[发明专利]多芯光纤至环形芯光纤的模式控制器

说明书

本发明提出的是一种多芯光纤至环形芯光纤的模式控制器，它是由多芯光纤、模式场变换区、环形芯光纤以及相位调制模块组成，多芯光纤和环形芯光纤由模式场变换区连接，传输光经过相位调制模块形成稳定的相位差后，再在多芯光纤中传输，随后通过模式场变换区耦合至环形芯光纤，即可激发出环形芯光纤的高阶模式，不同的相位差就能激发出不同的模式。

技术领域

本发明涉及的是一种多芯光纤至环形芯光纤的模式控制器，属于光纤通信技术领域。

背景技术

光在光纤中传输时，会由于光纤以及光的参数而存在多种传输模式，每一种传输模式对应于麦克斯韦方程组的一个解，即电磁场在光纤中的一种分布形式。一般的光纤传输系统都使用单模光纤作为光信号的传输波导，而单模光纤仅能传输一种模式，即基模。但是单模光纤中基模的传输容量是无法满足未来对大量数据的传输需求。使用光纤中不同高阶本征模式作为传输信道，能实现独立的并行传输不同数据流的功能，极大提升光纤的传输容量，因此需要将基模转换成高阶模式的模式转换器。

现有的模式激发方式都是针对少模光纤和多模光纤，在专利号为CN201610023631.4的专利中提出了一种多模光纤的模式转换器，该专利使用了芯径为50um的多模光纤作为输入和输出光纤，中间的模式转换区通过多根少模光纤组成，使用玻璃套管将多根少模光纤固定成为光纤束，最后使用拉锥、熔接等工艺制成模式转换器，该模式转换器只能将基模转换成一种高阶模式，且该高阶模式由其模式变换区的光纤束中光纤的数量决定，同时其拉锥结构上具有一定缺陷，因为模式变换区过短仅有250um造成锥区变换急促，最终使得转换效率不理想，而且制作250um长的光纤束难以实现，不具有可行性。专利号为CN201410628299.5的专利中提出了使用特种光纤设计模式转换器的方案，该方案由三种不同的特种光纤组成一个模式转换器，通过拉锥与单模光纤和多模光纤熔接，其单模光纤作为输入光纤，多模光纤为输出光纤，与输入光纤连接的特种光纤为双包层光纤，用于匹配后端的对称双芯光纤，同时在参数上限定归一化截止频率，防止高阶模的传播，模式的转换由特种光纤的结构决定，在低阶模式的转换上具有一定的可靠性。同样的，专利号为CN201320825987.1的专利中也提出了一种特种光纤作为模式转换器的方案，该特种光纤内部由三根直径大小各异的纤芯组成，直径最小的纤芯直径与普通单模光纤直径相匹配，第二根纤芯直径比最小的纤芯直径大3.5um，折射率比最小的纤芯折射率大0.002，第三根纤芯直径比第二根纤芯的直径大3.5um，折射率比第二根纤芯的折射率大0.002，三根纤芯中心距离不等且排成一条直线，在直径最小的纤芯上输入LP01模式的光源，通过耦合理论，传播一定距离后会耦合至第二根纤芯，第二根纤芯的模式转换为LP11模，光束在第二根纤芯传播一定距离后会耦合至第三根纤芯，第三根纤芯的模式转换为LP02模式，三根纤芯内的光呈周期耦合的状态传播，LP01模式通过第二根纤芯的过渡会产生一定的损耗，最后使得模式转换的效率不够理想，由于光会在三根纤芯中周期耦合，所以需要切割成一定的长度来完成模式的转换。在专利号为CN201910751287.4的专利中使用飞秒激光加工系统对光纤端面进行微处理，改变光纤端面的折射率分布，由于光经过不同折射率分布的区域时，会产生不同的相位延迟，激光刻写的区域和未受激光刻写的区域将形成微型的相位控制结构，通过相位的调制实现低阶模式到高阶模式的转换，该方案具有高度的集成性，模式之间的转换由光纤的加工结构决定。专利号为CN200810021652.8的专利中使用双芯光子晶体光纤实现LP01模和LP02模的模式转换，该双芯光子晶体光纤由空气孔和两根纤芯构成，其中两根纤芯直径大小不同的异质纤芯，小纤芯传输LP01模，大纤芯传输LP02模，在该光纤内，两种模式在波长为1.55um处会发生周期性耦合，选取其耦合最大值的长度即可完成LP01模式和LP02模的模式转换，具有损耗低、转换效率高的优点，但是对传输光的波长有严格的要求，且模式的转换范围少，仅能在两种模式之间进行转换。专利号为CN202010787190.1的专利中提到使用长周期光栅实现模式转换，该专利使用二氧化碳激光器在少模光纤上刻写长周期光栅能够将LP01模式转换为高阶的LP11模，还可通过多个长周期光栅级联的方式将LP01模转换成LP11模，再将LP11模转换成LP21模，以此来实现低阶模到更高级模式的转换，但是转换模式的纯度并不高，需要加入滤模器滤除光束中的高阶模式，所以该方案中光束的损耗会随着模式的转换次数而增加。