CN112162355A

CN112162355A - 一种基于对称双芯少模光纤的光纤模式选择耦合器

Info

Publication number: CN112162355A
Application number: CN202010989349.8A
Authority: CN
Inventors: 任文华; 赵天浩; 尹亭雅; 刘艳; 任国斌
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2021-01-01

Abstract

本发明提供一种基于对称双芯少模光纤的光纤模式选择耦合器，结构上为一段双芯光纤，该光纤包层1内具有沿该光纤包层延伸方向布置的第一纤芯2和第二纤芯3；两个纤芯参数相同，且每个纤芯的归一化频率V满足V>2.405，即每个纤芯单独存在时支持的模式个数≥2。本发明提供的光纤模式选择耦合器具有如下优点：相对于熔融拉锥型光纤模式选择耦合器，基于双芯光纤的光纤模式选择耦合器具有结构稳定、参数可控等优点，而且可以具有更长的耦合区域，以及实现多波长稳定工作；相对于基于不对称双芯光纤的光纤模式选择耦合器，基于对称双芯少模光纤的光纤模式选择耦合器的两个纤芯参数无需经过特殊设计，制造更加容易。

Description

一种基于对称双芯少模光纤的光纤模式选择耦合器

技术领域

本发明涉及光纤光学、光纤激光器及光纤通信技术领域，尤其涉及一种基于对称双芯少模光纤的光纤模式选择耦合器。

背景技术

光纤耦合器是光纤系统中最基本和最常用的光纤器件之一，其基本功能是将来自一根光纤的光信号按照具体的要求分配至多根光纤中输出。但是随着光纤通信和光信号处理技术的发展，人们发现经过特殊设计，光纤耦合器可以应用为全光时间微分器、光纤模式选择耦合器、多通道滤波器等，新的应用不断被提出。

常见的光纤模式选择耦合器由一根单模光纤和一根少模光纤组成，单模光纤中的基模的有效折射率与少模光纤中的某个高阶模式的有效折射率相同，从而可以实现这两个模式之间的高效耦合。这种光纤模式选择耦合器，其功能是一个光纤模式转换器。

另外一种光纤模式选择耦合器是由两根相同的少模光纤组成，使用熔融拉锥法制作，通过控制拉锥直径，使得高阶模被耦合，避免基模的模式耦合，从而得到纯净的高阶模式输出。这种方法避免了单模和少模光纤制作模式转换器的时候需要预拉锥这一步骤，简化了光纤模式选择耦合器的制作工艺。

但熔融拉锥工艺本身较为复杂，更适合于制作普通的功率耦合器，用来制作光纤模式选择耦合器工艺难度大，成品率很低，性能更是难以精确控制，稳定性和可靠性难以保证。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于对称双芯少模光纤的光纤模式选择耦合器，用以解决现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于对称双芯少模光纤的光纤模式选择耦合器，结构上为一段双芯光纤，该光纤包层内具有沿该光纤包层长度方向布置的第一纤芯和第二纤芯；所述第一纤芯和第二纤芯的光学性能参数相同，且归一化频率满足V>2.405，即第一纤芯和第二纤芯分别支持的模式种类的数量≥2，单独存在时均为少模光纤；由于两个纤芯参数相同，因此所述第一纤芯和第二纤芯支持的同一模式具有相同的传输常数，从而可以发生完全耦合；而由于耦合系数的不同，第一纤芯和第二纤芯支持的不同模式具有不同的耦合周期，从而可以通过控制双芯光纤的长度，实现不同光纤模式的输出。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提出的基于对称双芯少模光纤的光纤模式选择耦合器，可以实现少模光纤中不同模式的有效分离，从而获得不同的光纤模式。本发明提供的光纤模式选择耦合器具有如下优点：相对于熔融拉锥型光纤模式选择耦合器，基于双芯光纤的光纤模式选择耦合器具有结构稳定、参数可控等优点，而且可以具有更长的耦合区域，以及实现多波长稳定工作；相对于基于不对称双芯光纤的光纤模式选择耦合器，基于对称少模双芯光纤的光纤模式选择耦合器的两个纤芯参数无需经过特殊设计，制造更加容易。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于对称双芯少模光纤的光纤模式选择耦合器的结构示意图；

图2为本发明提供的一种基于对称双芯少模光纤的光纤模式选择耦合器的截面图；

图3为图1所示结构中第一纤芯和第二纤芯中LP₀₁模和LP₁₁模各自的耦合曲线；

图4为图1所示结构中第一纤芯和第二纤芯中输出的LP₀₁模和LP₁₁模的归一化功率与波长的关系示意图。

图中：

1.光纤包层 2.第一纤芯 3.第二纤芯；

d.第一纤芯与第二纤芯的中心距离；

a.第一纤芯与第二纤芯的半径。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

参见图1和2，本发明提供一种基于对称双芯少模光纤的光纤模式选择耦合器，包括光纤包层1，该光纤包层1内具有沿该光纤包层1延伸方向布置的第一纤芯2和第二纤芯3；第一纤芯2和第二纤芯3的光学性能参数相同，使第一纤芯2和第二纤芯3支持的模式相互匹配并发生周期性的耦合；第一纤芯2和第二纤芯3支持的不同模式具有相对应的耦合周期。

第一纤芯2和第二纤芯3的归一化频率均满足V>2.405，使第一纤芯2和第二纤芯3分别支持的模式种类的数量≥2。

进一步的，第一纤芯2和第二纤芯3支持的模式种类由第一纤芯2和第二纤芯3的光学性能参数决定。应当理解的是，纤芯的光学性能参数包括了纤芯的直径、两个纤芯的中心距离、纤芯与光纤包层1的相对折射率和纤芯输入端口到输出端口的间距(即纤芯长度)等。

本发明提供的光纤模式选择耦合器，当纤芯参数固定时，不同模式由于耦合长度的不同，在光纤模式选择耦合器的两个纤芯的输出端口会表现出不同的分光比；在光纤模式选择耦合器的某一个输出端口，可以实现特定模式的高纯度输出。

本发明提供两个实施例，示例性地显示通过设置纤芯的光学性能参数进行模式选择。

令第一纤芯2的模式包括LP_01,I模、LP_11,I模等，令第二纤芯3的模式包括LP_01,II模、LP_11,II模等。由于不同模式的光场分布不同，因此具有不同的耦合系数，进而具有不同的耦合长度L_C01、L_C11等。同时该耦合长度也是与波长相关的。

实施例一：

双芯少模光纤的第一纤芯2、第二纤芯3参数相同，两个纤芯直径均为13μm，两个纤芯与包层的相对折射率差均为0.005，两个纤芯中心的距离为17μm。根据计算，两个纤芯的截止波长均为2.0426μm，固定耦合器的工作波长为1550nm，此时归一化频率V＝3.169，每个纤芯均可以支持LP₀₁模和LP₁₁模。

现在假定入射光从第一纤芯2左侧进入，入射光包含有两种模式——LP₀₁模和LP₁₁模，这两种模式将在两个纤芯之间各自耦合，具有不同的耦合长度。当双芯光纤长度大约为26cm时，如图3(a)中的n点位置和(b)中的j点位置，第一纤芯2中LP₀₁模式的归一化功率约为0、LP₁₁模式的归一化功率约为1，第二纤芯3中的LP₀₁模式的归一化功率约为1、LP11模式的归一化功率约为0。此时，从第一纤芯2中输出的光为LP₁₁模，从第二纤芯3中输出的光为LP01模，实现了LP₀₁模、LP₁₁模的有效分离和选择性输出。

同理，双芯光纤长度大约为7cm时，如图3(a)中的m点位置和(b)中的i点位置，第一纤芯2中的LP₀₁模式的归一化功率约为0.85、LP₁₁模式的归一化功率约为0，第二纤芯3中LP₀₁模式的归一化功率约为0.15、LP₁₁模式的归一化功率约为1。此时，从第一纤芯2中输出的光为LP₀₁模，从第二纤芯3中输出的光为LP₁₁模，实现了LP₀₁模、LP₁₁模的有效分离和选择性输出。

实施例二：

双芯少模光纤的第一纤芯2、第二纤芯3参数相同，两个纤芯直径均为13μm，两个纤芯与包层的相对折射率差均为0.005，两个纤芯中心的距离为17μm，双芯光纤长度为6.3cm，控制工作波长取值范围在1550nm和1650nm之间，此时第一纤芯2和第二纤芯3的归一化频率V>2.405，都可以支持LP₀₁模和LP₁₁模。

第一纤芯2和第二纤芯3中的同一种模式(例如LP_01,I和LP_01,II模)之间，由于模式匹配会发生有效耦合。不同模式具有不同的耦合系数，进而具有不同的耦合长度L_C01、L_C11，同时该耦合长度也是与波长相关的，因此不同模式、不同波长的光表现出不同的耦合特性，如图3所示。

当工作波长约为1585nm，如图4(a)中的q点位置和(b)中的s点位置，第一纤芯2中LP₀₁模式的归一化功率约为0、LP₁₁模式的归一化功率约为0.93，第二纤芯3中的LP₀₁模式的归一化功率约为1、LP₁₁模式的归一化功率约为0.07。此时，从第一纤芯2中输出的光主要是LP₁₁模，从第二纤芯3中输出的光主要是LP₀₁模，实现了LP₀₁模、LP₁₁模的有效分离和选择性输出。

当工作波长约1515nm，如图4(a)中的p点位置和(b)中的k点位置，第一纤芯2中LP₀₁模式的归一化功率约为0.98、LP₁₁模式的归一化功率为0，第二纤芯3中LP₀₁模式的归一化功率约为0.02、的LP₁₁模式的归一化功率为1。此时，从第一纤芯2中输出的光主要是LP₀₁模，从第二纤芯3中输出的光主要是LP₁₁模，实现了LP₀₁模、LP₁₁模的有效分离和选择性输出。

综上所述，本发明提供一种基于对称双芯少模光纤的光纤模式选择耦合器，结构上为一段双芯光纤，光纤包层，该光纤包层1内具有沿该光纤包层延伸方向布置的第一纤芯和第二纤芯；两个纤芯参数相同，且每个纤芯的归一化频率V满足V>2.405，即每个纤芯单独存在时支持的模式个数≥2。本发明提供的光纤模式选择耦合器具有如下优点：当纤芯参数固定时，不同模式由于耦合长度的不同，在光纤模式选择耦合器的两个纤芯的输出端口会表现出不同的分光比；在光纤模式选择耦合器的某一个输出端口，可以实现特定模式的高纯度输出；由于模式的耦合是周期性的，不同的模式有不同的耦合周期，所以只需要根据需要选择耦合器的长度，就可以获得特定的模式；两个纤芯可以在很长的距离内保持平行，两个纤芯的芯径、芯间距等都可以灵活设计，可以更好地实现许多复杂的功能，例如多通道滤波器等。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于对称双芯少模光纤的光纤模式选择耦合器，其特征在于，包括一段双芯光纤，该双芯光纤的包层内具有沿该双芯光纤的包层长度方向布置的第一纤芯和第二纤芯；所述第一纤芯和第二纤芯的光学性能参数相同。

2.根据权利要求1所述的光纤模式选择耦合器，其特征在于，所述第一纤芯和第二纤芯的归一化频率满足V>2.405，使所述第一纤芯和第二纤芯分别支持的模式种类的数量≥2。

3.根据权利要求1所述的光纤模式选择耦合器，其特征在于，所述第一纤芯和第二纤芯支持的同一模式具有相同的传输常数，使所述第一纤芯和第二纤芯支持的同一模式可以发生完全耦合。

4.根据权利要求1所述的光纤模式选择耦合器，其特征在于，所述第一纤芯和第二纤芯支持的不同模式具有不同的耦合周期。