它模式的输出能量均小于-20dB，即不能被有效激发。输入的LP₂₁模转换为LP₀₂模，且其它模式能量均很低。输入的LP₀₂模则产生泄露，即被衰减掉且不会激发出其它模式。

三.光从单芯端面主纤芯输入

图5为光从实施例1的从单芯端面主纤芯输入时，从多芯端面输出的模式能量曲线与波长的关系曲线，同样假设主纤芯能够支持LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂四个模式的传输而且辅助纤芯的基模有效折射率大于主纤芯的LP₁₁模而小于主纤芯的LP₀₁模的有效折射率。其中，(a)输入LP₀₁模，(b)输入LP₁₁模，(c)输入LP₂₁模，(d)输入LP₀₂模。即当从单芯端面主纤芯分别输入LP₀₁、LP₂₁、LP₀₂模时，从多芯端面主纤芯输出的模式分别为：LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁模，即LP₀₁模不变，而LP₂₁、LP₀₂模分别转换为LP₁₁和LP₂₁模。而若从单芯端面主纤芯输入LP₁₁模时，则其将耦合到辅助纤芯，从而转换为辅助纤芯的基模输出。

即光从单芯端面的主纤芯输入，主纤芯与辅助纤芯的参数满足：n_i-1>n_f>n_i(I≥i>1)或n_f>n_i(i＝1)；则输入的主纤芯的第i个模式将转换为辅助纤芯基模，若存在正整数j，满足I≥j>i，则从单芯端面输入的主纤芯的第j个模式将转换为主纤芯的第j-1个模式输出。

本发明结构中辅助纤芯与主纤芯的直径均不随传输距离发生变化，即其并非通过拉锥等方式实现不同纤芯之间的模式耦合。

基于以上结构和功能，通过增加辅助纤芯数量，组合出各种复杂功能器件。

在纤芯与包层的折射率差较小的情况下，本发明光纤器件具有偏振无关性，即其同一模式的两个偏振态具有相同的传输特性。

由于辅助纤芯与主纤芯距离较近，如果辅助纤芯基模与主纤芯的某个模式有效折射率相等，则这两个模式就可以发生强的耦合，为避免模式间这种耦合，要求在工作波长处，辅助纤芯基模与主纤芯中模式的有效折射率不相等，由图2见，辅助纤芯的基模有效折射率与主纤芯的任一模式的有效折射率之差的绝对值应大于0.0001，以避免同时与两个主纤芯模式发生转换等效应。

主纤芯和辅助纤芯均为圆形纤芯，即其横截面为圆形，在其它情形下，通常难以实现低串扰的模式转换和操作。

由前述分析可知，主纤芯至少有一个模式其有效折射率低于辅助纤芯基模的有效折射率，否则无法实现模式转换等功能。

本发明结构的性能与主纤芯模式特性相关，若主纤芯某一模式为四重简并模，则一个辅助纤芯与主纤芯的交点区域，对于主纤芯模式场的幅值在交点处存在极大值的情况下，其可发生模式转换等过程，而根据正交性，此模式的另一简并模在交点位置处于极小值位置，从而不发生变化；为此可设置另一辅助纤芯，其与主纤芯交点处于此简并模的极值位置，从而同样实现模式转换等效果。同时，辅助纤芯与主纤芯的交点应与其横向电场在圆周方向的最大值重叠，以形成最强的模场转换。因此，对应的两个辅助纤芯，其中心轴线与主纤芯中心轴线所确定的两个平面之间的夹角需满足：90°/m；这里m为大于等于1的整数，指主纤芯的这个四重简并模的横向电场沿圆周的最大值的对数。

由于LP₁₁模为四重简并模，因此，其两个简并模应分别从不同的辅助纤芯输入或输出。由于其两个简并模存在180度旋转对称关系，因此，其对应的两个辅助纤芯的中心轴线与主纤芯中心轴线组成的平面之间的夹角应为90度角。而LP₂₁模的两个简并模存在45度旋转对称关系，因此，其对应的辅助纤芯的中心轴线与主纤芯中心轴线组成的平面之间的夹角应为45度角。

本发明是实现少模光纤中的模式处理，因而，主纤芯须为非单模光纤，由光纤理论，对于阶跃结构光纤，其归一化频率大于2.405时，其可以支持高阶模传输，因此要求主纤芯的归一化频率至少大于2.405。主纤芯至少有一个传输模其有效折射率低于辅助纤芯基模的有效折射率，否则无法实现本发明效果。本发明使主纤芯与辅助纤芯组成一个复合结构，在两个纤芯交点及附近，形成横截面尺寸增大的纤芯区域，从主纤芯或辅助纤芯输入的模式，在此纤芯区域形成模式的转换和变化，最终形成本发明的效果。

对于从主纤芯输入光以实现模式转换、滤模的情形，其模式转换和滤模均与辅助纤芯中模式的有效折射率有关，为有效控制模式的转换，辅助纤芯采用单模纤芯能更有效地控制转换模式和带宽，即要求有其归一化频率V_f满足V_f<2.405。对于从辅助纤芯输入模式，以激发出主纤芯基模或高阶模的情形，不论辅助纤芯是否是单模纤芯，只要辅助纤芯中实际仅传输基模即可达到同样效果，因此，这种情况下辅助纤芯可以为非单模纤芯。

增加辅助纤芯的数量，可以实现更多复杂的功能。在这种情况下，每个辅助纤芯与主纤芯的作用是独立的，即辅助纤芯与主纤芯仅在两者的交点及附近区域发生模式转换等作用，而辅助纤芯之间保持相对独立的光传输。因此，虽然所有辅助纤芯的一端均在光纤的同一端面，但其传输是相对独立的，因而，多个辅助纤芯的结构相当于单个辅助纤芯结构的级联结构。

实施例2

本发明可以实现对光纤模式的复用和解复用。辅助纤芯的数量M与主纤芯模式数量I和主纤芯简并模数量N的关系为：M＝I+N；I个辅助纤芯的中心轴线处于同一平面内，定义辅助纤芯为第一类辅助纤芯，分别用于输入主纤芯的I个模式；另外N个辅助纤芯的中心轴线不在此平面内，定义为第二类辅助纤芯，分别用于输入主纤芯的N个四重简并模式中的另一个模式。

图6给出其中一种方案，辅助纤芯为6个，其中，4个为第一类辅助纤芯，4个第一类辅助纤芯21、22、23、24的中心轴线与主纤芯的中心轴线均处于同一平面内，在多芯端面上的四个第一类辅助纤芯21、22、23、24按照中心轴线与主纤芯中心轴线的距离依次减小排列。2个辅助纤芯25、26为第二类辅助纤芯，两个第二类辅助纤芯25、26的中心轴线和第一类辅助线芯的中心轴线与主纤芯中心轴线构成的平面的夹角分别为45°和90°。

仍假定主纤芯能够支持LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂四个模式的传输，由光纤模式理论，LP₁₁和LP₂₁模为四重简并模，而其它为二重简并模。第一类辅助纤芯对于任一主纤芯模式的有效折射率区间(n_i-1,n_i)，有且仅有一个第一类辅助纤芯的基模有效折射率处于此区间，I≥i>1。即第一类辅助纤芯21、22、23、24和第二类辅助纤芯25、26的基模有效折射率分别大于主纤芯的LP₀₂、LP₂₁、LP₁₁和LP₀₁、LP₁₁和LP₂₁模的有效折射率，且第一类辅助纤芯21、22、23与第二类辅助纤芯的25、26的基模有效折射率小于主纤芯的LP₂₁、LP₁₁、LP₀₁、LP₀₁、LP₁₁模的有效折射率。从辅助纤芯21、22、23、24、25、26输入基模时，其分别将激发出主纤芯的LP₀₂模、LP₂₁奇模、LP₁₁奇模、LP₀₁模、LP₁₁偶模、LP₂₁偶模。这里，主纤芯模式的激发须满足一定的顺序，即由于辅助纤芯激发出主纤芯模式后，主纤芯模式仍可能经过其它辅助纤芯与主纤芯的交点区域，从而使此种情况相当于前述单个辅助纤芯结构，而光从多芯端面主纤芯输入的情况。即激发出的模式可能会在经过其它辅助纤芯与主纤芯交点区域时发生变化。为此，我们先激发出低阶(即模式有效折射率较高的)的主纤芯模式，从而当此模式经过基模有效折射率更高的辅助纤芯时，其不会发生模式转换。对于四重简并模，同样需要避免辅助纤芯对主纤芯其它模式的干扰，为此要求先激发出较低阶模的四重简并模，再激发较高阶的四重简并模，最后再激发出四重简并模的另一个模式及其它二重简并模。辅助纤芯22和26分别用于激发LP₂₁奇模、LP₂₁偶模，因此要求两者的中心轴线分别与主纤芯中心轴线的所确定的两个平面之间的夹角为45度。而辅助纤芯23和29分别用于激发LP₁₁奇模、LP₁₁偶模，因此要求两者的中心轴线分别与主纤芯中心轴线的所确定的两个平面之间的夹角为90度。

对于以上光纤结构，若光从单芯端面的主纤芯输入，则输入的LP₀₂模、LP₂₁奇模、LP₁₁奇模、LP₀₁模、LP₁₁偶模、LP₂₁偶模将分别从辅助纤芯21、22、23、24、25、26输出。即此结构可实现模式的解复用功能。

图7为光从图6所示结构的单芯端面主纤芯输入时，从辅助纤芯输出的模式能量曲线与波长的关系曲线。其中，(a)输入LP₁₁偶模，(b)输入LP₂₁奇模。由图可见，当从主纤芯输入LP₁₁偶模时，其将从辅助纤芯25输出，且在光波长大于1.36μm的宽波长范围内，其输出能量大于-0.1dB，而其它辅助纤芯输出能量都在-35dB以下，即其串扰很低。主纤芯模式转换到辅助纤芯输出时，其输出模式的能量随波长变化很小，反映出这种结构具有超宽的工作带宽。相似的，当从主纤芯输入LP₂₁奇模时，其将从辅助纤芯22输出，且在光波长小于1.66μm的宽波长范围内，其输出能量大于-0.05dB，而其它辅助纤芯输出能量都在-25dB以下，即其串扰很低。即在300nm的超宽波长范围内，两个模式均可实现低损耗、低串扰的模式转换和解复用。

作为另一种解决方案，仍采用图6光纤结构，仍假定主纤芯能够支持LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂四个模式的传输。这里，第二类辅助纤芯的25、26的基模有效折射率分别大于主纤芯的LP₁₁、LP₂₁模而小于主纤芯的LP₀₁、LP₁₁模的有效折射率。而第一类辅助纤芯的21、22、23、24的基模有效折射率均大于主纤芯的LP₀₁模的有效折射率。即第二类辅助纤芯的25和26的基模进入主纤芯，分别激发出主纤芯的LP₁₁偶模、LP₂₁偶模，且这两个模式再经过其它辅助纤芯与主纤芯交点区域时，均不会发生模式转换。而辅助纤芯24的基模进入主纤芯，激发出主纤芯的LP₀₁模，当其经过辅助纤芯23与主纤芯交点区域时，其被转换为LP₁₁奇模，再经过辅助纤芯22与主纤芯交点区域时，又被转换为LP₂₁奇模，最后，经再经过辅助纤芯21与主纤芯交点区域时，被转换为LP₀₂模，即辅助纤芯21的基模最终转换为主纤芯的LP₀₂模输出。相似的，从辅助纤芯的21、22、23输入的基模，最后分别转换为主纤芯的LP₀₁模、LP₁₁奇模、LP₂₁奇模输出。因此，从辅助纤芯的21、22、23、24、25、26输入基模时，其分别将激发出主纤芯的LP₀₁模、LP₁₁奇模、LP₂₁奇模、LP₀₂模、LP₁₁偶模、LP₂₁偶模。

对于以上方案，若光从单芯端面的主纤芯输入，则输入的LP₀₁模、LP₁₁奇模、LP₂₁奇模、LP₀₂模、LP₁₁偶模、LP₂₁偶模将分别从辅助纤芯的21、22、23、24、25、26输出。即此结构可实现模式的解复用功能。

图8为图6所示结构，光从多芯端面辅助纤芯输入时，从主纤芯输出的模式能量曲线与波长的关系曲线。其中，(a)光从辅助纤芯22输入，(b)光从辅助纤芯25输入。由图可见，当光从辅助纤芯22输入时，其激发出LP₁₁奇模，且在光波长小于1.635μm的宽波长范围内，LP₁₁奇模输出能量大于-0.05dB，而其它模式输出能量都在-20dB以下。当光从辅助纤芯25输入时，其激发出LP₁₁偶模，且在光波长大于1.36μm的宽波长范围内，LP₁₁偶模输出能量大于-0.05dB的宽波长范围内，其它模式输出能量都在-20dB以下。即在275nm的超宽波长范围内，两个模式均可实现低损耗、低串扰的模式转换和复用。

通过组合不同参数的辅助纤芯及其与主纤芯交点位置，还可以实现模式的插分复用、模式的选择性滤除等功能。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种少模光纤器件，由纤芯和包层组成，其特征在于：所述纤芯包括一个主纤芯和M个辅助纤芯，M≥1；主纤芯的归一化频率V_m满足V_m>2.405，即支持高阶模传输；辅助纤芯的一端与主纤芯的侧面相交，且主纤芯的中心轴线与辅助纤芯的中心轴线处于同一平面内；辅助纤芯的另一端延伸至光纤的多芯端面，光纤的单芯端面只有主纤芯；多芯端面的一端，任意两个纤芯的中心距离均大于两者的纤芯半径之和；任一辅助纤芯与主纤芯之间的参数满足：主纤芯至少有一个模式的有效折射率低于辅助纤芯基模的有效折射率。

2.根据权利要求书1所述的少模光纤器件，其特征在于：主纤芯和辅助纤芯的截面均为圆形。

3.根据权利要求书1所述的少模光纤器件，其特征在于：所述辅助纤芯的基模有效折射率与主纤芯的任一模式的有效折射率之差的绝对值均大于0.0001。

4.根据权利要求书1所述的少模光纤器件，其特征在于：辅助纤芯仅支持单模传输，即要求其归一化频率V_f满足V_f<2.405。

5.根据权利要求书1所述的少模光纤器件，其特征在于：所述辅助纤芯满足：n_i-1>n_f>n_i(I≥i>1)或n_f>n_i(i＝1)；其中，n_i为主纤芯的第i个模式的有效折射率，I为主纤芯的模式总数，且有n_i-1>n_i(I≥i>1)，n_f为辅助纤芯的基模有效折射率。则此辅助纤芯为主纤芯的第i个模式配套的辅助纤芯，可用于输入\输出主纤芯的第i个模式。

6.根据权利要求书1所述的少模光纤器件，其特征在于：主纤芯的一个四重简并模有两个配套的辅助纤芯，这两个辅助纤芯的中心轴线和主纤芯的中心轴线所确定的平面之间的夹角满足90°/m；m为大于等于1的整数，指主纤芯的四重简并模的横向电场沿圆周的最大值的对数。

7.根据权利要求书1所述的少模光纤器件，其特征在于：辅助纤芯的数量M与主纤芯模式数量I和主纤芯四重简并模数量N的关系为：M＝I+N；其中I个辅助纤芯的中心轴线与主纤芯的中心轴线均处于同一平面内，定义辅助纤芯为第一类辅助纤芯，分别用于输入\输出主纤芯的I个模式；另外N个辅助纤芯的中心轴线不在此平面内，定义为第二类辅助纤芯，分别用于输入\输出主纤芯的N个四重简并模式中的另一个模式。

8.根据权利要求书7所述的少模光纤器件，其特征在于：辅助纤芯的中心轴线在主纤芯中心轴线上的投影长度满足：任一第一类辅助纤芯的中心轴线在主纤芯中心轴线上的投影长度大于任一第二类辅助纤芯的中心轴线在主纤芯中心轴线上的投影长度。

9.根据权利要求书7所述的少模光纤器件，其特征在于：第一类辅助纤芯有且仅有一个配套的主纤芯模式；第二类辅助纤芯有且仅有一个配套的主纤芯的四重简并模。

10.根据权利要求书7所述的少模光纤器件，其特征在于：第一类辅助纤芯的基模有效折射率均大于主纤芯的基模有效折射率n₁。