CN110261954B

CN110261954B - 一种长周期光纤光栅滤模器

Info

Publication number: CN110261954B
Application number: CN201910574716.5A
Authority: CN
Inventors: 陈明阳; 龚道磊; 张媛; 童宇
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Nantong Ningjing Information Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2020-08-28
Anticipated expiration: 2039-06-28
Also published as: CN110261954A

Abstract

本发明提供了一种长周期光纤光栅滤模器，包括：光纤，包括纤芯和包层，光纤在工作波长处支持LP_mn模的传输，m≥1，n≥1；S段(S≥2)长周期光纤光栅，从上至下依次写入在纤芯内，长周期光纤光栅的中心轴线与纤芯的中心轴线平行，且纤芯的中心轴线位于长周期光纤光栅外，上下相邻两个长周期光纤光栅的轴线在光纤的端面投影点分别为O_i和O_i+1，纤芯1中心轴线在光纤的端面投影点为O，连线O_iO和连线O_i+1O之间的夹角满足180°/m，每两段长周期光纤光栅之间至少有一段不短于0mm的光纤；本发明能够对光纤的LP_mn模中的一个简并模滤除，提高模式的纯度，起到减少模式间串扰的作用，实现低损耗传输。

Description

一种长周期光纤光栅滤模器

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及一种长周期光纤光栅滤模器。

背景技术

随着人们对信息需求的日益增长，单模光纤的容量通过波分复用、偏分复用和时分复用等技术的充分开发，其传输容量已经接近极限。为进一步增加光纤的传输能力，人们提出了模分复用技术，早期该技术使用的是多模光纤，但由于在中等距离传输过程中，由于外界因素会使多模光纤的模式随机耦合，而长距离传输则会使模式色散增强。之后便提出了基于少模光纤的模分复用技术，即将少模光纤中的不同模式作为独立的信道传输不同信息。模式复用器/解复用器是模分复用系统的一个关键组成部分，用于组合/分离少模光纤中的空间模式。

在光纤通信应用中，模式复用器/解复用器应具备低串扰的特点，即不需要的模式的输出能量应该远低于所需模式。为降低其串扰，可以在模式复用器/解复用器上使用滤模器，在所需模式保持低串扰传输的同时滤除不需要的模式。其中，基于长周期光纤光栅的模式转换器能够为模式复用器/解复用器提供较大的工作带宽。在模分复用系统中，模式转换主要是指将基模转换到其他高阶模或将高阶模转换到基模的过程。例如，单模光纤可以产生基模，但是产生高阶模则需要由基模转化而成，对于转化而来的高阶模LP₁₁模来说，它有两个简并模(传播常数相同)为避免这两个LP₁₁模之间的随机耦合，就需要滤模器将其中一个简并模滤除，保留另一个简并模进行低损耗、低串扰传输。

性能良好的滤模器可直接提高整个空分复用系统的通信质量，然而目前并没有出现适合滤除高阶模的滤模器。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种长周期光纤光栅滤模器，能够对光纤的LP_mn模中的一个简并模滤除，提高模式的纯度，起到减少模式间串扰的作用，实现低损耗传输。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种长周期光纤光栅滤模器，包括：

光纤，包括纤芯和包层，所述光纤在工作波长处支持LP_mn模的传输，m≥1，n≥1；

S段(S≥2)长周期光纤光栅，从上至下依次写入在所述纤芯内，所述长周期光纤光栅的横截面均为圆形，所述长周期光纤光栅的中心轴线与所述纤芯的中心轴线平行，且所述纤芯的中心轴线位于所述长周期光纤光栅外，上下相邻两个长周期光纤光栅的轴线在所述光纤的端面投影点分别为O_i和O_i+1，所述纤芯1中心轴线在所述光纤的端面投影点为O，连线O_iO和连线O_i+1O之间的夹角满足180°/m，每两段长周期光纤光栅之间至少有一段不短于0mm的光纤；

其中，S段长周期光纤光栅级联形成滤模结构，使所述光纤的LP_mn模的其中一个简并模与包层模发生耦合，而另一个简并模不发生耦合。

优选地，所述光纤为少模阶跃光纤，其归一化频率V>2.405，

其中a为所述纤芯的半径，λ为工作波长，n_core(λ)为波长为λ时的纤芯折射率，n_clad(λ)为波长为λ时的包层折射率。

优选地，从上至下相邻两段所述长周期光纤光栅组成一个光栅组，整个结构包括P个光栅组，其中，P＝S/2，P>1，P为整数，对于同一所述光栅组的两个所述长周期光纤光栅的周期相同，调制深度也相同。

优选地，中心轴线处于同一直线上的各段所述长周期光纤光栅的周期相同，调制深度也相同。

优选地：所述长周期光纤光栅的半径满足：r_i<a/2，其中，r_i为第i段(i＝1～S)长周期光纤光栅的半径。

优选地，相邻两个光栅组的中心波长之间满足：λ_j+1≤λ_j+Δλ/2，这里λ_j为从上至下第j个光栅组的中心波长，j＝1:P-1，Δλ为长周期光纤光栅的工作带宽。

优选地，所述长周期光纤光栅为非切趾光栅。

本发明的有益效果：

本发明对于同一偏振下具有两个模场分布的高阶模，例如LP₁₁模、LP₂₁模等，它们均为四重简并模，其模场分布满足旋转对称性，本发明提出由S段(S≥2)长周期光纤光栅级联组成滤模结构，根据LP_mn模的模场分布结构对称性的特点，设计上下相邻两个长周期光纤光栅之间的角度，使得滤模结构中各个长周期光纤光栅的分布与LP_mn模的模场分布结构的对称性相对应，以实现对其中一个简并模进行模式滤除，而保留另外一个简并模，从而提高模式的纯度，起到减少模式间串扰的作用，实现低损耗传输。

本发明采用少模阶跃光纤结构实现对包层模的滤除，从而增大了工作带宽。并且，该滤模结构对纤芯基模(LP₀₁)的损耗很小。

附图说明

图1为本发明所述一种长周期光纤光栅滤模器的结构示意图一；

图2为本发明所述相邻两段长周期光纤光栅的位置关系示意图；

图3为本发明所述相邻两段长周期光纤光栅的端面投影图；

图4为本发明所述一种长周期光纤光栅滤模器的结构示意图二；

图5为图4中长周期光纤光栅的端面投影图

图6为实施例一中单个非切趾光栅写入整个光纤纤芯条件下，LP₁₁模的归一化输出能量与传输距离的关系图

图7为实施例一中传输光波长为1550nm时，多段级联的非切趾光纤长周期光栅中LP_11a模和LP_11b模的归一化输出能量与传输距离的关系图；

图8为实施例一中多段级联的非切趾长周期光栅(光栅中心波长为1550nm)LP_11a模和LP_11b模能量随波长的关系图。

图9为实施例二中，传输光波长为1550nm时，多段级联的长周期光栅中LP_21a模和LP_21b模的归一化输出能量与传输距离的关系图；

图10为实施例二中，多段级联的长周期光栅(光栅中心波长为1550nm)LP_11a模和LP_11b模能量随波长的关系图。

附图标记：1-纤芯；2-包层；3-长周期光纤光栅。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的一种长周期光纤光栅滤模器，包括光纤和S段(S≥2)长周期光纤光栅，光纤为少模光纤，少模光纤的纤芯半径大于单模光纤，使得纤芯内传输的模式有纤芯基模，以及LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂模等高阶模。其中，LP₁₁、LP₂₁模各自都有两个简并模，它们的模场分布均满足旋转对称性；则可根据其结构对称性的特点，分别设计出相应的光栅级联滤模结构。

具体地，少模光纤包括纤芯1和包层2，光纤在工作波长处支持LP_mn模的传输，其中m≥1，n≥1，且m和n均为整数。S段(S≥2)长周期光纤光栅3从上至下依次写入在所述纤芯1内，S段长周期光纤光栅3级联形成滤模结构，所述长周期光纤光栅3的横截面均为圆形，长周期光纤光栅3的中心轴线与纤芯1的中心轴线平行，且纤芯1的中心轴线位于长周期光纤光栅3外，对于任一段长周期光纤光栅3，其所在光纤区间，均不存在其它长周期光纤光栅3，即每两段长周期光纤光栅3之间至少有一段不短于0mm的光纤；如图2和图3所示，上下相邻两个长周期光纤光栅3的轴线在光纤的端面投影点分别为O_i和O_i+1，纤芯1中心轴线在光纤的端面投影点为O，连线O_iO和连线O_i+1O之间的夹角α满足180°/m，由于LP_mn模的模场分布结构对称性的特点，设计上下相邻两个长周期光纤光栅3之间的角度满足180°/m，使得滤模结构中各个长周期光纤光栅3的分布与LP_mn模的模场分布结构的对称性相对应，使光纤的LP_mn模的其中一个简并模与包层模发生耦合，而另一个简并模不发生耦合，从而提高模式的纯度，起到减少模式间串扰的作用，实现低损耗传输。

作为优选，本实施例中的长周期光纤光栅3为非切趾光栅，光纤为少模阶跃光纤，其归一化频率V>2.405，

其中a为纤芯1的半径，λ为工作波长，n_core(λ)为波长为λ时的纤芯1折射率，n_clad(λ)为波长为λ时的包层2折射率。

作为优选，本实施例中从上至下相邻两段长周期光纤光栅3组成一个光栅组，整个结构包括P个光栅组，其中，P＝S/2，P>1，P为整数，对于同一光栅组的两个长周期光纤光栅3的周期相同，调制深度也相同。中心轴线处于同一直线上的各段长周期光纤光栅3的周期相同，调制深度也相同。每个光栅组可以取不同的周期和调制深度，因而每个光栅组可以滤除不同的模式，从而实现对光纤中多个模式的滤除。

作为优选，本实施例中相邻两个光栅组的中心波长之间满足：λ_j+1≤λ_j+Δλ/2，这里λ_j为从上至下第j个光栅组的中心波长，j＝1:P-1，Δλ为长周期光纤光栅3的工作带宽。长周期光纤光栅3的半径满足：r_i<a/2，其中，r_i为第i段(i＝1～S)长周期光纤光栅3的半径。通过将不同中心波长的光栅级联，能够有效增大其滤模工作波长范围，以实现宽带工作。

以下为本发明的两个较佳实施例，并结构较佳实施例说明本发明的设计原理。

实施例一

如图1所示，少模光纤的纤芯1半径为5um，包层2半径为62.5um，在纤芯1内写入7段级联的长周期光纤光栅3，相邻两段长周期光纤光栅3的中心轴线与纤芯1中心轴线在光纤端面投影连线的夹角α满足180°，即m＝1；总长度L＝36mm，每段长周期光纤光栅3的周期Λ＝200um，每段长周期光纤光栅3与纤芯1边缘之间的距离d_i(i＝1、2、…、7)均为0.1um，第一段长周期光纤光栅3的半径为r₁＝1.4um，长度为4mm，第二段长周期光纤光栅3的半径为r₂＝1.4um，长度为4mm，一、二段光栅之间的圆心距离c₁＝7.0um；接着第三段长周期光纤光栅3的半径为r₃＝1.5um，长度为5mm，二、三段长周期光纤光栅3之间的圆心距离c₂＝6.9um；第四段长周期光纤光栅3的半径为r₄＝1.4um，长度为4mm，三、四段长周期光纤光栅3之间的圆心距离c₃＝6.9um；第五段长周期光纤光栅3的半径为r₅＝1.4um，长度为5mm，四、五段长周期光纤光栅3之间的圆心距离c₄＝7.0um；然后，第六段长周期光纤光栅3的半径为r₆＝1.3um，长度为4mm，五、六段长周期光纤光栅3之间的圆心距离c₅＝7.1um；最后，第七段长周期光纤光栅3的半径为r₇＝1.5um，为10mm，六、七段长周期光纤光栅3之间的圆心距离c₆＝7.0um。长周期光纤光栅3对应的中心波长均为1.55um，光纤的LP_11a模衰减10dB对应的波长范围为1548.6～1551.2nm，LP_11b模在该波长范围内能量损耗小于0.5％，该滤模器的工作带宽为3.6nm。

由于LP₁₁模式的两个简并模的模场分别是沿横向分布和纵向分布，根据模式耦合原理，LP₁₁模与包层LP_1n(n>1)模发生耦合，为便于说明，这里假设与包层模发生耦合的为模场沿横向分布的LP₁₁模，简记为LP_11a模，而另一个不发生耦合的纵向模场，简记为LP_11b模。本发明的实施例一，根据LP₁₁模模场分布特点，采用多段光栅级联结构，如图1-3所示，设计了相邻两段长周期光纤光栅3的夹角α满足180°，即m＝1，按长周期光纤光栅3匹配条件，光栅的周期满足Λ＝λ/(n_o(λ)-n_c(λ))，其中λ为光栅的中心波长，n_o(λ)为光纤LP₁₁模的有效折射率，n_c(λ)为包层模的有效折射率。在实际使用时，光从输入端进入该滤模器后，LP₁₁横向分布的模场在光栅中传输时，由光栅理论，满足相位匹配条件的两个模式将发生能量耦合，即光栅可实现光纤的LP_11a模与包层模之间的转换。包层模因无法有效传输而被泄露。这样，光纤的LP_11a模先经光栅转换为包层模，然后包层模被泄露，从而实现将LP_11a模滤除的目的，从而避免包层模再次经光栅进入光纤的纤芯1。而LP_11b模的沿纵向分布的两个模场不经过或很少部分经过光栅，从而得以保留。

写入的多段长周期光纤光栅3均采用非切趾型光栅结构，由图7可见，LP_11a模由于满足光栅匹配可以发生完全的能量转换。图6给出光纤的LP₁₁模在单个非切趾光栅写入整个光纤纤芯1条件下，LP₁₁模的归一化输出能量传输情况，由图可见，这种情况下LP₁₁模两个简并模无差别地全都滤除了，显然不符合要求。所以考虑采用多个级联的光纤光栅结构，如图1可见，写入的多段长周期光纤光栅3级联组成滤模结构只针对LP₁₁其中一个方向分布的简并模，而另一个简并模的模场不经过光栅。基于这样的原理，本发明采用如图1所示的结构，多段长周期光纤光栅3与纤芯1边缘之间的距离d_i(i＝1、2、…)均等于0.1um。图7则为多个级联的非切趾光纤光栅中LP_11a模和LP_11b模能量与传输距离的关系，在保留LP_11b模的前提下，使LP_11a模与包层模发生很好地耦合，达到了滤除LP_11a模的目标。图8为多个级联的非切趾光栅(光栅中心波长为1550nm)LP_11a模和LP_11b模能量随波长的曲线图，由图8可见，其工作波长范围为1548.6～1551.2nm，工作带宽为3.6nm。

实施例二

如图4所示，少模光纤的纤芯1半径为11um，包层2半径为62.5um，在纤芯1内写入6段级联的长周期光纤光栅3，相邻两段长周期光纤光栅3的中心轴线与纤芯1中心轴线在光纤端面投影连线的夹角α满足90°，即m＝2；且这六段光栅在纤芯1中沿顺时针呈螺旋阶梯式排布；该滤模器总长度L＝85mm，每段光栅周期Λ＝200um；第一段长周期光纤光栅3的半径为r₁＝2.25um，长度为13mm，第一段长周期光纤光栅3与纤芯1边缘之间的距离d₁＝0.75um，第二段长周期光纤光栅3的半径为r₂＝2.0um，长度为14mm，与纤芯1边缘之间的距离d₂＝2um，一、二段长周期光纤光栅3之间的圆心距离c₁＝10.6um；接着第三段长周期光纤光栅3的半径为r₃＝2.5um，长度为13.5mm，与纤芯1边缘之间的距离d₃＝0.5um，二、三段长周期光纤光栅3之间的圆心距离c₂＝10.6um；第四段长周期光纤光栅3的半径为r₄＝2.25um，长度为14mm，与纤芯1边缘之间的距离d₄＝1.25um，三、四段长周期光纤光栅3之间的圆心距离c₃＝10.97um；第五段长周期光纤光栅3的半径为r₅＝12.1um，长度为14.5mm，与纤芯1边缘之间的距离d₅＝3.3um，四、五段长周期光纤光栅3之间的圆心距离c₄＝9.4um；第六段长周期光纤光栅3的半径为r₆＝2.5um，长度为17mm，与纤芯1边缘之间的距离d₅＝3.0um，五、六段长周期光纤光栅3之间的圆心距离c₅＝7.85um；长周期光纤光栅3对应的中心波长均为1.55um，光纤的LP_21a模衰减10dB对应的波长范围为1540～1556.2nm，LP_21b模在该波长范围内能量损耗小于9％，该滤模器的工作带宽为16.2nm。

如图4所示，LP₂₁模式有两个简并模，这里分别记为LP_21a模和LP_21b模，由于它们之间存在一个45°的旋转对称角，设计了相邻两段长周期光纤光栅3的中心轴线与纤芯1中心轴线在光纤端面投影连线的夹角α满足90°，即m＝2，且这六段长周期光纤光栅3在纤芯1中沿顺时针呈螺旋阶梯式依次排布，如图4所示；则可以使光纤LP₂₁模的沿其中一个方向分布的简并模LP_21a模与包层模发生耦合，另一个简并模LP_21b模的模场因为不经过光栅而不发生耦合，从而实现只对LP₂₁模其中一个简并模的滤除。图9则为多段级联光栅中LP_21a模和LP_21b模能量与传输距离的关系，在保留LP_21b模的前提下，使LP_21a模与包层模发生很好地耦合，基本达到了滤除LP_21a模的目标。图10为多个级联的光栅(光栅中心波长为1550nm)LP_21a模和LP_21b模能量随波长的曲线图，由图可见，其工作波长范围为1540～1556.2nm，工作带宽为16.2nm。

综上，本发明采用多段长周期光纤光栅3级联组成的滤模结构，使少模光纤支持传输的高阶模LP_mn模(m、n＝1，2，3...)的其中一个简并模与包层模发生耦合，而另一个简并模不发生耦合，从而实现对单个简并模的滤除。本发明可以用在少模光纤通信的模分复用中，以实现对模式的滤除，提高模式的纯度，起到减少模式间串扰的作用。

实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种长周期光纤光栅滤模器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅滤模器，其特征在于，所述光纤为少模阶跃光纤，其归一化频率V>2.405，

3.根据权利要求1所述的长周期光纤光栅滤模器，其特征在于，从上至下相邻两段所述长周期光纤光栅组成一个光栅组，整个结构包括P个光栅组，其中，P＝S/2，P>1，P为整数，对于同一所述光栅组的两个所述长周期光纤光栅的周期相同，调制深度也相同。

4.根据权利要求1所述的一种长周期光纤光栅滤模器，其特征在于，中心轴线处于同一直线上的各段所述长周期光纤光栅的周期相同，调制深度也相同。

5.根据权利要求1所述的一种长周期光纤光栅滤模器，其特征在于，所述长周期光纤光栅的半径满足：r_i<a/2，其中，a为所述纤芯的半径，r_i为第i段(i＝1～S)长周期光纤光栅的半径。

6.根据权利要求3所述的一种长周期光纤光栅滤模器，其特征在于，相邻两个光栅组的中心波长之间满足：λ_j+1≤λ_j+Δλ/2，这里λ_j为从上至下第j个光栅组的中心波长，j＝1:P-1，Δλ为长周期光纤光栅的工作带宽。

7.根据权利要求1所述的一种长周期光纤光栅滤模器，其特征在于，所述长周期光纤光栅为非切趾光栅。