CN113178769B - 一种基于环芯有源光纤的高阶模式宽谱光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于环芯有源光纤的高阶模式宽谱光源，通过对涡旋光束保持光纤的环芯进行有源掺杂，并对其中掺杂的稀土离子及过渡金属元素进行合理配置，制备并提供了一种环芯结构分布的有源光纤，该光纤可以传输并保持具有轨道角动量的涡旋光束，利用该种光纤与半导体激光器、模式转换器、偏振控制器、反射装置共同搭建全光纤型的光源系统，实现一种宽谱光源的高阶模式输出，包括高阶矢量模式、高阶标量模式以及高阶OAM模式，另外根据光纤中掺杂离子的不同，光源的输出光谱实现覆盖可见光、O、E、S、C、L以及U波段。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，特别是涉及一种基于环芯有源光纤的高阶模式宽谱光源。
背景技术
近年来网络时代的迅速发展，海量数据传输、云计算等新兴领域也涌现出来，使得传统光纤通信网与光纤传感网都需向超高速率、超大容量快速发展，这对光纤通信系统提出了更高的要求。
随着涡旋光被广泛地运用到许多光器件中，如涡旋光放大器，涡旋光激光器，以及高阶模式的宽谱光源等。制作这些器件必然要使用到有源光纤，但目前标准的有源光纤无法支持携带光子轨道角动量的光涡旋模式的稳定传输，传输带宽也不利于未来光纤通信全波段拓展。
另外，目前ASE光源被广泛地关注和使用，其具有输出功率高，光谱宽度宽，波长稳定，寿命长，易于光纤耦合等优点。该光源利用有源光纤中掺杂离子的ASE效应来产生宽谱光，但如今现有的ASE光源仅为基模输出，存在无法转化为高阶模式的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于环芯有源光纤的高阶模式宽谱光源，通过对涡旋光束保持光纤的环芯进行有源掺杂，并对光纤内部各个区域的折射率进行合理配置，提供一种可以支持涡旋光束传输的有源光纤，进一步提供可以将基模转化为高阶模式的宽谱光源，为高阶模式的传输提供了新方向，以此实现光通信和光传输数据容量的增加。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种基于环芯有源光纤的高阶模式宽谱光源，包括半导体激光器、模式转换器、偏振控制器、反射装置、环芯有源光纤。上述元部件的连接关系如下：
半导体激光器的输出端经单模光纤连接至模式转换器的单模光纤输入端，该模式转换器的涡旋光纤输出端通过涡旋光纤连接偏振控制器的输入端，所述偏振控制器输出端与环芯有源光纤连接；
所述的反射装置连接模式转换器的涡旋光纤输入端。
可选地，所述宽谱光源为单程前向、单程后向、双程前向、双程后向结构中的一种。以实现LP01(HE11)、LP11(HE21、TE01、TM01)、LPn1(HEn+1,1、EH n-1,1，n＝1,2,…10)模式以及OAM±n(n＝1,2,…10)模式输出。
优选地，所述模式转换器为熔融型光纤模式选择耦合器，作为泵浦光模式的转换器件，其损耗小、效率高，且适用于远距离传输系统。
优选地，所述反射装置采用熔融型耦合器，其分光比为1:1，可转换为高阶矢量模式、高阶标量模式或高阶OAM模式，且模式阶数满足n＝1,2,…10，模式转换效率大于60％。
优选地，所述环芯有源光纤包括纤芯、环芯以及包层，所述纤芯设置于环芯的中心处，所述包层将环芯包裹于其内部。
优选地，所述纤芯为纯石英、低折射率掺杂或空芯结构中的一种；所述环芯为高掺杂区域，其中锗的含量为0.5-35.0mol％，磷的含量为0.2-5.0mol％，铝的含量为0.2-30.0mol％，稀土离子的含量为0-5.0mol％；所述包层为纯石英材料制成；可以实现覆盖可见光、O、E、S、C、L以及U波段的高阶矢量模式、高阶标量模式以及高阶OAM模式。
可选地，所述环芯还掺杂量子点PbS、PbSe。
可选地，所述环芯形有源光纤的制备方法包括：改进的化学气相沉积法(MCVD)结合高温掺杂系统，MCVD结合溶液浸泡掺杂技术，(MCVD)结合原子层沉积(ALD)掺杂技术，外部气相沉积法(OVD)掺杂工艺，等离子体化学气相沉积法(PCVD)，等离子体外部气相沉积法(POVD)，以及气相轴向沉积法(VAD)工艺中的一种。
优选地，纤芯的折射率相对环芯的折射率差的变化范围为0.005-0.08，使环芯有源光纤可以支持涡旋光束传输。
可选地，所述环芯有源光纤为保偏光纤、应力致偏型光纤或带节距的扭转光纤中的一种。
优选地，所述扭转光纤节距设置为0.5-6.0mm
本发明公开一种OAM模式检测装置，包括少模分光耦合器、第一聚焦透镜、第一窄带滤光片、合束镜、反射镜、红外相机、第二聚焦透镜、第二窄带滤光片。所述少模分光耦合器接入环芯有源光纤后，将光束分为两路：一路经过第一聚焦透镜和第一窄带滤光片到达合束镜，另一路经过第二聚焦透镜和第二窄带滤光片后，再经过经过反射镜到达合束镜，然后两路在合束镜中进行模式干涉，最后，在红外相机中成像。
此外，环芯有源光纤在少模及OAM模式光放大器、光纤激光器、宽谱光源、高分辨率成像、高精度图像处理以及OAM光纤激光器中的应用。
本发明的有益效果在于：
1.本发明分别对光纤内部各个区域的折射率和光纤环芯的掺杂元素进行合理配置，可以支持具有轨道角动量涡旋光束的稳定传输，且光纤有效面积较大、结构简单、价位低廉、易于产业化生产。
2.本发明可以实现高阶矢量模式、高阶标量模式以及高阶OAM模式的输出。根据光纤中掺杂元素的不同，光源的输出光谱可以实现覆盖可见光、O、E、S、C、L以及U波段，并且该光源具有输出功率高，光谱宽度宽，波长稳定，易于光纤耦合等优点，适用于光通信中的模分复用和空分多路复用系统，并且可以应用于高精度的图像处理技术及光纤传感器中，具有良好的推广使用价值。
附图说明
图1为本发明的双程前向光源系统的结构图。
图中：1-半导体激光器，2-模式转换器，3-偏振控制器，4-反射装置，5-环芯有源光纤
图2为本发明的环芯有源光纤横截面结构及折射率分布的示意图。
图3为本发明的光源系统在泵浦光激发过程中，携带OAM的光子在能级中跃迁的示意图。
图4为本发明的光源光谱输出特性图。
图5为本发明的光源输出的OAM模式检测装置图。
图中：6-少模分光耦合器，7-第一聚焦透镜，8-第一窄带滤光片，9-合束镜，10-反射镜，11-第二聚焦透镜，12-第二窄带滤光片，13-红外相机。
图6为本发明的光源输出的二阶OAM的模式光斑及干涉图。
图7为本发明的光源输出的三阶OAM的模式光斑及干涉图。
图8为本发明的光源输出的四阶OAM的模式光斑及干涉图。
图9为本发明的光源输出的五阶OAM的模式光斑及干涉图。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的具体实施例，但要求保护的范围并不局限于此。
实施例1
如图1所示，一种基于环芯有源光纤的高阶模式宽谱光源，该光源为双程前向结构，由半导体激光器1、模式转换器2、偏振控制器3、反射装置4和环芯有源光纤5组成。
半导体激光器1的输出端经单模光纤连接至模式转换器2的单模光纤输入端，该模式转换器2的涡旋光纤输出端通过涡旋光纤连接偏振控制器3输入端，所述偏振控制器3输出端与环芯有源光纤5连接；
所述的模式转换器2的涡旋光纤输入端连接反射装置4。
半导体激光器1选用980nm的泵浦源；模式转换器2选用熔融型光纤模式选择耦合器，由单模光纤与涡旋保持光纤拉制而成；反射装置4选用分光比为1:1的熔融型耦合器，所用光纤为涡旋保持光纤；环芯有源光纤5选用环芯掺铒光纤。
最后得到如图4所示的宽谱输出。
实施例2
如图2所示的环芯有源光纤5中环芯22共掺铋铒稀土离子，通过基于MCVD与ALD结合共掺的方法制备。包括纤芯21、环芯22以及包层23，纤芯21设置于环芯22的中心处，包层23将环芯22包裹于其内部。
纤芯21为少量掺杂二氧化锗的石英材料，直径范围在2～5μm；环芯22为稀土离子掺杂区域，直径范围为8-16μm；包层23为纯石英材料制成，直径为125μm；纤芯的折射率相对环芯的折射率差的变化范围为0.005-0.08；其纤芯21和包层23需满足截止波长大于1000nm或可见光波段支持LP01(HE11)、LP11(HE21、TE01、TM01)、LPn1(HEn+1,1、EHn-1,1，n＝1,2,…10)模式以及OAM±n(n＝1,2,…10)模式。
利用该环芯有源光纤5，通过与如图一所示的高阶模式宽谱光源的偏振控制器输出端相连，实验结果表明，其光谱输出可以覆盖整个C+L波段。
实施例3
当波长为980nm的泵浦源发生相应模式转换后，产生高阶OAM模式，再利用上述铋铒共掺的环芯有源光纤作为光源系统的增益介质，实现高阶OAM模式光源的宽谱输出，其微观粒子的运动过程如图3所示。
当980nm泵浦光携带OAM的光子hv，激发有源离子基态能级4I15/2的粒子，激发到高能级4I11/2，其激发态4I11/2上的粒子具有OAM特性。然后，这些粒子很快会驰豫至能级4I13/2上，随后，以自发辐射的形式回到基态4I15/2，并释放出大量具有OAM的光子，从而产生高阶OAM模式的荧光光谱输出。
用如图5所示的OAM模式检测装置进行检测，在环芯有源光纤5后端接入少模分光耦合器6，将光束分为两路，一路经过第一聚焦透镜7和第一窄带滤光片8到达合束镜9，另一路经过第二聚焦透镜11和第二窄带滤光片12后，再经过经过反射镜10到达合束镜9，然后两路在合束镜9中进行模式干涉，最后在红外相机13中成像。
实验结果分别获得光源输出为二、三、四与五阶OAM模式光斑及相应的干涉图，如图6-9所示。
Claims (7)
1.一种基于环芯有源光纤的高阶模式宽谱光源，其特征在于，包括半导体激光器(1)、模式转换器(2)、偏振控制器(3)、反射装置(4)、环芯有源光纤(5)；
所述半导体激光器(1)的输出端经单模光纤连接至模式转换器(2)的单模光纤输入端，该模式转换器(2)的涡旋光纤输出端通过涡旋光纤连接偏振控制器(3)的输入端，所述偏振控制器(3)输出端与环芯有源光纤(5)连接；
所述的反射装置(4)连接模式转换器(2)的涡旋光纤输入端；
环芯有源光纤(5)包括：纤芯(21)、环芯(22)和包层(23)，所述纤芯(21)设置于环芯(22)的中心处，包层(23)将环芯(22)包裹于其内部；
纤芯(21)为纯石英结构、低折射率掺杂结构或空芯结构中的一种；环芯(22)为高掺杂区域，其中锗的含量为0.5-35.0mol％，磷的含量为0.2-5.0mol％，铝的含量为0.2-30.0mol％，稀土离子的含量为0-5.0mol％；包层(23)为纯石英材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种基于环芯有源光纤的高阶模式宽谱光源，其特征在于，宽谱光源为单程前向、单程后向、双程前向、双程后向结构中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于环芯有源光纤的高阶模式宽谱光源，其特征在于，模式转换器(2)为熔融型光纤模式选择耦合器。
4.根据权利要求1所述的一种基于环芯有源光纤的高阶模式宽谱光源，其特征在于，反射装置(4)采用熔融型耦合器，其分光比为1:1。
5.根据权利要求1所述的一种基于环芯有源光纤的高阶模式宽谱光源，其特征在于，纤芯(21)的折射率相对环芯(22)的折射率差的变化范围为0.005-0.08。
6.根据权利要求1所述的一种基于环芯有源光纤的高阶模式宽谱光源，其特征在于，环芯有源光纤(5)为保偏光纤、应力致偏型光纤或带节距的扭转光纤中的一种，所述扭转光纤节距设置为0.5-6.0mm。
7.一种OAM模式检测装置，其特征在于，包括少模分光耦合器(6)、第一聚焦透镜(7)、第一窄带滤光片(8)、合束镜(9)、反射镜(10)、第二聚焦透镜(11)、第二窄带滤光片(12)、红外相机(13)；
其中，少模分光耦合器(6)接入权利要求1-6中任一项所述的环芯有源光纤(5)后，将光束分为两路：一路经过第一聚焦透镜(7)和第一窄带滤光片(8)到达合束镜(9)，另一路经过第二聚焦透镜(11)和第二窄带滤光片(12)后，再经过反射镜(10)到达合束镜(9)，然后两路在合束镜(9)中进行模式干涉，最后在红外相机(13)中成像；
环芯有源光纤(5)应用于少模及OAM模式光放大器、光纤激光器、宽谱光源、高分辨率成像或高精度图像处理以及OAM光纤激光器中。
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