CN106895959B

CN106895959B - 一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置

Info

Publication number: CN106895959B
Application number: CN201710247696.1A
Authority: CN
Inventors: 胡贵军; 刘峰; 陈翠光; 陈威成; 王勃然
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2017-04-17
Filing date: 2017-04-17
Publication date: 2019-01-25
Anticipated expiration: 2037-04-17
Also published as: CN106895959A

Abstract

一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置，属于光纤特性测量技术领域。由光源、光子灯笼A、少模光纤环形器、被测光纤、光子灯笼B、光电探测模块和信号处理模块组成；由光源产生的光脉冲信号通过光子灯笼A进行空间模式转换并输出指定的单一受激模式，结合少模光纤环形器的单向传输特性，受激模式通过少模光纤环形器进入被测试光纤，随后被测光纤中受激模式和受激模式耦合到非受激模式所产生的背向瑞利散射光通过少模光纤环形器进入光子灯笼B进行空间模式解复用并从相应的模式端口输出，并对输出各路背向散射光进行光电探测及数据处理，即可实现少模光纤模式耦合系数的测量。

Description

一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置

技术领域

本发明属于光纤特性测量技术领域，特别是涉及一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置。

背景技术

随着全球带宽消耗型业务的迅速增长，致使单模光纤系统容量接近香农极限。为了突破单模光纤通信系统容量的非线性“香农极限”，模分复用(Mode DivisionMultiplexing,MDM)技术通过挖掘模式这一新的空间维度进行模式复用，极大提升了光纤通信系统的容量。然而，伴随着容量和传输速率的提升，MDM系统对各种信号损伤的容忍度随之降低，使得系统的可靠度降低。因此，开展模分复用系统损伤测量理论及方法的研究具有重要的实际意义。

MDM系统以少模光纤(Few-Mode Fiber，FMF)作为传输媒质，存在自身特有的损伤—模式耦合(Mode Coupling，MC)、差分模时延(Modal Group delay,MGD)和模式相关损耗(Mode Dependent Loss,MDL)等，严重劣化模分复用系统的传输性能、限制模分复用系统的传输距离，影响了MDM系统的传输效率及系统的可靠性。其中，少模光纤模式耦合导致传输信道之间发生能量交换，破坏了信道的独立传输，导致系统传输性能恶化，是MDM系统始终未能在实际中被广泛应用的根本屏障。通过对少模光纤模式耦合分布的测量，为MDM系统损伤补偿、量化模式耦合与少模光纤参数之间的关系等提供可靠依据，进而改善MDM系统系能，优化少模光纤的结构设计。此外，少模光纤模式耦合测量在信道建模和信道动态信息研究方面也有着极其重要的意义。

随着模分复用技术研究进程地不断加快，模式耦合的测量方法的研究也备受国内外学者瞩目。目前，模式耦合测量方法主要有空间和光谱解析成像法、波长扫描干涉法、脉冲响应法和背向散射法等。然而，空间和光谱解析成像法需借助多元统计分析实现模分复用系统模式耦合的测量，复杂度较高；波长扫描干涉法测量系统结构较为复杂；脉冲响法需要发送训练序列，并对接收数据进行最小均方估计进而求出系统的脉冲响应，增加了很多额外开销；且上述三种模式耦合测量系统结构均需双端测量，不易于实际应用。基于背向瑞利散射的少模光纤模式耦合测量方法是通过测量光纤中的背向瑞利散射光来实现的，该方法只在光纤一端就可以实现模式耦合测量，测量系统结构简单，实用性强。然而，目前基于瑞利散射的模式耦合测量测量装置需要使用光隔离装置和声光调制器构成光开关去消除光纤输入端引起的菲涅尔反射，以减小盲区提高测量的动态范围，致使系统结构较为复杂。因此，设计一种更加简易高效且盲区小的少模光纤模式耦合测量装置是十分有意义的。

发明内容

针对少模光纤模式耦合测量技术的不足，本发明提出一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置，实现少模光纤模式耦合系数的精确测量，为MDM系统损伤补偿、量化模式耦合与少模光纤参数之间的关系等提供可靠依据，进而优化少模光纤的结构设计，改善MDM系统系能。

本发明为解决上述问题所采取的技术方案是：一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置，其结构如图1所示，由光源101、光子灯笼A 106、少模光纤环形器108、被测光纤109、光子灯笼B 111、光电探测模块112和信号处理模块113组成；

光源101输出的光脉冲信号经光子灯笼A 106的LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……不同输入端口进入光子灯笼A 106进行空间模式转换，转换为相应的LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……单一受激模式，单一受激模式通过端口1进入少模光纤环形器108中，然后经端口2输出进入被测光纤109；在被测光纤109中，单一受激模式中传输的光脉冲信号会耦合到不包括该单一受激模式在内的其它模式(模式是一种场型结构分布，模式不同，场型结构不同；当激发模式进入被测光纤，由于模式间的耦合，光脉冲信号能量会耦合到其它模式中，激发出其它模式，即非受激模式)中，这种被耦合模式称之为非激发模式(在理想的少模光纤中，各模式之间正交独立，互不干扰。但是实际当中，少模光纤因受到纤芯不圆、材料不均匀等制作工艺的“不完美”因素影响而引起的折射率变化，或者微弯、扭曲等纵向扰动，使得模式之间发生能量耦合，彼此不再正交，造成模式间相互耦合，当激发模式进入被测光纤中时，由于模式耦合，光脉冲信号能量耦合到其它模式，则被耦合模式被激发，即非受激模式)，单一受激模式和非受激模式在被测光纤109中分别产生的背向瑞利散射信号通过端口2返回少模光纤环形器108并由端口3输出后进入到光子灯笼B 111，光子灯笼B 111对背向瑞利散射信号进行空间模式解复用，将各模式分别转换为LP₀₁后经相应的LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……输出端口进入到光电探测模块112的光电探测器1121、1122、1123、1124、1125……进行光电探测，光电探测模块112输出的多路电信号进入数据处理模块113进行数据处理，对受激模式及非受激模式LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……的背向瑞利散射功率比值处理得到不同模式LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……间的耦合系数。

被测光纤109为少模光纤，可支持多种模式；光子灯笼A用来产生单一受激模式，并分别在不同的单一受激模式下测试少模光纤(被测光纤109)的模式耦合；少模光纤(被测光纤109)可以传输多种模式(例如，3模光纤可以传输LP₀₁、LP_11a、LP_11b三种模式)，当光子灯笼A产生的不同的单一受激模式(如LP₀₁)通过少模光纤环形器108进入少模光纤(被测光纤109)时，单一受激模式中传输的信号光会耦合到其它模式(如LP_11a和LP_11b)中，这种被耦合模式称之为非激发模式，此时少模光纤中的受激模式(如LP₀₁)和非受激模式(如LP_11a和LP_11b)会分别产生背向瑞利散射光，再通过光子灯笼B对这些模式解复用。

所述光源101由外腔激光器102、电光调制器103和任意波形发生器104组成。光源101中的外腔激光器102输出连续光被送到电光调制器103，由任意波形发生器104输出的特定重复频率、脉宽的脉冲信号通过电光调制器103加载到连续光波上，经电光调制器103输出的相应参数的光脉冲信号经光源101的尾纤105输出。

进一步，为测得少模光纤(被测光纤109)在不同激发模式下的模式耦合，光源101尾纤105可以分别与光子灯笼A 106的第一尾纤1061、1062、1063、1064、1065……等连接，经LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……输入端口进入光子灯笼A106进行空间模式转换，分别转换为相应的LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……受激模式作为光脉冲信号的传输模式，再经光子灯笼A 106的第二尾纤107输出，然后通过少模光纤环形器108端口1的尾纤1081进入少模光纤环形器108，经少模光纤环形器108端口2的尾纤1082输出进入被测光纤109，在被测光纤(109)中，受激模式中传输的光脉冲信号会耦合到不包括该受激模式在内的其它模式中，这种被耦合模式称之为非激发模式，受激模式和非受激模式在被测光纤109中分别产生的背向瑞利散射信号通过少模光纤环形器108端口2尾纤1082返回少模光纤环形器108并由端口3尾纤1083输出，然后通过光子灯笼B 111的第二尾纤110进入光子灯笼B 111，光子灯笼B111对背向瑞利散射信号进行空间模式解复用(此时由第二尾纤110进入光子灯笼B的模式为受激模式和非受激模式，即LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……，需要对这些模式分开分别进行处理，需要先把高阶模式转换为基模LP₀₁模，然后通过对应的P_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……输出端口输出，从而知道是哪个模式转换过来的)，将各模式转换为LP₀₁模后经与LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……输出端口分别连接光子灯笼B 111的第一尾纤1111、1112、1113、1114、1115……进入到光电探测模块112的光电探测器1121、1122、1123、1124、1125……进行光电探测，光电探测模块112输出的多路电信号进入数据处理模块113进行数据处理，对受激模式及非受激模式LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……的背向瑞利散射功率比值处理得到不同模式LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……间的耦合系数。

光子灯笼A通过接LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……不同端口，则会产生相应的激发模式，这些受激模式分别进入被测光纤。如光子灯笼A通过接LP₀₁端口，此时光子灯笼A产生单一激发模式LP₀₁模，激发模式LP₀₁模通过少模光纤环形器进入被测光纤，激发模式LP₀₁中传输的光脉冲信号会耦合到被测光纤中的除LP₀₁以外的其它模式中，这些其他被耦合模式被称为非激发模式；如光子灯笼A通过接LP_11a端口，此时光子灯笼A产生单一激发模式LP_11a模，激发模式LP_11a模通过少模光纤环形器进入被测光纤，激发模式LP_11a中传输的光脉冲信号会耦合到被测光纤中的除LP_11a以外的其它模式，这些其他被耦合模式被称为非激发模式；剩下的其它模式同理。

所述光源101中的外腔激光器102主要用于发出中心波长λ为1550.16nm的连续光波，电光调制器103在任意函数发生器104的驱动下将所述外腔激光器102发出的连续光调制成重复频率为F(1～100K)、脉冲宽度为T(10～1200ns)、峰值功率为P(10～40mw)的光脉冲信号并由光源尾纤105输出，光源101尾纤105为单模光纤，仅支持基模一个模式，即LP₀₁模；

所述光子灯笼A 106实现模式空间转换，光脉冲信号由支持基模LP₀₁模的第一尾纤(如1061、1062、1063…..等)进入光子灯笼A 106进行空间模式转换，并由光子灯笼A 106的第二尾纤107输出所需的单一受激模式，为获取不同的激发模式，所述光脉冲信号经过光源尾纤105与光子灯笼A 106不同的第一尾纤端口连接，其中所述尾纤为单模光纤，仅支持基模一种模式，即LP₀₁模；经过光子灯笼A106进行空间模式转换，从光子灯笼A106的第二尾纤107输出所指定的单一受激模式(如LP₀₁模)，其中所述第二尾纤107为少模光纤，可支持多种模式(当光源尾纤105与LP₀₁、LP_11a、LP_11b等不同端口连接时，经过光子灯笼A106进行空间模式转换，则会从光子灯笼A106的第二尾纤107输出相应的基模LP₀₁模及高阶模式LP_11a、LP_11b模等；

所述的3端口的少模光纤环形器108，本发明通过利用其单向传输特性实现本发明的具体功能，所述光子灯笼A 106的第二尾纤107与少模光纤环形器108端口1尾纤1081连接，受激模式(如LP₀₁模)由端口1进入少模光纤环形器108，并由少模光纤环形器108的端口2的尾纤1082输出进入被测光纤109。

被测光纤109，与所述的少模光纤环形器108端口2的尾纤1082连接，受激模式(如LP₀₁模)进入被测光纤109；被测光纤109中的受激模式(如LP₀₁模)和受激模式耦合到非受激模式(如LP_11a模)中所产生的背向瑞利散射光由端口2进入少模光纤环形器108，经由少模光纤环形器108从端口3输出；

所述光子灯笼B 111实现空间模式分解，所述少模光纤环形器108端口3的尾纤1083与所述光子灯笼B111的第二尾纤110端连接，此时所述第二尾纤110为少模光纤，可支持多种模式；受激模式(如LP₀₁模)和受激模式耦合到非受激模式(如LP_11a模)的背向瑞利散射光进入光子灯笼B 111，并经过空间模式的解复用从相应的模式端口尾纤输出，其中所述光子灯笼B111的第一尾纤(1111、1112、1113、1114、1115…..等)为单模光纤，仅支持基模一种模式，即LP₀₁模；

光电探测模块112的光电探测器1121、1122、1123、1124、1125……接收对应受激模式及非受激模式的背向瑞利散射光，进行光电探测并输出相应的电信号(光信号转化为电信号的公式：即电信号(v)＝光功率(W)*响应度(A/W@1550)*放大倍数(V/A))，其中所述光功率为光子灯笼B 111的第一尾纤(1111、1112、1113、1114、1115…等)进入光电探测内的光信号随时间变化的功率；响应度为光电探测器输出电流信号与输入光功率之比，用来描述光电转换效率；放大倍数通过光电探测器内部高带宽增益可调节放大电路实现；输入光信号经光电探测器光电转换及增益可调输出电信号。所述光电探测方式为直接探测。

信号处模块113，对所述光电探测模块112输出的电信号进行数据采集并处理，得到少模光纤不同模式(如LP₀₁模与LP_11a模)之间的耦合系数。

所述光源尾纤105与光子灯笼A 106第一尾纤及光电探测器模块112尾纤与光子灯笼B 111第一尾纤均为FC-APC接头，其中连接点A及E(E1、E2、E3、E4、E5等)通过法兰盘进行连接，其连接损耗小于0.25dB；光子灯笼A 106第二尾纤107、光子灯笼B 111第二尾纤110、被测光纤109分别与少模光纤环形器端口1、2、3尾纤1081、1082、1083进行熔接，其中连接点B、C及D熔接方式采用中芯熔接，端面角度在±0.4°以内，熔接损耗应小于0.01dB，以确保熔接点处模式间串扰尽可能小；

所述光子灯笼A 106、光子灯笼B 111为全光纤少模选择性多路复用器，可支持多种空间模式转换及空间模式解复用，其中光子灯笼A用于空间模式转换，光子灯笼B用于空间模式解复用；

所述3端口少模光纤环形器108可支持多个传输模式，通过利用其单向传输特性实现本发明的功能；其特殊性在于少模光纤环形器108的尾纤1081、1082、1083为少模尾纤，可支持多种模式；并与光子灯笼A 106及光子灯笼B 111的第二尾纤107及110相匹配，即纤芯直径、包层直径及所支持的模式数量(归一化截止频率)一致，确保连接处产生的模式串扰值可忽略不计，并顺利通过少模光纤环形器108到达被测光纤109，以及被测光纤109受激模式和非受激模式的背向瑞利散射能够顺利返回少模光纤环形器108，由少模光纤环形器108端口3输出进入光子灯笼B 111进行空间模式解复用；

对于任一受激模式LP_i的少模光纤模式耦合系数的测量，所述光电探测模块112输出的受激模式LP_i和非受激模式LP_j的背向瑞利散射功率分别为P_{bs_i}和P_{bs_j}，其模式耦合比为：

根据上式得到少模光纤任意两模式之间的耦合系数h_j,i，其中所述h_j,i为模式LP_i与模式LP_j之间的模式耦合系数，L为被测光纤109长度，K为常数，其值为模式耦合比线性拟合直线的截距；i，j代表光纤的模式标号，为01、11a、11b、21a、21b…具体由被测光纤所支持的模式所决定；所述K由模式耦合系数的自相关函数的傅里叶变换和光子灯笼B的串扰决定。

系统装置功能：

本发明所涉及的少模光纤模式耦合测量技术采用双光子灯笼和少模光纤环形器的结构，光脉冲信号通过光子灯笼A进行空间模式转换并输出指定的单一受激模式，结合少模光纤环形器的单向传输特性，受激模式通过少模光纤环形器进入被测试光纤，随后被测光纤中受激模式和受激模式耦合到非受激模式所产生的背向瑞利散射光通过少模光纤环形器进入光子灯笼B进行空间模式解复用并从相应的模式端口输出，并对输出各路背向散射光进行光电探测及数据处理，即可实现少模光纤模式耦合系数的测量。

需要说明的是：本发明实施例所述双光子灯笼及少模光纤环形器可支持LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b、LP₀₂六个模式，可以用于六个及以下模式的少模光纤模式耦合测量，如需对于高于六个模式的少模光纤模式耦合的测量，需要采用支持高于六个模式的光子灯笼和少模光纤环形器。

本发明提供的基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置较目前少模光纤模式耦合测量装置而言，具有以下优点及效益：本发明所涉及的少模光纤模式耦合测量装置，其测量系统具有事件及衰减盲区小、同时有较高的空间分辨率及动态范围等特点，是一种实现简易、操作简单、稳定性高、成本低廉的少模光纤的模式耦合测量装置；测量得到的模式耦合系数对MDM系统损伤补偿、少模光纤优化设计和光纤线路监控等方面具有重要意义。

附图说明

图1：本发明所述的基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置的结构示意图；

图2：实施例1所述的基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置测量3模光纤模式耦合的结构示意图；

图3：LP₀₁模为激发模式时，受激模式LP₀₁、非受激模式LP_11a、LP_11b背向散射功率变化曲线图，对应实施例1；

图4：LP₀₁模为激发模式为时，受激模式LP₀₁分别与非受激模式LP_11a、LP_11b模式耦合比曲线图，对应实施例1；

图5：LP_11a模为激发模式时，受激模式LP_11a、非受激模式LP₀₁、LP_11b背向散射功率变化曲线图，对应实施例1；

图6：LP_11a模为激发模式为时，受激模式LP_11a分别与非受激模式LP₀₁、LP_11b模式耦合比曲线图，对应实施例1；

图7：LP_11b模为激发模式时，受激模式LP_11b、非受激模式LP₀₁、LP_11a背向散射功率变化曲线图，对应实施例1；

图8：LP_11b模为激发模式为时，受激模式LP_11b分别与非受激模式LP₀₁、LP_11a模式耦合比曲线图，对应实施例1。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例方案对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图2所示，通过本发明所述一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量对3模光纤进行模式耦合系数及模式耦合分布进行测量，所述3模光纤可支持LP₀₁、LP_11a及LP_11b三种模式。

本实施例中，选用烽火通信科技股份有限公司的3模光纤作为被测光纤109，所测光纤长度约为9.8Km，衰减系数在1550nm波段小于0.25dB/km，1550nm波段的归一化截止频率V＝3.710，可支持LP₀₁、LP_11a及LP_11b三种模式的传输。

实施例所需光脉冲信号由电光调制器103在任意函数发生器104的驱动下，将外腔激光器102发出的λ为1550nm连续光波调制成为重复频率F为4KHz，脉冲宽度T为300ns、峰值功率P为40mW的光脉冲信号，其中采用四川致远光科技有限责任公司的外腔激光器，型号为ZYG955-1010-117；Thorlabs公司的电光调制器，型号为LN56S-FC；北京普源精电科技有限公司的任意函数发生器，型号为RIGOL DG1032；特别说明，不同的参数设置会导致少模光纤模式耦合测量装置的动态范围及空间分辨率的变化，在本实施例中采用上述参数设置对3模光纤进行模式耦合系数测量。

所选用光子灯笼A、光子灯笼B为OLKIN OPTICS公司的全光纤Six-Mode选择性多路复用器，可支持LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b、LP₀₂六个传输模式，选用上海瀚宇光纤通信技术有限公司特制的1550nm波段的3端口少模光纤环形器，可支持6个传输模式；特别说明少模光纤环形器3个端口采用的少模光纤与光子灯笼A、B少模尾纤相匹配，其中采用烽火通信科技股份有限公司的6模光纤作为少模光纤环形器的3端口少模尾纤。

在本实施例中，分别对3模光纤不同模式之间的耦合系数进行了测量；以LP₀₁模为受激模式时，所述光源101尾纤105通过法兰盘与光子灯笼A 106的LP₀₁端口连接，经光子灯笼A 106进行模式空间转换输出单一受激模式LP₀₁模并由光子灯笼A 106的第二尾纤107通过端口1少模尾纤1081进入少模光纤环形器108，然后通过端口3进入3模被测光纤109；注入3模被测光纤109中的受激模式LP₀₁模和受激模式LP₀₁模耦合到非受激模式LP_11a模及LP_11b模式所产生的背向瑞利散射光(3种背向瑞利散射光)通过少模光纤环形器108端口3的少模尾纤1083经少模尾纤110进入光子灯笼B 111进行空间解复用，并分别由光子灯笼B 111的端口LP₀₁、LP_11a及LP_11b输出背向瑞利散射光；最后通过光电探测模块112对3路信号进行光电探测并通过数据处理模块113对输出的电信号进行数据采集及处理，其中采用深圳市飞博源光电技术有限公司的光电探测模块，型号为IAM-6020；美国力科的Lecroy SDA 11000为数据处理模块。

通过上述过程得出受激模式LP₀₁和非受激模式LP_11a模及LP_11b的背向瑞利散射功率分别为P_{bs_01}、P_{bs_11a}及P_{bs_11b}，如图3所示为背向散射功率变化曲线，其模式耦合比分别为：

其中，式(2)(3)中h_11a,01及h_11b,01分别为模式LP₀₁与LP_11a及模式LP₀₁与LP_11b的之间的模式耦合系数，L为被测光纤109的长度，K为常数；其中，受激模式LP₀₁分别与非受激模式LP_11a、LP_11b模式耦合比曲线图如图3所示；并由图4(a)、(b)计算得出9.8Km被测光纤模式耦合系数h_11a,01及h_11b,01分别为：-26.40dB/km、-24.59dB/km；经过9.8km少模光纤传输后，激发模LP₀₁模串扰到LP_11a模及LP_11b模的串扰值分别为：-16.49dB、-14.68dB。

以LP_11a模为受激模式时，所述光源101尾纤105通过法兰盘与光子灯笼A106的LP_11a端口连接，其它过程与上述LP₀₁模为受激模式时相同，得出受激模式LP_11a和非受激模式LP₀₁模及LP_11b的背向瑞利散射功率分别为P_{bs_01}、P_{bs_11a}及P_{bs_11b}变化曲线如图5所示；模式耦合比曲线如图6(a)、(b)所示，由于LP_11a模与LP_11b模为简并模，二者之间为强耦合，式(1)不再适用，因此图6(b)只作粗略估计。得出被测光纤LP_11a模和LP₀₁模的耦合系数h_01,11a为：-27.08dB/km；经过9.8km少模光纤传输后，激发模LP_11a模串扰到LP₀₁模及LP_11b模的串扰值分别为：-17.17dB、-26.74dB。

以LP_11b模为受激模式时，所述光源101尾纤105通过法兰盘与光子灯笼A106的LP_11b端口连接，其它过程与上述LP₀₁模为受激模式时相同，得出受激模式LP_11a和非受激模式LP₀₁模及LP_11b的背向瑞利散射功率分别为P_{bs_01}、P_{bs_11a}及P_{bs_11b}变化曲线如图7所示；由模式耦合比曲线如图8(a)、(b)所示，同理，由于LP_11b模与LP_11a模为简并模，二者之间为强耦合，式(1)不再适用，因此图8(b)只作粗略估计。得出LP_11b模和LP₀₁的耦合系数h_01,11b为：-25.86dB/km；经过9.8km少模光纤传输后，激发模LP_11b模串扰到LP₀₁模及LP_11a模的串扰值分别为：模式间串扰值分别为：-15.95dB、-25.56dB。

通过上述以不同模式为受激模式所测得的模式耦合系数的对比分析，h_11a,01、h_11b,01分别与h_01,11a、h_01,11b值近似，证明了模式耦合具有对称性。

以上以3模光纤模式耦合系数测量为例，对本发明所述的双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置进行了详细的介绍，以上的介绍主要是为了用于对本发明的方法及其核心思想进一步的理解；同时，对于本领域的一般技术人员，根据本发明的思想，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，对其进行的各种显而易见的改变(如双光子灯笼及少模光纤环形器所支持的模式数量，被测少模光纤的模式数量等)都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置，其特征在于：该装置由光源(101)、光子灯笼A(106)、3端口少模光纤环形器(108)、被测光纤(109)、光子灯笼B(111)、光电探测模块(112)和信号处理模块(113)组成；光源(101)输出的光脉冲信号经光子灯笼A(106)的LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……不同输入端口进入光子灯笼A(106)进行空间模式转换，转换为相应的LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……单一受激模式，单一受激模式通过端口1进入3端口少模光纤环形器(108)中，然后经端口2输出进入被测光纤(109)；在被测光纤(109)中，单一受激模式中传输的光脉冲信号会耦合到不包括该单一受激模式在内的其它模式中，这种被耦合模式称之为非激发模式，单一受激模式和非受激模式在被测光纤(109)中分别产生的背向瑞利散射信号通过端口2返回少模光纤环形器(108)，并由端口3输出后进入到光子灯笼B(111)，光子灯笼B(111)对背向瑞利散射信号进行空间模式解复用，将各模式分别转换为LP₀₁后经相应的LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……输出端口进入到光电探测模块(112)的光电探测器(1121、1122、1123、1124、1125……)进行光电探测，光电探测模块(112)输出的多路电信号进入数据处理模块(113)进行数据处理，对受激模式及非受激模式LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……的背向瑞利散射功率比值处理得到不同模式LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……间的耦合系数。

2.如权利要求1所述的一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置，其特征在于：光源(101)由外腔激光器(102)、电光调制器(103)和任意波形发生器(104)组成；外腔激光器(102)输出连续光被送到电光调制器(103)，由任意波形发生器(104)输出的特定重复频率、脉宽的脉冲信号通过电光调制器(103)加载到连续光波上，经电光调制器(103)输出相应参数的光脉冲信号后经光源(101)的尾纤(105)输出。

3.如权利要求2所述的一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置，其特征在于：外腔激光器(102)用于发出中心波长λ为1550.16nm的连续光波，电光调制器(103)在任意函数发生器(104)的驱动下将所述外腔激光器(102)发出的连续光调制成重复频率F为1～100K、脉冲宽度T为10～1200ns、峰值功率P为10～40mw的光脉冲信号；光源(101)的尾纤(105)为单模光纤，仅支持基模一个模式，即LP₀₁模。

4.如权利要求2所述的一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置，其特征在于：光源(101)的尾纤(105)通过与光子灯笼A(106)的第一尾纤(1061、1062、1063、1064、1065……)连接，经LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……输入端口进入光子灯笼A(106)进行空间模式转换，分别转换为相应的LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……受激模式作为光脉冲信号的传输模式，再经光子灯笼A(106)的第二尾纤(107)输出，然后通过3端口少模光纤环形器(108)端口1的尾纤(1081)进入少模光纤环形器(108)，经少模光纤环形器(108)端口2的尾纤(1082)输出进入被测光纤(109)，在被测光纤(109)中，受激模式中传输的光脉冲信号耦合到不包括该受激模式在内的其它模式中，这种被耦合模式称之为非激发模式，受激模式和非受激模式在被测光纤(109)中分别产生的背向瑞利散射信号通过少模光纤环形器(108)端口2尾纤(1082)返回少模光纤环形器(108)并由端口3尾纤(1083)输出，然后通过光子灯笼B(111)的第二尾纤(110)进入光子灯笼B(111)，光子灯笼B(111)对背向瑞利散射信号进行空间模式解复用，将各模式转换为LP₀₁模后经与LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……输出端口分别连接光子灯笼B(111)的第一尾纤(1111、1112、1113、1114、1115……)进入到光电探测模块(112)的光电探测器(1121、1122、1123、1124、1125……)进行光电探测，光电探测模块(112)输出的多路电信号进入数据处理模块(113)进行数据处理，对受激模式及非受激模式LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……的背向瑞利散射功率比值处理得到不同模式LP₀₁、LP_11a、LP_11b、LP_21a、LP_21b……间的耦合系数。

5.如权利要求4所述的一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置，其特征在于：光子灯笼A(106)的第一尾纤(1061、1062、1063、1064、1065……)为单模光纤，仅支持基模一种模式，即LP₀₁模；光子灯笼B(111)的第一尾纤(1111、1112、1113、1114、1115……)为单模光纤，仅支持基模一种模式，即LP₀₁模；光子灯笼A(106)的第二尾纤(107)为少模光纤，可支持多种模式；光子灯笼B(111)的第二尾纤(110)为少模光纤，可支持多种模式；少模光纤环形器(108)的尾纤(1081、1082、1083)为少模尾纤，可支持多种模式；被测光纤(109)为少模光纤，可支持多种模式。

6.如权利要求4所述的一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置，其特征在于：3端口少模光纤环形器(108)尾纤(1081、1082、1083)、光子灯笼A(106)第二尾纤(107)、光子灯笼B(111)第二尾纤(110)之间相匹配，即纤芯直径、包层直径及所支持的模式数量一致，确保连接处产生的模式串扰值可忽略不计。

7.如权利要求4所述的一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置，其特征在于：光源(101)的尾纤(105)与光子灯笼A(106)的第一尾纤(1061、1062、1063、1064、1065……)之间，光电探测器模块(112)尾纤与光子灯笼B(111)的第一尾纤(1111、1112、1113、1114、1115……)之间，均为FC-APC接头，其中连接点通过法兰盘进行连接，其连接损耗小于0.25dB；光子灯笼A(106)第二尾纤(107)、光子灯笼B(111)第二尾纤(110)、被测光纤(109)分别与3端口少模光纤环形器(108)尾纤(1081、1082、1083)进行熔接，其中连接点熔接方式采用中芯熔接，端面角度在±0.4°以内，熔接损耗应小于0.01dB，以确保熔接点处模式间串扰尽可能小。

8.如权利要求1所述的一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置，其特征在于：通过改变模式转换器光子灯笼A(106)、模式解复用器光子灯笼B(111)及3端口少模光纤环形器(108)所支持的模式数量，可以对支持任意模式的被测光纤(109)进行模式耦合测量。

9.如权利要求4所述的一种基于双光子灯笼和少模光纤环形器的少模光纤模式耦合测量装置，其特征在于：对于任一受激模式LP_i的少模光纤模式耦合系数的测量，其模式耦合比为，

光电探测模块(112)输出的受激模式LP_i和非受激模式LP_j的背向瑞利散射功率分别为P_{bs_i}和P_{bs_j}，根据上式得到模式LP_i与模式LP_j之间的模式耦合系数h_j,i；L为被测光纤(109)长度，K为常数，其值为模式耦合比线性拟合直线的截距；i，j代表光纤的模式标号，为01、11a、11b、21a、21b……。