CN109219764A - 用于选择性地增加高阶模的损耗的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于选择性地增加高阶模的损耗的设备（3），其特征在于，其包括在以特定波长的多模光纤上实施的光纤拉锥，并且光纤拉锥（7）具有分离的区域，即总长度为（a1）和（a2）的未拉锥光纤区域，其中光纤直径等于（d1）；总长度为（b1）和（b2）的过渡区域，其中光纤直径分别减小/增大；以及总长度为（c）的拉锥腰部区域，其中光纤直径等于（d2），并且拉锥水平被定义为R=((d1‑d2)/d1)·100％并且等于至少20%，并且过渡区域的长度为（b1）至少0.5mm，（b2）等于或大于0mm，拉锥腰部的长度至少为0.5mm，并且拉锥区域涂覆有具有衰减特性的滤波物质。

Description

用于选择性地增加高阶模的损耗的设备

本发明的目的是一种用于选择性地增加高阶模的损耗的设备，特别是在梯度多模光纤（MMF）中。特别地，该设备可以用于通过最小化模间色散的负面影响来增加多模传输系统的吞吐量以确保光纤激光器中的单模操作，或者可以用于通过确保多模光纤中的单模或少模操作来改善多模光纤中的光束质量。在应用该设备之后，在多模光纤中留下一个或几个第一模系（mode group）。

增加吞吐量是针对基于光纤的新一代通信系统的主要挑战之一。这与针对不断增长的数据量的持续增长的需求以及增加的电信网络通信量有关。该现象涉及到公共网络以及信息处理和存储中心二者中的通信量。由于距离相对较短，数据中心通常应用多模光纤，其吞吐量主要受到模间色散的限制。这种类型的网络通常是基于VCSEL激光器和MMF光纤，其中主要限制是模间色散的影响，即组速度的差异，并且因此是针对各种模的传播时间的差异。模间色散的负面影响表现为时域内的脉冲扩宽，这导致限制了信号吞吐量或传输范围。

确保单模操作也是光纤激光器结构领域中的挑战。单模激光器提供改善的光束质量，并且在某些应用中，必须确保激光器的单模操作。该问题的可能解决方案之一可以是在激光器谐振器中插入用于滤除高阶模的设备，以允许使用大芯径的多模光纤作为有源介质，其中将有效地传播仅一个模。确保多模光纤中的单模或少模操作对光束质量有积极影响，因为它减少了光束衍射和出口（outlet）方面的差异，并允许光束聚焦在较小区域中，以产生增加的激光精度。

消除与应用多模光纤相关的不利影响的方法之一是应用单模光纤（SMF）来替代多模光纤。然而，基于单模光纤的网络制造和安装起来要昂贵得多，并且因此没有那么热切地应用于数据中心中。在激光器中使用单模光纤作为有源介质也具有其局限性，这是由于关于小模场发生的非线性效应。根据本发明的用于选择性地增加高阶模的损耗的设备比完整的谐振器短得多，并且因此由于限制模场而导致的非线性效应将仅在非常小的距离处发生。

文献包括关于用于选择和限制模的数量的有源系统的众多成果。例如，在发表于Journal of Lightwave Technology（光波技术杂志）29/13（2011）中的由G. Stępniak、L.Maksymiuk和J. Siuzdak所著的题为“Binary phase spatial light filters for modeselective excitation of multimode fibers（用于多模光纤的模选择性激励的二元相位空间滤光器）”的文章中发表了限制传播模的数量和应用复杂且昂贵的外部系统（光学滤波矩阵）的解决方案。用于减少模的数量的其他已知方法要求用于激发仅所选模的精密光学系统。除其他之外，这些也在发表于Applied Optics（应用光学）17/3（1978）中的由L.Jeunhomme和J.P. Pocholle所著的题为“Selective mode excitation of graded indexoptical fibers（渐变折射率光纤的选择性模激励）”的文章中发表了。由于它们的复杂结构和高成本，所介绍的系统仅能在实验室条件下实施。

其中修改光纤结构的其他的模滤波方法也是常见的。一个示例是根据JP2001133647的解决方案，其提出了一种平面结构，其中使用芯包层的侧表面的周期性改变来分散离开芯的高阶模。这样的修改后的波导部分可以被包括在传统光纤网络的结构中。另外，这样的元件不需要电源。

专利描述参考文献US2003169965转而介绍了一种滤除高阶模的方法，其包括在光纤系统中包括具有小半径曲率的弯曲光纤，以选择性地增加高阶模的损耗。使用小半径曲率消除了高阶模，并且如该发明中阐述的，传输更加有效和快速。

修改波导结构的另一种方法是干扰其化学成分，以改变光纤内部的光传播条件。在专利参考文献US2014286606中包括这样的描述，其中交替放置掺杂和非掺杂区域。结果，高阶模被散射和衰减。

根据专利参考文献US7194156的解决方案介绍了光学通信系统的用于滤除高阶模的对应部分。可以使用该发明来增加基于多模光纤的通信系统的吞吐量。可以双重实施用于滤除高阶模的元件。在这些方法之一中，对多模光纤的尖端进行拉锥（taper），并且信号通过透镜引导到检测器。以这种方式构造的元件可以以仅保留特定模系的方式滤除高阶模，其中到达检测器的每个模可以被视为单独的信号。在该实施例中，信号与大批光学器件的使用耦合，这导致增加设备的尺寸和额外损耗。此外，该发明没有假设用滤波物质来覆盖拉锥。

专利描述参考文献WO2015138492转而介绍了一种用于在多模光纤上进行准多模通信的结构。在该解决方案中，来自至少两个激光器的光信号由光电子TOSA系统进行处理并以准多模信号的形式耦合到单模光纤，并且然后，在传播通过传输路径之后，其被模拟ROSA设备接收。ROSA接收器阻挡至少一个高阶模信号。

申请文件参考文献US 20070081768描述了一种基于多模光纤的光学通信系统，以及一种用于增加该系统的吞吐量的方法。该系统的一部分是用于基于拉锥来滤除高阶模的元件。以仅在其最窄部分中传播基模的方式对多模光纤进行拉锥。还介绍了用于去往和来自单模光纤的功率入口或出口的配置。该专利描述了一种在平面方法中实施拉锥的方法。同时，该专利没有假设借助于滤波物质来覆盖拉锥。

专利参考文献US 7184623 B2还介绍了一种发明，该发明可以用于增加基于多模光纤的电信系统的吞吐量。在这种情况下，应用绝热耦合器（可能是拉锥光纤）来滤除高阶模。根据该解决方案，在拉锥区域中，高阶模从芯中漏出并被包层吸收或从包层射出。该解决方案没有假设将滤波物质置于拉锥区域上。

在发表于Optics Express（光学快讯）16/19（2008）中的由Y. Jung、G. Brambilla和D.J. Richardson所著的题为“Broadband single-mode operation of standardoptical fibers by using a sub-wavelength optical wire filter（通过使用次波长光学金属丝滤波器的标准光纤的宽带单模操作）”中发表的成果介绍了一种通过应用光纤拉锥来滤除高阶模的方法。关键是要适应拉锥几何结构，特别是在过渡区域。在所提出的解决方案中，过渡区域对于一阶模是绝热的并且同时对于高阶模是非绝热的。这样的拉锥几何结构为高阶模引入了较大损耗。在所介绍的解决方案中，为了确保仅允许基本模的传播，必须以芯的直径的1/100的直径的方式实施拉锥。此外，拉锥未被涂覆有物质，这显著降低了对高阶模进行滤波的有效性。由于在拉锥区域中不存在滤波物质，因此滤波后的模被引导在玻璃-空气分界上。需要大的拉锥水平来为高阶模引入显著的损耗。同时，滤波物质的应用显著增加了滤波后的模的损耗，这允许拉锥更短并且拉锥水平更小。结果，与没有滤波物质的实施例相比，获得了改善的有效性。

在渐逝场传感器中使用涂覆光纤拉锥区域。在专利参考文献US 6103535 A中介绍了示例性渐逝场传感器，其描述了基于涂覆有荧光团反应材料的光纤拉锥的传感器结构。在拉锥光纤中存在渐逝场的情况下，当涂覆拉锥的材料与荧光团反应时发生荧光。该发明的关键要素是用于涂覆拉锥的材料。与特定物质接触时，该材料经历引起荧光的化学反应。这种类型的传感器应用多模光纤，这保证了更高的传感器灵敏度。

也可以在脉冲锁模光纤激光器的结构中使用涂覆光纤拉锥区域。在发表于Nature（自然）5/8690（2015）中的由P. Yan、R. Lin、Sh. Ruan、A. Liu、H. Chen、Y. Zheng、S.Chen、C. Guo和J. Hu所著并且题为“A practical topological insulator saturableabsorber for mode-locked fiber laser（用于锁模光纤激光器的实用拓扑绝缘体可饱和吸收体）”的其发表文章中，介绍了一种具有可饱和吸收剂的拉锥单模光纤SMF-28，其特征在于其在一定波长下的透明度，而同时信号强度足够高。

专利参考文献US 8384991介绍了一种包括可饱和吸收剂的发明，其除其他之外还可以应用于脉冲光纤激光器的结构中。该发明的主题是一种特殊物质，碳纳米管和聚合物复合材料的混合物。在脉冲光纤激光器的结构中使用涂覆有这种物质的一段拉锥光纤。

专利参考文献US 6301408介绍了一种发明，其包括刻在光纤拉锥区域中的光纤布拉格光栅，其中拉锥区域涂覆有特殊聚合物。通过在拉锥的聚合物涂层中采用合适的折射率，可以控制布拉格波长。根据所提出的结构的该发明可以用于构建分插复用器。在所介绍的解决方案中，改变了基本模的属性。

本发明的目的是开发一种用于选择性地增加高阶模的损耗的设备，其使用光纤元件来促进增加多模传输系统的吞吐量或者使得能够在光纤激光器中实现单模操作。其主要功能性包括：确保选择性地增加高阶模的损耗、无源性、小时间延迟、所选模的低插入和反射损耗以及与标准多模传输系统的兼容性。

此外，由于该设备是全光纤的，因此它是无源的，因此不需要任何电源。该设备用于减少在具有有限吞吐量的多模传输系统中或在需要复杂的多输入多输出（MIMO）算法的那些多模传输系统中的模间色散的负面影响。此外，由于其长度较小（至多十几厘米），该设备不会在信号中引入额外的时间延迟。在其中数据传输速度是主要优势的光纤传输中，这是关键功能性。

一种用于选择性地增加高阶模的损耗的设备包括在（以特定波长的）多模光纤上实施的至少一个光纤拉锥。所述光纤拉锥具有分离的区域，即总长度为（a1和a2）的未拉锥光纤区域，其中光纤直径等于（d1）（这些区域的长度不影响设备的操作），针对减小直径区域和增大直径区域的总长度分别为（b1）和（b2）的过渡区域，以及总长度为（c）的拉锥腰部区域，其中光纤直径等于（d2）。拉锥水平被定义为R=((d1-d2)/d1)·100％，并且优选地被包含在20-97％的范围中，并且过渡区域（b1）的长度优选为从0.5mm至75mm，并且过渡区域（b2）的长度优选为从0mm至75mm，并且拉锥腰部区域（c）的长度优选为从0.5mm至75mm。拉锥区域涂覆有具有衰减特性的滤波物质。然而，在本发明的有益实施例中，所述滤波物质被应用于光纤拉锥的至少一段上。

在本发明的有益实施例中，所述滤波物质具有衰减特性——（在给定的、所利用的波长上的）吸收和/或散射特性，和/或具有比所述光纤包层材料更高的光折射率。构成所述设备的组成部分的所述滤波物质优选地选自：石蜡，凡士林或类似碳氢化合物，脂肪酸、其盐或酯，石墨，石墨烯，烟灰，其他形式的碳及其衍生物，溶解在如聚苯乙烯、乙基纤维素、硝基纤维素、醋酸纤维素、甲基纤维素、聚乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯及其衍生物这样的有机溶剂中的聚合物，具有低软化温度的聚合物，诸如聚氯乙烯、乙烯乙酸乙烯酯、丙烯酸、辛基纤维素、丁基纤维素聚合物、聚酰亚胺、聚酰胺、聚烯烃、全氟聚合物、R-Si-O有机溶胶、聚二甲基硅氧烷、聚丁二烯橡胶、紫外线硬化聚合物、环氧树脂、环氧丙烯酸树脂、氨酯丙烯酸树脂、有机硅环氧树脂、有机硅丙烯酸树脂、环氧丙烯酸树脂、有机流体、诸如：甘油、甲苯、苯乙烯、四氯化碳、二硫化碳、硅油、浓缩碳水化合物溶液、浸渍油、金属层、金属氧化物或含有上述物质或其衍生物中的至少一种的混合物。

在本发明的有益实施例中，所述设备到光纤线路中的串联连接优选地通过拼接或连接器来实施。在所述设备的另一有益实施例中，可以直接在形成光纤线路的光纤上实施拉锥。在所述设备的另一有益实施例中，它也可以被包括在检测器（接收器）中。

然而，在本发明的有益实施例中，根据OM2或OM3标准在光纤上实施的拉锥具有以下尺寸：b1=b2=10mm，c=10mm，d1=125μm，d2=25μm（R=80％），并且设备与光纤线路的连接是以光纤和光纤拉锥之间的拼接的形式实施的，而所使用的多模光纤是根据OM2或OM3标准实施的。在本发明的有益实施例中，拉锥区域涂覆有滤波物质，该滤波物质是吸收剂，在该有益实施例中，该吸收剂是胶质石墨。

在本发明的另一有益实施例中，根据OM4标准在光纤上实施的拉锥具有以下尺寸：b1=5mm，b2=0mm，c=10mm，d1=125μm，d2=20μm（R=84％），并且设备与光纤线路的连接是以光纤和光纤拉锥之间的光纤连接器的形式实施的，而所使用的多模光纤是根据OM4标准实施的。在本发明的有益实施例中，拉锥区域涂覆有滤波物质，该滤波物质包括吸收剂，在该有益实施例中，该吸收剂是石蜡。

在本发明的另一有益实施例中，在多模阶跃折射率光纤上实施拉锥，所述多模阶跃折射率光纤具有0.37的数值孔径（其被定义为芯的折射率的平方与外皮的折射率的平方之差的平方根）、100μm的芯直径和300μm的外皮直径，所述拉锥具有以下尺寸：b1=30mm，b2=20mm，c=20mm，d1=300μm，d2=9μm（R=97％），并且其涂覆有覆盖拉锥区域的滤波物质。在本发明的有益实施例中，滤波物质具有比光纤包层材料更高的折射率，在该有益实施例中，其包括二硫化碳。

然而，用于选择性地增加高阶模的损耗的设备串联连接到多模光纤的结构，在至少一个发射器和至少一个检测器（接收器）之间，优选地靠近检测器，或者在另一实施例中，所述设备是光学线路的一个元件，作为光纤激光器的谐振腔的一部分。

在有益实施例中，特定的设备配置被设置有至少一个以850nm的VCSEL光源和OM3或OM4光纤。

在示例和附图中详细介绍了本发明，然而，示例和附图没有穷举如从其操作原理得到的本发明的可能配置。

图1呈现了利用OM2或OM3光纤（2）的传输系统的图示，信号通过发射器（1）进入到其中，并且用于选择性地增加高阶模的损耗的设备（3）被并入到光纤线路（2）中，在接收器（4）之前。

图2呈现了设备（3）的特写，其具有用于将该设备连接到光纤线路中的可见拼接（5）和在其上实施光纤拉锥（7）的OM2或OM3光纤（2）。

图3呈现了具有标记区域的光纤拉锥（7）的图示：总长度为（a1）和（a2）且总直径为（d1）的未拉锥光纤、总长度为（b1）和（b2）的过渡区域以及总长度为（c）且总直径为（d2）的拉锥腰部区域，其中拉锥区域涂覆有吸收体（8）。各尺寸未按照比例。

图4呈现了利用OM4光纤（6）的传输系统的图示，信号从发射器（1）耦合到其中，并且用于选择性地增加高阶模的损耗的设备（3）被并入到光纤线路（6）中，在接收器（4）之前。

图5呈现了设备（3）的特写，其具有用于将该设备连接到光纤线路中的可见连接器（9）和在其上实施光纤拉锥（7）的OM4光纤（6）。

图6呈现了具有标记区域的光纤拉锥的图示：总长度为（a1）且总直径为（d1）的未拉锥光纤、具有减小直径（d1）的过渡区域以及总长度为（c）且总直径为（d2）的拉锥腰部区域，其中拉锥区域涂覆有吸收体（8）。各尺寸未按照比例。

示例1

用于选择性地增加高阶模的损耗的设备（3）包括在多模光纤（以OM2或OM3标准）上实施并且串联地插入在发射器（1）和接收器（4）之间的光纤拉锥。光纤拉锥（7）具有分离的区域，即总长度为（a1）和（a2）的未拉锥光纤区域，其中光纤直径等于（d1）——这些区域的长度不直接影响该设备的操作；总长度为（b1）和（b2）的过渡区域，其中光纤直径分别减小/增大；以及总长度为（c）的适当拉锥区域，其中光纤直径等于（d2）。该设备借助于被实施为光纤拼接（2）的连接（5）而连接到光纤线路中。

拉锥水平被定义为R=((d1-d2)/d1)·100％。

在该设备示例中，b1=b2=10mm，c=10mm，d1=125μm，d2=25μm（R=80％）。

拉锥涂覆有滤波物质（8），吸收剂，在该有益实施例中，其为胶质石墨。

用于选择性地增加高阶模的损耗的设备用于传输系统中，以增加基于波长为850nm的VCSEL光源和OM2或OM3光纤的传输系统的吞吐量和范围。

示例2

用于选择性地增加高阶模的损耗的设备（3）包括在多模光纤（以OM4标准）上实施并且串联地插入在发射器（1）和接收器（4）之间的光纤拉锥。光纤拉锥（7）具有分离的区域，即总长度为（a1）的未拉锥光纤区域，其中光纤直径等于（d1）——该区域的长度不直接影响该设备的操作；总长度为（b1）的过渡区区域，其中光纤直径（2）减小；以及总长度为（c）的拉锥腰部区域，其中光纤直径等于（d2）。该设备借助于连接（5）而并入到光纤线路中，并且直接连接到接收器（检测器）。

拉锥水平被定义为R=((d1-d2)/d1)·100％。

在该设备示例中，b1=5mm，b2=0，c=10mm，d1=125μm，d2=20μm（R=84％）。

拉锥涂覆有滤波物质（8），吸收剂，在该有益实施例中，其为石蜡。

用于选择性地增加高阶模的损耗的设备用于传输系统中，以增加基于波长为850nm的VCSEL光源和OM4光纤的传输系统的吞吐量和范围。

示例3

用于选择性地增加高阶模的损耗的设备（3）包括在多模阶跃折射率光纤上实施的光纤拉锥，所述多模阶跃折射率光纤是以低于1100nm的波长，具有0.37的数值孔径（其被定义为芯的折射率的平方与包层的折射率的平方之差的平方根）、100μm的芯直径和300μm的外皮直径。光纤拉锥被串联地插入到光纤激光器的谐振器中。光纤拉锥（7）具有分离的区域，即总长度为（a1）和（a2）的未拉锥光纤区域，其中光纤直径等于（d1）——这些区域的长度不直接影响该设备的操作；总长度为（b1）和（b2）的过渡区域，其中光纤直径分别减小/增大；以及总长度为（c）的拉锥腰部区域，其中光纤直径等于（d2）。该设备借助于拼接连接而并入到光纤线路中。

拉锥水平被定义为R=((d1-d2)/d1)·100％。

在该设备示例中，b1=30mm，b2=20mm，c=20mm，d1=300μm，d2=9μm（R=97％）。

拉锥涂覆有具有比光纤包层材料更高的折射率的滤波物质（8），并且在该有益实施例中，所述滤波物质（8）为二硫化碳。

Claims (8)

1.一种用于选择性地增加高阶模的损耗的设备（3），其特征在于，其是以在特定波长的多模光纤上实施的至少一个光纤拉锥的形式，并且其特征在于，所述光纤拉锥（7）具有分离的区域，即总长度为（a1）和（a2）的未拉锥光纤区域，其中光纤直径等于（d1）；总长度为（b1）和（b2）的过渡区域，其中光纤直径分别减小/增大；以及总长度为（c）的拉锥腰部区域，其中光纤直径等于（d2），并且拉锥水平被定义为R=((d1-d2)/d1)·100％并且等于至少20%，并且过渡区域的长度等于（b1）至少为0.5mm，（b2）等于或大于0mm，拉锥腰部区域的长度至少为0.5mm，并且所述拉锥区域涂覆有具有衰减特性的滤波物质。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述拉锥水平至多为97％，过渡区域的长度（b1）和（b2）至多为75mm，并且拉锥腰部区域的长度至多为75mm。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述滤波物质被应用于所述光纤拉锥（7）的至少一段上，在所述拉锥腰部区域中。

4.根据权利要求1或2或3所述的设备，其特征在于，所述滤波物质具有衰减特性——在给定的波长上的吸收和/或散射，和/或具有比所述光纤包层材料更高的折射率。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的设备，其特征在于，所述滤波物质选自：石蜡，凡士林或类似碳氢化合物，脂肪酸、其盐或酯，石墨，石墨烯，烟灰，其他形式的碳及其衍生物，溶解在如聚苯乙烯、乙基纤维素、硝基纤维素、醋酸纤维素、甲基纤维素、聚乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸甲酯及其衍生物这样的有机溶剂中的聚合物，具有低软化温度的聚合物，诸如聚氯乙烯、乙烯乙酸乙烯酯、丙烯酸、辛基纤维素、丁基纤维素聚合物、聚酰亚胺、聚酰胺、聚烯烃、全氟聚合物、R-Si-O有机溶胶、聚二甲基硅氧烷、聚丁二烯橡胶、紫外线硬化聚合物、环氧树脂、环氧丙烯酸树脂、氨酯丙烯酸树脂、有机硅环氧树脂、有机硅丙烯酸树脂、环氧丙烯酸树脂、有机流体、诸如：甘油、甲苯、苯乙烯、四氯化碳、二硫化碳、硅油、浓缩碳水化合物溶液、浸渍油、金属层、金属氧化物或含有上述物质或其衍生物中的至少一种的混合物。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的设备，其特征在于，用于选择性地增加高阶模的损耗的设备（3）被串联地插入在多模光纤的结构中，在至少一个发射器（1）和至少一个检测器（接收器）（4）之间。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的设备，其特征在于，用于选择性地增加高阶模的损耗的设备（3）是光纤激光器的谐振腔的光学线路的一部分。

8.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的设备，其特征在于，用于选择性地增加高阶模的损耗的设备（3）被设置有波长为850nm的至少一个VCSEL光源和OM3或OM4光纤。