CN110582694B - 非线性测量方法和非线性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量待测量光纤的光学非线性的方法和装置，该待测量光纤设置有具有相互耦合的波导模式的多个芯部。该方法至少包括：准备步骤，布置发射激光的激光源以及获得光强的检测单元；光发射步骤，使激光入射到待测量光纤的特定芯部上；光检测步骤，从待测量光纤的反射光分量中获得生成为光学非线性的结果的特定波长分量的强度；以及分析步骤，基于特定波长分量的强度来获得待测量光纤的光学非线性。

Description

非线性测量方法和非线性测量装置

技术领域

本发明涉及一种非线性测量方法和非线性测量装置，用于测量具有多个耦合空间模式的待测量空间多路复用光纤的光学非线性。

背景技术

在一根光纤中具有多个空间模式(多个芯部和/或多个波导模式)的空分复用光纤(SDMF)可以增加传输信息量的空间密度。因此，期望SDMF作为用于提高有限通信路径(诸如地下管路和海底电缆)的区域的使用效率的技术。

例如，其中波导模式在多个芯部之间耦合的芯部耦合型多芯光纤(CC-MCF)使得多个芯部之间的相互间隔短，因此传输信息量的空间密度得到提高的效果高。用于区分在多个耦合的芯部中传播的多个波导模式中的信号的多输入多输出(MIMO)信号处理技术被一起使用，使得CC-MCF能够以高密度和大容量进行传输。

特别地，CC-MCF中的多个芯部之间的耦合强度被适当设定，并且由于CC-MCF的弯曲或扭曲而引起随机模式耦合，使得模式之间差模延迟(DMD)的累积速度减小至光纤长度的1/2次方。该光纤有利于限制MIMO处理成本。

该光纤被称为模耦合芯部耦合型多芯光纤(CM-CC-MCF)，并且在非专利文献1中公开了该光纤。CM-CC-MCF通常具有1m^-1或更大的芯间模耦合系数或具有10km^-1或更大的芯间功率耦合系数。

与目前广泛用作光传输系统的光传输路径的单芯光纤相比，CM-CC-MCF对于芯部的更高空间密度而言很重要，并且对于由于通过模耦合分散在多个芯部中的光的存在引起光学非线性减小而言也很重要。

另外，“光学非线性现象”表示由于由光电场引起的介质折射率变化而导致的一般普遍现象，并且介质中光学非线性现象的可能性程度被称为“光学非线性”。在广泛使用的石英系光纤中，就光学非线性而言，非线性折射率n₂是主要的，非线性折射率n₂作为与对应于光电场的平方的光强成比例的折射率变化分量。此外，被引导到光纤的芯部的模式的光强具有空间不均匀的分布。然而，可以通过使用有效面积A_eff基于被引导到芯部的光的功率P来导出等效光强P/A_eff。因此，使用非线性常数γ＝k(n₂/A_eff)作为表示光纤的光学非线性的评价指标代替非线性折射率n₂是方便和通用的。这里，k是引导光的波数。

由非线性常数γ表示的光学非线性导致诸如自相位调制、交叉相位调制或四波混频等非线性光学现象。非线性光学现象使传输信号失真，失真信号引起非线性噪声，并且非线性噪声使传输系统的光学信噪比(OSNR)降低。于是，如果传输系统的OSNR降低，则实际传输容量降低到低于理想值。传输系统的价值因此降低。因此，重要的是测量光纤的光学非线性并基于测量结果设计和构造传输系统。

引用列表

非专利文献

非专利文献1：Tetsuya Hayashi,et al.,“Coupled-Core Multi-Core Fibers:High-Spatial-Density Optical Transmission Fibers with Low Differential ModalProperties.”Proc.ECOC 2015,We.1.4.1(2015)

发明内容

技术问题

作为研究上述背景技术的结果，本发明人发现了以下问题。即，已知自相位调制方法为测量常规单芯光纤的光学非线性的一种通用方法。在自相位调制方法中，具有已知光学功率的测量光在待测量光纤的一端入射，并且分析在待测量光纤的另一端发射的测量光的光谱。在光谱分析中，将待测量光纤中通过自相位调制而新产生的弱光与发射的测量光分离并量化。由此，可以确定待测量光纤的非线性常数γ。诸如交叉相位调制方法和四波混频方法等非线性测量方法也是已知的。用于测量光学非线性的常规测量方法没有本质不同，其都在于测量光在光纤的一端入射并且分析在光纤的另一端发射的测量光。

然而，上述用于测量光学非线性的常规测量方法难以应用于测量CM-CC-MCF的光学非线性。这是因为在具有多个芯部的CM-CC-MCF的入射端处入射到一个芯部中的光经受芯间模耦合，并且在出射端处从多个芯部分散和发射。此外，如果仅观察到从CM-CC-MCF的出射端处的多个芯部中的任一个芯部发射的光，则观察结果不稳定。这是因为由于CM-CC-MCF的温度或测量光的波长变化，CM-CC-MCF中的模耦合随机变化。

通过观察同时从CM-CC-MCF出射端处的所有芯部发射的测量光的电场，可以避免上述模耦合问题。然而，需要更大尺寸的光谱仪，以便通过分析同时观察到的测量光的光谱来提取自相位调制分量，因此不容易同时观察到多个测量光。

本发明是为了解决上述问题而作出的，其目的在于提供一种非线性测量方法和非线性测量装置，其能够以简单构造容易地测量待测量光纤的光学非线性，待测量光纤包括具有相互耦合的波导模式的多个芯部。

问题的解决方案

根据本发明的非线性测量方法是测量光纤的步骤，该光纤包括第一端、与第一端相反的第二端、在第一端和第二端之间延伸并具有相互耦合的波导模式的多个芯部、以及包围多个芯部的单个包层，该步骤能够测量待测量光纤的光学非线性，并且根据本发明的非线性测量方法至少包括准备步骤、光发射步骤、光检测步骤和分析步骤。准备步骤是准备激光源和检测单元的步骤，激光源和检测单元中的每个光学连接到待测量光纤在第一端处的多个芯部中的任一个特定芯部。光发射步骤是将来自激光源的激光(测量光)在第一端处输入到特定芯部的中的步骤。光检测步骤是使响应于入射到特定芯部中的激光而在第一端处从特定芯部发射的光(后向传播光)被检测单元接收的步骤。此外，光检测步骤是确定检测单元所接收的光中包括的波长分量中的由待测量光纤的光学非线性引起的特定波长分量的强度的步骤。分析步骤是基于特定波长分量的强度来确定待测量光纤的光学非线性的步骤。

发明的有益效果

根据本发明，可以以简单的构造容易地测量包括具有相互耦合的波导模式的多个芯部的待测量光纤的光学非线性。

附图说明

图1是示出使用根据本实施例的非线性测量装置1的测量系统的示例性构造的图。

图2是示出布里渊后向散射光沿待测量光纤2的纵向的示例性功率分布的图。

图3是用于说明根据本实施例的示例性非线性测量方法的流程图。

图4是示出使用根据本实施例的非线性测量装置1的测量系统的另一示例性构造的图。

具体实施方式

[本发明实施例的描述]

首先将分别描述本发明的实施例的内容。

(1)根据该实施例的非线性测量方法涉及测量光纤，该光纤包括：第一端；与第一端相反的第二端；多个芯部，其在第一端和第二端之间延伸并具有相互耦合的波导模式；以及围绕多个芯部的单个包层，并且根据该实施例的非线性测量方法能够测量待测量光纤的光学非线性。作为一个方面，非线性测量方法至少包括准备步骤、光发射步骤、光检测步骤和分析步骤。在准备步骤中，准备激光源和检测单元，激光源和检测单元各自光学连接到待测量光纤的第一端处的多个芯部中的任一个特定芯部。在光发射步骤中，来自激光源的激光从第一端入射到特定芯部中。在光检测步骤中，检测单元接收响应于入射到特定芯部中的激光而在第一端处从特定芯部发射的光。此外，在光检测步骤中，确定检测单元所接收的光中包括的波长分量中的由待测量光纤的光学非线性引起的特定波长分量的强度。在分析步骤中，基于特定波长分量的强度来确定待测量光纤的光学非线性。

(2)作为本实施例的一个方面，非线性测量方法还可以包括入射光功率测量步骤，用于测量从激光源发射并在光发射步骤中入射到特定芯部中的激光的功率。在这种情况下，在分析步骤中，基于特定波长分量的强度和激光的功率来确定待测量光纤的光学非线性。

(3)作为本实施例的一个方面，激光源和待测量光纤的第一端之间的光路，以及检测单元和第一端之间的光路可以通过使用具有已知光学非线性的参考光纤而部分地共用。在布置用于共用光路的参考光纤的构造中，经由参考光纤从激光源到达第一端的激光在光发射步骤中从第一端入射到特定芯部中。另一方面，在光检测步骤中，检测单元经由参考光纤接收从待测量光纤的特定芯部在第一端发射的光。在分析步骤中，待测量光纤的光学非线性确定为参考光纤的已知光学非线性的相对值。

(4)作为本实施例的一个方面，在光发射步骤中作为激光的脉冲激光可以从第一端入射到特定芯部中，并且可以在光检测步骤中确定特定波长分量的强度的时间变化。在这种情况下，在分析步骤中，基于特定波长分量的强度的时间变化来确定待测量光纤的纵向上的每个位置处的光学非线性。

(5)根据本实施例的非线性测量装置用于实现非线性测量方法，并且作为一个方面，非线性测量装置至少包括激光源、检测单元和分析单元。测量这样的光纤(待测量光纤)：其包括第一端、与第一端相反的第二端、在第一端和第二端之间延伸并具有相互耦合的波导模式的多个芯部、以及包围多个待测量芯部的单个包层。激光源光学连接到待测量光纤的第一端处的多个芯部中的任一个特定芯部。此外，激光源发射激光以从第一端入射到特定芯部中。检测单元光学连接到待测量光纤的第一端处的特定芯部。此外，检测单元接收响应于入射到特定芯部中的激光而在第一端处从特定芯部发射的光。此外，检测单元确定所接收的光中包括的波长分量中的由待测量光纤的光学非线性引起的特定波长分量的强度。分析单元基于特定波长分量的强度来确定待测量光纤的光学非线性。

上述[本发明的实施例的说明]中描述的每个方面适用于所有其余方面中的每一个或所有其余方面的组合。

[本发明的实施例的细节]

下面将参照附图详细描述根据本实施例的非线性测量方法和非线性测量装置的具体构造。本发明不限于这些实例，并且旨在包括在含义和范围上与权利要求书中描述的权利要求中的那些相同的所有变化。此外，在附图描述中相同的部件用相同的附图标记表示，并且将省略其重复描述。

假设一般非线性常数γ作为表示光纤的光学非线性的评价指标，在上面的式子k(n₂/A_eff)中定义了非线性常数γ。式子中的波数k表示测量光的波长，并且是已知的。n₂通过待测量光纤中芯部的材料已知。有效面积A_eff是未知的。在CM-CC-MCF中，非线性由于如上所述的模式耦合而降低，因此有效面积A_eff等效地受模式耦合的影响。此外，模式耦合受到施加到CM-CC-MCF的弯曲或扭曲的影响。因此，与在单芯光纤中相比，更难以事先预期有效面积A_eff。

由玻璃中的声波引起的布里渊散射也是与有效面积A_eff成反比的一种非线性光学效应。然而，与非线性常数γ的效应不同，布里渊散射引起与声波频率相对应的频移(frequency shift)。石英玻璃的频移约为10GHz。这是光学频率的微小差异。因此，可以假设由入射到待测量光纤中的测量光引起的布里渊后向散射光的模式耦合以与引起测量光的模式耦合相同的方式引起。下面描述的根据本实施例的非线性测量方法和非线性测量装置基于在待测量光纤中引起的布里渊后向散射光(向后传播光)的强度来确定待测量光纤的光学非线性。

图1是示出使用根据本实施例的非线性测量装置1的测量系统的示例性构造(用于测量测量光的功率的示例性构造)的图。图2是示出布里渊后向散射光沿待测量光纤2的纵向的示例性功率分布的图。此外，图3是用于说明根据本实施例的示例性非线性测量方法的流程图。

非线性测量装置1用于测量待测量光纤2的光学非线性，并包括激光源11、检测单元12、分析单元13和光耦合器14。光耦合器14经由多根光纤15至18光学连接到激光源11、检测单元12和待测量光纤2中的特定芯部(图1中所示的芯部中测量光入射的芯部)21中的每个。即，激光源11经由光纤15、光耦合器14和光纤17光学连接到待测量光纤2中的特定芯部21，并且检测单元12经由光纤16、光耦合器14和光纤17光学连接到待测量光纤2中的特定芯部21(准备步骤)。

光纤15是用于将从激光源11发射的测量光传播到光耦合器14的传输路径，并且光纤15的一端光学连接到激光源11的光出射端且光纤15的另一端光学连接到光耦合器14。光纤16是用于将经由光耦合器14行进的布里渊后向散射光传播到检测单元12的传输路径，并且光纤16的一端光学连接到检测单元12的入射端，且光纤16的另一端光学连接到光耦合器14。光纤17是用于使经由光耦合器14行进的测量光和从待测量光纤2中的特定芯部21发射的布里渊后向散射光沿相互反向的方向传播的传输路径，并且光纤17的一端光学连接到特定芯部21，且光纤17的另一端光学连接到光耦合器14。

在图1所示的示例性构造中，在入射到待测量光纤2中的测量光的功率(入射光功率)由检测单元12直接监测的构造(入射光功率测量步骤ST30)中公开了用于将经由光耦合器14行进的测量光引导到检测单元12的光纤18。然而，如下所述，在通过与检测单元12不同的检测单元测量入射光功率的构造中或在不执行入射光功率测量步骤ST30的构造中不需要光纤18。

待测量光纤2是CC-MCF，该CC-MCF包括第一端2a、与第一端2a相反的第二端2b、在第一端2a和第二端2b之间延伸并具有相互耦合的波导模式的多个芯部21、22、以及包围多个芯部21、22的单个包层29。待测量光纤2可以是具有1m^-1或更大的芯间模耦合系数或具有10km^-1或更大的芯间功率耦合系数的CM-CC-MCF。另外，待测量光纤2包括两个或更多个芯部，但是在图1的实例中仅示出了两个或更多个芯部中的两个芯部21和22。

在图1所示的非线性测量装置1中，激光源11输出用于测量待测量光纤2的光学非线性的激光(测量光)。激光源11优选地输出具有单个光学频率的激光，并且优选地输出脉冲激光。

光耦合器14经由光纤15光学连接到激光源11，经由光纤16光学连接到检测单元12，并且经由光纤17光学连接到待测量光纤2的第一端2a处的芯部(特定芯部)21。在光发射步骤ST10中，从激光源11输出的激光依次通过光纤15、光耦合器14和光纤17传播，并且在待测量光纤2的第一端2a处入射到芯部21中。

在图1的实例中，公开了从第一端2a入射激光的特定芯部21和另一个芯部22作为待测量光纤2的多个芯部。在特定芯部21和另一个芯部22之间引起波导模式耦合，因此激光在待测量光纤2的纵向上的某区段中作为局部存在于芯部21中的模式M1传播，在另一区段中作为分散在多个芯部中的模式M2传播，并且在又一区段中作为局部存在于芯部22中的模式M3传播。

激光通过待测量光纤2中的芯部传播，因此引起布里渊散射，并且在纵向上的每个位置处引起布里渊后向散射光。布里渊后向散射光的光学频率低于从激光源11输出的激光的光学频率，但布里渊后向散射光的频移很低(低到可以忽略)。因此，建立了波导模式耦合的互易性(或相互反向传播导致原始路径被遵循(routed))。在待测量光纤2的每个位置处引起的后向散射光在第一端2a处从芯部21输出，并且由于波导模式耦合的互易性而返回到光纤17。

从待测量光纤2的第一端2a处的特定芯部21输出的布里渊后向散射光依次经由光纤17、光耦合器14和光纤16传播，并由检测单元12接收。在光检测步骤ST20中，检测单元12确定由所接收的光中包括的波长分量中的由待测量光纤2的光学非线性引起的特定波长分量(布里渊后向散射光分量)的强度。检测单元12具有光学频率选择性和高速响应性，并检测由布里渊散射引起的后向散射光的功率的时间变化。在图1所示的示例性构造中，穿过光耦合器14的激光的一部分由检测单元12经由光纤18接收，并且确定激光的功率(入射光功率测量步骤ST30)。

在分析步骤ST40中，分析单元13基于由检测单元12确定的布里渊后向散射光的强度来确定待测量光纤2的光学非线性。即使在待测量光纤2中波导模式耦合随机变化，从待测量光纤2的第一端2a处的特定芯部21发射的布里渊后向散射光的强度也是恒定的。根据本实施例的非线性测量装置1和非线性测量方法在透射法上与常规技术不同。因此，根据本实施例，能够以简单的构造容易地测量包括具有相互耦合的波导模式的多个芯部的待测量光纤2的光学非线性。

此外，根据本实施例，如图2所示，测量从待测量光纤2的第一端2a处的芯部21输出的布里渊后向散射光的功率作为时间函数。由此，可以确定待测量光纤2的纵向上的每个位置处的布里渊散射发生效率，或者待测量光纤2的纵向上的每个位置处的局部有效面积A_eff。举例来说，已知布里渊散射是与有效面积A_eff成反比的一种非线性光学效应，并且在检测单元12中获得的布里渊后向散射光的强度P_OUT与从激光源11发射的入射光功率P_IN之间建立P_OUT＝k_p·(P_IN/A_eff)(k_p是已知的比例常数)的关系。因此，如果有效面积A_eff由布里渊后向散射光的强度P_OUT与入射光功率P_IN之间的关系确定，则非线性常数γ因此可以被确定为待测量光纤2的光学非线性。

为了确定有效面积A_eff的绝对值，需要关于入射到待测量光纤2中的激光的功率(入射光功率)的信息。因此，在入射光功率测量步骤ST30中，测量入射到特定芯部21中的激光的功率。将光学分支装置插入激光源11与待测量光纤2之间的光路上，从而测量入射光功率。在图1所示的示例性构造中，光耦合器14用作分支装置。此外，在除了如图1所示的示例性构造那样直接监测入射光功率的构造之外的构造中，可以执行入射光功率测量步骤ST30。例如，可以如下执行入射光功率测量步骤ST30：在通过检测单元12进行布里渊后向散射光强测量(光检测步骤ST20)之后，在图1的虚线19所示的位置处，在一端处切割待测量光纤2，并且测量从激光源11到达的激光的功率(入射光功率)。

入射光功率测量步骤ST30对于获得入射到待测量光纤2中的激光功率的信息不一定是必需的。例如，可以基于激光源11的驱动电流或饱和特性的信息来测量激光输出。此外，可以通过使用具有已知光学非线性或已知A_eff的光纤来确定待测量光纤2的光学非线性。

图4是示出使用根据本实施例的非线性测量装置1的测量系统的另一示例性构造(不需要测量测量光的功率的示例性构造)的图。在图4所示的示例性构造中，在非线性测量装置1与待测量光纤2之间插入具有已知光学非线性或已知A_eff的参考光纤3，而不是测量入射到特定芯部21中的激光的功率。即，在图4所示的示例性构造中，参考光纤3被插入作为构成激光源11与待测量光纤2的第一端2a之间光路的一部分以及构成检测单元12与第一端2a之间光路的一部分的共用光路。图4所示的非线性测量装置1不包括用于监测入射光功率的部件(由光纤18构成的传输路径)。参考光纤3包括一个或多个芯部31、以及围绕芯部31的单个包层39。优选的是，参考光纤3的芯部31的成分与待测量光纤2的芯部21和22的成分基本相同。

在图4所示的示例性构造中，从激光源11输出的激光经由参考光纤3从待测量光纤2的第一端2a入射到特定芯部21中。另一方面，经由参考光纤3由检测单元12接收从待测量光纤2的第一端2a处的特定芯部21发射的布里渊后向散射光。此外，在参考光纤3中引起的布里渊后向散射光也由检测单元12接收。通过分析单元13，基于参考光纤3和待测量光纤2的每一个中引起的布里渊反向散射光的强度的比率，然后将待测量光纤2的光学非线性确定为参考光纤3的已知光学非线性的相对值。

附图标记列表

1……非线性测量装置；2……待测量光纤；2a……第一端；2b……第二端；3……参考光纤；11……激光源；12……检测单元；13……分析单元；14……光耦合器；15至17……光纤；21、22……芯部；29……包层；31……芯部；和39……包层。

Claims (6)

1.一种用于测量待测量光纤的光学非线性的非线性测量方法，所述待测量光纤包括第一端、与所述第一端相反的第二端、在所述第一端和所述第二端之间延伸并具有相互耦合的波导模式的多个芯部、以及围绕所述多个芯部的单个包层，所述非线性测量方法包括：

准备步骤，准备激光源和检测单元，所述激光源和所述检测单元中的每个光学连接到所述待测量光纤的所述第一端处的所述多个芯部中的任一个特定芯部；

光发射步骤，将来自所述激光源的激光在所述第一端处输入到所述特定芯部中；

光检测步骤，在所述检测单元接收响应于入射到所述特定芯部中的所述激光而在所述第一端处从所述特定芯部发射的光之后，确定所述检测单元所接收的光中包括的波长分量中由所述待测量光纤的光学非线性引起的特定波长分量的强度；以及

分析步骤，基于所述特定波长分量的强度通过确定局部有效面积来确定所述待测量光纤的光学非线性，

通过测量布里渊后向散射光的功率作为时间函数，确定所述待测量光纤的纵向上的每个位置处的所述局部有效面积。

2.根据权利要求1所述的非线性测量方法，还包括：入射光功率测量步骤，测量入射到所述特定芯部中的所述激光的功率，其中

所述分析步骤基于所述特定波长分量的强度和所述激光的功率来确定所述光学非线性。

3.根据权利要求1或2所述的非线性测量方法，其中，

在所述光发射步骤中，所述激光经由具有已知光学非线性的参考光纤入射到所述特定芯部中，所述参考光纤作为构成所述激光源与所述第一端之间的光路的一部分以及构成所述检测单元与所述第一端之间的光路的一部分的共用光路，

在所述光检测步骤中，所述检测单元经由所述参考光纤接收在所述第一端处从所述特定芯部发射的光，并且

在所述分析步骤中，将所述待测量光纤的光学非线性确定为所述参考光纤的所述已知光学非线性的相对值。

4.根据权利要求1或2所述的非线性测量方法，其中，

在所述光发射步骤中，作为所述激光的脉冲激光在所述第一端处入射到所述特定芯部中，

在所述光检测步骤中，确定所述特定波长分量的强度的时间变化，并且

在所述分析步骤中，基于所述特定波长分量的强度的所述时间变化来确定所述待测量光纤的纵向上的每个位置处的光学非线性。

5.根据权利要求3所述的非线性测量方法，其中，

在所述光发射步骤中，作为所述激光的脉冲激光在所述第一端处入射到所述特定芯部中，

在所述光检测步骤中，确定所述特定波长分量的强度的时间变化，并且

在所述分析步骤中，基于所述特定波长分量的强度的所述时间变化来确定所述待测量光纤的纵向上的每个位置处的光学非线性。

6.一种用于测量待测量光纤的光学非线性的非线性测量装置，所述待测量光纤包括第一端、与所述第一端相反的第二端、在所述第一端和所述第二端之间延伸并具有相互耦合的波导模式的多个芯部、以及围绕所述多个芯部的单个包层，所述非线性测量装置包括：

激光源，其光学连接到所述待测量光纤的所述第一端处的所述多个芯部中的任一个特定芯部，并且构造成发射激光以在所述第一端处入射到所述特定芯部中；

检测单元，其光学连接到所述待测量光纤的所述第一端处的所述特定芯部，所述检测单元在接收响应于入射到所述特定芯部中的所述激光而在所述第一端处从所述特定芯部发射的光之后，确定所接收的光中包括的波长分量中由所述待测量光纤的光学非线性引起的特定波长分量的强度；以及

分析单元，其构造为基于所述特定波长分量的强度通过确定局部有效面积来确定所述待测量光纤的光学非线性，

通过测量布里渊后向散射光的功率作为时间函数，确定所述待测量光纤的纵向上的每个位置处的所述局部有效面积。

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