CN110967791B - 一种基于锥形的孔助双芯光纤模式转换器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤通信领域，特别涉及一种基于锥形的孔助双芯光纤模式转换器领域。一种基于锥形的孔助双芯光纤模式转换器，包括：中间芯1，悬挂芯2，单模光纤3，孔助双芯光纤4，孔助双芯光纤空气孔5，显微物镜6，红外CCD相机7，单模光纤3与中间芯1直接正对焊接，悬挂芯2紧贴孔助双芯光纤空气孔5内壁，悬挂芯3边缘距离中间芯1边缘2‑7微米。本发明的有益效果是：所述模式转换器采用具有特殊结构的孔助双芯光纤，即单根光纤具有单模和高阶模式的双芯结构，实现了模式在单根光纤的转换，器件小集成度高，制作工艺简单。模式转换波长可控，模式转化效率高，转换的高阶模式纯度高。

Description

一种基于锥形的孔助双芯光纤模式转换器

技术领域

本发明属于光纤通信领域，特别涉及一种基于锥形的孔助双芯光纤模式转换器领域。

背景技术

目前，光纤通信因为其传输损耗低、传输频带宽、重量轻、抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀等优势被广泛的运用于石油化工、电力、医学、土木工程等诸多领域。单模光纤因为其传输能量的限制，已经不能满足工业上的需求，而空分复用技术能够提高光纤传输能力，具有克服这一瓶颈的潜力，其运用的光纤是具有多模式的少模光纤或多模光纤。相对于多模光纤，少模光纤有更大的模式色散和严格的模式耦合，因此基于少模光纤的模式空分复用技术得到了更加迅速的发展，人们对少模光纤中的高阶模式及其在模式空分复用系统中的潜在应用的兴趣也显著提高。

模式空分复用技术中两个重要的问题是如何高效的激发少模光纤中的高阶模式和保证高阶模式的纯度。目前关于如何激发高阶模式问题，运用最成熟的技术是模式选择耦合器，分别有两种实现方法，即对称型和非对称型模式转换。

非对称技术产生高阶模式的方法有多种，如长周期光纤光栅、光纤布拉格光栅、声诱导光纤光栅、横向错位拼接技术等。然而这些产生高阶模式的方法都是基于光纤腔中基模震荡的模式转换，因此产生的高阶模式纯度都会因为转换效率和带宽受到极大的限制。光栅型模式转换器依赖于严格的相位匹配和非对称折射率干扰来实现其功能，使器件制作复杂不容易实现。而横向错位拼接技术受限于其需要精准的焊接和人为错位技术，重复率不高。对称型模式转换器主要是通过锥形结构来实现高阶模式的产生，与标准非对称型模式转换器的主要区别在于将近似绝热锥形结构引入到光纤内部，锥形变形仅仅依赖于渐进的绝热模态演化。即如果有一个缓慢的横截面变化，能量可以在一个纤芯的基模和另一个紧挨着的少模纤芯的高阶模式之间转移。也就是说两芯的传播常数只要在锥体结构中间某处相匹配，便能将高阶模式激发出来。

本发明是利用一种基于绝热模态演化机理的锥形孔助双芯光纤实现基模向高阶模式的转换。在输入和输出端是单模光纤与孔助双芯光纤中间芯直接正对焊接，光能量从中间单模芯输入到孔助双芯光纤中，并在孔助双芯光纤的锥形区完成能量从中间芯到悬挂芯的转换。为了观察悬挂芯中高阶模的纯度，可以通过单色光源、单模光纤、锥形孔助双芯光纤、显微物镜和红外CCD相机的连接方式，观察悬挂芯中的模式场图来确定高阶模式的纯度。相比于基于基模震荡原理的光栅型和横向错位模式转换器，其制作简单，转换效率高，相位匹配条件易于实现，且转换的高阶模式纯度高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于锥形的孔助双芯光纤模式转换器。

本发明是这样实现的：

一种基于锥形的孔助双芯光纤模式转换器，包括：中间芯1，悬挂芯2，单模光纤3，孔助双芯光纤4，孔助双芯光纤空气孔5，显微物镜6，红外CCD相机7，单模光纤3与中间芯1直接正对焊接，悬挂芯2紧贴孔助双芯光纤空气孔5内壁，悬挂芯3边缘距离中间芯1边缘2-7微米。

所述孔助双芯光纤4的直径为125微米，中间芯1的直径为8-9微米，悬挂芯2的直径为12-13微米，孔助双芯光纤空气孔(5)的直径为30-50微米。

所述拉锥区域的长度为2-5毫米，拉锥区域光纤最小直径为50-70微米。

本发明的有益效果是：所述模式转换器采用具有特殊结构的孔助双芯光纤，即单根光纤具有单模和高阶模式的双芯结构，实现了模式在单根光纤的转换，器件小集成度高，制作工艺简单。模式转换波长可控，模式转化效率高，转换的高阶模式纯度高。

附图说明

图1是未拉锥的孔助双芯光纤与拉锥后的孔助双芯光纤端面结构图；

图2是锥形孔助双芯光纤模式转换器示意图；

图3是拉锥后孔助双芯光纤中间芯与输出端单模光纤正对芯示意图；

图4是观察锥形孔助双芯光纤模式转换器模式转换示意图；

图5(a)是拉锥前后孔助双芯光纤中间芯传输谱；

图5(b)是有限元法计算的拉锥前后两种转换模式的色散曲线图；

图5(c)是1310纳米处sLP₁₁模式图；

图5(d)是1310纳米处sLP₁₁模式仿真图。

具体实施方式

附图说明：1中间芯，2悬挂芯，3单模光纤，4孔助双芯光纤，5孔助双芯光纤空气孔，6显微物镜，7红外CCD相机。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明属于光纤通信领域，特别涉及一种基于锥形的孔助双芯光纤模式转换器，主要用于基模向高阶模式的转换。

本发明的目的在于提供一种基于锥形的孔助双芯光纤模式转换器。

本发明的目的是这样实现的：一种基于锥形的孔助双芯光纤模式转换器是由光源、单模光纤3、一段孔助双芯光纤4依次相连而成。孔助双芯光纤4输入端是单模光纤3与孔助双芯光纤中间芯1直接正对焊接，光能量是从中间芯1输入到孔助双芯光纤4中，在模式转换区孔助双芯光纤4通过拉锥技术实现中心芯基模和悬挂芯2高阶模间的相位匹配条件。孔助双芯光纤4直径为125微米，中间芯1为单模，直径8-9微米，悬挂芯2紧贴气孔内壁，支持双模传输，直径略大于中间芯1为12-13微米，悬挂芯2边缘距中间芯1边缘2-7微米，孔助双芯光纤空气孔5的直径为30-50微米。双芯光纤的两个纤芯折射率可相同也可不相同，悬挂芯2中的sLP₀₁和sLP₁₁模式与中间芯1的cLP₀₁模式均不满足相位匹配条件。孔助双芯光纤4利用拉锥技术使光纤内的两个纤芯尺寸和距离等比例缩小，利用拉锥区域使中间芯1的cLP₀₁模式和悬挂芯2的sLP₁₁模式满足相位匹配条件，而中间芯1的cLP₀₁模式和悬挂芯2的sLP₀₁模式不满足相位匹配条件,即可使中心芯基模光耦合到悬挂芯2中激发悬挂芯2中的高阶模。拉锥区域的长度为2-5毫米，拉锥区域光纤最小直径为50-70微米，拉锥区域为渐进绝热模态演化过程。可以通过宽带光源、单模光纤3、锥形孔助双芯光纤4、单模光纤3和光谱仪的连接方式，测量光能量在孔助双芯光纤4两纤芯中的转换情况。可以利用显微物镜6和红外CCD相机7，观察锥形孔助双芯光纤4模式转换后的模式图样。具体为：首先一段孔助双芯光纤4与两端单模光纤3正对精准焊接，通过超连续光源、单模光纤3、孔助双芯光纤4、单模光纤3和光谱仪的连接方式，可以得到未拉锥处理时能量在中间芯1的传输情况。之后将孔助双芯光纤4进行拉锥，并实时监测，在拉锥的过程中中间芯1的基模能量会耦合到气孔悬挂芯2的高阶模中，则中间芯基模在匹配波长处会出现损耗峰。根据绝热模态演化机理，在锥形形变过程中，变化的两芯尺寸在某一波长下两个模式的有效折射率会相等，即孔助双芯光纤4的中间芯1和气孔悬挂芯2在拉锥区域某处会满足相位匹配条件，中间芯1的基模能量会耦合到气孔悬挂芯2的高阶模式中。由于气孔的存在，随着入射波长的增加中间芯基模和悬挂芯2高阶模式有效折射率下降的速率是不同的，悬挂芯2所处环境具有较强的倏逝场，导致其模式有效折射率下降的速度会更快，因此两模式的色散曲线会有交点，即满足相位匹配条件的波长。为了观测模式转换过程是否发生，可以通过单色光源、单模光纤3、锥形孔助双芯光纤4、显微物镜6和红外CCD相机7的连接方式，观察锥形孔助双芯光纤4在谐振波长时的模式图样，测量转化纯度。

本发明进一步描述如下：一种基于锥形的孔助双芯光纤模式转换器，模式转换器是由光源、单模光纤3、孔助双芯光纤4依次相连而成。孔助双芯光纤4输入端是单模光纤3与孔助双芯光纤4中间芯1直接正对焊接，光能量是从中间芯1输入到孔助双芯光纤4中，在模式转换区孔助双芯光纤4通过拉锥技术实现中心芯基模和悬挂芯2高阶模间的相位匹配条件。

所述的孔助双芯光纤4直径为125微米，中间芯1为单模，直径8-9微米，悬挂芯2紧贴气孔内壁，支持双模传输，直径略大于中间芯1为12-13微米，悬挂芯2边缘距中间芯1边缘为2-7微米，孔助双芯光纤空气孔5的直径为30-50微米。

两个纤芯折射率可相同也可不相同，悬挂芯2中的sLP₀₁和sLP₁₁模式与中间芯1的cLP₀₁模式均不满足相位匹配条件。

所述的孔助双芯光纤4利用拉锥技术使光纤内的两个纤芯尺寸和距离等比例缩小，利用拉锥区域使中间芯1的cLP₀₁模式和悬挂芯2的sLP₁₁模式满足相位匹配条件，而中间芯1的cLP₀₁模式和悬挂芯2的sLP₀₁模式不满足相位匹配条件,即可使中心芯基模光耦合到悬挂芯2中激发悬挂芯2中的高阶模。

所述的孔助双芯拉锥区域的长度为2-5毫米，拉锥区域光纤最小直径为50-70微米，拉锥区域为渐进绝热模态演化过程。

所述的孔助双芯光纤4模式转换器，模式转换波长是可控的，由拉锥区域直径和拉锥长度控制。

可以通过宽带光源、单模光纤3、锥形孔助双芯光纤4、单模光纤3和光谱仪的连接方式，测量光能量在孔助双芯光纤4两纤芯中的转换情况。

可以通过单色光源、单模光纤3、锥形孔助双芯光纤4、显微物镜6和红外CCD相机7的连接方式，观察锥形孔助双芯光纤4模式转换后的模式图样。

结合图1、图2、图3、图4、图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)，一种锥形的孔助双芯光纤4模式转换器是由光源、单模光纤3、一段拉锥的孔助双芯光纤4依次相连而成。孔助双芯光纤中间芯1为单模，直径9微米，气孔悬挂芯2支持双模传输，紧贴气孔内壁，直径略大于中间芯1为13微米，其边缘距中间芯1边缘为3微米。拉锥后孔助双芯光纤4包层直径最小处为60微米。首先将一段单模-孔助双芯-单模的正对芯拼接光纤放置在拉锥机上，两端用夹具夹紧，通过控制拉锥机的氢气释放速度和火焰高度将中间孔助双芯光纤4的包层和火焰最低点保持相切状态，之后将样品拉锥2.5毫米，如图1所示，中间孔助双芯光纤4对称的缩小至最小横截面为60微米，在图2结构前连接超连续光源，后端连接光谱仪，能得到如图5(a)的传输谱，曲线为孔助双芯光纤中间芯1能量传输情况，可以看出在1310纳米附近有能量的损耗峰，即在此波长附近能量转换到光纤其它结构中。为了验证锥形结构能使中间芯1cLP₀₁能量耦合到气孔悬挂芯2的sLP₁₁模式中,将超连续光源换为1310纳米的单色光源，并将后端输出单模去除并用切割刀将后端孔助双芯光纤4切平，如图4，将60倍率显微物镜6和红外CCD相机7放置在其后方，通过调节物镜和锥形孔助双芯光纤4之间的距离找到焦平面，并保持相机镜面、物镜镜面和光纤端面平行，CCD便可观测光纤端面模式像，如图5(c)所示。有限元法计算拉锥前后cLP₀₁、sLP₀₁和sLP₁₁模式的色散曲线，如图5(b)，未拉锥时sLP₁₁模式色散曲线在1600纳米附近截止与中间基模色散曲线没有交点，拉锥后sLP₁₁模式色散曲线在1400纳米附近截止并与拉锥后cLP₀₁模式色散曲线相交，即两模式在此波长下符合相位匹配条件，且拉锥后cLP₀₁和sLP₀₁模式色散曲线不相交，即耦合峰的出现是中间芯1的cLP₀₁模式和气孔悬挂芯2的sLP₁₁模式的相互转换的结果，如图5(d)是在波长为1310纳米时光纤中能量分布，证实了中间芯基模能量转换到了气孔悬挂芯2高阶模式中。

综上所述，本发明提供了一种基于锥形的孔助双芯光纤4模式转换器，该器件是由光源、单模光纤3、孔助双芯光纤4依次相连而成。孔助双芯光纤4由中心单模芯和悬于空气孔5内壁的双模悬挂芯2构成，利用绝热拉锥技术等比例缩小两个纤芯尺寸，同时减小两纤芯之间的距离以实现中心芯基模和悬挂芯2高阶模间转换时的相位匹配条件。根据渐变的绝热模态演化机理，在一个缓慢的横截面变化过程中，只要两个纤芯在某处传播常数相互匹配，能量就可以在中间芯基模和悬挂芯2的高阶模式之间转移。输入端是单模光纤3与孔助双芯光纤中间芯1直接对准焊接，信号光通过一段距离传输到2-5毫米拉锥区时，会发生渐变的绝热模态演化，在特定尺寸的截面下会发生中心纤芯基模与悬挂芯2高阶模式的转换。通过输出端可以观察到能量在两芯的转换情况。该器件实现了高阶模式在单根光纤内部的转换，器件体积小集成度高，制作简单，相位匹配条件易于实现，且转换的高阶模式纯度高。

Claims (1)

1.一种基于锥形的孔助双芯光纤模式转换器，由光源、单模光纤、一段孔助双芯光纤依次相连而成；孔助双芯光纤输入端是单模光纤与孔助双芯光纤中间芯直接正对焊接，光能量是从中间芯输入到孔助双芯光纤中，在模式转换区孔助双芯光纤通过拉锥技术实现中心芯基模和悬挂芯高阶模间的相位匹配条件；孔助双芯光纤直径为125微米，中间芯为单模，直径8-9微米，悬挂芯紧贴气孔内壁，支持双模传输，直径略大于中间芯为12-13微米，悬挂芯边缘距中间芯边缘2-7微米，孔助双芯光纤空气孔的直径为30-50微米；双芯光纤的两个纤芯折射率可相同也可不相同，悬挂芯中的sLP₀₁和sLP₁₁模式与中间芯的cLP₀₁模式均不满足相位匹配条件；孔助双芯光纤利用拉锥技术使光纤内的两个纤芯尺寸和距离等比例缩小，利用拉锥区域使中间芯的cLP₀₁模式和悬挂芯的sLP₁₁模式满足相位匹配条件，而中间芯的cLP₀₁模式和悬挂芯的sLP₀₁模式不满足相位匹配条件,即可使中心芯基模光耦合到悬挂芯中激发悬挂芯中的高阶模；拉锥区域的长度为2-5毫米，拉锥区域光纤最小直径为50-70微米，拉锥区域为渐进绝热模态演化过程；通过宽带光源、单模光纤、锥形孔助双芯光纤、单模光纤和光谱仪的连接方式，测量光能量在孔助双芯光纤两纤芯中的转换情况；可以利用显微物镜和红外CCD相机，观察锥形孔助双芯光纤模式转换后的模式图样；具体为：首先一段孔助双芯光纤与两端单模光纤正对精准焊接，通过超连续光源、单模光纤、孔助双芯光纤、单模光纤和光谱仪的连接方式，可以得到未拉锥处理时能量在中间芯的传输情况；之后将孔助双芯光纤进行拉锥，并实时监测，在拉锥的过程中中间芯的基模能量会耦合到气孔悬挂芯的高阶模中，则中间芯基模在匹配波长处会出现损耗峰；根据绝热模态演化机理，在锥形形变过程中，变化的两芯尺寸在某一波长下两个模式的有效折射率会相等，即孔助双芯光纤的中间芯和气孔悬挂芯在拉锥区域某处会满足相位匹配条件，中间芯的基模能量会耦合到气孔悬挂芯的高阶模式中；由于气孔的存在，随着入射波长的增加中间芯基模和悬挂芯高阶模式有效折射率下降的速率是不同的，悬挂芯所处环境具有较强的倏逝场，导致其模式有效折射率下降的速度会更快，因此两模式的色散曲线会有交点，即满足相位匹配条件的波长；为了观测模式转换过程是否发生，通过单色光源、单模光纤、锥形孔助双芯光纤、显微物镜和红外CCD相机的连接方式，观察锥形孔助双芯光纤在谐振波长时的模式图样，测量转化纯度。

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