[发明专利]一种涡旋光束模式转换耦合器及其制作方法

说明书

本发明提供了一种涡旋光束模式转换耦合器及其制作方法，本发明将一根单模光纤与一根少模光纤一定区域内熔接在一起，并能够精确控制单模光纤中的基模耦合至少模光纤中的高阶模式，通过调节单模光纤中输入基模光的偏振态，可以在少模光纤中产生特定的高阶OAM模式，形成了熔融拉锥型涡旋光束模式转换耦合器，具有体积小、耗材少、易于生产、稳定性高、适用波段宽和转换效率高等优点，在全光纤通信中占具重要的部分，可作为模分复用的前端器件，亦可作为涡光激光器和涡光放大器的模式转换器件，也可作为光纤传感器件的一部分，具有良好的推广使用价值。

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种涡旋光束模式转换耦合器及其制作方法。

背景技术

现如今，随着快速发展的信息化时代，波分复用、时分复用、空分复用以及偏振复用和相干接收等技术的相继采用，人们对于通信系统容量的研究已经达到了香农极限，通信所带来的超大信息量促使我们不得不朝着新的方向做出努力。为进一步提高通信容量，基于模分复用和芯分复用的空分复用系统在最近几年被提出并得到了深入研究。模式复用理论利用少模光纤中各个模式的正交性，将每一个模式视为独立的信道，加载信号后形成MIMO(Multiple Input Multiple Output/多输入输出)通道，继而提高通信系统容量和频谱效率。1982年，S.Berdague和P.Facq首次提出并研究了光纤中模分复用传输的可行性。2011年，荷兰科研人员实现了基于偏移注入选模激发的3×3模式群复用系统，在20m多模光纤上实现了无误码传输。同年，日本科研人员提出一种全光纤模式复用器，利用LPFG(LongPeriod Fiber Grating/长周期光纤光栅)完成基模LP₀₁向LP₁₁模场的转换，成功实现了10km两模光纤上的传输。考虑多模光纤中模间耦合和串扰的影响，科研人员将注意力迅速转移到基于少模光纤的模式选择性激励技术上。

模式在理论上具有无穷多个，将每一种模式作为一个信道所得到的通信容量是无法估量的，故模分复用具有良好的研究价值。现如今，在使用少模光纤中的几种不同模式作为信息传输的信道时，需要借助模式转换耦合器将基模转换为高阶模式。光纤模式转耦合器是一种传输、分配和转换信号模式的光纤器件，比较常见的有光子晶体光纤模式转换器，这种器件可以实现高消光比的模式转换，但是制作工艺要求较高。还有一种基于光纤光栅的模式转换耦合器，这种器件虽然结构相对简单，但是对波长依赖性高，工作带宽窄，转换后的高阶模式和基模在同一根光纤中传输，因此模间串扰大。2014年，Ismaeel等提出了一种基于弱熔融拉锥方式形成的模式转换耦合器，将单模光纤中的基模转换为少模光纤中的高阶模式，但其研究比较初步，并没有涉及模式转换过程中的模式能量和模场的变化过程以及转换效率等方面的研究。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种涡旋光束模式转换耦合器及其制作方法。通过一根单模光纤与一根少模光纤一定区域内熔接在一起，并能够精确控制单模光纤中的基模耦合至少模光纤中的高阶模式，可经过调节单模光纤中输入基模光的偏振态，可以在少模光纤中产生特定的高阶OAM(Orbital Angular Momentum/轨道角动量)模式。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案得以实现。

一种涡旋光束模式转换耦合器，包括单模光纤，少模光纤以及两者的耦合部，所述耦合部由单模光纤和少模光纤扭和0.5-2圈后进行熔融拉锥融合而成，使用时，光束从单模光纤的一端进入，经过耦合部后分别从单模光纤以及少模光纤的另一端离开；所述单模光纤与少模光纤的包层直径相同。

进一步地，所述少模光纤由少模纤芯、内少模包层以及外少模包层组成，少模纤芯设置于内少模包层中心处，外少模包层将内少模包层包裹于其中。所述少模光纤中支持传输的各矢量模式之间的模式有效折射率差大于1×10^-4。所述少模纤芯的直径为5-8μm。所述内少模包层的直径为8-30μm。所述外少模包层的直径为125～160μm。