CN115642465A - 基于非模式选择光子灯笼的基模转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于非模式选择光子灯笼的基模转换系统，属于激光半导体技术领域，通过将发射出的种子源激光经过光分束器及相位调制器后，对应耦合后的光束在光子灯笼中经过锥区过渡到少模端，在光子灯笼少模端进行光纤光栅折射率分布的结构设计，并采用刻画双长周期的光纤光栅结构，该双长周期均满足相位匹配条件，可以使得实现调控后的基模输出以及包层中高阶纤芯模LP11向光纤基模LP01的转换，如此一方面可以过滤高阶模式，并将其转换为光纤基模，另一方面使得基模的输出更加稳定，进一步提高光子灯笼基模转换效率。

Description

基于非模式选择光子灯笼的基模转换系统

技术领域

本申请涉及激光半导体技术领域，特别涉及一种基于非模式选择光子灯笼的基模转换系统。

背景技术

光子灯笼是一种可以实现模式转换的全光纤型器件，能够实现单模光纤中的基模和多模光纤中的高阶模式的相互转换。其结构两端分别为一组小芯径单模光纤阵列和一根大芯径的多模光纤，中间为锥形过渡区。根据光子灯笼的传输特性可将光子灯笼分为模式选择性光子灯笼和非模式选择性光子灯笼，它们的结构相似，但功能不同。模式选择性光子灯笼单模端光纤纤芯直径各不相同，分别从不同的单模端口入射基模光，可在多模端口得到不同的模式，常用于模分复用系统以提升传输容量。而非模式选择光子灯笼入射纤芯直径相同，不存在任何区别，需利用相位调控等主动模式控制手段，才能实现每根单模光纤与每种高阶模式的对应激发。

非模式选择光子灯笼在激光合束方面有较好的应用前景。单模光纤因其自身尺寸限制，存在输出功率极限，而非模式选择光子灯笼输入端可允许更多的单模光纤输入，输出端为纤芯直径更大的少模光纤，可提升合束质量，实现更高的功率输出。同时，通过主动模式控制依然能够保持基模输出。

目前，基于随机并行梯度下降（SPGD）算法的光子灯笼系统，种子光经分束器分成三路光耦合进非模式选择光子灯笼实现合束，利用此自适应算法调整输入模式的相对相位，输入单模进行相干叠加，实现相干合成并得到基模输出。但在实际应用场景中，发明人发现，随着激光器功率水平提升，当功率超过一定阈值时，光纤中会伴随着基模到高阶模的能量耦合，使输出光斑光束质量变差，如此会限制激光器功率的提升，因此现有技术存在问题亟待解决。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种基于非模式选择光子灯笼的基模转换系统，旨在解决包括以下至少一个问题：随着激光器功率超过一定阈值时，光纤中会伴随着基模到高阶模的能量耦合，输出光斑模式多能量不集中、光束质量变差，限制激光器功率提升而影响基模的转换效率等问题。

在一个实施例中，本申请的基于非模式选择光子灯笼的基模转换系统，包括激光器、M×N光分束器、N个相位调制器和非模式选择光子灯笼；

所述激光器与所述M×N光分束器连接，所述激光器用于将发出的种子源激光发送至所述M×N光分束器；

所述M×N光分束器与所述N个相位调制器连接，所述M×N光分束器用于将所述种子源激光分成N束分束光，并用于将所述N束分束光发送至所述相位调制器；

所述相位调制器与所述非模式选择光子灯笼连接，所述相位调制器用于分别将经过解调后的所述N束分束光对应耦合至所述非模式选择光子灯笼中；

所述非模式选择光子灯笼用于将对应耦合的每一束分束光经过所述非模式选择光子灯笼的单模端及少模端；

所述非模式选择光子灯笼单模端光纤直径相同；

通过在所述少模端刻画预设长周期的光纤光栅，以转换出目标光纤基模；

其中，所述预设长周期为能够将经过对应非模式选择光子灯笼的单模端及少模端后未转换的高阶模式转换成所述目标光纤基模的周期。

在一个实施例中，对所述光纤光栅刻画预设的光栅带宽，所述预设的光栅带宽与所述预设长周期相匹配。

在一个实施例中，所述预设长周期包括第一周期和第二周期，所述通过在所述少模端刻画预设长周期的光纤光栅，通过以下方式实现：

通过CO2激光器对所述少模端的同一段输出光纤分别刻画成所述

第一周期和所述第二周期的光纤光栅；

所述第一周期和所述第二周期满足以下相位匹配条件：

λd=（nλdco-nλdcl）Λ

其中，所述λd代表所述光纤光栅产生模式耦合的目的波长，所述nλdco代表传导模在所述目的波长处的有效折射率，所述nλdcl代表包层模在所述目的波长处的有效折射率，所述Λ代表所述第一周期或所述第二周期。

在一个实施例中，所述预设长周期的范围为400μm-800μm。

在一个实施例中，所述基模转换系统还包括分光器、电荷耦合器、针孔探测器及控制器，其中：

所述分光器配置为能够调整预设透射和反射比例的分光器，所述分光器用于对所述光纤光栅输出的光进行透射和反射，以输出第一占比的透射光和第二占比的反射光；

所述第一占比的透射光透射输入所述电荷耦合器，所述电荷耦合器用于观测所述透射光的光斑模式；

所述第二占比的反射光经反射输入所述针孔探测器，所述针孔探测器用于探测所述反射光通过轴上的光照强度，并用于将所述光照强度 发送所述控制器，以使所述控制器对所述相位调制器进行补偿控制。

在一个实施例中，所述控制器采用SPGD优化算法对所述相位调制器的相位控制电压进行优化，以实现对所述少模端的输出光纤进行闭环控制。

在一个实施例中，所述电荷耦合器为CCD，所述CCD用于观测所述透射光的光斑的线偏振模式。

在一个实施例中，所述激光器为能够提供种子激光的单频半导体激光器。

在一个实施例中，所述M×N光分束器具有N束输出光纤，所述输出光纤均采取光纤跳线方式一一对应连接到所述单模端。

在一个实施例中，所述M为1，所述N为3，所述M×N光分束器为1×3光分束器。

在一个实施例中，所述相位调制器为铌酸锂相位调制器。

现有技术中，输入单模经光子灯笼的叠加在少模输出端表现为一个动态的过程，在不对其进行相位控制的条件下，LP01模和LP11模互相转换。经过SPGD算法实现相位相干合成后表现为基模输出，但随着泵浦功率的提升，将会出现基模到高阶模的能量耦合，最终降低输出光斑的光束质量，限制功率的提升，从而影响基模输出的效率。本发明与现有技术相比，本申请的基模转换系统至少包括以下一个有益效果：

本发明通过对非模式选择光子灯笼少模端设计刻画预设长周期的光纤光栅。利用光纤光栅的折射率结构，可以使得实现调控后的基模输出以及包层中高阶LP11模到LP01模的转换。一方面，不仅可以过滤高阶模式，并将其转换为光纤基模，使得基模输出更加稳定，进一步提高非模式选择光子灯笼基模转换效率；另一方面，还可以使得展宽了模式转换的工作带宽，使其在整个转换波长范围内的模式转换性能相对均衡。

本申请实施例的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请实施例的目的和其他优点在说明书以及附图所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明实施例提供的基模转换系统的一个示意图；

图2是本发明实施例提供的基模转换系统的另一个示意图；

如下为附图标记说明：

100-激光器；200-分束器；

300-相位调制器；301-第一相位调制器；302-第二相位调制器；303-

第三相位调制器；

401-非模式选择光子灯笼；402-光纤光栅；

500-分光器；600-电荷耦合器；700-针孔探测器；

800-控制器。

具体实施方式

尽管在本申请的说明书文字及附图中已经对上述各实施例进行了描述，但并不能因此限制本申请的专利保护范围。凡是基于本申请的实质理念，利用本申请说明书文字及附图记载的内容所作的等效结构或等效流程替换或修改产生的技术方案，以及直接或间接地将以上实施例的技术方案实施于其他相关的技术领域等，均包括在本申请的专利保护范围之内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

正如背景技术所描述的，现有技术中，随着激光器功率水平提升，当功率超过一定阈值时，光纤中会伴随着基模到高阶模的能量耦合，使输出光斑光束质量变差，如此会限制激光器功率的提升，从而影响基模的转换效率，为了解决上述技术问题，于是有了本申请的发明构思，具体将通过以下实施例进行说明。

实际应用场景中，发明人还发现，对于长周期光栅来说，光信号的耦合方式主要为纤芯模和同向包层模的互耦合或纤芯模和同向纤芯模的自耦合。根据耦合模理论方程可知，模式间在满足相位匹配条件时，也就是光栅周期与模式传播常数满足一定关系，耦合效果最好。由此

依据长周期光栅的模式转换特性，可以使高阶模再次转换至基模，提高非模式选择光子灯笼的基模转换效率，具体将通过以下实施例进行说明。

在一个实施例中，以图1所示，本申请基于非模式选择光子灯笼的基模转换系统，具体可以包括激光器100、M×N光分束器200、N个相位调制器300以及非模式选择光子灯笼401，该非模式选择光子灯笼401单模端光纤直径相同。

其中，该M×N光分束器200可以为如1×3光分束器200，该N个相位调制器300可以为3个相位调制器300。具体地，激光器100与M×N光分束器200连接，激光器100用于发出种子源激光，并用于将发出的种子源激光发送至M×N光分束器200；具体地，M×N光分束器200与N个相位调制器300连接，基于激光器100将发出的种子源激光发送至M×N光分束器200，M×N光分束器200用于将种子源激光分成M×N束分束光，并用于将M×N束分束光分别发送至相应的相位调制器300，其中，该M×N光分束器200具有N束输出光纤，分束器200用于将对应的种子源激光分成N束光路，每一束光路分别耦合后输入至对应非模式选择光子灯笼401的单模端，可以理解，根据麦克斯韦方程组分析少模光纤的模式理论，通过标量近似求解，对光纤纤芯与包层折射率进行弱导近似得到模式的特征方程，对应线性极化偏振模式（LP模）。该单模为LP01模，即基模，是光线中最低阶的模式，具体将结合下面实施例进行说明。

上述实施例中，每一束光路分别耦合后输入至对应非模式选择光子灯笼401的单模端具体可以通过以下实施例实现：

在一个实施例中，通过配置相位调制器与非模式选择光子灯笼401连接，相位调制器用于分别将经过对应相位调制器解调后的分束光对应耦合至非模式选择光子灯笼401对应的单模端中；可以理解，每一个非模式选择光子灯笼401可以配置为具有单模-少模结构，每一非模式选择光子灯笼401用于将对应耦合的分束光经过对应非模式选择光子灯笼401的单模端及少模端后，在对应非模式选择光子灯笼401的少模端实

现刻画预设长周期的光纤光栅402，以转换出目标光纤基模；其中，上述实施例的预设长周期为能够将经过对应非模式选择光子灯笼401的单模端及少模端后未转换的高阶模式转换成目标光纤基模。

基于光子灯笼为宽带器件，在一个实施例中，为了使得展宽模式转换的工作带宽，使其在整个转换波长范围内的模式转换性能相对均衡，可以对光纤光栅402刻画预设的光栅带宽，该预设的光栅带宽与预设长周期相匹配，如此可使得展宽了模式转换的工作带宽，使其在整个转换波长范围内的模式转换性能相对均衡。

在一个实施例中，具体地，上述实施例中的预设长周期具体可以包括第一周期和第二周期，刻画预设长周期的光纤光栅，具体可以通过以下方式实现：

通过CO2激光器对少模端的同一段输出光纤分别刻画成第一周期和第二周期的光纤光栅；

同时，该第一周期和第二周期满足以下相位匹配条件：

λd=（nλdco-nλdcl）Λ

其中，λd代表光纤光栅产生模式耦合的目的波长，nλdco代表传导模在目的波长处的有效折射率，nλdcl代表包层模在目的波长处的有效折射率，Λ代表第一周期或第二周期。

上述实施例中，例如针对1×3的非模式选择光子灯笼401，通过CO2激光器对非模式选择光子灯笼401的少模端光纤同一段刻画成两个周期分别为第一周期Λ1，第二周期Λ2的长周期光纤光栅，利用光栅的周期性微扰引起的模式耦合实现高阶纤芯模LP11向光纤基模LP01的转换。同时，两个周期均满足上述公式的相位匹配条件。

在一个实施例中，上述实施例提到的预设长周期范围可以为400μm-800μm，以使得满足长周期的设置。

下面结合实际场景对上述实施例进行说明，在一个实施例中，如图1和图2所示，激光器100可以选用单频半导体激光器，实现通过该单频半导体激光器输出种子源激光，该种子源激光的波长可以为976nm，种子源激光输出的经过1×3的分束器200后分成3路光束输出，3路光

束分别输入到3路相位调制器300中，也即3路光束分别输入至第一相位调制器301、第二相位调制器302及第三相位调制器303中，通过3路相位调制器300分别对光束进行耦合后，对应耦合后的光束再进入1×3的非模式选择光子灯笼401。

其中，该非模式选择光子灯笼401可以为由三根单模光纤套管拉锥拉制而成，该三根单模光纤排布在同一圆上，每根单模光纤纤芯直径可以为8μm，包层直径可以为125μm，单模光纤间的距离相等，三根单模光纤具体可以排布如呈等边三角形，纤芯外层包裹着单模光纤的包层，在拉锥的尾端将形成少模的纤芯。其中，包层外面套着一层低折射率套管，在拉锥的尾端会形成少模的包层，该拉锥长度可以为如5cm，少模端光纤纤芯直径可以为12μm，包层直径可以为125μm。3路基模随着锥形过渡区进行传输并相互耦合产生了模式转换，即变换为少模端的模式输出，同时在少模端同一段刻画两个周期分别为Λ1=500μm、Λ2=600μm的长周期光纤光栅402，调制深度可以为0.0005，调制长度可以为20000μm。

上述实施例中，可以理解，通过将发射出的种子源激光经过光分束器及相位调制器后，对应耦合后的光束在非模式选择光子灯笼401经过锥区过渡到少模端，在光子灯笼非模式选择401的少模端进行光纤光栅折射率分布的结构设计，并采用刻画双长周期的光纤光栅结构，该双长周期均满足相位匹配条件，可以使得实现调控后的基模输出以及包层中高阶纤芯模LP11向光纤基模LP01的转换，如此可使得一方面，可以过滤高阶模式，并将其转换为光纤基模，并使得基模的输出更加稳定，进一步提高非模式选择光子灯笼401基模转换效率。

此外，发明人还发现，实际光子灯笼系统中，各路之间的相位差起伏会对模式演化的结果产生极大影响，从而导致光子灯笼输出端的光斑不断变化且不规则，为了解决上述技术问题，在一个实施例中，如图1和图2所示，上述的基模转换系统还可以包括：

分光器500、电荷耦合器600、针孔探测器700及控制器800，其中：

分光器500用于对光纤光栅输出的光束进行透射和反射，以输出透

射光和反射光；具体可以对分光器500配置对应的透射光和反射光的比例，以使得输出第一占比的透射光和第二占比的反射光。

具体地，第一占比的透射光透射输入电荷耦合器600，该电荷耦合器600可以为CCD，电荷耦合器600用于观测透射光的光斑的线偏振模式。

第二占比的反射光经反射输入针孔探测器700，该针孔探测器700用于探测反射光通过轴上的光照强度，并用于将该实时探测的光照强度信息发送控制器800，以使控制器800对相位调制器300进行控制补偿，以实现闭环控制。

在一个实施例中，该控制器800可以采用SPGD优化算法对相位调制器300的控制电压进行优化，实现对少模端的输出光纤进行闭环控制，实现稳定准确的单模输出。

下面结合实际场景对上述实施例进行说明，基于上述实施例中，三路基模随着锥形过渡区进行传输并相互耦合产生了模式转换，完成变换为少模端的模式输出，同时在少模端同一段刻画两个长周期的光纤光栅后，对应光束输出光可以经1：9的分光器500，即90%的透射光透射入电荷耦合器（CCD）600中，以便观测光斑模式，另外10%的反射光经反射进入针孔探测器700，通过探测轴上的光照强度，并将实时探测的光照强度反馈至控制器800，具体还可以结合采用SPGD优化算法对相位控制电压进行优化，以实现对输出光束的闭环控制，从而提高系统的输出效率及稳定性。

需要说明的是，上述实施例所涉及到的数值主要用于实施例说明，例如单模光纤直径可以为包括不局限于8μm，包层直径可以为包括单不局限于125μm，此处并不作具体限定，在合理范围内且保持规格相同即可。

同样地，少模光纤纤芯直径可以为包括但不局限于12μm，包层直径可以为包括但不局限于125μm，此处并不作具体限定，在合理范围内且前后保持规格相同即可。

同样地，长周期光纤光栅的周期可以包括但不局限于500μm、600

μm，还可以为例如400μm或者800μm，调制深度可以包括但不局限于0.0005，调制长度可以包括但不局限于20000μm，此处并不作具体限定，在合理范围内且满足相位匹配条件即可。

在一个实施例中，上述实施例的激光器为能够提供种子激光的单频半导体激光器，该单频半导体激光器能够输出单频的种子激光，可以为单模输出，实际应用场景中，该激光器不局限于一台，可以为多台单频半导体激光器，以保证输入功率的平均水平，具有在数量上不作限制，为避免累赘，上述实施例仅以一台进行说明。

在一个实施例中，M×N光分束器具有N束输出光纤，涉及各部分器件之间都采用光纤跳线输入输出，具体地，输出光纤可以分别采用光纤跳线方式一一对应连接到单模端输入输出，以使得少模光纤为规格型号相同且支持传输模式数一致的光纤，以降低甚至避免传输造成的损耗。

在一个实施例中，上述任一实施例的相位调制器可以为铌酸锂相位调制器。该实施例中，通过选用铌酸锂相位调制器，该种相位调制器利用铌酸锂晶体的电光效应并结合光电子集成工艺制作而成，因而具有高响应速度，低插入损耗等诸多优点，如此可使得提高相位调制的效率。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.基于非模式选择光子灯笼的基模转换系统，其特征在于，包括激光器、M×N光分束器、N个相位调制器和非模式选择光子灯笼；

所述激光器与所述M×N光分束器连接，所述激光器用于将发出的种子源激光发送至所述M×N光分束器；

所述M×N光分束器与所述N个相位调制器连接，所述M×N光分束器用于将所述种子源激光分成N束分束光，并用于将所述N束分束光发送至所述相位调制器；

所述相位调制器与所述非模式选择光子灯笼连接，所述相位调制器用于分别将经过解调后的所述N束分束光对应耦合至所述非模式选择光子灯笼中；

所述非模式选择光子灯笼用于将对应耦合的每一束分束光经过所述非模式选择光子灯笼的单模端及少模端；

通过在所述少模端刻画预设长周期的光纤光栅，以转换出目标光纤基模；

其中，所述预设长周期为能够将经过对应非模式选择光子灯笼的单模端及少模端后未转换的高阶模式转换成所述目标光纤基模的周期。

2.如权利要求1所述的基模转换系统，其特征在于，对所述光纤光栅刻画预设的光栅带宽，所述预设的光栅带宽与所述预设长周期相匹配。

3.如权利要求1所述的基模转换系统，其特征在于，所述预设长周期包括第一周期和第二周期，所述通过在所述少模端刻画预设长周期的光纤光栅，通过以下方式实现：

通过CO2激光器对所述少模端的同一段输出光纤分别刻画成所述第一周期和所述第二周期的光纤光栅；

所述第一周期和所述第二周期满足以下相位匹配条件：

λd=（nλdco-nλdcl）Λ

其中，所述λd代表所述光纤光栅产生模式耦合的目的波长，所述nλdco代表传导模在所述目的波长处的有效折射率，所述nλdcl代表包层模在所述目的波长处的有效折射率，所述Λ代表所述第一周期或所述第二周期。

4.如权利要求2所述的基模转换系统，其特征在于，所述预设长周期的范围为400μm-800μm。

5.如权利要求1-4任一项所述的基模转换系统，其特征在于，所述基模转换系统还包括分光器、电荷耦合器、针孔探测器及控制器，其中：

所述分光器配置为能够调整预设透射和反射比例的分光器，所述分光器用于对所述光纤光栅输出的光进行透射和反射，以输出第一占比的透射光和第二占比的反射光；

所述第一占比的透射光透射输入所述电荷耦合器，所述电荷耦合器用于观测所述透射光的光斑模式；

所述第二占比的反射光经反射输入所述针孔探测器，所述针孔探测器用于探测所述反射光通过轴上的光照强度，并用于将所述光照强度 发送所述控制器，以使所述控制器对所述相位调制器进行补偿控制。

6.如权利要求5所述的基模转换系统，其特征在于，所述控制器采用SPGD优化算法对所述相位调制器的相位控制电压进行优化，以实现对所述少模端的输出光纤进行闭环控制。

7.如权利要求5所述的基模转换系统，其特征在于，所述电荷耦合器为CCD，所述CCD用于观测所述透射光的光斑的线偏振模式。

8.如权利要求1-4任一项所述的基模转换系统，其特征在于，所述激光器为能够提供种子激光的单频半导体激光器。

9.如权利要求1-4任一项所述的基模转换系统，其特征在于，所述M×N光分束器具有N束输出光纤，所述输出光纤均采取光纤跳线方式一一对应连接到所述单模端。

10.如权利要求1-4任一项所述的基模转换系统，其特征在于，所述相位调制器为铌酸锂相位调制器。

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