一种涡旋光束模式转换耦合器及其制作方法技术

本发明专利技术提供了一种涡旋光束模式转换耦合器及其制作方法，本发明专利技术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。

A Vortex Beam Mode Conversion Coupler and Its Fabrication Method

The invention provides a scroll beam mode conversion coupler and its fabrication method. The invention fuses a single-mode optical fiber with a few-mode optical fiber in a certain area, and can accurately control the high-order mode of the fundamental mode coupling at least mode optical fiber in the single-mode optical fiber. By adjusting the polarization state of the input fundamental mode light in the single-mode optical fiber, a specific high-level can be produced in the few-mode optical fiber. A fused tapered swirl beam mode conversion coupler is formed with the order OAM mode. It has the advantages of small size, less material consumption, easy production, high stability, wide bandwidth and high conversion efficiency. It occupies an important part in all-fiber communication. It can be used as a front-end device of mode division multiplexing, as a mode converter of eddy laser and eddy-light amplifier, as well as as as as as an optical mode converter of eddy-light laser and eddy-light amplifier. As a part of the fiber sensor, it has good popularization and application value.

【技术实现步骤摘要】
一种涡旋光束模式转换耦合器及其制作方法
本专利技术属于光纤通信
，具体涉及一种涡旋光束模式转换耦合器及其制作方法。
技术介绍
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(MultipleInputMultipleOutput/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(LongPeriodFiberGrating/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。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术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(OrbitalAngularMomentum/轨道角动量)模式。为达到上述目的，本专利技术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。进一步地，所述耦合部中，单模光纤和少模光纤的扭和圈数为1圈。一种涡旋光束模式转换耦合器的制作方法，制备上述的涡旋光束模式转换耦合器，包含以下步骤：步骤一，计算少模光纤的模式数量与纤芯包层尺寸大小和有效折射率差之间的关系，确定需要制作的少模光纤的参数，以此参数进行少模光纤制备；步骤二，截取相同长度的单模光纤与少模光纤，并在中间区域剥去相同长度的涂履层，然后分别对少模光纤以及单模光纤进行预拉锥处理，使预拉锥后的少模光纤以及单模光纤拥有与模式匹配的芯包尺寸；步骤三，根据预拉锥处理后光纤所能够达到的模式匹配要求，设置拉制模式转换耦合器的参数，将单模光纤和少模光纤扭合在一起，而后进行拉制操作，拉制时，在模式耦合开始之前，拉伸速度为50-250μm/s；在模式耦合开始之后，拉伸速度为20-200μm/s；耦合结束后，修正速度为5-50μm/s；总的拉伸距离为8000-35000μm；步骤四，拉制完成后，将模式转换耦合器进行封装，最后将产品嵌入系统，进行验证性测试，检验其是否能够完成模式的转换，若不能则回到步骤一重新制备，若能则完成涡旋光束模式转换耦合器的制作。进一步地，制备少模光纤时所使用的预制棒，制作方法包括MCVD(改良化学气相沉积)工艺，FCVD(加热炉化学气相沉积)工艺，PCVD(等离子体化学气相沉积)工艺，OVD(外部气相沉积)工艺，VAD(轴向气相沉积)工艺，以及ALD(原子层沉积)掺杂工艺中的任意一种或几种工艺相结合。进一步地，在步骤一中，确定了少模光纤的参数后，还包括根据光束传播法进行光纤模式转换耦合器的建模仿真，根据少模光纤的参数对单模光纤与少模光纤融合后的光束传播结果进行仿真，验证光束是否在耦合部发生周期性耦合，如发生则继续，如不发生则重新进行少模光纤参数的计算。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术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，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。附图说明图1是本专利技术涡旋光束模式转换耦合器的结构示意图。其中，1-耦合部，2-单模光纤，3-少模光纤。图2是本专利技术中少模光纤的横截面和折射率分布示意图。其中，31-少模光纤纤芯，32-少模光纤内包层，33-少模光纤外包层。图3是本专利技术未改变LP01偏振态时，耦合至LP11/LP21/HE21的仿真结果图。其中，(a)未改变LP01偏振态时，LP01耦合至LP11仿真结果图；(b)未改变LP01偏振态时，LP01耦合至LP21仿真结果图；(c)未改变LP01偏振态时，LP01耦合至HE21仿真结果图。图4是本专利技术在少模光纤输出端检测到的不同波长处的高阶模式光斑图。其中，(a)1480nm波长处一阶、二阶OAM的效果图，(b)1520nm波长处一阶、二阶OAM的效果图，(c)1560nm波长处一阶、二阶OAM的效果图，(d)1600nm波长处一阶、二阶OAM的效果图，(e)1640nm波长处一阶、二阶OAM的效果图。具体实施方式下面结合附图进一步描述本专利技术的具体实施例，但要求保护的范围并不局限于此。如图1所示，一种涡旋光束模式转换耦合器，包括单模光纤2，少模光纤3以及两者的耦合部1，所述耦合部1由单模光纤2和少模光纤3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2的一端进入，经过耦合部1后分别从单模光纤2以及少模光纤3的另一端离开；所述单模光纤2与少模光纤3的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：包括单模光纤(2)，少模光纤(3)以及两者的耦合部(1)，所述耦合部(1)由单模光纤(2)和少模光纤(3)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(2)的一端进入，经过耦合部(1)后分别从单模光纤(2)以及少模光纤(3)的另一端离开；所述单模光纤(2)与少模光纤(3)的包层直径相同。

【技术特征摘要】
1.一种涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：包括单模光纤(2)，少模光纤(3)以及两者的耦合部(1)，所述耦合部(1)由单模光纤(2)和少模光纤(3)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(2)的一端进入，经过耦合部(1)后分别从单模光纤(2)以及少模光纤(3)的另一端离开；所述单模光纤(2)与少模光纤(3)的包层直径相同。2.根据权利要求1所述的涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：所述少模光纤(3)由少模纤芯(31)、内少模包层(32)以及外少模包层(33)组成，少模纤芯(31)设置于内少模包层(32)中心处，外少模包层(33)将内少模包层(32)包裹于其中。3.根据权利要求1所述的涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：所述少模光纤(3)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。4.根据权利要求2所述的涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：所述少模纤芯(31)的直径为5-8μm。5.根据权利要求2所述的涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：所述内少模包层(32)的直径为8-30μm。6.根据权利要求2所述的涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：所述外少模包层(33)的直径为125～160μm。7.根据权利要求1所述的涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于：所述耦合部(1)中，单模光纤(2)和少模光纤(3)的扭和圈数为1圈。8.一种涡旋光束模式转换耦合器的制作方法，制备上述的涡旋光束模式转换耦合器，其特征在于，包含以下步骤：步骤一，计算少模光纤(3)的模式数量与纤芯包层尺寸大小和有效折射率差之间的关系，确定需要制作的少模光纤(3)的参数，以此参数进行少模光纤(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：文建湘，王廷云，邢建飞，贺心雨，董艳华，庞拂飞，曾祥龙，陈振宜，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31