CN109581590A - 一种LP01模式-LPmn模式全光纤型模式转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种LP01模式‑LPmn模式全光纤型模式转换器，该模式耦合器的模式转换光纤采用单芯结构，该模式转换光纤耦合区纤芯存在一扇形调制区，从该段纤芯的横截面上看，其由扇形调制区纤芯组件和其它纤芯组件两部分组成，所述扇形调制区的扇形张角θ满足所述模式转换光纤耦合区的长度满足其中，κ为输入模式和输出模式之间的等效耦合系数，β01与βmn分别为调制区内LP01模式和LPmn模式的有效传播常数。本发明结构的模式转换器能实现光纤中LP01模式与LPmn模式的任意高效转换，且可解决当前全光纤型模式转换器结构复杂、熔接困难以及成本高等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种全光纤型的LP01-LPmn(m、n均为大于等于1的自然数)模式转换器。
背景技术
随着物联网、大数据以及5G通信技术的快速发展，人们对信息传输能力的要求以指数级数的速度增长，而普通的单模光纤的传输能力也在逐渐接近非线性香农极限，为了进一步满足人们不断快速增长的通信容量的需求，近年来研究者不断地开发通信维度，发展了以模分复用、偏振复用以及光学轨道角动量复用为代表的一系列技术，这些技术都涉及利用光纤内高阶本征模来进行对通信信道维度进行拓展。为了有效地实现信号的空分复用，必然要求在多模或者少摸光纤内有效地激发和传输高阶模式，这就需要将基模(LP01模)通过一定的手段转换到特定需要的模式上。此外，模式转换不仅局限于空分复用技术中的相关应用，在传统的通信中它也可以用于色散补偿。由于多模光纤中高阶模式具有负色散，因此可以将需要做色散补偿的信号激发到高阶模式上，经过一段传播距离之后，再将其转换到基模上，这样就实现了模式补偿，在这个过程中需要两次用到模式转换器。
目前已有的模式转换器有两种类型：1)光栅型模式转换器。这类转换器基于布拉格光纤光栅或者长周期光纤光栅或者倾斜的布拉格光栅的模式转换器，目前只能实现较低阶模式的转换(即LP01模到LP11模或者LP21模)，主要受光纤复杂的模式匹配技术以及光栅的加工工艺限制；且由于光栅的特性使得其实现转换的带宽也相对较窄。2)全光纤型模式转换器。这类转换器有的是利用光子晶体光纤拉制而成的模式转换器，它虽然能在较宽的带宽(波长范围宽)内实现高质量的模式转换，但制作工艺复查，成本高。制作光子晶体光纤，常采用管棒堆积法，即将多根石英棒堆积在一起并制成蜂窝状结构的预制棒，在进行进一步拉制。其难点在于克服在拉制过程中该预制棒内部的石英-空气界面存在的表面张力、黏度力以及拉伸应力等的影响,这些因素使得预制棒结构极易缩塌或变形，严重影响了光子晶体光纤制作的成品率。也有的模式转换器是利用多种类型光纤如标准单模、少模和多模光纤复合而成的多模干涉耦合器以及利用非对称的双芯结构(一个芯径大，另一个小)的光子晶体光纤耦合器和利用中间模式进行过渡(例如LP01-LP11-LP02等)的非对称双芯光纤耦合器。这类耦合器的共同特点是转换带宽相对较大，效率高，但由于采用结构复杂的多纤芯(两个以上)结构来实现模式的高效转换，所以制作难度大，且由于采用多芯结构，不易与标准单模或多模光纤(单芯)进行熔接。
基于以上所述，本发明拟公开一种新型的具有单芯结构的、高效的、宽带的全光纤型模式转换器。
发明内容
本发明的发明目的是，提供一种新型结构的全光纤型模式转换器，该结构的模式转换器能实现光纤中LP01模式与LPmn模式的任意高效转换，可解决当前全光纤型模式转换器结构复杂、熔接困难以及成本高等问题。
本发明通过如下技术方案实现其发明目的:一种LP01模式-LPmn模式全光纤型模式转换器，包括模式耦合器，所述模式耦合器包括模式转换光纤，还包括连于所述模式耦合器的模式转换光纤的两端，用于输入的输入端和用于输出的输出端；
其特征在于：所述模式耦合器的模式转换光纤采用单芯结构，该模式转换光纤耦合区纤芯存在一扇形调制区，从该段纤芯的横截面上看，其由扇形调制区纤芯组件和其它纤芯组件两部分组成，所述扇形调制区的扇形张角θ满足(m为模式LPmn的角向指数)，所述模式转换光纤耦合区的长度满足其中，κ为输入模式和输出模式之间的等效耦合系数，如输入模式为LP01模式，输出模式为LPmn，则κ为LP01模式和LPmn模式之间的等效耦合系数,β01与βmn分别为调制区内LP01模式和LPmn模式的有效传播常数。
作为改进方案：所述扇形调制区内还复合有n个径向调制区，所述径向调制区为分布在所述扇形调制区内以所述扇形顶点为圆心的圆弧，所述圆弧的度数也为θ，所述径向调制区i(i为径向调制区编号，从靠近圆心位置依次编号)的中心位置ρi位于模场径向函数相应的极值点(贝塞尔函数的极值点)，宽度wi为模场径向函数(贝塞尔函数)第i个极值点两侧的函数值下降到该极值点函数值1/2处的点对应的宽度，如图1所示。
所述的模式耦合器的模式转换光纤一端连接单模光纤，该单模光纤支持模式LP01的传输，另一端连接多摸光纤，该多摸光纤支持模式LPmn的传输，所述模式转换光纤一端的光纤作为输入端，另一端则作为输出端。
为方便熔接，要求输入端光纤的纤芯直径等于模式转换光纤相应连接端纤芯的直径，输出端光纤的纤芯直径等于模式转换光纤相应连接端纤芯的直径。
原理分析：根据耦合模理论，在多模光纤中，当光纤纤芯中的折射率分布存在扰动时，将发生不同模式间的耦合，LP01模式到LPmn模式的耦合系数为nco为纤芯非调制区的折射率，E01和Emn分别表示光纤中的线偏模式的场函数，加“*”表示其复共轭，Δε为光纤纤芯内的介电常数的调制函数，A为光纤纤芯的横截面的面积，Q＝∫∫|E01|2dA为归一化常数，根据光纤具有轴对称性的特征，波矢其中λ为波长。在柱坐标下，E01和Emn可以分别写为和其中，为极坐标系中光场的角向坐标，而ρ为光场的无量纲径向坐标，即其中r为光场的径向坐标，R为光纤纤芯的半径，对应LPmn模式的奇偶性(时为偶模式，为奇模式)，J0和Jm分别为0阶和m阶的第一类贝塞尔函数，和分别为它们的偏振矢量。影响线偏模式E01和Emn相互耦合的主要因素为光纤内的介电常数的调制函数，即Δε。
当纤芯的调制区为扇形调制区时，即(芯区内的介电常数)ε＝ε0+Δε，其中ε0为纤芯非调制区的介电常数或本征介电常数，且γ(ρ)为调制强度。此时模场E1和E2(这里1代表LP01模式，2代表LPmn模式)的耦合系数可以改写为κ12＝RQ，其中R为一与模场径向分布有关的积分常数， 为一与模场角向分布有关的积分常数，其中，θ表示扇形调制区的扇形张角。不难证明当即LP01模式的偏振与LPmn模式的偏振方向沿一条直线时,且时，Q将取最大值此时模式E01和Emn的耦合系数K12达到最大。
为使模式LP01模式到LPmn模式的耦合效率达到最大，除了要使它们之间的耦合系数达到最大之外,根据耦合模理论，还应使耦合区的长度满足一定的要求。
设LP01模式和LPmn模式的幅度函数分别为b1(z)和b2(z),沿传播方向的演化方程可以形式地写为
在缓变近似下，解方程(1)后可得
其中,N1和N2分别为LP01模式和LPmn模式的模式归一化常数，满足关系这里κ12(κ21)为LP01(LPmn)模式耦合到模式LP mn(LP01)的耦合系数，由κ12和κ21可以得出模式1和模式2之间的等效耦合系数为κ11和κ22分别为LP01、LPmn模式耦合到其自身的的耦合系数，这里i为虚数单位，β01与βmn分别为调制区内LP01模式和LPmn模式的有效传播常数，F为一常数，反映模式间的耦合效率大小，F越大耦合效率越高。由于在LP01模式和LPmn模式上传输的能量可以分别表示为P1＝N1|b1|2和P2＝N2|b2|2，因此根据式(2a)和式(2b)可以得出，能量在LP01模式和LPmn模式之间的分配分别为
从上式可以看出，当(l为整数)时，P2＝F2，而可见，κ值越大，F2值就越高，κ取最大值时，此时在LPmn模式中传播的能量P2达到最大值。因此为了使LP01能量能够最大程度地耦合到LPmn中，须使耦合区长度(在耦合区纤芯内传播的距离)满足具体地
作为对本发明改进方案原理的进一步阐述：对于弱导光纤来说，当耦合系数满足κ＞＞|βmn-β01|，即时，此时根据式(3)可以看出，LP01(LPmn)模式中的能量耦合到LPmn(LP01)模式中的效率接近100％。在实际中，对于通常的弱导光纤，可以对κ对LP01模式到LPmn模式的耦合效率的影响做如下估计:|βmn-β01|≤k(nco-ncl)～10-3k，其中ncl为光纤包层折射率，而这里χ为与径向积分常数有关的量，定义为例如当χ～10-2，κ～10-2k，此时对应的F≈1/(1+0.12)1/2＝0.995，耦合效率P2＝F2≈0.990。调制深度与模式耦合效率的具体关系见表1。
表1.调制深度χ与模式耦合效率的关系
耦合系数与调制深度成正比。从表1可以看出，LP01-LPmn模式间的耦合效率随它们之间的耦合系数(调制深度)的增大而增大，当使得扇形区的调制深度χ≈10(nco-ncl)，即当折射率调制深度χ达到10-2量级时，即可以实现99％的耦合效率(理论上讲，χ达到10-1量级时，即可实现99％的耦合效率，这里要求χ达到10-2量级，因为10-1量级的χ在实际中是不容易实现)。可见，通过增大模式间的耦合系数，可以有效地提高模式间的耦合效率。
而在上述扇形调制区内引入改进方案中陈述的径向调制区，可提升调制深度，进而进一步地增大LP01到LPmn模式间的耦合系数。在张角为的扇形区调制区内引入n个径向调制区，第i个径向调制区的中心位置ρi与LPmn模式的光斑的径向坐标重合，此位置正好是光纤模式解中的径向函数(第m阶贝塞尔函数)的第n个极值位置，此径向调制区的宽度，刚好为该极值点两侧第m阶贝塞尔函数的函数值(绝对值)降到此极值点对应的函数值一半时的坐标点之间的距离。上述径向调制区的存在使得光场的能量更多地束缚在其中，从而进一步提高耦合系数以及耦合效率。
所述模式转换光纤通过拉制而成，并进一步通过拉锥而成。
所述模式耦合器由模式转换光纤、固定胶以及金属保护套构成，模式转换光纤通过固定胶胶封固定在所述金属保护套内。
模式转换光纤包括包层、扇形调制区纤芯组件以及其它纤芯组件，其中，其它纤芯折射率nco与包层的折射率nclad差Δ＝nco-ncl(ncl为nclad的简写)满足弱导条件，即Δ＜＜1。扇形调制区纤芯的折射率为n′co，扇形调制区内的径向调制区的折射率为n″co，满足关系nco＜n′co＜n″co，且仍满足弱导条件。
本发明中采用的光纤均为低成本的普通光纤(相比光子晶体光纤等特定光纤而言)。
相比于现有技术，本发明全光纤型模式转换器的特点是：
1)本发明模式转换器采用单芯结构的普通纤芯，成本低，结构简单，熔接方便；
2)根据耦合模理论，要使模式LP01模式-LPmn模式的耦合效率达到最大，一方面要使它们之间的耦合系数达到最大，另一方面还应使耦合区的长度满足一定的要求，本发明从上述两点出发，通过设定耦合区长度，和在偶合区纤芯内设置扇区角对应模场光斑单瓣对应的张角的扇形调制区,使得LP01模式-LPm1的耦合系数达到最大；另外，又通过在扇形调制区内设置径向调制区，从而进一步增大LP01模式-LPmn模式的耦合系数，实现LP01模式-LPmn模式的高效转换；
3)本发明模式转换器的纤芯通过拉制和拉锥而成，工艺简单，制作成本低；
4)本发明模式转换器为全光纤模式转换器，模式转换带宽大。
附图说明
图1是本发明涉及到的扇形调制区内的第i个径向调制区位置及宽度wi的示意图；
图2是本发明全光纤型模式转换器的组成框图；
图3是本发明优选的模式耦合器的结构示意图；
图4是本发明实施例一、三的全光纤型模式转换器中的模式转换光纤的横截面示意图；
图5是本发明实施例二、四的全光纤型模式转换器中的模式转换光纤纤芯的横截面示意图；
附图说明：1-输入端；2-模式耦合器，3-输出端，21-模式转换光纤，22-固定胶，23--金属保护套，211-包层，212-扇形调制区纤芯组件，213-其它纤芯组件，214-复合有径向调制区的扇形调制区纤芯组件，a-径向调制区。
具体实施方式
图2是本发明全光纤型模式转换器的组成框图，总体而言，本发明全光纤型模式转换器由三部分组成，模式耦合器2，分连于模式耦合器两端的用于输入的输入端1和用于输出的输出端2。
模式耦合器2包括模式转换光纤，模式转换光纤采用单芯结构，为一拉制的光纤，并通过拉锥而成，其一端的纤芯直径与输入端光纤的直径相同，另一端的纤芯直径与输出端光纤的直径相同。
输入端1光纤与模式转换器2中模式转换光纤的一端如左端熔接，输出端3光纤与模式转换器2中模式转换光纤的另一端如右端熔接。
图3为本发明优选的模式耦合器的结构示意图。该模式耦合器包括模式转换光纤21、固定胶22以及金属保护套23。模式转换光纤21通过固定胶22粘固在金属保护套23的内部。
本发明中，模式转换光纤的纤芯大体上讲有两种不同的类型，横截面分别如图4、5所示。其中，图4为模式转换光纤横截面的结构示意图，其包括包层211和纤芯，其耦合区纤芯存在一扇形调制区212，如图所示，该段纤芯由扇形调制区纤芯组件212和其它纤芯组件213两部分组成。纤芯213的折射率nco与包层211的折射率nclad差Δ＝nco-ncladding(ncladding同nclad)满足弱导条件，即Δ＜＜1。扇形调制区纤芯212的折射率为n′co，满足关系nco＜n′co，该区纤芯的扇形张角θ满足m为不等于0的整数，也为模式LPm1或者LPmn的角向指数。
图5为模式转换光纤耦合区纤芯的横截面的示意图。区别于图4中纤芯，该段纤芯由复合有径向调制区a的扇形调制区纤芯组件214和其它纤芯组件213两部分组成。径向调制区a为分布在扇形调制区内以扇形顶点为圆心的圆弧，圆弧的度数也为θ。图中，ρi对应的径向调制区并非是对该径向调制区结构的示意，仅用于表示省略。
为使本发明方案更加清楚，下面将结合具体实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种LP01模式到LPm1模式全光纤型模式转换器，其工作流程：
S1、待转换的LP01模式通过图2中的输入端1的单模光纤传输到模式耦合器2中；
S2、在模式耦合器2中LP01模式通过图4中的扇形调制区纤芯组件212耦合到模式角向阶数为m(m为整数)的LPm1中；
S3、转换后的模式LPm1通过熔接在模式耦合器2另一端即右端的输出端3的多模光纤(支持LPm1模式传输)输出，实现LP01模式到LPm1模式的高效转换。
其中，在S1中，要求单模光纤的纤芯直径与模式耦合器的模式转换光纤的接入端芯区直径相同。
在S2中，模式耦合器2中中的模式转换光纤的耦合区长度设定为其中κ为LP01模式和LPm1模式之间的等效耦合系数,为此情况下的参数，β01与βm1分别为调制区内LP01模式和LPm1模式的有效传播常数。
在S3中，要求多模光纤的纤芯直径与模式转换光纤的接入端芯区直径相同。
实施例2
一种LP01模式到LPmn模式全光纤型模式转换器，其工作流程：
S1、待转换的LP01模式通过图2中的输入端1的单模光纤传输到模式耦合器2中；
S2、在模式耦合器2中LP01模式通过模式耦合器中的模式转换光纤的纤芯中的复合有径向调制区的扇形调制区纤芯组件214如图5所示，耦合到模式角向阶数为m，径向阶数为n的LPmn中；
S3、转换后的模式LPmn通过熔接在模式耦合器2另一端即右端的输出端3的多模光纤(支持LPmn模式传输)输出，实现LP01模式到LPmn模式的高效转换。
其中，在S1中，要求输入端1中的单模光纤的纤芯直径与模式耦合器2中的模式转换光纤的接入端(左端)芯区直径相同。
在S2中，模式耦合器2中的模式转换光纤的耦合区长度设定为其中κ为LP01模式和LPmn模式之间的等效耦合系数，为此情况下的参数，β01与βmn分别为调制区内LP01模式和LPmn模式的有效传播常数。
为实现LP01模式到LPmn模式的高效耦合，图5中的扇形调制区复合有n个径向调制区。第i个径向调制区的中心位置ρi(其中i＝1,2…n)位于模场径向函数相应的极值点(贝塞尔函数的极值点)，第i个径向调制区的宽度为wi，其为模场径向函数(贝塞尔函数)第i个极值点两侧的函数值下降到该极值点函数值1/2处的点对应的宽度，如图1所示。
在S3中，输出端3的多模光纤的纤芯直径与模式耦合器2中的模式转换光纤的输出端(左端)芯区直径相同。
实施例3
一种LPm1模式到LP01模式全光纤型模式转换器，其工作流程：
S1、待转换的LPm1模式通过图2中的输入端1(右端)的多模光纤传输到图2中模式耦合器2中；
S2、在图2模式耦合器2中LPm1模式通过纤芯扇形调制区组件(图4中212)耦合到基模的LP01中；
S3、转换后的模式LP01通过熔接在图2中模式耦合器2另一端的输出端3的单模光纤输出，实现LPm1模式到LP01模式的高效转换。
其中，在S1中，输入端1的多模光纤支持LPm1模式的传输，输入端1中的多模光纤的纤芯直径与模式转换光纤的接入端芯区直径相同。
在S2中，模式耦合器中的模式转换光纤的耦合区长度设定为其中κ为LPm1模式和LP01模式之间的等效耦合系数，为此情况下的参数，βm1与β01分别为调制区内LPm1模式和LP01模式的有效传播常数。
在S3中，要求输出端3中的单模光纤的纤芯直径与模式耦合器2中模式转换光纤的接入端芯区直径相同。
实施例4
一种LPmn模式到LP01模式全光纤型模式转换器，其工作流程：
S1、待转换的LPmn模式通过图2中的输入端1的多模光纤传输到图2中的模式耦合器2中；
S2、传输到图2模式耦合器2中的LPmn模式通过模式耦合器2中的模式转换光纤的纤芯中的扇形调制区组件如图5中的214所示，耦合到LP01模式中；
S3、转换后的模式LP01模式通过熔接在图2中模式耦合器2另一端(左端)的输出端3的单模光纤输出，实现LPmn模式到LP01模式的高效转换。
其中，在S1中，要求模式耦合器输入端1的多模光纤支持LPmn模式的传输，且纤芯直径与模式耦合器2模式转换光纤的相应端芯区直径相同。
在S2中，模式耦合器2中的模式转换光纤的耦合区长度设定为其中κ为LPmn模式和LP01模式之间的等效耦合系数，为此情况下的参数，βmn与β01分别为调制区内LPmn模式和LP01模式的有效传播常数。
为实现LPmn模式到LP01模式的高效耦合，图5中的扇形调制区复合有n个径向调制区区。第i个径向调制区的中心位置ρi(其中i＝1,2…n)位于模场径向函数相应的极值点(贝塞尔函数的极值点)，第i个径向调制区的宽度为wi，其为模场径向函数(贝塞尔函数)第i个极值点两侧的函数值下降到该极值点函数值1/2处的点对应的宽度，如图1所示。在S3中，输出端2中的单模光纤的纤芯直径与模式转换光纤2的相应端芯区直径相同。
Claims (7)
1.一种LP01模式-LPmn模式全光纤型模式转换器，包括模式耦合器，所述模式耦合器包括模式转换光纤，还包括连于所述模式耦合器的模式转换光纤的两端，用于输入的输入端和用于输出的输出端；
其特征在于：所述模式耦合器的模式转换光纤采用单芯结构，该模式转换光纤耦合区纤芯存在一扇形调制区，从该段纤芯的横截面上看，其由扇形调制区纤芯组件和其它纤芯组件两部分组成，所述扇形调制区的扇形张角θ满足所述模式转换光纤耦合区的长度满足其中，κ为输入模式和输出模式之间的等效耦合系数，β01与βmn分别为调制区内LP01模式和LPmn模式的有效传播常数。
2.根据权利要求1所述的LP01模式-LPmn模式全光纤型模式转换器，其特征在于：所述扇形调制区内还复合有n个径向调制区，所述径向调制区为分布在所述扇形调制区内以所述扇形顶点为圆心的圆弧，所述圆弧的度数也为θ，所述径向调制区i的中心位置ρi位于模场径向函数相应的极值点，宽度wi为模场径向函数第i个极值点两侧的函数值下降到该极值点函数值1/2处的点对应的宽度。
3.根据权利要求1或2所述的LP01模式-LPmn模式全光纤型模式转换器，其特征在于：所述的模式耦合器的模式转换光纤一端连接单模光纤，该单模光纤支持模式LP01的传输，另一端连接多摸光纤，该多摸光纤支持模式LPmn的传输，所述模式转换光纤一端的光纤作为输入端，另一端则作为输出端。
4.根据权利要求3所述的LP01模式-LPmn模式全光纤型模式转换器，其特征在于：输入端光纤的纤芯直径等于模式转换光纤相应连接端纤芯的直径，输出端光纤的纤芯直径等于模式转换光纤相应连接端纤芯的直径。
5.根据权利要求1或2所述的LP01模式-LPmn模式全光纤型模式转换器，其特征在于：所述模式转换光纤通过拉制而成，并进一步通过拉锥而成。
6.根据权利要求1或2所述的LP01模式-LPmn模式全光纤型模式转换器，其特征在于：所述模式耦合器由模式转换光纤、固定胶以及金属保护套构成，模式转换光纤通过固定胶胶封固定在所述金属保护套内。
7.根据权利要求2所述的LP01模式-LPmn模式全光纤型模式转换器，其特征在于：模式转换光纤包括包层、扇形调制区纤芯组件以及其它纤芯组件，其中，其它纤芯折射率nco与包层的折射率nclad差Δ＝nco-ncl满足弱导条件，即Δ＜＜1，扇形调制区纤芯的折射率为n′co，扇形调制区内的径向调制区的折射率为n″co，满足关系nco＜n′co＜n″co，且仍满足弱导条件。
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