一种基于主成分先验信息的少模环芯光纤模式纯度测量方法技术

本发明专利技术公开一种基于主成分先验信息的少模环芯光纤模式纯度测量方法。首先，计算出待测少模环芯光纤支持的所有空间模式，确定最高阶次；其次，列出连接光纤输出强度模斑和每个空间模式复振幅的非线性方程组，并设计利用主成分阶次先验信息求解此方程组的算法，从而实现每个模式复振幅的恢复和主成分模式纯度的测量。然后，搭建一套检测光纤出射模场的光学装置，对于任意时刻的光纤近场强度模斑，通过干涉图样或强度模斑的形状来获得主成分阶次的先验信息，应用上述提到的算法，即可实现模式纯度的测量。本发明专利技术能够仅从光纤输出近场强度模斑中精确恢复少模环芯光纤的模式纯度，有很强的适用性。很强的适用性。很强的适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于主成分先验信息的少模环芯光纤模式纯度测量方法


[0001]本专利技术涉及一种基于主成分先验信息的少模环芯光纤模式纯度测量方法，属于空分复用光纤通信系统和集成光学领域。

技术介绍

[0002]轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)光束以螺旋波前为特征，在高容量通信、光学计量学、光镊和数据存储等领域具有广阔应用前景。作为圆柱波导，少模光纤(few
‑
mode fiber，FMF)是OAM模式的天然容器。在理想的OAM光纤中，每个OAM模式都是正交的，能够携带独立的信息，这显著增加了通信信道容量或多参数传感的自由度。然而，实际光纤中模间耦合的不可预测性阻碍了将每个OAM模式用作可控单元的可靠性，并限制了FMF在各个领域中的应用。与传统的FMF相比，少模环芯光纤(ring core fiber，RCF)由于其环形的模场分布更适合稳定传播OAM模式。RCF还被证明能够实现高阶模式之间的弱耦合并减少径向高阶模式的出现。这些优势使得RCF成为大容量OAM模分复用通信系统的重要候选传输光纤。
[0003]在基于RCF的通信和其他应用中，设计具有更低串扰的FMF以及设计具有更高效的模式转换和多路复用能力的器件非常关键。这激发了对这些FMF和器件性能表征的需求，其中一个关键问题是实际传输于少模光纤中的空间模式的纯度测量。对于少模光纤，高精度的纯度测量方法意味着准确表征模间串扰，这可以反映出光纤设计方法的可行性，并可能揭示有关模间耦合的物理机制的更多细节，从而指向进一步抑制模间耦合的路径。对于OAM空间和全光纤器件，光场纯度的实验测量可以为器件开发提供指导，并在实际应用中评估器件性能，因为纯模式源对于降低系统复杂性非常重要。除了表征光纤和光纤器件的性能外，简单的纯度测量方法还可以提供补偿模间耦合的新思路，以解决FMF在不同领域中的困境，特别是与光纤传输矩阵的测量和反演相结合时。
[0004]原则上，测量模式纯度不仅需要确定OAM光纤或器件出射光场中的主要模式成分，还需要确定所有可能的其它模式的含量。传统上，研究人员通过观察强度模斑或干涉图来确定未知光场的主成分。在强度模斑中，具有不同角向阶次的模式具有不同的瓣数。在干涉图中，它们呈现为不同的螺旋或叉线图案。然而，如果模式不是纯净的，则强度模斑和干涉图很复杂，确定每个模式的含量以计算主成分的纯度仍然具有挑战性。这个问题通常被称为OAM频谱的测量或模式分解。为了解决这个问题，目前已经报道了基于衍射、坐标变换和干涉的各种方法，但这些方法均很难实现RCF模式纯度的准确测量。
[0005]基于衍射和坐标变换原理的方法通常需要昂贵的空间光调制器和复杂的实验配置，并且不能简单地适应环芯光纤中高阶模式的纯度测量。因为环芯光纤中的基模在近场条件下是一个甜甜圈形状，并且具有与自由空间中的本征基模非常不同的模式特性，这进一步增加了实际配置的复杂性。由于大多数模式转换器使用基模作为源模式，因此基模通常是一个不可忽略的杂质，应该简单准确地测量。
[0006]基于干涉原理的方法可以分为三类。第一类利用不同模式的传播常数，例如空间
光谱分辨成像(S2)方法、扫频干涉测量、矢量网络分析仪测量等。这些方法通常用于表征未知结构的光纤，但其应用受到需要昂贵可调谐激光器或矢量网络分析仪的限制。此外，这些方法需要长光纤才能产生足够的群时延来区分不同模式，且不能区分具有相似传播常数的简并OAM模式。第二类方法利用不同模式组合产生不同的强度模斑的原理。这些方法不需要复杂的设备，可以使用数值算法直接测量模式成分，具有很强的适用性。但是，这些方法能够解析的模式数量受到其对噪声和迭代初始值的敏感性、或需要长期神经网络训练的限制。因此，利用这些方法在具有大模式数量的RCF中进行纯度测量是具有挑战性的。在此类方法的实验报道中，少模光纤中支持的模式的最高角向阶次仅为3。第三类方法需要参考光束来获得输出光场的相位分布，并使用模式正交性质计算所有模式分量。这些方法需要精确的光路对准和干涉稳定性来进行现场测量。然而，在FMF的实际应用中，实现相位稳定有时很难达到。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是要解决将现有测量OAM谱或模式分解方法应用到少模环芯光纤的纯度测量中不够准确和适用性差的问题，提出一种基于主成分先验信息的少模环芯光纤模式纯度测量方法。该新颖的测量方法只需利用光场主成分阶次的先验信息，即可通过对光纤输出强度模斑的一次测量而得到每个简并模式的振幅，从而计算出主成分的纯度。所提出的方法具有设备简单、易于实施、高精度和抗噪声的优点。该技术是准确表征和评估少模环芯光纤及其器件模式性能的重要候选方法。
[0008]本专利技术采用的技术方案是：
[0009]一种基于主成分先验信息的少模环芯光纤模式纯度测量方法，该方法包括：
[0010]第1步、根据待测少模环芯光纤的结构参数，利用数值计算或解析解的方法计算待测少模环芯光纤所支持的所有空间模式，确定最高阶次；具体过程如下：
[0011]对于待测少模环芯光纤，首先确定其几何参数(包括少模环芯光纤的形状和尺寸)及光学特征参数(包括折射率分布和其它会影响其光学性质的物理参数)。对于简单的、可以得到解析解的光纤，则利用解析解求出空间模式的模场分布解析表达式；对于复杂的、难以得到解析解的光纤，则利用数值计算的方法，如有限元法或有限差分法计算，得到空间本征模式的模场分布数值解及对应模式阶次。
[0012]第2步、将待测少模环芯光纤中的空间模场表示为光纤中能支持的所有空间模式以任意复振幅的相干叠加，列出待测少模环芯光纤的强度模斑与各空间模式复振幅之间的非线性方程组，设计利用主成分先验信息的求解算法，得到各空间模式的复振幅；
[0013]第3步、实验搭建一套检测光纤出射模场的放大成像光学装置，并用空间图像探测器记录任意时刻的光场强度模斑和干涉图；
[0014]第4步、从光场强度模斑或干涉图中判断主成分的阶次，并将主成分的阶次与第2步中非线性方程组所需要的强度模斑信息一起代入该方程组，求解方程组从而恢复出每个模式的振幅以计算主成分的纯度。
[0015]其中，所述少模环芯光纤，是指任意有着轴对称折射率特征的、在传输方向上无几何特征变化、能传导电磁波、并且在折射率剖面上引入高折射率环形结构的少模光纤，并不限制环形结构的位置和具体折射率大小，也不限制折射率剖面上任何其他特殊设计的引
入。
[0016]所述空间模式，应当是由数值计算、解析解或实际测定得到的、彼此之间互相正交的、且经过功率归一化的一系列空间模式的统称。
[0017]所述非线性方程组，是指以来自强度模斑的信息作为已知量、以空间模式的复振幅作为未知量、用任意形式表示的方程组。
[0018]所述非线性方程求解算法，既包括解析解求解方法，也包括数值求解算法；既包括常见的非线性最小二乘算法(如Levenberg
‑
Marquardt和信赖域方法等)、随机并行梯度下降算法、机器学习算法，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于主成分先验信息的少模环芯光纤模式纯度测量方法，其特征是包括如下步骤：第1步、根据待测少模环芯光纤的结构参数，利用数值计算或解析解的方法计算待测少模环芯光纤支持的所有空间模式，确定最高阶次；第2步、将待测少模环芯光纤中的空间模场表示为光纤中能支持的所有空间模式以任意复振幅的相干叠加，列出待测少模环芯光纤的强度模斑与各空间模式复振幅之间的非线性方程组，设计利用主成分阶次先验信息的求解算法，得到各空间模式的复振幅；第3步、实验搭建一套检测光纤出射模场的放大成像光学装置，并用空间图像探测器记录任意时刻的光场强度模斑和干涉图；第4步、从光场强度模斑或干涉图中判断主成分的阶次，并将主成分的阶次与第2步中非线性方程组所需要的强度模斑信息一起代入该方程组，求解方程组从而恢复出每个模式的振幅以计算主成分的纯度。2.根据权利要求1所述的基于主成分先验信息的少模环芯光纤模式纯度测量方法，其特征是，所述少模环芯光纤，是指任意有着轴对称折射率特征的、在传输方向上无几何特征变化、能传导电磁波、并且在折射率剖面上引入高折射率环形结构的少模光纤，并不限制环形结构的位置和具体折射率大小，也不限制折射率剖面上任何其他特殊设计的引入。3.根据权利要求1所述的基于主成分先验信息的少模环芯光纤模式纯度测量方法，其特征是，第1步中，对于待测少模环芯光纤，首先确定其几何参数，及光学特征参数，对于简单的、可以得到解析解的光纤，利用解析解求出空间模式的模场分布解析表达式，对于复杂的、难以得到解析解的光纤，利用数值计算的方法，得到空间本征模式的模场分布数值解及对应模式阶次；所述空间模式，是由数值计算、解析解或实际测定得到的、彼此之间互相正交的、且经过功率归一化的一系列空间模式的统称。4.根据权利要求1所述的基于主成分先验信息的少模环芯光纤模式纯度测量方法，其特征是，第2步中所述非线性方程组，是指以来自强度模斑的信息作为已知量、以空间模式的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳格，史泽昆，王志，毛百威，郭慧毅，王攀，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：