CN113093332B - 全光纤的锥形模式转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种全光纤的锥形模式转换器，属于光纤通信技术领域。该模式转换器由一对锥形光纤耦合器组成，该耦合器的输入锥形光纤提供不同模场直径单模光纤的模式匹配，输出锥形光纤提供低损耗的LP0n模式转换。由于模式转换基于锥形光纤的绝热变换，因此具有较大的转换带宽，能在较宽的波长范围内能实现较高的转换效率。

Description

全光纤的锥形模式转换器
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，具体的说，是一种能实现模式之间绝热变换的锥形光纤模式转换器。
背景技术
随着光纤通信容量需求的迅速增长，模分复用被认为是进一步提高光纤传输容量的方法。在模分复用系统中，除了光纤基模外，高阶模式也用于传输信号，因此实现光纤不同模式场之间转换的模式转换器作为其中的关键器件，受到了越来越多的重视。理想的光纤模式转换器应能够有效地进行相应模式的转换，其转换模式应具有较高的纯度，同时具有较大的工作带宽和较低的插入损耗。
目前基于光纤的模式转换器件主要有以下几种：
1.基于光纤光栅的模式转换器，其基本原理是利用长周期光纤光栅实现模式间的转换，但是其工作带宽较窄。
2.基于模式耦合的模式转换器，包括双光纤结构，双芯结构，光子晶体双芯光纤结构等。
3.基于模式叠加的模式转换器，例如光子灯笼等。
基于谐振耦合的光纤模式转换器一般工作带宽较窄，同时对器件参数要求较为严格。基于绝热变换的光纤模式转换器，例如光子灯笼，具有更大的工作带宽，但对光纤参数要求较高。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种全光纤的锥形模式转换器，利用两个锥形光纤，实现了单模光纤的基模到多模光纤的LP0n模之间的绝热变换。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种全光纤的锥形模式转换器，包括输入单模光纤的锥形模场转换器、输出多模光纤的锥形模式转换器和光纤熔接区，输出多模光纤的锥形模式转换器的未锥化端输入的高斯光束光场经锥形光纤的绝热变换后，与输出多模光纤的LP0n具有更接近的有效折射率和模场分布，通过熔接方式进行连接形成光纤熔接区；能实现单模光纤的基模LP01模和多模光纤的高阶模LP0n模间的模式转换。优选地，单模光纤锥形转换器将输入的单模光纤基模绝热变换为未锥化端的光纤基模，未锥化端光纤基模的模场分布与有效折射率与多模光纤锥形转换器未锥化端的高阶模LP0n模更为接近，因此在光纤熔接区可以低损耗地激发LP0n模。在输出多模光纤锥形转换器中，LP0n模从未锥化端绝热地变换到锥化端输出。
优选地，全光纤的模式转换器，形成基座光纤形式，包括具有第一折射率的中央芯区、若干具有第一折射率的环形光纤区和具有第二折射率的包层区；所述基座光纤的构造使得其可锥化，以形成输出多模光纤的锥形模式转换器，在未锥化端的高阶模式具有高斯光束的模场分布，而经锥化区的绝热变换后，锥化端的输出模场分布更接近于多模光纤的LP0n模。
优选地，中央芯区和环形芯区之间具有足够的距离，使得中央芯区所激发的LP0n模不会和环形芯区的模式发生能量转换。
优选地，输出多模光纤的锥形转换器的环形芯区的基模具有比中心芯区基模更高的折射率，使在光纤熔接区的锥形转换器的基模与锥形转换器的LP0n模匹配。为满足在光纤熔接区，输入单模光纤的锥形模场转换器的基模与输出多模光纤的锥形模式转换器的LP0n模更为匹配，要求输出多模光纤的锥形模式转换器的基座光纤的环形芯区的基模具有比中心芯区基模更高的有效折射率。
优选地，输入单模光纤的锥形模场转换器的锥化端的与单模光纤连接，输出多模光纤的锥形模式转换器的锥化端与多模光纤连接。
优选地，环形芯区与中心芯区的间隔应保证在锥形变换过程中，中心芯区的LP0n模与环形芯区的模式不会互相耦合。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明利用两个锥形光纤，实现了单模光纤的基模到多模光纤的LP0n模之间的绝热变换，结构简单，其转换模式的纯度高，并具有较大的工作带宽和较低的插入损耗；
2.本发明模式转换器由一对锥形光纤耦合器组成，该耦合器的输入锥形光纤提供不同模场直径单模光纤的模式匹配，输出锥形光纤提供低损耗的LP0n模式转换。由于模式转换基于锥形光纤的绝热变换，因此具有较大的转换带宽。
附图说明
图1是本发明优选实施例的结构示意图。
图2是接收端基座光纤的横截面示意图。
图3是图1所示结构LP02模式的转换效率与波长的关系。
图4为图1所示结构LP02模式的转换效率与转换器结构的关系。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种全光纤的锥形模式转换器，包括输入单模光纤的锥形模场转换器1、输出多模光纤的锥形模式转换器2和光纤熔接区3，输出多模光纤的锥形模式转换器2的未锥化端输入的高斯光束光场经锥形光纤的绝热变换后，与输出多模光纤的LP0n具有更接近的有效折射率和模场分布，通过熔接方式进行连接形成光纤熔接区3；能实现单模光纤的基模LP01模和多模光纤的高阶模LP0n模间的模式转换。
本是实施例利用两个锥形光纤，实现了单模光纤的基模到多模光纤的LP0n模之间的绝热变换，结构简单，其转换模式的纯度高，效果好。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1，所述全光纤的模式转换器，其特征在于：形成基座光纤形式，包括具有第一折射率的中央芯区4、若干具有第一折射率的环形光纤区5和具有第二折射率的包层区6；所述基座光纤的构造使得其可锥化，以形成输出多模光纤的锥形模式转换器2，在未锥化端的高阶模式具有高斯光束的模场分布，而经锥化区的绝热变换后，锥化端的输出模场分布更接近于多模光纤的LP0n模。
在本实施例中，中央芯区4和环形芯区5之间具有足够的距离，使得中央芯区4所激发的LP0n模不会和环形芯区5的模式发生能量转换。
在本实施例中，输出多模光纤的锥形转换器2的环形芯区5的基模具有比中心芯区4基模更高的折射率，使在光纤熔接区的锥形转换器1的基模与锥形转换器2的LP0n模匹配。
在本实施例中，输入单模光纤的锥形模场转换器1的锥化端的与单模光纤7连接，输出多模光纤的锥形模式转换器2的锥化端与多模光纤8连接。
本实施例模式转换器由一对锥形光纤耦合器组成，该耦合器的输入锥形光纤提供不同模场直径单模光纤的模式匹配，输出锥形光纤提供低损耗的LP0n模式转换。由于模式转换基于锥形光纤的绝热变换，因此具有较大的转换带宽。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1。输入单模光纤的锥形模场转换器1和输出多模光纤的锥形模式转换器2的包层材料均为纯石英。多模光纤锥形转换器包含一个中央芯区(4)和一个环形芯区5。包层的折射率为n2，中央芯区4和环形芯区5的折射率为n1，n1>n2。单模光纤锥形转换器未锥化端的光纤芯径为d2，锥化端的单模光纤纤芯直径为d1，其波导结构可与商用的单模光纤7低损连接。多模光纤锥形转换器未锥化端中央芯区的直径为d3，环形芯区的内径为d4，外径为d5，锥化端可与多模光纤8连接。两锥形转化器的未锥化端具有相同的光纤外径，可通过熔接机将其连接。
图2为接收光纤未锥化端的横截面示意图。中央芯区4的半径为d3，环形芯区5的内径为d4，外径为d5。d3、d4和d5应满足：
1.环形芯区波导基模的有效折射率大于中央芯区波导基模的有效折射率；
2.未锥化端的LP02应与单模光纤锥形转换器1输出的高斯模场分布具有较接近的模场分布和有效折射率；锥化端输出的LP02应与接收多模光纤8的LP02模具有接近的有效折射率和模场分布；
3.在给定的锥形转换器长度条件下，中央芯区和环形芯区的距离应保证激发的LP02模式不会与锥形转换器中的其他模式发生耦合。
图3为图1所示的锥形转换器的转化效率与入射光波长的关系。由于模式转换是利用绝热变换，因此在较宽的波长范围内能实现较高的转换效率。图4为图1所示的锥形转换器的转化效率与多模光纤未锥化端环形芯区内径d4的关系。
本实施例模式转换器由一对锥形光纤耦合器组成，该耦合器的输入锥形光纤提供不同模场直径单模光纤的模式匹配，输出锥形光纤提供低损耗的LP0n模式转换。由于模式转换基于锥形光纤的绝热变换，因此具有较大的转换带宽。本实施例利用两个锥形光纤，实现了单模光纤的基模到多模光纤的LP0n模之间的绝热变换。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种全光纤的锥形模式转换器，其特征在于，包括输入单模光纤的锥形模场转换器(1)、输出多模光纤的锥形模式转换器(2)和光纤熔接区(3)，输出多模光纤的锥形模式转换器(2)的未锥化端输入的高斯光束光场经锥形光纤的绝热变换后，与输出多模光纤的LP0n具有更接近的有效折射率和模场分布，通过熔接方式进行连接形成光纤熔接区(3)；能实现单模光纤的基模LP01模和多模光纤的高阶模LP0n模间的模式转换；
所述全光纤的锥形模式转换器形成基座光纤形式，包括具有第一折射率的中央芯区(4)、若干具有第一折射率的环形光纤区(5)和具有第二折射率的包层区(6)；所述基座光纤的构造使得其可锥化，以形成输出多模光纤的锥形模式转换器(2)，在未锥化端的高阶模式具有高斯光束的模场分布，而经锥化区的绝热变换后，锥化端的输出模场分布更接近于多模光纤的LP0n模。
2.根据权利要求1所述全光纤的锥形模式转换器，其特征在于：中央芯区(4)和环形芯区(5)之间具有足够的距离，使得中央芯区(4)所激发的LP0n模不会和环形芯区(5)的模式发生能量转换。
3.根据权利要求1所述全光纤的锥形模式转换器，其特征在于：输出多模光纤的锥形模式转换器(2)的环形芯区(5)的基模具有比中心芯区(4)基模更高的折射率，使在光纤熔接区的单模光纤的锥形模场转换器(1)的基模与多模光纤的锥形模式转换器(2)的LP0n模匹配。
4.根据权利要求1所述全光纤的锥形模式转换器，其特征在于：输入单模光纤的锥形模场转换器(1)的锥化端的与单模光纤(7)连接，输出多模光纤的锥形模式转换器(2)的锥化端与多模光纤(8)连接。
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