CN203838366U - 一种宽带光纤模式转换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种光纤模式转换器。该光纤模式转换器为一个三芯光纤，由纤芯I、II、III组成。三个纤芯的中心呈一直线，纤芯I和纤芯III分布于纤芯II两侧。纤芯I的归一化频率V1满足V1<2.405,纤芯II的归一化频率V2满足V2>2.405，纤芯III的归一化频率V3满足V3>3.832，且满足V1<V2<V3。采用三芯光纤结构，实现了不同光纤基模和高阶模的转换，通过中间模式的过渡，有效提高了光纤基模与所需转换的高阶模之间的转换效率。采用简单的三芯光纤结构，特别是可以采用微结构光纤制作工艺，且无需引入空气孔，采用简化了制作工艺，避免了带空气孔光纤的后期处理的复杂性，并可以实现批量化生产。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤通信领域，具体涉及实现模式之间转换的光纤模式转换器。
背景技术
随着少模光纤技术及其应用的发展，模式转换器作为其中的关键器件，受到了越来越多的重视。光纤模式转换器是一种实现光纤不同模式场之间转换的器件。理想的光纤模式转换器应能够有效转换相应模式，具有较宽的工作带宽，且保证输出模式具有低串扰。
人们已经提出了几种适用于光纤模式转换的器件，其中最常用的是基于光纤光栅的模式转换器，但是其工作带宽较窄。人们也提出了基于光学全息技术及多模光纤耦合器的模式转换器【Journal of Lightwave Technology, 2012, 30(12): 1978-1984】。
采用光纤结构并基于耦合原理可以实现模式转换。采用双芯光纤结构也可实现这种功能，且可用于色散补偿【Appl. Opt.,2012, 51(19): 4388-4393】，其工作带宽为22 nm。采用光子晶体光纤结构也可实现模式转换【一种光纤模式转换器，申请号：200810021652.8】，但结构较复杂，增加制作难度。
发明内容
针对现有技术不足，提出一种简单结构宽带光纤模式转换器，能在很宽的带宽范围内工作。
本实用新型为解决技术问题所采用的技术方案是：该光纤模式转换器为一种三芯光纤，由纤芯I、II、III组成。三个纤芯的中心呈一直线，纤芯I和纤芯III分布于纤芯II两侧。纤芯I的归一化频率V1满足V1<2.405, 纤芯II的归一化频率V2满足V2>2.405，纤芯III的归一化频率V3满足V3>3.832，且满足V1<V2<V3。
作为本方案的进一步改进，在工作带宽范围内，纤芯I的基模有效折射率neff1和纤芯II的高阶模1的有效折射率neff2之差满足|neff1-neff2|<10-3，纤芯II的高阶模1的有效折射率neff2和纤芯III的高阶模2的有效折射率neff3之差满足|neff2-neff3|<10-3。纤芯I和纤芯II纤芯间距d1≤6μm，纤芯II和纤芯III纤芯间距d2≤6μm。
作为本方案的进一步改进，纤芯I和纤芯II的中心距离d1，纤芯II和纤芯III的中心距离d2之间满足：d1>d2。
本实用新型的有益效果是：采用三芯光纤结构，实现了不同光纤基模和高阶模的转换，通过中间模式的过渡，有效提高了光纤基模与所需转换的高阶模之间的转换效率。且由于中间纤芯的存在，不同的模式在不同的纤芯中传输，输出的模式是单一的模式，不会混合其它不需要的模式，输入纤芯和输出纤芯之间距离远，保证了在输入纤芯中的输入模式与输出纤芯中的输出模式之间的低串扰。采用简单的三芯光纤结构，特别是可以采用微结构光纤制作工艺，且无需引入空气孔，采用简化了制作工艺，避免了带空气孔光纤的后期处理的复杂性，并可以实现批量化生产。
附图说明
图1为本实用新型的示意图；
图2为图1所示结构中纤芯I的LP01模、纤芯II的LP11模和纤芯III的LP02模的有效折射率与波长的关系示意图；
图3为不存在纤芯II时，纤芯I的LP01模和纤芯III的LP02模之间的耦合曲线；
图4为图1所结构中纤芯I的LP01模和纤芯III的LP02模之间的耦合曲线；
图5为图1所结构中最终从纤芯I和纤芯III输出的能量与波长的关系示意图。
其中，1为基质材料，2为纤芯I，3为纤芯II，4为纤芯III。
具体实施方式
如前所述，双芯光纤中两个纤芯中不同模式的有效折射率相等时就可以实现相互转换。但当需要实现宽带模式转换时，要求两个模式的有效折射率在宽波长范围内都具有小的折射率差，对于简单的多芯光纤来说，由于纤芯可调参数较少，很难满足以上要求。采用微结构光纤虽然可以实现这个要求，但会导致光纤结构复杂，制作难度增大。为此，需要探索其它有效的方法。
图1为本实用新型一种实施例的示意图。光纤由均匀包层、纤芯I、II、III组成。三个纤芯的中心呈一直线，纤芯I和纤芯III分布于纤芯II两侧。纤芯I的归一化频率V1满足V1<2.405, 纤芯II的归一化频率V2满足V2>2.405，纤芯III的归一化频率V3满足V3>3.832，且满足V1<V2<V3。这种结构可以实现将纤芯I中的基模转换为纤芯III中的最高阶模式。若纤芯II可传输的最高阶模式为A模式。纤芯III可传输的最高阶模式为B模式。由于V2<V3，A模式阶次低于B模式。通过纤芯II的过渡，可有效增强模式耦合效率。其过程是，首先，纤芯I中的基模被转换为纤芯II的A模式，再经与纤芯III耦合，转换为B模式。
图2为图1所示结构中纤芯I的LP01模、纤芯II的LP11模和纤芯III的LP02模的有效折射率与波长的关系示意图，若纤芯I与纤芯III直接耦合，即LP01模直接与LP02模耦合，其转化效率将明显下降。而当使纤芯的LP01模先与纤芯I的LP11模发生耦合，再使纤芯II的LP11模与纤芯III的LP02模发生耦合时，其耦合效率可明显提高。
图3为纤芯I与纤芯III直接耦合时的传输曲线，由图可见，此时只能实现88.6%的能量转换。而当采用三芯结构时，其能够实现97.9%以上的能量转换，如图4所示。由此可见，纤芯II对其作用明显。
图5给出了本实用新型光纤当基模光从纤芯I输入，从纤芯III输出时，其输出频谱曲线。由图可见，这种结构在较宽的波长范围内可实现交转换效率的模式转换。从图中也可看出，在三个纤芯相应模式的有效折射率差较小的波长区，其模式转换效率高。
当需要实现LP01模和LP02模之间的转换时，纤芯I、纤芯II、纤芯III的归一化频率V1、V2、V3应满足V1<2.405，V2>2.405和V3>3.832且V1<V2<V3。这是因为纤芯II、纤芯III分别需要传输LP11和LP02模，为此应有V2>2.405和V3>3.832。若纤芯II的归一化频率比纤芯III大，则由于折射率扰动的关系，模式转换将受到其它模式的影响。纤芯I的基模若要与纤芯II的高阶模发生耦合，其基模有效折射率应较低，此时，纤芯I的纤芯与包层折射率差较小或纤芯直径较小，由归一化频率定义 可知，其归一化频率应小于纤芯II的归一化频率，因此，应有V2<V3。即应有V1<V2<V3。
以下结合附图说明本实用新型的优选实施例。本实施例实现基模LP01模与LP02模之间的转换。
实施例：
如图1所示，纤芯I、II、III的包层材料均为纯石英。纤芯I的纤芯直径为8 μm，纤芯与包层折射率差为0.005，纤芯II的纤芯直径为11.5μm，纤芯与包层折射率差为0.007，纤芯I和纤芯II纤芯之间距离14 μm，纤芯III的纤芯直径为15 μm，纤芯与包层折射率差为0.009，纤芯II和纤芯III纤芯之间距离16.9μm。纤芯I中LP01模、纤芯II中LP11模和纤芯III中的LP02模的有效折射率与波长的关系如图2所示。光纤的长度取为3.9 mm。在转换效率大于80%的波长范围为1.47~1.522 nm，其工作带宽可达52nm。
上述附图仅为说明性示意图，并不对本实用新型的保护范围形成限制。应理解，这些实施例只是为了举例说明本实用新型，而非以任何方式限制本实用新型的范围。
Claims (3)
1.一种光纤模式转换器，其特征在于，该光纤模式转换器为一个三芯光纤，由纤芯I、II、III组成，三个纤芯的中心呈一直线，纤芯I和纤芯III分布于纤芯II两侧，纤芯I的归一化频率V1满足V1<2.405, 纤芯II的归一化频率V2满足V2>2.405，纤芯III的归一化频率V3满足V3>3.832，且满足V1<V2<V3。
2.根据权利要求1所述的光纤模式转换器，其特征在于，在工作带宽范围内，纤芯I的基模有效折射率neff1和纤芯II的高阶模1的有效折射率neff2之差满足|neff1-neff2|<10-3，纤芯II的高阶模1的有效折射率neff2和纤芯III的高阶模2的有效折射率neff3之差满足|neff2-neff3|<10-3。
3.根据权利要求1所述的光纤模式转换器，其特征在于，纤芯I和纤芯II的中心距离d1，纤芯II和纤芯III的中心距离d2之间满足：d1>d2。
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