一种基于光学断层扫描的光纤模式分解装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光学断层扫描的光纤模式分解装置。该装置包括：由激光源1发射经单模光纤2引出激光后，通过4

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学断层扫描的光纤模式分解装置


[0001]本专利技术涉及了一种基于光学断层扫描的光纤模式分解装置，属于特种光纤、光纤通信领域。

技术介绍

[0002]近年来，针对少模光纤的研究一直是光纤通信领域受到广泛关注的热点之一，在光传输、光器件等方面均有重要作用。在光传输方面，以少模光纤为基础的模分复用技术被认为是当前能克服单模光纤容量危机问题的一种极具潜力的方法；在光纤激光器方面，少模光纤被用来抑制非线性效应以实现高功率光纤激光器；在非线性现象研究上，少模光纤则被认为是研究时空锁模机制等效应的理想平台。但是相比于单模光纤，少模光纤在实际应用中受到外界环境等因素的干扰时，容易出现传输模式间的耦合与干涉从而激发其他杂乱模式，导致少模光纤输入与输出端光场特性不相同；如果不能掌握在传输过程中少模光纤光束特性的变化情况，则会给少模光纤传输系统以及光纤激光束特性的测量和表征带来严重的干扰与误差。所以，可对少模光纤中各本征模完整模态信息进行精确表征的光纤模式分解技术受到了越来越多的关注。
[0003]随着近年来光纤模式分解方面的持续研究，目前常用的光纤模式分解方法主要有波前分析法，空间光谱分辨成像法，光学相关滤波分析法和数值求解分析法等。
[0004]以波前测量仪测量的光强和波前分布为基础的波前分析法(M.Paurisse,et al.,Optics Express 20,4074
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4084(2012).)，通过将光强和由波前分布分析得到的相位分布求解出待测光纤模式分布，然后再通过计算出的模场与光纤中所能传输的本征模二者的内积，求解得到各个模式的系数。另一种基于光纤传输模式之间干涉效应的空间光谱分辨成像模式分解法(J.W.Nicholson,et al.,Optics Express 16,7233
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7243(2008).)，其通过测量耦合到待测光纤中的宽谱光束在光纤出射端不同位置的光谱分布，通过分析其傅里叶变换光谱上多个尖峰来得到不同模式的模式系数。光学相关滤波分析法(Kaiser T,et al.,Optics Express 17,9347
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9356(2009).)，是以利用相关滤波器衍射的远场图案上信号与模式系数成比例的特性为工作原理，实现模式分解。上述三种模式分解方法虽然都通过不同的原理实现了高精度模式分解，但是它们都存在着实验设备成本高昂、关键器件获取难度大、实验环境要求高、实验操作复杂以及测量等待时间长的缺陷，这些缺陷使得上述的模式分解方法在实际应用上都存在着一定的局限性，进一步限制了这些方法的适用范围与环境。
[0005]而以Gerchberg
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Saxton算法(R.Br
ü
ning,et al.,Appl.Opt.52,7769
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7777(2013).)，随机并行梯度下降算法(L.Huang,et al.,Opt.Express 23,4620
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4629(2015).)，逆矩阵求解算法(Manuylovich,E.S.,et al.,Nat Commun.11,5507
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5516(2020).)和深度学习卷积神经网络算法(An Yi,et al.,Opt.Express 27,10127
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10137(2019).)等数值算法来实现模式分解的数值模式分解方法，其分解方法可以总结为：首先搭建实验光路利用CCD采集待测光纤光斑图，将其输入至计算机编写好的数值算法中；通过
算法分析实测光斑图，计算得到相应的模态系数，并利用得到的模态系数理论重建出该系数结果下的光斑图；然后，通过对比实测光斑图与重建光斑图之间强度值方差来更新输出的模态系数结果；当实测光斑图与重建光斑图之间的方差最小时，所对应的模态系数便是要寻找的最接近真实情况的最优模态系数。相比于其他的模式分解方法，基于数值算法的模式分解技术因为在保持高精确度的模式分解结果的同时具有较快的模式分解速度，实验操作难度小的同时实验硬件设备要求与成本低等优势而受到了更广泛的研究，可对不同结构少模光纤多模式下的模式耦合特性进行精确稳定分解。
[0006]但现有的数值模式分解方法中，模态系数的求解是通过将采集到的实测光斑与算法重建的理论光斑进行对比，求解最小方差，并且做差异对比的方式局限于从光斑图逐个像素点的光强分布相似度去分析，易于限于局部最优。此外，当实测拍摄的光斑图在受到噪声与人为因素干扰时，实测光斑图案的光强分布易受随机性噪声影响，对数值算法寻找实测与重建光斑图之间差异最小化的过程造成偏离，导致分解精度的下降。因此数值模式分解技术在实测应用中对利用CCD所拍摄的待测光纤实测光斑图清晰度要求很高。同时随着光纤中需要分解的模式数增加，对CCD所拍摄的实测光斑图清晰度、光斑尺寸、光斑中心对准的要求越来越严格，分解精度受到实测测量系统中干扰噪声、光斑尺寸变化、光斑中心错位等问题的影响越来越明显。所以，数值模式分解技术在实测光斑模式分解时仍受到实验采集图像的噪声以及众多人为因素限制，无法符合理论预期。
[0007]本专利技术针对现有数值模式分解技术中实际应用下极易受到实验采集图像的噪声以及众多人为因素限制所带来的精度下降缺陷，利用光学断层扫描技术的思想，通过旋转待测光纤得到由CCD拍摄的不同旋转角度下的光纤端面光斑图像集后，采集各角度下沿光纤端面同一径向位置的光强分布序列，将它们并行输入至数值模式分解算法中，利用模式沿光纤径向特定的强度分布，在径向维度寻求最优解，使得重建的径向光强并行序列与实际采集光斑径向强度分布差异最小化。该方法不再关注图像每个像素点之间的无规则杂乱分布，而是根植于光纤中传导模式在光纤径向所特有的函数关系，极大提高模式分解的抗噪声能力，从而实现针对实测光纤光斑的高精度模式分解。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的问题是，克服数值模式分解技术中，针对实测光纤光斑图像进行模式分解极易受到测量光学系统噪声以及人为因素干扰，导致实际应用中模式分解精度较低的问题。提供了一种基于光学断层扫描方法的光纤模式分解装置，不仅可以保持数值模式分解方法实验硬件设备成本低，实验操作环境要求少的优势，同时在实际光斑模式分解应用上抗干扰性较强，分解精度高。
[0009]本专利技术的技术方案：
[0010]一种基于光学断层扫描的光纤模式分解装置，该装置包括：可调谐激光光源，光纤旋转夹持器，CCD，透镜，偏振分束器和待测光纤，具体结构为：
[0011]由激光光源发射的激光耦合进待测光纤后，利用计算机控制的光纤旋转夹持器以选定的步进角度Δθ多次旋转待测光纤，经过偏振分束器和分光镜将光束分成两路后，一路经过CCD采集得到360/Δθ幅相应的光纤近场光斑扫描图像，另一路经过透镜处理后经另一个CCD采集得到360/Δθ幅与近场光斑一一对应的远场光斑扫描图像，并在由近场与远场光
斑图组成的图像集里每幅光斑图上划定同一径向位置，采集得到沿光纤端面同一径向位置的光强序列数据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明公开了一种基于光学断层扫描的光纤模式分解装置，其特征在于：所述装置包括激光源1，所述激光源1与单模光纤2相连接，所述单模光纤2与4
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f系统3相连接，所述4
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f系统3与待测光纤4相连接，所述待测光纤4与光纤旋转夹持器5相连接，所述光纤旋转夹持器5与计算机11相连接，所述待测光纤4与偏振分束器6相连接，所述偏振分束器6与分光镜7相连接，所述分光镜7与CCD 8相连接，所述分光镜7与透镜9相连接，所述CCD8与计算机11相连接，所述透镜9与CCD 10相连接，所述CCD 10与计算机11相连接；所述激光源1，用于发射激光束，所述单模光纤2，用于从激光源1中引出激光，所述4
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f系统3，用于将单模光纤2引出的激光耦合进待测光纤4中，所述光纤旋转夹持器5，用于以步进角度Δθ多次旋转待测光纤4，所述偏振分束器6，用于将待测光纤4射出的光转换成只包含一个偏振分量的光，所述分光镜7，用于将光束分成两路，所述CCD 8，用于采集得到360/Δθ幅待测光纤近场光斑图像，并在近场光斑图像集上划定位置采集各角度下沿光纤端面径向的光强序列，所述透镜9，用于对所属支路的光进行傅里叶变换，实现近场光斑到远场光斑的转换，所述CCD 10，用于采集得到与近场光斑对应的远场光斑图像，并在远场光...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴丽，田梓辰，王建帅，胡恺华，徐文轩，李祉祺，郑晶晶，张龙，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：