[发明专利]一种多模光纤主模态的偏振依赖关系及其推导方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种渐变性折射率多模光纤，特别涉及一种基于空间和偏振模态耦合情况下渐变折射率多模光纤主模态的偏振依赖关系及其推导方法。

背景技术

在多模光纤(MMF)中，不同的模态一般以不同的群延时(GDs)进行传播，这种现象被称为模态色散。光纤的缺陷，如折射率不均匀性、纤芯椭圆率和离心率、弯曲，会产生模态之间的耦合，即被称为模态耦合的作用。由于模态耦合，即使光脉冲发射到一个单模中，它也倾向于耦合其他模态，导致MMF输出的多脉冲叠加。

传统上，MMF中的模态色散和耦合已经被使用功率耦合模型来描述。这个模型含蓄地假设理想模态和其GDs没有被模态耦合修改。耦合仅仅导致模态之间的功率的重新分布，并且可通过耦合系数来描述，这个耦合系数是实数、非负和相位独立。这些模型在描述模态功率分布非常有效，且模态功率分布是时间和光纤长度的函数，这些模型也有助于理解信号失真、作为光纤长度的函数的脉冲展宽和光纤损耗。

这种模型不考虑相位的影响，然而，它们只对非相干源合适，如发光二极管。通过对比发现，在单模光纤中(SMF)，通过主状态模型的场耦合模型来描述偏振模态耦合和偏振模态色散(PMD)。在这个模型中，偏振模态场振幅之间的耦合是通过所依赖的相位的复合系数来描述。这个耦合修改了理想模态和其GDs，使得它们与频率相关。存在一对正交偏振状态，称为偏振的主状态，它是GD运算符的特征模态，并且其具有独立于一阶频率的场幅度和GDs。

近年来，在MMF中采用相干源和高速调制的方法进行了许多实验，这些实验表明不能用功率耦合模型来解释的某些作用，例如脉冲响应对发射偏振的依赖性。Fan和Kahn引入了一种场耦合模型，这种模型是对用于PMD的单模光纤(SMF)主状态模型的简单概括。特别地，它们的模型预测一组被称为主模态(PMs)的正交模态，它是GD运算符的特征模态，并且是独立于一阶频率的振幅和GDs。换一句话来说，PMs是不受模态色散和一阶频率的约束。Shen等使用适应性光学仪器来发射低阶PMs的光信号，以减少模态色散，使得能在高速率-距离产品中传输，即使在有模态耦合的光纤中，结果不能完全采用功率耦合模型解释。

目前研究中只描述了PMs的一般概念、摘要设置，并且没有任何模态耦合的特殊模型，特殊模型可能用于定量解释实验的结果。因此，需要研究一种在空间和偏振模态耦合情况下的渐变性折射率多模光纤来的传输主模态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于空间和偏振模态耦合情况下渐变折射率多模光纤主模态的偏振依赖关系及其推导方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种渐变折射率多模光纤主模态的偏振依赖关系，其创新点在于：所述偏振依赖关系为当曲率方差与光纤长度相比较小时，即低耦合机制时，群延时非常接近其非耦合值，并且与光纤长度成线性比例，同时主模态依然是产生高度偏振，在这种机制中，再现了脉冲响应的偏振依赖性，并且这种偏振依赖性是在硅材料多模光纤中观察到的；当曲率方差和光纤长度足够大时，即高耦合机制，那么会减少传播的群延时，并且与光纤长度的平方根成比例，同时主模态去偏振化，在这个模型中，的模型的群延时是与在塑料材料多模光纤MMF中观察到的传播群延时减少相一致。

本发明还提供一种上述渐变折射率多模光纤主模态的偏振依赖关系的推导方法，所述推导方法具体步骤如下：

(1)理论：假定一个发射电场分布和偏振，在该电场中建设一个空间和偏振模态耦合光纤的多段模型，计算光纤的传播运算符，然后，计算群延时运算符，并且得到其特征向量，这些是PMs，给定发射场分布和偏振时，计算光纤的脉冲响应，证明，它在低耦合机制中有效，偏振的正交性导致最小和最大开关过程；

(2)三模态系统的分析建模：建设一种简单的三模态系统以说明在低和高耦合机制中有关光纤曲率和长度的GDs依赖程度；

(3)多模光纤的竖直建模：描述实际光纤模型的数值计算，描述PMs特性和其在低和高耦合机制中的群延时；

(4)得出多模光纤主模态的偏振依赖关系。

进一步地，所述空间和偏振模态耦合光纤的多段模型建设时，首先确定光纤折射率分布；然后，得出局部正常模态的传播常数和场分布，并且在弯曲段中计算空间模态耦合系数，组合这些以得到最后组合Rⁱ和Mⁱ一起来获得U_total，并计算GD运算符，从而获得电场分布和光纤PMs的GDs。

进一步地，所述空间和偏振模态耦合光纤的多段模型的建设具体步骤如下：

(A)折射率分布