CN115201965B - 双波段模式复用光子灯笼器件及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双波段模式复用光子灯笼器件及制作方法，该器件包括：光纤阵列、过渡区以及少模或多模端口；光纤阵列包括由置于石英毛细管内预设数量的980nm单模光纤和一根1550nm少模或多模光纤，按预设拉伸比例经绝热拉锥至预设拉伸长度后得到的部分和露出部分；光纤阵列为拉锥前后不变的部分，过渡区为拉锥后形状改变的部分，少模或多模端口为拉锥后形状改变的端口部分；拉伸比例根据少模或多模光纤的归一化频率确定，以使得少模端口或多模端口产生LP模式。该器件能够解决常规光子灯笼用于构建光纤激光器存在的单模与少模不兼容问题，可实现1550nm模式的闭环传输，构建光纤激光器时可以摆脱对波分复用器件的依赖。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种双波段模式复用光子灯笼器件及制作方法。
背景技术
目前，基于单模光纤的通信系统已无限接近于传输容量上限，无法满足经济社会的发展需求。光纤中的高阶横模式具有正交性、独特的空间强度以及偏振分布特性，通过模分复用的方法可以拓展信息传输的空间维度，突破现有单模光纤通信系统传输容量的瓶颈，充分满足5G时代飞速增长的带宽需求。
为了在光纤中实现高阶模式的可控激励，发展出了多种模式转换器件，主要有：少模光纤光栅、非对称光纤耦合器、光纤错位结构，以及光子灯笼等。其中，模式选择性光子灯笼是将多根单模光纤插入石英毛细管，通过绝热拉锥而形成的模式选择性转换器件，通过控制单模光纤的尺寸与折射率参数，可在拉锥形成的少模或多模光纤端口选择性激励起不同的高阶模式，具有结构紧凑、支持模式数目多、模间串扰低、输出模式纯度高等优势。
光纤模式转换器件常用于光纤激光器系统中，用于生成高阶模式激光。建立在模分复用基础上的光纤通信系统，高阶模式激光器位于系统前端，其生成的光束质量与支持模式的数量，对于通信质量和通信带宽具有决定性作用。而上述的模式转换器件中，模式选择性光子灯笼是一种比较理想的模式转换器件，但将其用于光纤环形激光器系统中，存在单模与少模不兼容的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种双波段模式复用光子灯笼器件及制作方法。
本发明提供一种双波段模式复用光子灯笼器件，包括：依次连接的光纤阵列、过渡区，以及少模端口或多模端口；所述光纤阵列，包括由置于石英毛细管内的预设数量的980nm单模光纤和一根1550nm少模或多模光纤，按预设拉伸比例，经绝热拉锥至预设拉伸长度后得到的位于石英毛细管内的部分和露出石英毛细管外的部分；所述光纤阵列为拉锥前后不变的部分，所述过渡区为拉锥后形状改变的部分，所述少模端口或多模端口为拉锥后形状改变的端口部分；其中，所述拉伸比例根据所述少模或多模光纤的归一化频率确定，以使得所述少模端口或多模端口产生LP模式；所述预设数量与光子灯笼应用的模式数量对应。
根据本发明提供的一种双波段模式复用光子灯笼器件，所述预设数量包括3、6、10和15。
根据本发明提供的一种双波段模式复用光子灯笼器件，所述预设数量包括3，相应地，所有单模光纤的纤芯按照环形等间距排布，所述LP模式分别为LP01模式、LP11a和LP11b模式。
根据本发明提供的一种双波段模式复用光子灯笼器件，每一单模光纤的参数，根据少模端口或多模端口模式的传输常数无交叉为条件，并根据单模光纤输入的光波在少模或多模端口处实现模式选择性激发而确定，所述参数包括光纤的纤芯的折射率与尺寸。
根据本发明提供的一种双波段模式复用光子灯笼器件，所述少模或多模光纤支持的模式数目，大于或等于980nm光波通过所述光子灯笼器件能够激励的线偏振模数目。
根据本发明提供的一种双波段模式复用光子灯笼器件，所述拉伸比例包括0.1。
根据本发明提供的一种双波段模式复用光子灯笼器件，所述少模端口或多模端口的尺寸参数与所述少模或多模光纤匹配。
本发明还提供一种全少模光纤环形激光腔，包括：980nm激光器和上述任一项所述的双波段模式复用光子灯笼器件；所述980nm激光器与所述光子灯笼器件的980nm单模光纤连接，由不同980nm单模光纤注入的泵浦光通过所述光子灯笼后，实现基模向高阶线偏振模的选择性激发；所述光子灯笼的1550nm少模或多模光纤与少模或多模端口环形连接，构成环形激光腔，所述环形腔内接入少模掺铒光纤作为增益光纤，使腔内运转的波长转换到1550nm。
本发明还提供一种双波段模式复用光子灯笼器件制作方法，包括：将预设数量的980nm单模光纤与一根1550nm的少模或多模光纤置于石英毛细管内；根据预设拉伸比例对内置光纤的毛细管进行绝热拉锥至预设拉伸长度；将少模或多模端口，切割形成端面；其中，所述拉伸比例根据所述少模或多模光纤的归一化频率确定，以使得所述少模端口或多模端口产生LP模式；所述预设数量与光子灯笼应用的模式数量对应。
根据本发明提供的一种双波段模式复用光子灯笼器件制作方法，所述根据预设拉伸比例对内置光纤的毛细管进行绝热拉锥至预设拉伸长度之前，还包括：根据仿真结果，确定所述预设拉伸比例以及所述拉伸长度。
本发明提供的双波段模式复用光子灯笼器件及制作方法，将单模光纤和少模光纤共同进行拉锥处理，光纤阵列中加入的少模光纤与拉锥形成的少模端口可以匹配，能够解决常规光子灯笼用于构建光纤激光器存在的单模与少模不兼容问题，并且可以实现1550nm模式的闭环传输。同时，该光子灯笼器件具有980/1550nm双波段模式复用特性，用于构建光纤激光器时可以摆脱对波分复用器件的依赖。此外，该光子灯笼器件仅通过若干光纤经拉锥构成，制作成本低廉使用方式简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的双波段模式复用光子灯笼器件结构示意图；
图2是本发明提供的仿真示意图之一；
图3是本发明提供的仿真示意图之二；
图4是本发明提供的全少模光纤环形激光腔结构示意图；
图5是本发明提供双波段模式复用光子灯笼器件制作方法的流程示意图；
附图标记说明：1.光纤阵列；2.过渡区；3.少模端口或多模端口；1-1.单模光纤簇；1-2.少模或多模光纤；100.单模光纤1；101.单模光纤2；102.单模光纤3。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图5描述本发明的双波段模式复用光子灯笼器件及制作方法，图1是本发明提供的双波段模式复用光子灯笼器件结构示意图，如图1所示，本发明提供的双波段模式复用光子灯笼器件，包括：
依次连接的光纤阵列1、过渡区2，以及少模端口或多模端口3；所述光纤阵列1，包括由置于石英毛细管内的预设数量的980nm单模光纤和一根1550nm少模或多模光纤，按预设拉伸比例，经绝热拉锥至预设拉伸长度后得到的位于石英毛细管内的部分和露出石英毛细管外的部分；所述光纤阵列为拉锥前后不变的部分，所述过渡区为拉锥后形状改变的部分，所述少模端口或多模端口为拉锥后形状改变的端口部分；其中，所述拉伸比例根据所述少模或多模光纤的归一化频率确定，以使得所述少模端口或多模端口产生LP模式；所述预设数量与光子灯笼应用的模式数量对应。
例如，将预设数量的980nm单模光纤与一根1550nm少模光纤构成的光纤阵列，按照一定排布方式插入到石英毛细管中。可选地，预设数量包括3、6、10和15，也就是980nm单模光纤的预设数量可以为3、6、10、15等，与常规光子灯笼的数量相同。
拉锥比为耦合区截面直径与未拉锥时截面直径的比值，拉锥长度为拉锥后增加的长度。拉锥比与新型光子灯笼的少模端口归一化频率密切相关，最终决定了少模端口的模式。
预设拉锥比和预设拉锥长度可以通过仿真结果获得，如光束传播法和有限元分析法，亦可通过实验获得。
光纤阵列在绝热拉锥过程中逐渐融为一体，其中的980nm单模纤芯与1550nm少模纤芯逐渐变细，直至最后丧失对光的束缚能力，光纤阵列中原来的包层成为新的纤芯，外界的低折射率石英套管则成为新的包层。依据预设拉锥比拉伸到一定拉锥长度时，停止拉锥，最终形成一个新的少模波导，即少模端口，其参数与1550nm少模光纤相近，支持模式闭环低损耗传输。其中，1550nm光纤为少模或多模光纤的情况根据光子灯笼激励的线偏振模式数量确定，线偏振模式数量较多时为多模光纤。
本发明的双波段模式复用光子灯笼器件，将单模光纤和少模光纤共同进行拉锥处理，光纤阵列中加入的少模光纤与拉锥形成的少模端口可以匹配，能够解决常规光子灯笼用于构建光纤激光器存在的单模与少模不兼容问题，并且可以实现1550nm模式的闭环传输。同时，该光子灯笼器件具有980/1550nm双波段模式复用特性，用于构建光纤激光器时可以摆脱对波分复用器件的依赖。此外，该光子灯笼器件仅通过若干光纤经拉锥构成，制作成本低廉使用方式简单。
在一个实施例中，所述预设数量包括3，相应地，所有单模光纤的纤芯以及少模或多模光纤的纤芯按照环形等间距排布，所述LP模式分别为LP01模式、LP11a和LP11b模式。
现以三模选择性新型光子灯笼为例进行阐述，三模选择性新型光子灯笼的示意图如图1所示。少模端口能够选择性激励LP01、LP11a与LP11b三个线性偏振模，对应的980nm单模光纤簇1-1中所包含的单模光纤数量为3，3根980nm单模光纤分别对应于图1中的100、101与102。与之相应的，1550nm少模光纤可以选用支持三个模式以上的少模光纤，对应于图中的1-2。
对于三模选择性新型光子灯笼，根据光子灯笼中光纤几何排布对模式转换影响的相关研究结论，对于支持LPmn模式(m为模场的径向阶数，n为模场的角向阶数)传播与转换的光子灯笼，光纤阵列应当按照m个同心圆形式进行排布。每个圆环上光纤的数目应当是N＝2nmax+1，从而实现光子灯笼中模式的选择性激发。当光子灯笼可支持的模式为LP01、LP11a和LP11b时，m＝1、nmax＝1、N＝3，三根980nm单模光纤应当分布在一个圆环上。另外，考虑到用于传输1550nm激光的三模光纤也是组成新型光子灯笼的一部分，但其本身并不注入980nm光束，因此，可以将四根光纤按照环形等间距排布，以支持新型光子灯笼对于980/1550nm双波段模式复用的功能要求。
在一个实施例中，每一单模光纤的参数，根据少模端口或多模端口模式的传输常数无交叉为条件，并根据单模光纤输入的光波在少模或多模端口处实现模式选择性激发而确定，所述参数包括光纤的纤芯的折射率与尺寸。
对于三模选择性新型光子灯笼，三根980nm单模光纤的预设参数需要根据模式的传输特性进行差异化设计。不同的980nm单模光纤，其参数需要根据所需的模式进行设计，使得980nm基模在初始传输时存在传输常数的差异，从而在整个新型光子灯笼的模式转换过程中，模式的传输常数不交叉、不会发生模式耦合，以使得不同980nm单模光纤输入的光波在少模端口3处实现模式选择性激发。
例如，在具体实施过程中，经数值仿真后得到一个性能较佳的优选方案，仿真方法包括：光束传播法与有限元分析法。将三模选择性新型光子灯笼中三根980nm单模光纤的纤芯与包层折射率分别设计为1.4685、1.4635，其中两根980nm单模光纤的纤芯、包层尺寸设计为4μm、125μm，可选择性激励LP11a和LP11b模，另外一根980nm单模光纤纤芯、包层尺寸设计为6μm、125μm，激励LP01模。1550nm三种模式的少模光纤纤芯、包层折射率分别设计为1.4669、1.4635，其纤芯与折射率尺寸分别设计为15μm、125μm。上述四根光纤的包层均为125μm的情况下，最外层的石英毛细管的内径约为302μm，其外径设计为315μm，折射率设计为1.4600。
在一个实施例中，所述少模或多模光纤支持的模式数目，大于或等于980nm光波通过所述光子灯笼器件能够激励的线偏振模数目。即1550nm光纤支持的模式数目应该大于等于980nm光波通过新型光子灯笼能够激励的线偏振模数目。当光子灯笼激励的线偏振模式数量较多时，可以选用1550nm多模光纤。
在一个实施例中，所述过渡区的几何形态满足绝热拉锥条件。
在一个实施例中，所述少模端口或多模端口的尺寸参数与所述少模或多模光纤匹配。本发明实施例中的匹配，包括相同或相近的情况。少模端口3，位于过渡区2的末端，为少模光纤结构，尺寸参数与1550nm少模光纤1-2相同或相近，二者熔接后可实现1550nm光波模式的闭环、低损耗传输。
依据上述参数对三模选择性新型光子灯笼进行仿真设置，模拟三模选择性新型光子灯笼内部980nm光波的光场演化过程。图2的(a)部分为980nm传输时三模选择性新型光子灯笼的少模端截面示意图，其中，白色亮点部分分别为980nm单模光纤100、101与102拉锥后对应的纤芯，100与101的纤芯尺寸相同(4μm)，对应激发LP11a与LP11b模式，102的纤芯(6μm)对应激发LP01模式。图2的(b)部分和(c)部分分别为980nm波长对应的模式有效折射率变化，和不同拉锥比条件下对应的模场演化仿真结果。可以看出，当拉锥比达到0.1时，原100、101与102单模光纤中的基模在少模端口激发起相应的LP01、LP11a与LP11b模式，实现980nm波段模式选择性激发。
依据上述参数对三模选择性新型光子灯笼进行仿真设置，模拟三模选择性新型光子灯笼内部1550nm光波的光场演化过程。图3的(a)部分为三模选择性新型光子灯笼的少模端截面示意图，白色亮点部分为拉锥后的1550nm少模纤芯。图3的(b)部分为1550nm模式有效折射率随拉锥比的变化，当拉锥比大于0.8时，1550nm三模光纤能够稳定传输LP01和LP11模式。随着拉锥比降低，LP11模式首先泄露到包层中。当拉锥比低于0.3时，纤芯无法继续引导模式传输，光纤阵列的包层成为新的“纤芯”，并引导模式稳定传输。图3的(c)部分为不同拉锥比条件下对应的模场演化仿真结果，当拉锥比达到0.1时，原1550nm三模光纤中注入的LP01、LP11a与LP11b模式，在少模端口处能够实现与初始模场匹配，即1550nm模式通过三模选择性新型光子灯笼可以实现模式形态保持，与少模光纤连接可实现低损耗闭环传输。
在一个实施例中，所述拉锥比包括0.1。将拉锥比例设置为0.1既可以实现980nm模式选择性激发，又可以达到1550nm模式的低损耗传输的效果，从而可以构建双波段模式复用光子灯笼。
具体而言，在该拉锥比下，1550nm波段的光波经双波段模式复用光子灯笼后，可以实现模式的形态保持，实现低损耗衍化传输，再此情况下将单模或多模光纤与单模或多模端口连接，可用于构建环形激光腔，实现模式闭环传输。
图4是本发明提供的全少模光纤环形激光腔结构示意图，如图4所示，本发明还提供一种全少模光纤环形激光腔，包括：980nm激光器和上述任一实施例的双波段模式复用光子灯笼器件；所述980nm激光器与所述光子灯笼器件的980nm单模光纤连接，由不同980nm单模光纤注入的泵浦光通过所述光子灯笼后，实现基模向高阶线偏振模的选择性激发；所述光子灯笼的1550nm少模或多模光纤与少模或多模端口环形连接，构成环形激光腔，所述环形腔内接入少模掺铒光纤作为增益光纤，使腔内运转的波长转换到1550nm。
以三模选择性光子灯笼为例，将三模选择性光子灯笼用于构建全少模光纤环形腔连续光激光器，实现1550nm高阶模式激光输出。光子灯笼的980nm单模光纤束通过光开关与980nm激光器连接，由不同980nm单模光纤注入的泵浦光通过光子灯笼后，实现基模向高阶线偏振模的选择性激发。将光子灯笼的1550nm三模光纤与少模端口连接，构成环形激光腔，环形腔内引入少模掺铒光纤作为增益光纤，使腔内运转的波长转换到1550nm，1550nm高阶横模即可在环形腔内震荡。
在一个实施例中，所述980nm激光器通过光开关与所述光子灯笼器件的980nm单模光纤连接，如图4所示。
可选地，系统中引入隔离器，用于保证光的单向传输；引入偏振控制器，用于调节模场的偏振态，生成矢量光束。环形腔内引入一个少模光纤分束器，实现1550nm高阶横模激光输出。使用光谱分析仪测量输出激光的波长及其光谱特性，使用1550nm CCD观测输出激光的光场分布。
本发明提供的全少模光纤环形激光腔，可实现多个高阶模式激光在全少模光纤环形激光腔内的直接震荡与输出。
本发明还提供一种双波段模式复用光子灯笼器件制作方法，如图5所示，本发明提供的双波段模式复用光子灯笼器件制作方法，包括：
501、将预设数量的980nm单模光纤与一根1550nm的少模或多模光纤置于石英毛细管内。
502、根据预设拉伸比例对内置光纤的毛细管进行绝热拉锥至预设拉伸长度；
503、将少模或多模端口，切割形成端面。
其中，所述拉伸比例根据所述少模或多模光纤的归一化频率确定，以使得所述少模端口或多模端口产生LP模式；所述预设数量与光子灯笼应用的模式数量对应。
例如，将预设数量的980nm单模光纤与一根1550nm少模光纤构成的光纤阵列，按照一定排布方式插入到石英毛细管中。可选地，980nm单模光纤的预设数量可以为3、6、10、15等，与常规光子灯笼的数量相同。
根据预设拉锥比，对内置光纤阵列的石英毛细管进行绝热拉锥。980nm单模光纤，依据所需的模式进行差异化设计，保证光纤传输常数与模式传输条件的一致性，预设拉锥比用于控制拉锥后形成的少模端口的归一化频率，使得新型光子灯笼能够在少模端口产生特定的线偏振模。
光纤阵列在绝热拉锥过程中逐渐融为一体，其中的980nm单模纤芯与1550nm少模纤芯逐渐变细，直至最后丧失对光的束缚能力，光纤阵列中原来的包层成为新的纤芯，外界的低折射率石英套管则成为新的包层。依据预设拉锥比拉伸到一定拉锥长度时，停止拉锥，最终形成一个新的少模波导，即少模端口，其参数与1550nm少模光纤相近，支持模式闭环低损耗传输。
在一个实施例中，所述根据预设拉伸比例对内置光纤的毛细管进行绝热拉锥至预设拉伸长度之前，还包括：根据仿真结果，确定所述预设拉伸比例以及所述拉伸长度，具体可参见上述器件的实施例。
本发明实施例提供的方法实施例是为了实现上述各器件实施例的，详细内容请参照上述器件实施例，此处不再赘述。
本发明实施例所提供的双波段模式复用光子灯笼器件制作方法，其实现原理及产生的技术效果和前述器件实施例相同，为简要描述，方法实施例部分未提及之处，可参考前述器件实施例中相应内容。
以上所描述的各种装置实施例仅仅是示意性的，其中所述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的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种双波段模式复用光子灯笼器件，其特征在于，包括：依次连接的光纤阵列、过渡区，以及少模端口或多模端口；
所述光纤阵列，包括由置于石英毛细管内的预设数量的980nm单模光纤和一根1550nm少模或多模光纤，按预设拉伸比例，经绝热拉锥至预设拉伸长度后得到的位于石英毛细管内的部分和露出石英毛细管外的部分；
所述光纤阵列为拉锥前后不变的部分，所述过渡区为拉锥后形状改变的部分，所述少模端口或多模端口为拉锥后形状改变的端口部分；
其中，所述拉伸比例根据所述少模或多模光纤的归一化频率确定，以使得所述少模端口或多模端口产生线偏振LP模式；所述预设数量与光子灯笼应用的模式数量对应。
2.根据权利要求1所述的双波段模式复用光子灯笼器件，其特征在于，所述预设数量包括3、6、10和15。
3.根据权利要求1所述的双波段模式复用光子灯笼器件，其特征在于，所述预设数量包括3，相应地，所有单模光纤的纤芯以及少模或多模光纤的纤芯按照环形等间距排布，所述LP模式分别为LP01模式、LP11a和LP11b模式。
4.根据权利要求1所述的双波段模式复用光子灯笼器件，其特征在于，每一单模光纤的参数，根据少模端口或多模端口模式的传输常数无交叉为条件，并根据单模光纤输入的光波在少模或多模端口处实现模式选择性激发而确定，所述参数包括光纤的纤芯的折射率与尺寸。
5.根据权利要求1所述的双波段模式复用光子灯笼器件，其特征在于，所述少模或多模光纤支持的模式数目，大于或等于980nm光波通过所述光子灯笼器件能够激励的线偏振模数目。
6.根据权利要求1所述的双波段模式复用光子灯笼器件，其特征在于，所述拉伸比例包括0.1。
7.根据权利要求1所述的双波段模式复用光子灯笼器件，其特征在于，所述少模端口或多模端口的尺寸参数与所述少模或多模光纤匹配。
8.一种全少模光纤环形激光腔，其特征在于，包括：
980nm激光器和权利要求1-7任一项所述的双波段模式复用光子灯笼器件；
所述980nm激光器与所述光子灯笼器件的980nm单模光纤连接，由不同980nm单模光纤注入的泵浦光通过所述光子灯笼后，实现基模向高阶线偏振模的选择性激发；
所述光子灯笼的1550nm少模或多模光纤与少模或多模端口环形连接，构成环形激光腔，所述环形激光腔内接入少模掺铒光纤作为增益光纤，使腔内运转的波长转换到1550nm。
9.一种双波段模式复用光子灯笼器件制作方法，其特征在于，包括：
将预设数量的980nm单模光纤与一根1550nm的少模或多模光纤置于石英毛细管内；
根据预设拉伸比例对内置光纤的毛细管进行绝热拉锥至预设拉伸长度；
将少模或多模端口，切割形成端面；
其中，所述拉伸比例根据所述少模或多模光纤的归一化频率确定，以使得所述少模端口或多模端口产生LP模式；所述预设数量与光子灯笼应用的模式数量对应。
10.根据权利要求9所述的双波段模式复用光子灯笼器件制作方法，其特征在于，所述根据预设拉伸比例对内置光纤的毛细管进行绝热拉锥至预设拉伸长度之前，还包括：
根据仿真结果，确定所述预设拉伸比例以及所述拉伸长度。
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