一种基于双芯光纤的长周期光纤光栅模场转换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及少模光纤通信领域，尤其是一种基于双芯光纤的长周期光纤光栅模场转换器。
【背景技术】
[0002]随着人们对信息需求的日益增长，由于单模光纤自身固有的非线性效应限制，其传输能量已达到极限。减少非线性，最直接的途径就是增加纤芯的直径，增大有效面积，然而当纤芯增大到一定程度时，光纤也将支持高阶模的传输，即为一种少模光纤。目前少模光纤通信技术主要分为两类。另一种是采用模分复用技术增加系统容量，即以少模光纤中的不同模式传输不同的信息的方法成为其中的一种方案。少模光纤支持的模式数大于单模光纤，但小于传统多模光纤，这使得其既能提供若干可供复用的稳定信道，又不至于引起大的模式色散。因此，少模光纤近年来得到了迅猛发展。另一种使少模光纤工作在单模状态，借助少模光纤的模场面积更大的优点，以减少光纤的非线性效应。
[0003]在少模光纤中实现单模传输最重要是单模激发和传输过称中的无模式串扰。由于模场面积及模场分布与单模光纤存在较大差异，少模光纤中基模虽然可以通过直接与单模光纤相连的方法实现，但是这样会带来诸如差分模式色散和较大的插入损耗等问题。
[0004]人们已经研究了基于双芯光纤的长周期光纤光栅的耦合特性，也提出了在双芯光纤的一个纤芯中写入光纤布拉格光栅，通过前向传输模式的耦合实现波长选择功能。
【发明内容】
[0005]针对以上不足，本发明的目的是提出一种损耗低、体积小、稳定性好、工作带宽大及可靠性高的基于双芯光纤的长周期光纤光栅模场转换器。
[0006]本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0007]一种基于双芯光纤的长周期光纤光栅模场转换器，其特征在于，包括纤芯1、纤芯II和包层，纤芯1、纤芯II包裹于所述包层内，组成双芯光纤；所述纤芯I在工作波长范围内均为单模传输，即纤芯I的归一化频率满足V1〈2.405 ;纤芯II在工作波长范围内均为非单模传输，即纤芯II的归一化频率满足V11 >2.405 ;在所述纤芯II写入长周期光纤光栅，长周期光纤光栅的周期满足Λ = λο/(ηπ (Ao)-H1 (AJ)，其中Aci为光栅的中心波长，H1 (λο)为纤芯I中基模的有效折射率，ηπ (λο)为纤芯II中基模的有效折射率；长周期光纤光栅的长度L取为单模传输与非单模传输的耦合长度，所述双芯光纤的长度大于长周期光纤光栅的长度。
[0008]进一步地，所述纤芯I中心和纤芯II中心之间的距离d满足:6((1-(1^+1^)/2(13 μ m，其中，MjP M11分别为纤芯I和纤芯II基模的模场直径。
[0009]进一步地，所述双芯光纤在长周期光纤光栅的中心波长λ^处，纤芯II中的基模有效折射率nn eff ( λ。)和纤芯I中的基模有效折射率η! eff ( λ。)之差满足:0.0015<nn eff (入o)-nieff (λο)<0.004ο
[0010]进一步地，所述长周期光纤光栅的周期范围为385〈 Λ〈1035 μ m。
[0011]进一步地，所述长周期光纤光栅的调制深度δ满足:0.001< δ〈0.003。
[0012]光从所述模场转换器一端的纤芯I输入，其中纤芯I中的基模将与纤芯II中的基模发生耦合，并从另一端的纤芯II输出，以实现将纤芯I的基模转换为纤芯II的基模，达到模场转换的目的。所述转换器亦可反向传输，即光从纤芯II进入，从纤芯I输出。
[0013]本发明的技术效果:本发明采用两个不同传输方式的纤芯并在其中一个纤芯设置长周期光纤光栅的方法，实现两纤芯基模的耦合。由于耦合发生纤芯I和纤芯II之间，纤芯I和纤芯II的直径和折射率均可以实现灵活的调整，从而减小不同波长对应的光栅理想周期之间的差别，实现宽带模式转换。且强耦合只发生在存在光栅的区域，避免了双芯光纤耦合对光纤长度存在严格要求的困难。本发明可以运用于单模工作的少模光纤通信系统中，确保模式激发和分离的纯度，并且确保在传输过程中具有较低的损耗和模式串扰。
【附图说明】
[0014]图1为本发明所述模场转换器的结构图。
[0015]图2为光栅周期随波长的关系图。
[0016]图3为纤芯I和纤芯II的间距d = 22 μ m时，波长为1.55 μ m的传输光在耦合区的能量与传输距离的关系图。
[0017]图4为纤芯I和纤芯II的间距d = 22 μ m时，归一化输出能量与波长的关系图。
[0018]图5为纤芯I和纤芯II的间距d = 21 μ m时，波长为1.55 μ m的传输光在耦合区的能量与传输距离的关系图。
[0019]图6为纤芯I和纤芯II的间距d = 24 μ m时，波长为1.55 μ m的传输光在耦合区的能量与传输距离的关系图。
[0020]图7为纤芯I和纤芯II的间距d = 24 μ m时，归一化输出能量与波长的关系图。
[0021]图8为纤芯I与纤芯II直接连接时的连接损耗随波长变化曲线，其中传输光从纤芯I进入，从纤芯II输出。
[0022]图中:1_纤芯I，2-纤芯II，3-包层，4-长周期光纤光栅。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0024]本发明实现的是小模场和大模场光纤之间的模场转换，如图1所示，本发明所述的模场转换器，采用双芯光纤，所述双芯光纤包括纤芯I 1、纤芯II 2和包层3，纤芯I 1、纤芯II 2包裹于所述包层3内。所述纤芯I在工作波长范围内均为单模传输，即纤芯I I的归一化频率满MV1〈2.405 ;纤芯II在工作波长范围内均为非单模传输，即纤芯II 2的归一化频率满足V11 >2.405。在纤芯II 2写入一段长周期光纤光栅4，长周期光纤光栅4使所述纤芯I I中基模LPm)与纤芯II 2中基模(LPm)发生耦合。按长周期光纤光栅4匹配条件，所述光栅4的周期满足Λ = λο/(ηπ (Ao)-H1 UJ)，其中λ ^为所述光栅4的中心波长，H1 (λο)为纤芯I I中基模的有效折射率，ηπ (λο)为纤芯II 2中基模的有效折射率。由光栅4理论，满足相位匹配条件的两个模式将发生能量耦合，即所述光栅4能实现纤芯I I中基模与纤芯II 2中基模之间的转换。纤芯II能传输高阶模，其目的是通过放宽对纤芯II单模传输的要求，增大其纤芯直径，从而增大其基模的模场面积。更重要的，纤芯II中基模的有效折射率可以与纤芯I的基模有效折射率相差103以上，从而有效避免两者的基模在无光栅4情况时的耦合而导致器件性能的不稳定。同时，由于两纤芯基模的有效折射率之差决定了光栅4的周期值，因此，可以将光栅4的周期选择在适合制备同时又能保证光栅4传输稳定性的参数值范围内，常规长周期光纤光栅的周期值一般在100-1500 μ m之间。
[0025]在实际使用中，所述模场转换器一段的纤芯I I与小模场光纤(即单模光纤)连接，另一端的纤芯II 2与大模场光纤(即少模光纤)连接，单模光纤中的LPm模进入所述模场转换器后，在纤芯I I中传输，经所述光栅4时，纤芯I I的基模与纤芯II 2的基模耦合，从而将纤芯I I的LPm模转换为纤芯II 2的LP。灌，再由纤芯II 2输出到少模光纤。为确保纤芯I I中^^模与纤芯II 2中LP M模之间能量的完全转换，要求所述光栅4长度L取为两模式的耦合长度，光栅4长度小于双芯光纤的长度，即所述双芯光纤的长度大于长周期光纤光栅4的长度。
[0026]同理，若光从纤芯II输入，将从纤芯I输出，所述模场转换器也能够将大模场转换为小模场。此时，少模光纤中的LPm模进入所述模场转换器后，在纤芯II 2中传输，经所述光栅4时，纤芯II 2的基模与纤芯I I的基模耦合，从而将纤芯II 2的^^模将转换为纤芯
II中LP。^，再由纤芯I I输出到单模光纤。
[0027]根据耦合理论，所述双芯光纤，若其中一个纤芯的一个模式与另一个纤芯的一个模式的有效折射率在某波长处相等，则两模式相位匹配，因而，两个模式可以在两个纤芯之间相互转换，其耦合长度，即能量从一个纤芯完全转移到另一个纤芯所需的传输距离，与两纤芯的距离有关。即使两个模式的有效折射率不同，若两纤芯距离足够近，则两个模式也可能会发生部分耦合。如前所述，本发明的双芯光纤的耦合主要发生在光栅4部分，在其它位置的耦合应尽量避免，这样，对双芯光纤的长度没有严格的要求，从而有效降低器件制备的困难。为此，要求纤芯I I与纤芯II 2之间有足够的距离，以避免在无光栅4情况下纤芯
II与纤芯II 2模式间的耦合。另一方面，若纤芯I I与纤芯II 2之间的距离太远，会影响光栅4存在时，纤芯之间模式耦合的效率。由于两波导间基模的耦合特性与两个模式间模场的重叠区密切相关，而两波导的距离变化将直接影响其重叠区域的大小，而模场直径反映了光纤基模的模场分布，也间接地反映出两波导中基模的重叠情况。因此，要求纤芯I I中心和纤芯II 2中心之间的间距d满足μ m，其中，MjP M11分别为纤芯I和纤芯II基模的模场直径。
[0028]双芯光纤