CN109031531A - 一种具有波分复用功能的模式耦合器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有波分复用功能的模式耦合器及其制备方法。耦合器由若干根光纤通过绝热拉锥和熔融拉锥制作而成，以实现多种波长和多种模式的同时复用。本发明通过对光纤进行绝热熔融拉锥，在拉细后的光纤包层之间实现相位匹配，并通过调整拉伸距离实现波长复用，操作简单、精确度高。该波长和模式同时复用具有损耗小、模式纯度高、模间串扰小、工作带宽大，性能稳定等特点，在高阶模式产生、模式转换、模分复用、波分复用、少模光纤激光器等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种具有波分复用功能的模式耦合器及其制备方法
技术领域
本发明属于光纤波分复用耦合器、模式转换和模式复用领域，具体涉及一种具有波分复用功能的模式耦合器及其制备方法。
背景技术
随着通信容量的增加，传统的光纤通信技术已经不能满足需求，模分复用和波分复用技术得到了快速发展。波分复用技术主要利用了光纤中的不同波长来进行复用通信，模分复用技术主要利用了光纤中的高阶模式来进行复用通信，能够极大的提升光纤的通信容量，因此高阶模式的产生，转换是非常重要的。具有波分复用功能的模式耦合器是一种非常重要的模式转换器件，在模分复用系统中，波长-模式共同复用通信以及少模激光器中具有重要的应用。
目前的制作工艺主要有熔融拉锥和侧面抛磨，其中侧面抛磨技术工艺复杂，不利于批量生产，且制作的耦合器存在附加损耗大、耦合效率低、模式纯度不高、工作带宽窄等问题。而绝热熔融拉锥技术能够有效减小损耗，提高转换效率和稳定性。首先通过相位匹配技术使耦合器能够进行模式转换，然后在制作过程中调整拉伸距离使不同的波长在同一个输出端口复用，制作出具有波分复用功能的模式转换器。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有波分复用功能的模式耦合器及其制备方法，所制备的耦合器是一种特定高阶模式生成以及不同模式相互转换，并且具有波分复用功能的模式。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
通过绝热拉锥技术得到不同直径的光纤Ⅰ和光纤Ⅱ，使两根光纤满足相位匹配条件，然后把两根光纤平行放置在一起熔融拉锥，实现特定波长的模式转换，同时通过拉伸距离调整耦合区的长度，使两个波长的高阶模式在同一个输出端口复用。光纤Ⅰ中的模式通过相位匹配耦合到光纤Ⅱ中的特定高阶模式。例如，LP01模式转换为LP11模式，LP11模式转换为LP21模式。如果耦合器锥区的两根光纤直径一样，则不进行模式转换，可以实现高阶模式的分束。例如，在光纤Ⅰ的输入端输入OAM﹢2模式的光束，在光纤Ⅰ的输出端和光纤Ⅱ的输出端都是OAM﹢2模式，完成了模式的分束。此外，制作的耦合器同时具有波分复用功能，例如，光纤Ⅰ的输入端中输入980nm的LP01模式，能够转换为LP11模式在光纤Ⅱ中传输，光纤Ⅱ的输入端输入1550nm 的LP11模式也在光纤Ⅱ的输出端输出，实现了高阶模式在不同波长的复用。
根据上述构思，本发明采用如下技术方案：
一种具有波分复用功能的模式耦合器，由若干根光纤通过绝热拉锥和熔融拉锥制作而成，以实现多种波长和多种模式的同时复用。
进一步地，本耦合器由光纤Ⅰ和光纤Ⅱ通过绝热拉锥和熔融拉锥制作而成；其中光纤Ⅰ中传输一种波长的特定模式，在耦合区经过模式转换后，能够在光纤Ⅱ中耦合出此波长对应的另一种特定模式，并最终和光纤Ⅱ中由输入端输入的另一种波长的高阶模式在光纤Ⅱ的输出端进行复用，实现波长和模式同时复用的功能。
进一步地，将其它方式产生的某一种波长的高阶模式由输入端输入到光纤Ⅰ中，不进行模式转换直接耦合到光纤Ⅱ中，然后和光纤Ⅱ中由输入端输入的另一个波长的高阶模式在光纤Ⅱ的输出端实现不同波长的模式复用。
进一步地，所述光纤Ⅰ和光纤Ⅱ中传输的光束是基模的或是高阶模式的；是连续的或是脉冲的；是宽带的或是窄线宽的。
进一步地，所述光纤Ⅰ和光纤Ⅱ是单模光纤、少模光纤、多模光纤、空心光纤、大模场光纤、双包层或光子晶体结构光纤的一种。
进一步地，所述光纤Ⅰ和光纤Ⅱ中各传输一种特定的模式，其为相同的模式或是不同的模式。
进一步地，所述光纤Ⅰ和光纤Ⅱ中输入的光束具有不同的波长；其是980 nm、1064nm、1310 nm、1550 nm、2000 nm中的一种。
一种具有波分复用功能的模式耦合器的制备方法，用于制备上述的一种具有波分复用功能的模式耦合器，采用的装置结构包括激光光源、测径仪、光纤夹持拉伸系统、功率计、CCD相机；具体制作过程为：
步骤一、将光纤Ⅰ和光纤Ⅱ的涂覆层去掉特定长度，然后使用光纤夹持拉伸系统进行绝热拉锥，将光纤直径拉伸到特定长度，使用测径仪进行测量，满足相位匹配条件后，停止拉伸；
步骤二、将拉伸好的光纤Ⅰ和光纤Ⅱ平行放置在光纤夹持拉伸系统上，调整两光纤的位置，使锥区相互靠近，再熔融拉锥，制成耦合器，在制作过程中需要打开连接在光纤Ⅰ的激光光源；
步骤三、在光纤Ⅱ的输出端接上功率计和CCD相机等检测设备，检测光纤Ⅱ输出端生成的高阶模式，并在输入端输入不用的波长检测波长复用的效果；根据检测的结果，对拉伸距离进行调节，直到满足要求，最后对耦合器进行封装。
所述步骤一中将光纤直径拉伸到特定长度，具体为：根据需要的直径，将光纤Ⅰ进行修改预拉，然后和光纤Ⅱ一起拉；或者分别拉伸光纤Ⅰ和光纤Ⅱ；如果需要高阶模式的分束，两根光纤都不预拉或者同时拉伸到相同的直径。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过对两根光纤进行绝热熔融拉锥，在拉细后的光纤包层之间实现相位匹配，操作简单、精确度高。
2、本发明制作的具有波分复用功能的模式耦合器能够实现不同波长、不同模式的同时复用。
3、本发明制作的模式耦合器制作工艺简单、产生的损耗小、模式纯度高、模间串扰小、工作带宽大且封装简单，性能稳定。
附图说明
图1是波分复用模式耦合器的示意图；其中，Ⅰ为单模光纤，Ⅱ为少模光纤，101为光纤Ⅰ的输入端，102为光纤Ⅱ的输入端，103为光纤Ⅰ的输出端，104为光纤Ⅱ的输出端。
图2是波分复用模式耦合器制作装置的示意图；其中，201为激光光源，202为光纤Ⅰ，203为光纤Ⅱ，204为测径仪，205为光纤夹持拉伸系统，206为功率计，207为CCD相机。
图3是光纤中几种基本模式的示意图；其中，301为LP01模式的模场分布图，302为LP11模式的模场分布图，303为LP21模式的模场分布图，304为LP02模式的模场分布图，305为LP31模式的模场分布图，306为矢量模式的模场分布图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。
如图1所示，一种具有波分复用功能的模式耦合器，由若干根光纤通过绝热拉锥和熔融拉锥制作而成，以实现多种波长和多种模式的同时复用。本实施例中，选用两根光纤，光纤Ⅰ202和光纤Ⅱ203，其中光纤Ⅰ202为单模光纤，光纤Ⅱ203为少模光纤；其中光纤Ⅰ202中传输一种波长的特定模式，在耦合区经过模式转换后，能够在光纤Ⅱ203中耦合出此波长对应的另一种特定模式，并最终和光纤Ⅱ203中由输入端102输入的另一种波长的高阶模式在光纤Ⅱ203的输出端104进行复用，实现波长和模式同时复用的功能。或者，将其它方式产生的某一种波长的高阶模式由输入端101输入到光纤Ⅰ202中，不进行模式转换直接耦合到光纤Ⅱ203中，然后和光纤Ⅱ203中由输入端102输入的另一个波长的高阶模式在光纤Ⅱ203的输出端104实现不同波长的模式复用。
所述的光纤Ⅰ202和光纤Ⅱ203中传输的光束可以是基模的，也可以高阶（矢量）模式的，可以是连续的，也可以脉冲的，可以是宽带的，也可以是窄线宽的。
所述的光纤Ⅰ202和光纤Ⅱ203是单模光纤、亦可是少模光纤、多模光纤、空心光纤、大模场光纤、双包层或光子晶体结构光纤等。
所述的光纤Ⅰ202和光纤Ⅱ203中各传输一种特定的模式，可以是相同的模式，也可以是不同的模式。
所述的光纤Ⅰ202和光纤Ⅱ203中输入的光束具有不同的波长。波长可以是980 nm、1064 nm、1310 nm、1550 nm、2000 nm等。
如图2所示，一种具有波分复用功能的模式耦合器的制备方法，采用的装置结构包括激光光源201、测径仪204、光纤夹持拉伸系统205、功率计206、CCD相机207。所述的光纤Ⅱ203的输出端为特定高阶光束306输出端口。首先，将光纤Ⅰ202和光纤Ⅱ203的涂覆层去掉特定长度，然后使用光纤夹持拉伸系统205进行绝热拉锥，将光纤直径拉伸到特定长度，用测径仪204测量锥区直径，满足相位匹配条件后，停止拉伸。然后，将拉伸好的光纤Ⅰ202和光纤Ⅱ203平行放置在光纤夹持拉伸系统205的吸盘上，熔融拉锥制作成耦合器。最后，在光纤Ⅰ202的输入端接上激光光源201，在光纤Ⅱ203的输出端接上功率计206和CCD相机207等检测设备，打开激光光源201，检测光纤Ⅱ203输出端生成的高阶模式，然后在光纤Ⅱ203的输入端输入另一种波长的高阶模式光束，检测波分复用效果，满足要求后，对耦合器进行封装。
本发明的创新之处在于：通过绝热熔融拉锥技术对光纤进行拉伸变细，使不同光纤的包层与包层之间在锥区完成相位匹配，完成模式转换，同时通过调整拉伸距离来调整不同波长的耦合距离，完成波分复用，模间串扰小，性能稳定。
本发明的工作过程如下：两种波长的激光光源分别输入到波分复用模式耦合器的输入端101和102；模式耦合器对光纤Ⅰ202输入的模式进行转换，在光纤Ⅱ203中激发出特定高阶模式，产生的高阶模式从光纤Ⅱ203的输出端104输出，光纤Ⅱ203中输入的另一种波长的高阶模式也从输出端104输出；通过功率计检测输出端103和104的功率，通过CCD相机207可以观察到高阶模式的输出。例如，LP11模式，LP21模式，矢量模式等，观测到的模场分布参见图3。

Claims (9)

1.一种具有波分复用功能的模式耦合器，其特征在于：由若干根光纤通过绝热拉锥和熔融拉锥制作而成，以实现多种波长和多种模式的同时复用。
2.根据权利要求1所述的一种具有波分复用功能的模式耦合器，其特征在于：由光纤Ⅰ（202）和光纤Ⅱ（203）通过绝热拉锥和熔融拉锥制作而成；其中光纤Ⅰ（202）中传输一种波长的特定模式，在耦合区经过模式转换后，能够在光纤Ⅱ（203）中耦合出此波长对应的另一种特定模式，并最终和光纤Ⅱ（203）中由输入端（102）输入的另一种波长的高阶模式在光纤Ⅱ（203）的输出端（104）进行复用，实现波长和模式同时复用的功能。
3.根据权利要求2所述的一种具有波分复用功能的模式耦合器，其特征在于：将其它方式产生的某一种波长的高阶模式由输入端（101）输入到光纤Ⅰ（202）中，不进行模式转换直接耦合到光纤Ⅱ（203）中，然后和光纤Ⅱ（203）中由输入端（102）输入的另一个波长的高阶模式在光纤Ⅱ（203）的输出端（104）实现不同波长的模式复用。
4.根据权利要求2所述的一种具有波分复用功能的模式耦合器，其特征在于：所述光纤Ⅰ（202）和光纤Ⅱ（203）中传输的光束是基模的或是高阶模式的；是连续的或是脉冲的；是宽带的或是窄线宽的。
5.根据权利要求2所述的一种具有波分复用功能的模式耦合器，其特征在于：所述光纤Ⅰ（202）和光纤Ⅱ（203）是单模光纤、少模光纤、多模光纤、空心光纤、大模场光纤、双包层或光子晶体结构光纤的一种。
6.根据权利要求2所述的一种具有波分复用功能的模式耦合器，其特征在于：所述光纤Ⅰ（202）和光纤Ⅱ（203）中各传输一种特定的模式，其为相同的模式或是不同的模式。
7.根据权利要求2所述的一种具有波分复用功能的模式耦合器，其特征在于：所述光纤Ⅰ（202）和光纤Ⅱ（203）中输入的光束具有不同的波长；其是980 nm、1064 nm、1310 nm、1550nm、2000 nm中的一种。
8.一种具有波分复用功能的模式耦合器的制备方法，用于制备上述权利要求所述的一种具有波分复用功能的模式耦合器，采用的装置结构包括激光光源（201）、测径仪（204）、光纤夹持拉伸系统（205）、功率计（206）、CCD相机（207）；其特征在于，具体制作过程为：
步骤一、将光纤Ⅰ（202）和光纤Ⅱ（203）的涂覆层去掉特定长度，然后使用光纤夹持拉伸系统（205）进行绝热拉锥，将光纤直径拉伸到特定长度，使用测径仪（204）进行测量，满足相位匹配条件后，停止拉伸；
步骤二、将拉伸好的光纤Ⅰ（202）和光纤Ⅱ（203）平行放置在光纤夹持拉伸系统（205）上，调整两光纤的位置，使锥区相互靠近，再熔融拉锥，制成耦合器，在制作过程中需要打开连接在光纤Ⅰ（202）的激光光源（201）；
步骤三、在光纤Ⅱ（203）的输出端接上功率计（206）和CCD相机（207）检测设备，检测光纤Ⅱ（203）输出端生成的高阶模式，并在输入端输入不用的波长检测波长复用的效果；根据检测的结果，对拉伸距离进行调节，直到满足要求，最后对耦合器进行封装。
9.根据权利要求8所述的一种具有波分复用功能的模式耦合器的制备方法，其特征在于，所述步骤一中将光纤直径拉伸到特定长度，具体为：根据需要的直径，将光纤Ⅰ（202）进行修改预拉，然后和光纤Ⅱ（203）一起拉；或者分别拉伸光纤Ⅰ（202）和光纤Ⅱ（203）；如果需要高阶模式的分束，两根光纤都不预拉或者同时拉伸到相同的直径。
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