CN109116471A - 一种涡旋光束模式转换耦合器及其制作方法 - Google Patents

一种涡旋光束模式转换耦合器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种涡旋光束模式转换耦合器及其制作方法，本发明将一根单模光纤与一根少模光纤一定区域内熔接在一起，并能够精确控制单模光纤中的基模耦合至少模光纤中的高阶模式，通过调节单模光纤中输入基模光的偏振态，可以在少模光纤中产生特定的高阶OAM模式，形成了熔融拉锥型涡旋光束模式转换耦合器，具有体积小、耗材少、易于生产、稳定性高、适用波段宽和转换效率高等优点，在全光纤通信中占具重要的部分，可作为模分复用的前端器件，亦可作为涡光激光器和涡光放大器的模式转换器件，也可作为光纤传感器件的一部分，具有良好的推广使用价值。

Description

一种涡旋光束模式转换耦合器及其制作方法
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种涡旋光束模式转换耦合器及其制作方法。
背景技术
现如今，随着快速发展的信息化时代，波分复用、时分复用、空分复用以及偏振复用和相干接收等技术的相继采用，人们对于通信系统容量的研究已经达到了香农极限，通信所带来的超大信息量促使我们不得不朝着新的方向做出努力。为进一步提高通信容量，基于模分复用和芯分复用的空分复用系统在最近几年被提出并得到了深入研究。模式复用理论利用少模光纤中各个模式的正交性，将每一个模式视为独立的信道，加载信号后形成MIMO(Multiple Input Multiple Output/多输入输出)通道，继而提高通信系统容量和频谱效率。1982年，S.Berdague和P.Facq首次提出并研究了光纤中模分复用传输的可行性。2011年，荷兰科研人员实现了基于偏移注入选模激发的3×3模式群复用系统，在20m多模光纤上实现了无误码传输。同年，日本科研人员提出一种全光纤模式复用器，利用LPFG(LongPeriod Fiber Grating/长周期光纤光栅)完成基模LP01向LP11模场的转换，成功实现了10km两模光纤上的传输。考虑多模光纤中模间耦合和串扰的影响，科研人员将注意力迅速转移到基于少模光纤的模式选择性激励技术上。
模式在理论上具有无穷多个，将每一种模式作为一个信道所得到的通信容量是无法估量的，故模分复用具有良好的研究价值。现如今，在使用少模光纤中的几种不同模式作为信息传输的信道时，需要借助模式转换耦合器将基模转换为高阶模式。光纤模式转耦合器是一种传输、分配和转换信号模式的光纤器件，比较常见的有光子晶体光纤模式转换器，这种器件可以实现高消光比的模式转换，但是制作工艺要求较高。还有一种基于光纤光栅的模式转换耦合器，这种器件虽然结构相对简单，但是对波长依赖性高，工作带宽窄，转换后的高阶模式和基模在同一根光纤中传输，因此模间串扰大。2014年，Ismaeel等提出了一种基于弱熔融拉锥方式形成的模式转换耦合器，将单模光纤中的基模转换为少模光纤中的高阶模式，但其研究比较初步，并没有涉及模式转换过程中的模式能量和模场的变化过程以及转换效率等方面的研究。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种涡旋光束模式转换耦合器及其制作方法。通过一根单模光纤与一根少模光纤一定区域内熔接在一起，并能够精确控制单模光纤中的基模耦合至少模光纤中的高阶模式，可经过调节单模光纤中输入基模光的偏振态，可以在少模光纤中产生特定的高阶OAM(Orbital Angular Momentum/轨道角动量)模式。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案得以实现。
一种涡旋光束模式转换耦合器，包括单模光纤，少模光纤以及两者的耦合部，所述耦合部由单模光纤和少模光纤扭和0.5-2圈后进行熔融拉锥融合而成，使用时，光束从单模光纤的一端进入，经过耦合部后分别从单模光纤以及少模光纤的另一端离开；所述单模光纤与少模光纤的包层直径相同。
进一步地，所述少模光纤由少模纤芯、内少模包层以及外少模包层组成，少模纤芯设置于内少模包层中心处，外少模包层将内少模包层包裹于其中。所述少模光纤中支持传输的各矢量模式之间的模式有效折射率差大于1×10-4。所述少模纤芯的直径为5-8μm。所述内少模包层的直径为8-30μm。所述外少模包层的直径为125～160μm。
进一步地，所述耦合部中，单模光纤和少模光纤的扭和圈数为1圈。
一种涡旋光束模式转换耦合器的制作方法，制备上述的涡旋光束模式转换耦合器，包含以下步骤：
步骤一，计算少模光纤的模式数量与纤芯包层尺寸大小和有效折射率差之间的关系，确定需要制作的少模光纤的参数，以此参数进行少模光纤制备；
步骤二，截取相同长度的单模光纤与少模光纤，并在中间区域剥去相同长度的涂履层，然后分别对少模光纤以及单模光纤进行预拉锥处理，使预拉锥后的少模光纤以及单模光纤拥有与模式匹配的芯包尺寸；
步骤三，根据预拉锥处理后光纤所能够达到的模式匹配要求，设置拉制模式转换耦合器的参数，将单模光纤和少模光纤扭合在一起，而后进行拉制操作，拉制时，在模式耦合开始之前，拉伸速度为50-250μm/s；在模式耦合开始之后，拉伸速度为20-200μm/s；耦合结束后，修正速度为5-50μm/s；总的拉伸距离为8000-35000μm；
步骤四，拉制完成后，将模式转换耦合器进行封装，最后将产品嵌入系统，进行验证性测试，检验其是否能够完成模式的转换，若不能则回到步骤一重新制备，若能则完成涡旋光束模式转换耦合器的制作。
进一步地，制备少模光纤时所使用的预制棒，制作方法包括MCVD(改良化学气相沉积)工艺，FCVD(加热炉化学气相沉积)工艺，PCVD(等离子体化学气相沉积)工艺，OVD(外部气相沉积)工艺，VAD(轴向气相沉积)工艺，以及ALD(原子层沉积)掺杂工艺中的任意一种或几种工艺相结合。
进一步地，在步骤一中，确定了少模光纤的参数后，还包括根据光束传播法进行光纤模式转换耦合器的建模仿真，根据少模光纤的参数对单模光纤与少模光纤融合后的光束传播结果进行仿真，验证光束是否在耦合部发生周期性耦合，如发生则继续，如不发生则重新进行少模光纤参数的计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明将一根单模光纤与一根少模光纤一定区域内熔接在一起，并能够精确控制单模光纤中的基模耦合至少模光纤中的高阶模式，通过调节单模光纤中输入基模光的偏振态，可以在少模光纤中产生特定的高阶OAM模式，形成了熔融拉锥型涡旋光束模式转换耦合器，具有体积小、耗材少、易于生产、稳定性高、适用波段宽和转换效率高等优点，在全光纤通信中占具重要的部分，可作为模分复用的前端器件，作为涡光激光器和涡光放大器的模式转换器件，也可作为光纤传感器件的一部分，具有良好的推广使用价值。
附图说明
图1是本发明涡旋光束模式转换耦合器的结构示意图。其中，1-耦合部，2-单模光纤，3-少模光纤。
图2是本发明中少模光纤的横截面和折射率分布示意图。其中，31-少模光纤纤芯，32-少模光纤内包层，33-少模光纤外包层。
图3是本发明未改变LP01偏振态时，耦合至LP11/LP21/HE21的仿真结果图。其中，(a)未改变LP01偏振态时，LP01耦合至LP11仿真结果图；(b)未改变LP01偏振态时，LP01耦合至LP21仿真结果图；(c)未改变LP01偏振态时，LP01耦合至HE21仿真结果图。
图4是本发明在少模光纤输出端检测到的不同波长处的高阶模式光斑图。其中，(a)1480nm波长处一阶、二阶OAM的效果图，(b)1520nm波长处一阶、二阶OAM的效果图，(c)1560nm波长处一阶、二阶OAM的效果图，(d)1600nm波长处一阶、二阶OAM的效果图，(e)1640nm波长处一阶、二阶OAM的效果图。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的具体实施例，但要求保护的范围并不局限于此。
如图1所示，一种涡旋光束模式转换耦合器，包括单模光纤2，少模光纤3以及两者的耦合部1，所述耦合部1由单模光纤2和少模光纤3扭和0.5-2圈后进行熔融拉锥融合而成，使用时，光束从单模光纤2的一端进入，经过耦合部1后分别从单模光纤2以及少模光纤3的另一端离开；所述单模光纤2与少模光纤3的包层直径相同。
如图2所示，少模光纤3由少模纤芯31、内少模包层32以及外少模包层33组成，少模纤芯31设置于内少模包层32中心处，外少模包层33将内少模包层32包裹于其中。
少模光纤3包括常规少模光纤与少模增益光纤(包含掺铒光纤、掺铋光纤、掺镱光纤、掺钕光纤，以及铒镱共掺光纤和铒铋共掺光纤)，包层直径为125±1μm；或160±1μm；与标准单模光纤的包层直径相一致，便于直接嵌入光通信系统中使用。
所述少模光纤3中支持传输的各矢量模式之间的模式有效折射率差大于1×10-4。
本实施例中，所述少模纤芯31的直径为5-8μm。所述内少模包层32的直径为8-30μm。所述外少模包层33的直径为125～160μm。
本实施例中，所述耦合部1中，单模光纤2和少模光纤3的扭和圈数为1圈。
一种涡旋光束模式转换耦合器的制作方法，制备上述的涡旋光束模式转换耦合器，包含以下步骤：
步骤一，计算少模光纤3的模式数量与纤芯包层尺寸大小和有效折射率差之间的关系，确定需要制作的少模光纤3的参数，以此参数进行少模光纤3制备；
步骤二，截取相同长度的单模光纤2与少模光纤3，并在中间区域剥去相同长度的涂履层，然后分别对少模光纤3以及单模光纤2进行预拉锥处理，使预拉锥后的少模光纤3以及单模光纤2拥有与模式匹配的芯包尺寸；
步骤三，根据预拉锥处理后光纤所能够达到的模式匹配要求，设置拉制模式转换耦合器的参数，将单模光纤2和少模光纤3扭合在一起，扭和圈数为1圈；而后进行拉制操作，拉制时，在模式耦合开始之前，拉伸速度为50-250μm/s；在模式耦合开始之后，拉伸速度为20-200μm/s；耦合结束后，修正速度为5-50μm/s；总的拉伸距离为8000-35000μm；
步骤四，拉制完成后，将模式转换耦合器进行封装，最后将产品嵌入系统，进行验证性测试，检验其是否能够完成模式的转换，若不能则回到步骤一重新制备，若能则完成涡旋光束模式转换耦合器的制作。
制备少模光纤3时所使用的预制棒，制作方法包括MCVD(改良化学气相沉积)工艺，FCVD(加热炉化学气相沉积)工艺，PCVD(等离子体化学气相沉积)工艺，OVD(外部气相沉积)工艺，VAD(轴向气相沉积)工艺，以及ALD(原子层沉积)掺杂工艺中的任意一种或几种工艺相结合。
在步骤一中，确定了少模光纤3的参数后，还包括根据光束传播法进行光纤模式转换耦合器的建模仿真，根据少模光纤3的参数对单模光纤2与少模光纤3融合后的光束传播结果进行仿真，验证光束是否在耦合部1发生周期性耦合，如发生则继续，如不发生则重新进行少模光纤3参数的计算。
为了更好的研究熔融拉锥型光纤模式转换耦合器，本发明用以下四个性能参数来表征其性能：
(1)插入损耗(insertion loss)
插入损耗定义为指定输出端口的光功率(Pout)相对全部输入光功率(Pin)的减少值，其数学表达式为：
(2)附加损耗(excess loss)
附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和(∑Pout)相对于全部输入光功率(Pin)的减少值，其数学表达式为:
(3)分光比(coupling ratio)
分光比是指在某一端口输出功率(Pi)与各个端口总输出光功率(∑Pi)之比，即
(4)隔离度(isolation)
光纤耦合器的某一光路(Pl)对其他光路(Pin)中的光信号的隔离能力。其数学表达式为:
根据耦合模方程，以推导出输出端的功率表达式，本发明为2×2型模式转换耦合器，仅需考虑两根光纤之间的耦合，故其耦合模方程可表示为：
式(5)、(6)中，A1(z)和A2(z)分别为单模光纤中的基模和少模光纤中被激发的某一高阶模式的模场振幅，β1和β2分别为单模光纤中的基模和少模光纤中被激发的某一高阶模式的传播常数，C11和C22为自耦合系数，C12和C21为两根光纤的互耦合系数，前者相对于后者可近似为零，且C11和C22近似相等，令C11≈C22＝C，故式(5)和(6)可简化为：
经推导，可得出耦合器两输出端的光功率为：
其中，F2为光纤之间耦合的最大功率。
实施例一：
如图1所示，本发明的一个实施案例模型，其包括单模光纤2、少模光纤3以及封装材料。此模式转换耦合器为定向耦合器，单模光纤2采用标准单模光纤，少模光纤3内各个包层之间的折射率差值为0.013，少模纤芯31的折射率是内少模包层32折射率的一半，少模纤芯31的直径为5μm，内少模包层32直径为15μm，外少模包层33直径为125μm。信号光从单模光纤2输入端输入，经过耦合部1，从单模光纤2输出端输出基模光束，从少模光纤3输出端输高阶模式光束。
按照上述图1模型所示，首先需要截取两端长度适中的单模光纤2和少模光纤3，而后在中间区域剥去相同长度的涂覆层。为了达到光纤耦合时模式匹配的要求，需要对少模光纤3进行预拉锥处理，使得预拉锥后的少模光纤3拥有合适的芯包尺寸，达到模式匹配的要求，单模光纤2预拉伸后直径为80μm。根据处理后光纤所能够达到的模式匹配要求，设置拉制模式转换耦合器的参数，将处理后的单模光纤2和少模光纤3扭合在一起，扭和圈数为1圈，而后进行拉制操作。拉制完成后，将达到制作要求的模式转换耦合器进行封装，最后将产品嵌入系统，进行验证性测试，检验其是否达到了制作要求，能否完成模式的转换。
在实施过程中，首先进行了理论计算与仿真，模拟计算了少模光纤3的模式数量与纤芯包层尺寸大小和有效折射率差之间的关系，确定需要制作的少模光纤3参数，而后进行制备。其次，依据光束传播法，实现了光纤模式转换耦合器的建模仿真。如图3所示，为波长1550nm的基模(LP01)光束，由单模光纤2输入端进入，在耦合部1的传播转换过程，从图中可以清晰地看到，基模光束在耦合部1发生了周期性的耦合过程，这与耦合模理论推导出的单模光纤2输出端与少模光纤3输出端的能量表达式(9)、(10)相一致。
实施例二：
涡旋光束模式转换耦合器的制作方法步骤如下：
1)利用首先在改进化学气相沉积法(MCVD)制作具有高折射率环的少模光纤3，其参数要求为：纤芯直径为5μm，内包层直径为15μm，外包层直径为125μm。少模光纤3内包层与包层折射率差值为0.027，纤芯折射率与外包层相同。
2)根据拉制的少模光纤3和光束传播法对光纤模式转换耦合器进行理论计算和建模仿真。
3)根据仿真结果，拉制模式转换耦合器。此时，拉制参数为：扭和圈数一圈，预拉后单模光纤2直径50μm，预拉速度120μm/s，耦合前拉伸速为120μm/s，耦合开始后拉伸速度100μm/s，修正速度30μm/s。
经过上述实施例的实施，如图4所示，为少模光纤3输出端检测到的一阶OAM以及二阶OAM的高阶模式光斑图。

Claims (10)

1.一种涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：包括单模光纤(2)，少模光纤(3)以及两者的耦合部(1)，所述耦合部(1)由单模光纤(2)和少模光纤(3)扭和0.5-2圈后进行熔融拉锥融合而成，使用时，光束从单模光纤(2)的一端进入，经过耦合部(1)后分别从单模光纤(2)以及少模光纤(3)的另一端离开；所述单模光纤(2)与少模光纤(3)的包层直径相同。
2.根据权利要求1所述的涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：所述少模光纤(3)由少模纤芯(31)、内少模包层(32)以及外少模包层(33)组成，少模纤芯(31)设置于内少模包层(32)中心处，外少模包层(33)将内少模包层(32)包裹于其中。
3.根据权利要求1所述的涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：所述少模光纤(3)中支持传输的各矢量模式之间的模式有效折射率差大于1×10-4。
4.根据权利要求2所述的涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：所述少模纤芯(31)的直径为5-8μm。
5.根据权利要求2所述的涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：所述内少模包层(32)的直径为8-30μm。
6.根据权利要求2所述的涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：所述外少模包层(33)的直径为125～160μm。
7.根据权利要求1所述的涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：所述耦合部(1)中，单模光纤(2)和少模光纤(3)的扭和圈数为1圈。
8.一种涡旋光束模式转换耦合器的制作方法，制备上述的涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一，计算少模光纤(3)的模式数量与纤芯包层尺寸大小和有效折射率差之间的关系，确定需要制作的少模光纤(3)的参数，以此参数进行少模光纤(3)制备；
步骤二，截取相同长度的单模光纤(2)与少模光纤(3)，并在中间区域剥去相同长度的涂履层，然后分别对少模光纤(3)以及单模光纤(2)进行预拉锥处理，使预拉锥后的少模光纤(3)以及单模光纤(2)拥有与模式匹配的芯包尺寸；
步骤三，根据预拉锥处理后光纤所能够达到的模式匹配要求，设置拉制模式转换耦合器的参数，将单模光纤(2)和少模光纤(3)扭合在一起，而后进行拉制操作，拉制时，在模式耦合开始之前，拉伸速度为50-250μm/s；在模式耦合开始之后，拉伸速度为20-200μm/s；耦合结束后，修正速度为5-50μm/s；总的拉伸距离为8000-35000μm；
步骤四，拉制完成后，将模式转换耦合器进行封装，最后将产品嵌入系统，进行验证性测试，检验其是否能够完成模式的转换，若不能则回到步骤一重新制备，若能则完成涡旋光束模式转换耦合器的制作。
9.根据权利要求8所述的涡旋光束模式转换耦合器的制作方法，其特征在于：制备少模光纤(3)时所使用的预制棒，制作方法包括MCVD改良化学气相沉积工艺，FCVD加热炉化学气相沉积工艺，PCVD等离子体化学气相沉积工艺，OVD外部气相沉积工艺，VAD轴向气相沉积工艺，以及ALD原子层沉积掺杂工艺中的任意一种或几种工艺相结合。
10.根据权利要求8所述的涡旋光束模式转换耦合器的制作方法，其特征在于：在步骤一中，确定了少模光纤(3)的参数后，还包括根据光束传播法进行光纤模式转换耦合器的建模仿真，根据少模光纤(3)的参数对单模光纤(2)与少模光纤(3)融合后的光束传播结果进行仿真，验证光束是否在耦合部(1)发生周期性耦合，如发生则继续，如不发生则重新进行少模光纤(3)参数的计算。
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