CN111999806B - 一种单模和多模光纤模式耦合的方法和功能器件 - Google Patents

一种单模和多模光纤模式耦合的方法和功能器件 Download PDF

Info

Publication number
CN111999806B
CN111999806B CN202010809284.4A CN202010809284A CN111999806B CN 111999806 B CN111999806 B CN 111999806B CN 202010809284 A CN202010809284 A CN 202010809284A CN 111999806 B CN111999806 B CN 111999806B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mode
fiber
coupling
multimode
cladding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010809284.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111999806A (zh
Inventor
王健
周围
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202010809284.4A priority Critical patent/CN111999806B/zh
Publication of CN111999806A publication Critical patent/CN111999806A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111999806B publication Critical patent/CN111999806B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/255—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding
    • G02B6/2552—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding reshaping or reforming of light guides for coupling using thermal heating, e.g. tapering, forming of a lens on light guide ends
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/255—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding
    • G02B6/2551—Splicing of light guides, e.g. by fusion or bonding using thermal methods, e.g. fusion welding by arc discharge, laser beam, plasma torch
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29379—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device
    • G02B6/2938—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device for multiplexing or demultiplexing, i.e. combining or separating wavelengths, e.g. 1xN, NxM

Abstract

本发明公开了一种单模和多模光纤模式耦合的方法和功能器件，该方法通过分析多模光纤中所需要耦合模式的有效折射率，选用与之匹配的包层负掺杂单模光纤，进行预拉锥后与多模光纤进行熔融拉锥定向耦合，再与标准单模光纤进行熔接而成。该功能器件包括输入端标准单模光纤，标准单模光纤与包层负掺杂单模光纤熔接焊点，包层负掺杂单模光纤，预拉锥处理的包层负掺杂单模光纤与多模光纤的熔融拉锥耦合区域，输出端多模光纤。本发明可以实现单模光纤基模向多模光纤特定高阶模式高纯度和低损耗的耦合，并可以通过级联拓展为多种模分、波分复用器，同时兼容现有商用的标准单模光纤与多模光纤，可以有效推广高阶模式在高速大容量光纤通信系统中的应用。

Description

一种单模和多模光纤模式耦合的方法和功能器件
技术领域
本发明属于光纤通信和导波光学领域，更具体地，涉及一种单模和多模光纤模式耦合的方法和功能器件。
背景技术
近年来，随着互联网、5G、VR、云计算和大数据等技术的高速发展，人类对光通信容量的需求也成指数级的增长。不难预见，当光纤通信容量的增长逐渐到达香农极限而无法满足当今社会人们对通信速度、容量、带宽等越来越高的需求之时，新一轮的容量危机将成为光通信亟待解决的关键问题。目前光通信技术的发展基本都是围绕光波的维度资源展开，包括人们所熟知的幅度、相位、频率/波长、时间、偏振维度。然而随着光通信技术的发展，这些熟知的光波维度资源被开发殆尽，为进一步提高光纤通信系统的容量，利用光波的横向空间维度来解决新一轮的容量危机吸引了广泛的关注。
空分复用(SDM：spatial division multiplexing)技术就是充分利用光波空间维度的技术，通过增加空间中并行的信道数来提高通信容量。空分复用技术可以分为两类，一种是利用空间中多个平行的信道加载信息进行复用，典型的如多芯光纤(MCF：multi-corefiber)，然而这种方法由于光纤制作工艺复杂，纤芯数也不可能无限增多，光纤弯曲的影响也较大，有较大的的局限性。另一种空分复用技术是将信息加载在多个正交模式后同一介质中并行传输，模式之间的正交性保证了每个模式的独立性，系统容量可以通过增加模式复用个数来增加，这种方式也被称模分复用(MDM：mode-division multiplexing)。为了提高光纤通信系统容量和频谱效率，模分复用被越来越多的应用在光纤通信系统中，所用的模式主要包括线偏振模式(LP：linearly polarized modes)和轨道角动量(OAM：orbitalangular momentum)模式等空间模式。目前常用的复用解复用的方式有自由空间方式和全光纤方式，其中在自由通信中通常利用Q板(Q plate)、空间光调制器(SLM：spatial lightmodulator)、螺旋相位板(SPP：spiral phase plates)等方式进行复用和解复用，但是这些方式通常而言操作较为繁琐、受环境影响较大、商用化难度较高。相反，全光纤的方式进行空分复用和解复用更加便于操作、稳定性更高也更能与现有的商用化光通信器件接轨。目前商用化最普遍的光纤是标准单模光纤和多模光纤，已经广泛铺设和使用，如果能直接使用全光纤的方式使普通标准单模光纤激发出多模光纤中特定高阶模式，将会极大的促进对光纤模式复用通信的发展并进一步提高光纤通信容量。鉴于此，寻找并开发一种单模和多模光纤模式耦合的方法和功能器件非常必要和有价值。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种单模和多模光纤模式耦合的方法和功能器件，旨在解决模分复用光纤通信系统中关键功能器件的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种单模和多模光纤模式耦合的方法。利用多模光纤可以支持多种模式传输的特性，结合耦合模理论，通过分析多模光纤中所需要耦合模式的有效折射率，选用与之尽可能匹配的包层负掺杂单模光纤，将负掺杂单模光纤进行适当的预拉锥，随后将预拉锥处理后的负掺杂单模光纤与多模光纤进行熔融拉锥定向耦合，再将包层负掺杂的单模光纤与标准单模光纤进行熔接，进而实现标准单模光纤与多模光纤的模式耦合，输入是标准单模光纤，输出是多模光纤。
优选地，包层负掺杂单模光纤是指其包层的折射率低于标准单模光纤包层(即纯石英)折射率。这里之所以使用包层负掺杂单模光纤是因为标准单模光纤与多模光纤模式失配较大，直接使用标准单模光纤需要大幅度预拉锥处理，容易引入高损耗，使用引入包层负掺杂单模光纤可以适当降低预拉锥前与多模光纤模式有效折射率失配，这样包层负掺杂单模光纤仅需小幅度的预拉锥处理，可有效降低模式失配，从而可以降低损耗和提高耦合效率。
优选地，该定向耦合的方法为熔融拉锥法，首先将负掺杂单模光纤和多模光纤的涂覆层剥除，随后将两根光纤扭在一起在火焰下进行加热，同时在光纤融化的过程中缓慢拉伸光纤使其充分的发生耦合。
优选地，该包层负掺杂单模光纤可以利用已有的商用负掺杂单模光纤，或者根据实际需求设计与之匹配的负掺杂单模光纤。
优选地，该负掺杂单模光纤和标准单模光纤的熔接可以是在最后一步进行，同时也可以放在最开始第一步的时候进行，这个顺序可以根据需求更换。同时由于负掺杂单模光纤和标准单模光纤的光纤参数相近，熔接时不会引入太大的损耗。
优选地，该耦合方法激发的模式可以是线偏振模LP模式，也可以是轨道角动量OAM模式。由于线偏振模和轨道角动量模式可以由光纤本征模线性叠加而成，因此可以通过精准的预拉锥操作，使单模光纤基模对应激发多模光纤高阶模群的本征模式，再通过改变输入光的偏振态从而在多模光纤中耦合出高阶线偏振模式或者轨道角动量模式。
优选地，该耦合方法是双向的，不仅可以实现单模光纤高斯光输入，多模光纤高阶模式输出，还可以实现多模光纤高阶模式输入，单模光纤高斯光输出。
优选地，由于在实际使用中需要应用到模式复用技术，而一个模式的转换往往不够，因此可以在经过一个模式耦合器后，增添一个或多个级联的不同模式模式耦合器，由于前后两个级联的模式耦合器对应的模式有效折射率不同，前者在多模光纤中所激发出模式通过后面一个耦合器时不会受到影响，而与后一个模式转换器激发出的模式同时输出，即可以实现多模光纤中单个波长多个模式复用输出，同时也可以反过来实现两个或者多个模式解复用功能。
优选地，由于在实际使用中需要应用到波分复用技术，而一个波长的模式转换往往不够，因此可以在经过一个模式耦合器后，增添一个或多个级联的不同波长的模式耦合器，即可以实现多模光纤中相同模式多个波长的复用输出，同时也可以反过来实现两个或者多个波分解复用功能。
按照本发明的另一方面，提供了一种单模和多模光纤模式耦合的功能器件，包括：标准单模光纤，光纤焊点，包层负掺杂单模光纤，熔融拉锥耦合区域，多模光纤。所述标准单模光纤提供输入端口；所述光纤焊点为标准单模光纤与包层负掺杂单模光纤熔接的焊点；所述包层负掺杂单模光纤可选用商用包层负掺杂单模光纤也可自行设计更加匹配的包层负掺杂单模光纤；所述熔融拉锥耦合区域为预拉锥后的包层负掺杂单模光纤与多模光纤在熔融拉锥条件下形成的耦合区域，该耦合区域在满足相位匹配条件的情况下可以将能量从单模光纤中的基模高效率转换到多模光纤中特定高阶模中；所述多模光纤提供输出端口，耦合出高阶模式。即可实现单模光纤输入高斯光，多模光纤输出高阶模式的功能器件。
优选地，所述单模和多模光纤模式耦合的功能器件还包括：设置在熔融拉锥耦合区域和多模光纤之间的另一个熔融拉锥耦合区域，该耦合区域与前一个耦合器区域功能不同，是包层负掺杂单模光纤在不同预拉锥尺寸下与多模光纤进行熔融拉锥的耦合区域，可以耦合出多模光纤中不同阶次的高阶模式，输入端也与标准单模光纤焊接，输出端为多模光纤，通过将两个耦合区域利用一段多模光纤连接起来，可以实现多模光纤中两个高阶模式的复用输出。
优选地，所述单模和多模光纤模式耦合器的功能器件包括M(M≥3)个熔融拉锥耦合区域，每一个耦合区域都是由包层负掺杂单模光纤在不同预拉锥尺寸下与多模光纤进行熔融拉锥的耦合区域，负责耦合多模光纤中不同阶次的高阶模式，前后互不干扰，可以实现M个模式的复用输出，即构成M个模式复用器。所述M个模式复用器，其每个熔融拉锥耦合区域都有对应连接的标准单模光纤，即提供M个标准单模光纤输入，1个多模光纤输出。该M个模式复用器反过来使用时对应M个模式解复用器。
优选地，述单模和多模光纤模式耦合的功能器件还包括：设置在耦合区域和输出端口之间的另一个熔融拉锥耦合区域，该耦合区域与前一个耦合区域功能不同，是在不同波长下，包层负掺杂单模光纤在不同预拉锥尺寸下与多模光纤进行熔融拉锥的耦合区域，可以耦合出不同波长的相同阶高阶模式，通过将两个耦合区域级联起来，可以实现多模光纤中相同高阶模式两个不同波长的复用输出，即构成针对相同高阶模式的两个波长复用器，提供两个标准单模光纤输入，1个多模光纤输出。该两个波长复用器反过来使用时对应两个波长解复用器。
优选地，所述单模和多模光纤模式耦合器的功能器件包括N(N≥3)个熔融拉锥耦合区域，每一个耦合区域都是在不同波长下，由包层负掺杂单模光纤在不同预拉锥尺寸下与多模光纤进行熔融拉锥的耦合区域，负责耦合多模光纤中不同波长相同阶次的高阶模式，前后互不干扰，可以实现相同高阶模式N个波长的复用输出，即构成针对高阶模式的N个波长复用器。所述N个波长复用器，其每个熔融拉锥耦合区域都有对应连接的标准单模光纤，即提供M个标准单模光纤输入，1个多模光纤输出。该N个波长复用器反过来使用时对应N个波长解复用器。
优选地，所述单模和多模光纤模式耦合的功能器件包括MxN个熔融拉锥耦合区域，构成针对M个高阶模式和N个波长的混合模式-波分复用器和混合模式-波分解复用器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的一种单模和多模光纤模式耦合的方法和功能器件，直接利用光纤本身特性完成，不需要使用其他自由空间光路或者硅基芯片的方式在多模光纤中产生特定高阶模式，这种全光纤的方式产生特定高阶模更加简便、快捷和稳定，有效减少成本。
(2)本发明采用负掺杂单模光纤和多模光纤耦合制成，由于普通单模光纤与多模光纤模式失配较大，引入包层负掺杂单模光纤可以有效减小模式失配，在工艺上相比于普通单模光纤和多模光纤耦合有更高的耦合效率。
(3)本发明提供的器件输入端口为标准单模光纤，输出端口为多模光纤，这两种光纤都是目前最普遍使用的光纤种类之一，因此可以有效的兼容现有光纤通信系统，达到无缝衔接的效果。
(4)本发明在多模光纤中所耦合出的模式可以通过改变相位匹配条件以及单模光纤输入的偏振态，来控制多模输出模式的种类，如线偏振模、轨道角动量模式和本征模等，有较大的灵活性，可以为使用者提供极大的便利。
(5)本发明提供的单模光纤和多模光纤耦合的功能器件具有波分复用和模分复用的功能，通过将信息加载在多个波长或者多个模式上，由于其彼此之间相互正交的特性，可以有效提高光纤通信容量，是面对目前容量危机的解决方案之一。同时波分复用的功能对于应用在多模光纤高阶模式的分布式拉曼放大(DRA)、参铒光纤放大器(EDFA)和激光器(Laser)上都有着巨大的应用前景。
附图说明
图1(a)是本发明提供的一种单模和多模光纤模式耦合方法流程图；
图1(b)是本发明提供的一种单模和多模光纤模式耦合功能器件的结构示意图；
图2是本发明提供的单模和多模光纤模式耦合功能器件的一种改进结构示意图；
图3是本发明提供的单模和多模光纤模式耦合功能器件的另一种改进结构示意图；
图4是实施例中单模和多模光纤模式耦合器原理示意图；
图5是实施例中标准单模光纤、包层负掺杂单模光纤与多模光纤HE21模式有效折射率虽拉锥半径变化图；
图6是实施例中单模和多模光纤耦合模式复用或波分复用功能器件示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种单模和多模光纤模式耦合的方法和功能器件，旨在利用负掺杂单模光纤比标准单模光纤的模式有效折射率更匹配多模光纤高阶模式的特性，高效高纯度的实现单模光纤中的基模到多模光纤特定高阶模式的转换功能，进而实现多模光纤高阶模式复用、多模光纤高阶模式放大等功能，同时输入端口与输出端口分别为标准单模光纤与商用多模光纤，与现有光纤通信系统相接轨，为进一步提高光纤通信容量，实现可持续扩容，以应对光通信新容量危机。
如图1(a)所示，本发明提供的一种单模和多模光纤模式耦合的方法流程图。
本发明提供的一种单模和多模光纤模式耦合的方法，具体实施方式如下：
1、利用多模光纤可以支持多种模式传输的特性，结合耦合模理论，通过分析多模光纤中所需要耦合模式的有效折射率；
2、选用与之尽可能匹配的包层负掺杂单模光纤；
3、将负掺杂单模光纤进行适当的预拉锥；
4、随后将预拉锥处理后的负掺杂单模光纤与多模光纤进行熔融拉锥定向耦合；
5、再将包层负掺杂的单模光纤与标准单模光纤进行熔接，进而实现标准单模光纤与多模光纤的模式耦合，输入是标准单模光纤，输出是多模光纤。
具体地，该包层负掺杂单模光纤是指其包层的折射率低于标准单模光纤包层(即纯石英)折射率。这里之所以使用包层负掺杂单模光纤是因为标准单模光纤与多模光纤模式失配较大，直接使用标准单模光纤需要大幅度预拉锥处理，容易引入高损耗，使用包层负掺杂单模光纤可以适当降低预拉锥前与多模光纤模式有效折射率失配，这样包层负掺杂单模光纤仅需小幅度的预拉锥处理，从而可以降低损耗和提高耦合效率。
具体地，该定向耦合的方法为熔融拉锥法，首先将负掺杂单模光纤和多模光纤的涂覆层剥除，随后将两根光纤扭在一起在火焰下进行加热，同时在光纤融化的过程中缓慢拉伸光纤使其充分的发生耦合。
具体地，该包层负掺杂单模光纤可以利用已有的商用负掺杂单模光纤，或者根据实际需求设计与之匹配的负掺杂单模光纤。
具体地，该负掺杂单模光纤和标准单模光纤的熔接可以是在最后一步进行，同时也可以放在最开始第一步的时候进行，这个顺序可以根据需求更换。同时由于负掺杂单模光纤和标准单模光纤的光纤参数相近，熔接时不会引入太大的损耗。
具体地，该耦合方法激发的模式可以是线偏振模LP模式，也可以是轨道角动量OAM模式。由于线偏振模和轨道角动量模式可以由光纤本征模线性叠加而成，因此可以通过精准的预拉锥操作，使单模光纤基模对应激发多模光纤高阶模群的本征模式，再通过改变输入光的偏振态从而在多模光纤中耦合出高阶线偏振模式或者轨道角动量模式。
具体地，该耦合方法是双向的，不仅可以实现单模光纤高斯光输入，多模光纤高阶模式输出，还可以实现多模光纤高阶模式输入，单模光纤高斯光输出。图1(b)所示为本发明提供的一种单模和多模光纤模式耦合功能器件结构图。
本发明提供的一种单模和多模光纤模式耦合的功能器件，具体实施方式如下：
基本结构包括：标准单模光纤6，光纤焊点7，包层负掺杂单模光纤8，熔融拉锥耦合区域9，多模光纤10。所述标准单模光纤提供输入端口；所述光纤焊点为标准单模光纤与包层负掺杂单模光纤熔接的焊点；所述包层负掺杂单模光纤可选用商用包层负掺杂单模光纤也可自行设计更加匹配的包层负掺杂单模光纤；所述熔融拉锥耦合区域为预拉锥后的包层负掺杂单模光纤与多模光纤在熔融拉锥条件下形成的耦合区域，该耦合区域在满足相位匹配条件的情况下可以将能量从单模光纤中的基模高效率转换到多模光纤中特定高阶模中；所述多模光纤提供输出端口，耦合出高阶模式。外界激光器输出的高斯光通过单模光纤6输入后，利用单模光纤与负掺杂单模光纤焊点7转换到负掺杂单模光纤8中的高斯光，再通过满足相位匹配条件的耦合区域9后激发出多模光纤中的特定高阶模式，在多模光纤10中实现高阶模式的输出功能。
如图2所示，为本发明提供的一种单模和多模光纤模式耦合功能器件改进结构示意图。
本发明还提供的一种单模和多模光纤模式耦合的器件的改进方案，具体实施方式如下：
该单模和多模光纤模式耦合器的功能器件还包括：设置在熔融拉锥耦合区域9和多模光纤10之间的另一个熔融拉锥耦合区域11，该耦合区域11与9功能不同，是包层负掺杂单模光纤在不同预拉锥尺寸下与多模光纤进行熔融拉锥的耦合区域，可以耦合出多模光纤中不同阶次的高阶模式，输入端6和13分别输入圆偏高斯光，通过将9和11两个耦合区域利用一段多模光纤12连接起来，可以实现输出端多模光纤10中两个高阶模式的复用输出。该功能器件也可以看成是具有不同熔融拉锥耦合区域器件的级联，不同的熔融拉锥耦合区域用于耦合多模光纤中不同阶次的高阶模式，即构成两个模式复用器，提供两个标准单模光纤输入，1个多模光纤输出。该两个模式复用器反过来使用时对应两个模式解复用器。如图3所示，为本发明提供的一种单模和多模光纤模式耦合功能器件进一步改进结构示意图。
本发明还提供的一种单模和多模光纤模式耦合的器件的进一步改进方案，具体实施方式如下：
该改进的单模和多模光纤模式耦合器的功能器件包括M(M≥3)个熔融拉锥耦合区域，每一个耦合区域都是由包层负掺杂单模光纤在不同预拉锥尺寸下与多模光纤进行熔融拉锥的耦合区域，负责耦合多模光纤中不同阶次的高阶模式，前后互不干扰，可以实现M个模式的复用输出，即构成M个模式复用器。所述M个模式复用器，其每个熔融拉锥耦合区域都有对应连接的标准单模光纤，即提供M个标准单模光纤输入，1个多模光纤输出。该M个模式复用器反过来使用时对应M个模式解复用器。
下面介绍本发明提供的单模和多模光纤模式耦合功能器件的一个具体实施例，以举例说明图1所示的单模和多模光纤模式耦合方法和功能器件，多模光纤耦合的模式选取的是1阶轨道角动量模式，实施例单模和多模光纤模式耦合功能器件具体结构如下：
如图4所示，是实施例中单模和多模光纤模式耦合器原理示意图。通过将负掺杂单模光纤进行一定条件的预拉锥操作，使其与多模光纤中的1阶轨道角动量模式的有效折射率相匹配，将二者进行熔融拉锥，在线监测输出端口的功率和光斑，在特定长度下停止拉锥，完成封装，实现输入单模光纤基模输出多模光纤1阶轨道角动量模式功能器件的制作，随后进行单模光纤和负掺杂单模光纤的焊接工作，即可完成单模和多模光纤模式耦合功能器件制作。
如图5所示，是实施例中标准单模光纤、包层负掺杂单模光纤与多模光纤HE21模式有效折射率随拉锥半径变化图。该图从仿真的角度说明并验证了包层负掺杂单模光纤与标准单模光纤相比在模式耦合中的优越性。图中纵坐标代表模式有效折射率neff，横坐标代表拉锥半径r，随着拉锥半径的变化，标准单模光纤中的基模(对应HE11本征模)、包层负掺杂单模光纤中的基模(对应HE11本征模)和多模光纤中的1阶轨道角动量模群(对应HE21本征模)会随之变化，当选取相同的有效折射率时，三条曲线对应的横坐标是不同的，因此为了在进行熔融拉锥时使其满足相位匹配条件，需要将标准单模光纤或包层负掺杂单模光纤进行预拉锥操作，其中标准单模光纤和包层负掺杂单模光纤需要预拉锥的比例分别为0.613和0.682。可以看到为耦合出多模光纤中1阶模式，标准单模光纤需要被预拉的更细，而包层负掺杂单模光纤则需要预拉锥的程度更低，在后续进行熔融拉锥操作时，包层负掺杂单模光纤的耦合损耗可以降低。值得注意的是，可以自行设计负掺杂的程度，从而进一步降低包层负掺杂单模光纤的预拉锥程度，甚至可以设计完全匹配的包层负掺杂单模光纤使其可以不需要进行预拉锥就可以与多模光纤中特定高阶模式匹配。同时，当熔融拉锥到一定程度时多模光纤中的1阶模群从导模变成了以空气为新包层的包层模，此时弱导光纤近似条件不再存在，同一个模群如
Figure GDA0002988135560000111
和TM01(TE01)的有效折射率之差将逐渐增大，并且在一定程度下达到模式分离(如有效折射率差大于1×10-4)，因此可以通过单模光纤中x偏振和y偏振基模精准激发出多模光纤中的
Figure GDA0002988135560000112
和
Figure GDA0002988135560000113
这样就可以通过输入圆偏光使输出的
Figure GDA0002988135560000114
和
Figure GDA0002988135560000115
存在一个
Figure GDA0002988135560000116
的相移进而合成1阶的轨道角动量模式，同时保证TM01和TE01模式所占的比例保持一个比较低的水平，从而提高耦合出的轨道角动量模式的纯度。
如图6所示是实施例中单模和多模光纤耦合模式复用或波分复用功能器件结构示意图。输入端口在单模光纤中输入两个高斯光，通过两个级联的模式转换器，在多模光纤中激发出两个不同波长或不同模式的光进行复用，随后在输出端进行输出，实现单模和多模光纤耦合模式复用或波分复用的功能，该功能可以有效提高光纤通信容量，并在EDFA、DRA和激光器中有重要应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单模和多模光纤模式耦合的方法，其特征在于，通过分析多模光纤中所需要耦合模式的有效折射率，选用与之匹配的包层负掺杂单模光纤，将包层负掺杂单模光纤进行预拉锥，随后将预拉锥处理后的包层负掺杂单模光纤与多模光纤进行模式定向耦合，再将包层负掺杂单模光纤与标准单模光纤进行熔接，进而实现标准单模光纤与多模光纤的模式耦合，输入是标准单模光纤，输出是多模光纤。
2.如权利要求1所述的一种单模和多模光纤模式耦合的方法，其特征在于，包层负掺杂单模光纤是指其包层的折射率低于标准单模光纤包层折射率。
3.如权利要求1所述的一种单模和多模光纤模式耦合的方法，其特征在于，所述模式定向耦合的方法是熔融拉锥法：首先将包层负掺杂单模光纤和多模光纤的涂覆层剥除，随后将两根光纤扭在一起在火焰下进行加热，同时在光纤融化的过程中缓慢拉伸光纤使其充分的发生耦合。
4.如权利要求1所述的一种单模和多模光纤模式耦合的方法，其特征在于，所述包层负掺杂单模光纤与多模光纤进行模式定向耦合的模式为线偏振模LP模式或者轨道角动量OAM模式。
5.如权利要求4所述的一种单模和多模光纤模式耦合的方法，其特征在于，所述模式定向耦合是双向的：实现单模光纤高斯光输入、多模光纤高阶模式输出或者多模光纤高阶模式输入、单模光纤高斯光输出。
6.一种单模和多模光纤模式耦合的功能器件，其特征在于，包括：标准单模光纤，光纤焊点，包层负掺杂单模光纤，第一熔融拉锥耦合区域，多模光纤；所述标准单模光纤作为输入端口；所述光纤焊点作为标准单模光纤与包层负掺杂单模光纤熔接的焊点；所述第一熔融拉锥耦合区域为预拉锥后的包层负掺杂单模光纤与多模光纤在熔融拉锥条件下形成的耦合区域，该耦合区域在满足相位匹配条件的情况下用于将能量从单模光纤中的基模转换到多模光纤中特定高阶模中；所述多模光纤作为输出端口，耦合出高阶模式。
7.如权利要求6所述的单模和多模光纤模式耦合的功能器件，其特征在于，所述单模和多模光纤模式耦合的功能器件还包括：设置在第一熔融拉锥耦合区域和多模光纤之间的第二熔融拉锥耦合区域，该耦合区域与第一熔融拉锥耦合区域功能不同，是包层负掺杂单模光纤在不同预拉锥尺寸下与多模光纤进行熔融拉锥的耦合区域，可以耦合出多模光纤中不同阶次的高阶模式；不同的熔融拉锥耦合区域用于耦合多模光纤中不同阶次的高阶模式，即构成两个模式复用器，提供两个标准单模光纤输入，1个多模光纤输出，该两个模式复用器反过来使用时对应两个模式解复用器；
或者在不同波长下，包层负掺杂单模光纤在不同预拉锥尺寸下与多模光纤进行熔融拉锥的耦合区域，耦合出不同波长的相同阶高阶模式；通过将第一熔融拉锥耦合区域和第二熔融拉锥耦合区域两个耦合区域级联起来，实现多模光纤中相同高阶模式两个不同波长的复用输出，即构成针对相同高阶模式的两个波长复用器，提供两个标准单模光纤输入，1个多模光纤输出，该两个波长复用器反过来使用时对应两个波长解复用器。
8.如权利要求7所述的单模和多模光纤模式耦合的功能器件，其特征在于，所述单模和多模光纤模式耦合的功能器件包括M(M≥3)个熔融拉锥耦合区域，每一个耦合区域都是由包层负掺杂单模光纤在不同预拉锥尺寸下与多模光纤进行熔融拉锥的耦合区域，负责耦合多模光纤中不同阶次的高阶模式，前后互不干扰，实现M个模式的复用输出，即构成M个模式复用器；所述M个模式复用器，其每个熔融拉锥耦合区域都有对应连接的标准单模光纤，即提供M个标准单模光纤输入，1个多模光纤输出；该M个模式复用器反过来使用时对应M个模式解复用器。
9.如权利要求7所述的单模和多模光纤模式耦合的功能器件，其特征在于，所述单模和多模光纤模式耦合的功能器件包括N(N≥3)个熔融拉锥耦合区域，每一个耦合区域都是在不同波长下，由包层负掺杂单模光纤在不同预拉锥尺寸下与多模光纤进行熔融拉锥的耦合区域，负责耦合多模光纤中不同波长相同阶次的高阶模式，前后互不干扰，实现相同高阶模式N个波长的复用输出，即构成针对高阶模式的N个波长复用器；所述N个波长复用器，其每个熔融拉锥耦合区域都有对应连接的标准单模光纤，即提供N个标准单模光纤输入，1个多模光纤输出；该N个波长复用器反过来使用时对应N个波长解复用器。
10.如权利要求8或9所述的单模和多模光纤模式耦合的功能器件，其特征在于，所述单模和多模光纤模式耦合的功能器件包括MxN个熔融拉锥耦合区域，构成针对M个高阶模式和N个波长的混合模式-波分复用器和混合模式-波分解复用器。
CN202010809284.4A 2020-08-12 2020-08-12 一种单模和多模光纤模式耦合的方法和功能器件 Active CN111999806B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010809284.4A CN111999806B (zh) 2020-08-12 2020-08-12 一种单模和多模光纤模式耦合的方法和功能器件

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010809284.4A CN111999806B (zh) 2020-08-12 2020-08-12 一种单模和多模光纤模式耦合的方法和功能器件

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111999806A CN111999806A (zh) 2020-11-27
CN111999806B true CN111999806B (zh) 2021-05-18

Family

ID=73462530

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010809284.4A Active CN111999806B (zh) 2020-08-12 2020-08-12 一种单模和多模光纤模式耦合的方法和功能器件

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111999806B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112903249B (zh) * 2021-03-02 2023-02-07 武汉睿芯特种光纤有限责任公司 一种双包层光纤的包层数值孔径测量装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4237871B2 (ja) * 1999-05-27 2009-03-11 京セラ株式会社 光ファイバカップラとその製造方法及びこれを用いた光増幅器
US20130222891A1 (en) * 2012-01-20 2013-08-29 Laser Zentrum Hannover E.V. Method for manufacturing a coupling arrangement, coupling arrangement and amplifier
CN108627914A (zh) * 2018-04-18 2018-10-09 华南理工大学 一种支持稳定传输的光纤轨道角动量模式产生器

Also Published As

Publication number Publication date
CN111999806A (zh) 2020-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ismaeel et al. All-fiber fused directional coupler for highly efficient spatial mode conversion
Leon-Saval et al. Mode-selective photonic lanterns for space-division multiplexing
Tsekrekos et al. All-Fiber Broadband ${\rm LP} _ {02} $ Mode Converter for Future Wavelength and Mode Division Multiplexing Systems
Kosterin et al. Tapered fiber bundles for combining high-power diode lasers
Matsuo et al. Recent progress on multi-core fiber and few-mode fiber
CN110515159B (zh) 基于光纤端面微结构的LP01-LPmn全光纤模式转换器及其制备方法
Saitoh et al. PLC-based LP 11 mode rotator for mode-division multiplexing transmission
CN109445034B (zh) 少模波分复用耦合器
CN110208907B (zh) 轨道角动量光子灯笼制作方法及装置
CN111427116B (zh) 一种基于少模相移光栅的多波长光纤模式切换方法及系统
CN105572803A (zh) 一种熔点拉锥型光纤功率合束器及其制作方法
CN107272115B (zh) 一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器
Yu et al. Mode multiplexer for multimode transmission in multimode fibers
Takenaga et al. Multicore fibre-based mode multiplexer/demultiplexer for three-mode operation of LP 01, LP 11a, and LP 11b
Wohlfeil et al. Compact fiber grating coupler on SOI for coupling of higher order fiber modes
CN111999806B (zh) 一种单模和多模光纤模式耦合的方法和功能器件
CN113985527A (zh) 单模输入-少模光纤输出的模式光斑控制器
CN112612076B (zh) 一种少模多芯微结构光纤及少模光纤放大器
Guo et al. Ultra-low-loss 5-LP mode selective coupler based on fused biconical taper technique
CN113820787A (zh) 一种单模多模调模器件及其制备方法
Liu et al. High power pump and signal combiner for backward pumping structure with two different fused fiber bundle designs by means of pretapered pump fibers
Guo et al. 980/1550 nm few-mode wavelength division multiplexing coupler based on a five-core fiber
Xiong et al. Low loss ultra-small core pitch all-fiber Fan-In/Fan-Out device for coupled-core multicore fibers
CN113866871A (zh) 单模输入-多芯少模光纤输出的模式等功率激发器
Kitayama et al. Structural optimization for two-mode fiber: theory and experiment

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant