CN1846158A - 抑制模式转换器下游的不需要的信号传播模式 - Google Patents

Abstract

一种专用于变换光信号传播模式的光学设备(D)，该设备至少包括第一模式转换器(3)，该第一模式转换器被供以第一引导模式传播的信号，并部分地以该第一引导模式和部分地以第二引导模式在该多模光纤(4)中传送将这些信号，该第二引导模式的阶数比该第一引导模式的阶数更高。该多模光纤(4)包括至少第一无源滤波装置(R)，其任务是将第一引导模式转换成至少一个耗散性包层模式，以便在多模光纤(4)内防止或限制处于第一引导模式的信号的传播，同时允许处于第二引导模式的信号的传播。

Description

抑制模式转换器下游的不需要的信号传播模式

技术领域

本发明涉及光传输领域，更特别地说，涉及在光传输系统中的传播模式转换。

背景技术

有些波导结构，例如光纤，允许传输处于所谓“基本”传播模式的光信号，或处于可以特别地使总的光传输性能获得改善的所谓“高阶”或较高阶传播模式的光信号。具体地，可以设置波导结构，使其能够具有例如高度负色散和高有效表面的特性，特别地，这些特性使其能够集成在色散补偿模块(DCM，该色散补偿模块包括色散补偿光纤(DCF光纤))中。这尤其是多模或较多模光纤的情况，这种光纤也称之为高阶模式(HOM)光纤，当前已经很好地掌握了这种光线的制造技术。

为了向这种类型结构提供高阶模式信号，通常采用纵模转换器。由于所用转换技术的原因，这类转换器都不能将低阶模式的功率100％地转换成所选择的高阶(或较高阶)模式。在这些众多技术中，特别要提一下长周期光栅(LPG，由S.Ramachandran等人发表在2001年10月出版的第37卷第22号Electronics Letters中的文章中对此有具体的描述)，以及锥形光纤，它包括内中心中空部分(或锥形中空光纤，特别在韩国科学技术院发表在CLEO’01 Paper CtuAA2上的论文“Tapered Hollow Fibre for Mode Conversion”一文中进行了描述)。

由于这种功率转换问题，取决于模式转换的质量和沿光纤所施加的干扰，低阶模式和高阶模式在HOM光纤内总会以或多或少的功率比例共存。于是按照所谓“多径干扰”(MPI)的机制，该多种模式会相互干扰，从而使这些传输的信号的检测质量显著下降，这大大限制了这种光纤的潜在应用。

为了防止这种下降对传输的损害，对于给定的波长，在通过不需要的低阶模式传送的能量与通过高阶(或较高阶)模式传送的能量之间的比率必须要小于大约-40dB。

为了降低上述比率，例如有可能通过激光辐照来局部改变光纤的纤芯，其效果是会引入LP01模式的衰减。然而，这同时也引入了对高阶模式(LP02)的不需要的衰减。如在美国专利US 6,327,403中建议的那样，有可能在HOM光纤的某个部分放置吸收环，以便将对高阶模式的衰减与其它传输模式相比下降到较低的程度。更确切地说，吸收环要放置在LP02模式的空间能量分布为零或最小的地点。

这个解决方案是有效率的，但为了不向高阶模式(LP02)引入任何附加损耗，吸收环的半径必须尽可能地小。例如，对于0.5μm的环半径，会将0.11dB/km的附加损耗引入到高阶模式(LP02)。此外，如果吸收环的精确位置取决于光纤的实际的折射率分布的话，这种类型的光纤特别难以生产。因此，必须对每个类型的HOM光纤进行吸收环定位的优化。

发明内容

因此，本发明的目的是为了改进这种状况。

为此目的，本发明建议了一种用于变换光信号传播模式的光学设备，包括至少一个与多模或较多模光纤(或HOM光纤)相关联的第一模式转换器，该第一模式转换器被提供了以第一引导模式(例如，基本模LP01)传播的信号，并部分地以第一引导模式和部分地以第二引导模式(例如LP02模)在多模光纤中传送该信号，该第二引导模式的阶数比该第一引导模式的阶数高。

该变换设备的特征在于：它的多模光纤包括至少第一无源滤波装置，该滤波装置的任务是将第一引导模式转换成至少一个耗散性包层模式。因为包层模式不被传播，并且滤波(或转换)并不改变第二引导模式的特性，所以这就减小了低阶模式能量和高阶模式能量之间的比率。

这里，模式转换是通过在第一引导模式和一个或多个包层模式之间进行功率耦合来完成的。

在一个特别有利的实施例中，第一滤波装置是以第一长周期光栅(LPG)的形式在多模光纤中制成的。因此，LPG光栅的周期是作为所选的用于滤波的包层模式的函数来选定的。

根据本发明另一个特征，多模光纤可包括其它的无源滤波装置，该滤波装置的任务是将阶数比第一引导模式的阶数高的一个或多个其它引导模式转换成至少一个或多个其它耗散性包层模式，以便防止传输以那些其它引导模式传播的信号，同时允许传输以多模光纤的第二引导模式传播的信号。

在这种情况下，也可以以一个或多个其它长周期光栅的形式在多模光纤内制造其它的转换装置。由此，可以在多模光纤中制造LPG光栅的级联。

根据本发明的设备可以包括其它特征，能够单独地或以组合的方式采用这些特征，并且特别是：

其多模光纤可包括一个包层，该包层在(第一和/或其它)滤波装置处的外半径的值比在这些滤波装置每侧的外半径的值小；

至少一个(第一和/或其它)长周期光栅可在周期内呈现一种变化，以保证宽带滤波；

至少一个(第一和/或其它)长周期光栅可在选择的长度上呈现一个折射率调制分布，以提供基本上为矩形的光谱滤波；

该设备在(第一和/或其它)滤波装置的下游可包括第二模式转换器，其任务是将以第二模式传播的信号(重新)转换成以第一模式传播的信号。

附图说明

在考察了下面的详细描述和附图之后，本发明的其它特征和其它优点将会变得明了，其中：

图1示意地说明了根据本发明的模式变换设备的一个实施例，

图2是作为其半径(Ra)的函数、示意地说明一个HOM型光纤示例的折射率(RI)的视图，

图3示意地说明了根据本发明的模式变换设备的模式滤波装置的第一实施例，

图4是示意地说明了在波长1550nm处对LP01-LP0m类型进行耦合情况下，作为包层模式的所谓轨道阶数m的函数，长周期光栅(LPG)的周期性间距(μm)的发展变化的视图，以及

图5示意地说明了根据本发明的模式变换设备的模式滤波装置的第二实施例。

附图不仅用作为对本发明的补充说明，而且用作对本发明进行适当限定。

具体实施方式

本发明涉及抑制对模式转换器下游的不需要引导模式(guidedmode)进行抑制。

为此目的，建议一种用来变换光信号传播模式的光学设备，该设备可以例如嵌入到(或组成)在光纤传输线路中所嵌入的色散补偿模块。

图1说明的传输线路包括利用根据本发明的传输设备D连接到下游光纤2的上游光纤1。

类似于下游光纤2，上游光纤1例如是单模光纤(SMF)，其中传播处于例如基本LP01模式的第一引导模式的信号。

所说明的变换设备D包括耦合到多模或较多模光纤(或也可以是HOM光纤)4的第一模式转换器3，其中该光纤4配置有一个无源模式滤波器5并且耦合到第二模式转换器6，该第二模式转换器6耦合到下游光纤2。

在图2中完全以示例的方式给出了通常用于DCF模块的HOM光纤4的折射率分布的一个示例。

第一模式转换器3是不允许将第一模式100％地转换为第二模式的转换器。然而，本发明涉及任何类型的模式转换器。模式转换器的任务是将处于低阶引导模式(此处为LP01)的并由上游光纤1传送的信号转换成按照比LP01模式更高阶(例如m＝2)的第二引导模式LP0m进行传播的信号。

第二模式转换器6的任务是将处于第二引导模式，例如LP02的并由HOM光纤4传送的信号转换成按照LP01模式进行传播的信号，以便提供给下游光纤2。该转换器也是不允许将第二模式100％地转换为第一模式的转换器。

在有两个模式转换器3和6存在时，模式滤波器5优选地置于第二转换器6的附近，并且当然位于其上游。这样避免了例如在HOM4光纤内、在很大程度上说是在模式滤波器5的输出和模式转换器6的输入之间，引起寄生模式再耦合，并且/或者这样能够在模式转换器6的下一次再转换前，进行该引导模式的第一初步滤波，以便将可能对该转换器6的转换产生的影响降至最小，该影响对于LP01模式，例如在转换器6的下游，是极度重要的。例如，可以将模式滤波器5置于距离第二转换器6从大约几十厘米至大约几厘米的范围内。

重要的是要注意，根据本发明的设备D可以只包括其后配置有无源模式滤波器5的单模转换器3。

HOM光纤4适合于高阶模式的传播(这里为LP02)。然而，由于由第一转换器3执行的将光纤1的LP01模式转换到HOM光纤4的LP02模式不是100％地有效，所以还有一些信号保持在LP01模式中并继续在HOM光纤中4传播。由于在HOM光纤4中共存有LP01和LP02模式，因此发生了所谓“多径”干扰现象(MPI)，正如在介绍部分中指出的。因为这个现象损害了传输质量，所以模式滤波器5的任务是尽可能避免这种现象的发生。

根据本发明，无源模式滤波器5的任务是将至少第一引导模式(此处为LP01)转换为至少一个耗散性包层模式(cladding mode)。这个模式转换是通过在引导LP01模式和一个或多个包层模式之间进行耦合来实现的。

由于这种通过模式转换进行的滤波，LP01模式信号不再能够在HOM光纤4的纤芯内传播(这与转换成高阶模式(此处为LP02)的信号不同)，因为其功率被耗散在HOM光纤的包层7中了。

模式滤波器5优选地是以一个或多个长周期光栅(LPG)的形式在HOM光纤4内制成。

可通过由UV的辐照产生的HOM光纤4纤芯的折射率周期性修改来制造长周期光栅(LPG)。

在图3说明的实施例中，滤波器5只包括单个LPG光栅R，通过耦合到HOM光纤4的包层7来耗散单模(此处为LP01)以抑制该单模。然而，在以下参考图5可见，滤波器5也可包括至少两个LPG光栅的级联，两个光栅具有不同的周期且其每个用来抑制不需要的模式。

LPG光栅R使得有可能在符合下列相位调谐条件时，在一个同传方向上将在HOM光纤4中按照引导模式(此处为LP01)传播的光(光信号)耦合到包层模式：

${\mathrm{\λ}}_m=(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{guided}\mathrm{mode}}-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cladding}\mathrm{mode}\left(m\right)})*\mathrm{\Λ}$

其中λ_m是在该处进行了在HOM光纤4的纤芯8中的引导模式与在所述HOM光纤的包层7内的包层模式m之间的耦合的波长，n_eff ^guided mode是引导模式的有效折射率，n_eff ^{cladding mode(m)}则是包层模式m的有效折射率，而Λ是LPG光栅R的周期(或间距)P。

根据该条件，对给定的LPG光栅R的周期P，每个从引导模式与包层模式m的耦合发生在一个特定的波长。因此考虑到在光纤的截面中被光记录(photo-inscribed)的区域，每个耦合的效率直接取决于模式的幅度重叠积分。

例如，如果LP02模式属于等于1550nm的波长λ，则如果期望的话有必要去验证下列给出的三个条件：一方面，LP01模式应该被耦合到处于波长为λ处的包层模式m，另一方面，在位于1550nm周围的足够宽的谱段(例如，从1500nm至1600nm(包含称为C和L波段的标准化波段))内，LP02模式应该既不被耦合到包层模式m’，也不被耦合到包层模式m’+1：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{LP}01\→\mathrm{LP}0m}=(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{LP}01}-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{LP}0m})*\mathrm{\Λ}=1550\mathrm{nm}$

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{LP}02\→\mathrm{LP}0m^{\′}}(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{LP}02}-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{LP}0m^{\′}})*\mathrm{\Λ}>1600\mathrm{nm}$

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{LP}02\&RightArrow;\mathrm{LP}0m^{\&prime;}+1}=(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{LP}02}-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{LP}0m^{\&prime;}+1})*\mathrm{\&Lambda;}<1500\mathrm{nm}$

当使用还没有被修改的HOM光纤(存在模式滤波器5时除外)时，用于将LP02模式耦合到包层模式LP0m’和LP0m’+1的波长可能很接近于工作波长，这样就难以，或者甚至不可能产生滤波谱形。

这可借助于图4来证实，该图描述了在波长1550nm处对LP01-LP0m类型进行耦合的情况下，作为包层模式阶数m的函数，LPG光栅R的周期P(以μm为单位)的发展变化。可以观察到，对阶数m＝20，LPG光栅的间距P必需等于37μm。此间距P相应于将LP02模式耦合到LP027和LP028模式的波长，分别等于1480nm和1595nm(在C波段附近)

因此宽带滤波是必要的。这可借助于LPG光栅R的周期P的变化(或啁啾)来获得。利用补充或变化的方式，就可以产生LPG光栅R的所选长度(或切趾法(apodization))上的折射率调制分布，以便获得基本上矩形的谱滤波。

然而，为了在引导模式和包层模式之间的耦合有较好的谱隔离，正如将会看到的，还可以用别的方式。

如本领域的技术人员所知，在光纤中，引导模式与其传播常数(也使用称为有效折射率的另一个等效变量)是以精确的方式由纤芯8的“光几何”结构和与纤芯8与包层7的之间的界面相关联的电场的边界条件确定的。另一方面，作为第一近似，包层模式的有效折射率是由包层7的结构、包层7的折射率值以及在包层7与外部环境之间的界面的边界条件限定的。

因此，由于这个界面条件，有效折射率本征值的离散数字相应于包层7的有限宽度。于是，对具有圆形截面的圆柱形光纤，包层模式相应于由包层限定的圆类型的法布里-珀罗共振腔的模式。对于第一近似，各种包层模式LPn，m(n和m为整数，且m为非零)的有效的折射率n_eff ^n，m由下列方程式的根给出：

$J_n{(W_{n,m}*\frac{r}{\mathrm{rcl}})}_{r=\mathrm{rcl}}=J_n\left(W_{n,m}\right)=J_n\left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\mathrm{rcl}\sqrt{({\mathrm{ncl}}^2-n_{\mathrm{eff}}^{{n,m}^2})}\right)=0$

其中J_n是n阶贝塞尔函数，ncl是包层7的折射率，rcl是包层7的外半径，而λ是波长。

由此方程可以得出，对给定的一族模式(n固定)，有效折射率的离散值直接取决于包层7的外半径的值。

因此，通过减少包层的外半径(例如利用烧蚀)，与每个包层模式相关联的有效折射率以反比于外半径而正比于有关的包层模式的阶数m的方式而减少。因此，与连续的包层模式相关联的有效折射率的差别以反比于外半径而正比于包层模式阶数m的方式增加。

图3示意地说明了包层7的半径的这种变化。

如上所述并如图5所示，滤波器5可包括至少两个LPG光栅的级联以便对较低阶的模式(此处为LP01)和至少一个较高阶的其它模式，例如LP21进行转换。

在所示的实施例中，第一LPG光栅R1具有适用于将LP01模式耦合到第一包层模式以便在包层7中将其耗散的第一周期性间距P1，而第二LPG光栅R2则具有一个不同于P1的、适用于将LP21模式耦合到第二包层模式以便在包层7中将其耗散的第二周期性间距P2。在该示例中，与LPG光栅R1或R2相关联的滤波器5的包层7的每个部分具有缩小的外半径，这些外半径是不同的。然而，这当然并不是必须的。

几种LPG光栅可以一个接一个地级联放置，如上所指出的。然而，也有可能制成单个LPG光栅，呈现一个纵向周期(或间距)变化，以便产生一个“复合”滤波功能。

在根据本发明的设备D可以使用的变换功能中，除了模式滤波外，特别提到的是同轴(in-line)模式改变。几个装置D可以在传输线路上串联放置，以便允许由低阶模式(例如LP01)和高阶模式(例如LP02)所选择的信道交错地传播。

本发明并不限于已经纯粹以示例方式在以上描述的变换设备的实施例，而是包括了本领域的技术人员在下列权利要求的范围内可能考虑到的所有的变形。

Claims (10)

1.一种用于变换光信号的传播模式的光学设备(D)，包括至少一个与多模光纤(4)相关联的第一模式转换器(3)，该第一转换器(3)被供以按照第一引导模式传播的信号，并部分地以该第一引导模式和部分地以第二引导模式在该多模光纤(4)中传送这些信号，该第二引导模式的阶数比该第一引导模式的阶数更高，其特征在于：该多模光纤(4)包括至少第一无源滤波装置(R，R1)，该滤波装置被设置为将该第一引导模式转换为至少一个耗散性包层模式，以便在该多模光纤(4)内防止或限制处于该第一引导模式的信号的传播，同时允许处于该第二引导模式的信号的传播。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：该第一滤波装置(R，R1)是以第一长周期光栅的形式在该多模光纤(4)中制成的，该周期(P，P1)是作为该耗散性包层模式的函数选定的。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于：该多模光纤(4)包括至少第二无源滤波装置(R2)，该第二无源滤波装置被设置为将比第一模式更高阶的第三模式转换成至少一个耗散性包层模式，以便在该多模光纤(4)内防止或限制处于该第三引导模式的信号的传播，同时允许处于该第二引导模式的信号的传播。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于：该第二滤波装置(R2)是以第二长周期光栅的形式在该多模光纤(4)中制成的，该周期(P2)是作为该耗散性包层模式的函数选定的。

5.根据权利要求2-4中任一权利要求所述的设备，其特征在于：该多模光纤(4)包括包层(7)，该包层在该第一滤波装置(R，R1)和/或在第二滤波装置(R2)处的外半径的值低于那些第一和/或第二滤波装置的每侧处的外半径的值。

6.根据权利要求2-5的任一权利要求所述的设备，其特征在于：该第一长周期光栅(R，R1)和/或第二长周期光栅(R2)在该周期内呈现一种变化，以便保证宽带滤波。

7.根据权利要求2-6的任一权利要求所述的设备，其特征在于：该第一长周期光栅(R1)和/或第二长周期光栅(R2)在所选择的长度上呈现折射率调制分布，以便提供基本为矩形的谱滤波。

8.根据权利要求1-7的任一权利要求所述的设备，其特征在于：该设备在该第一滤波装置(R，R1)和/或第二滤波装置(R2)的下游，包括第二模式转换器(6)，该第二模式转换器被设置为将在提供信号的多模光纤(4)中传播的信号的该第二模式转换为该第一模式。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：该第一滤波装置(R，R1)和/或第二滤波装置(R2)位于该第二模式转换器(6)的附近。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：该第一滤波装置(R，R1)和/或第二滤波装置(R2)位于距该第二转换器(6)上游几十厘米至几厘米处。

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