一種少模光纖器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種少模光纖器件，所述光纖器件的纖芯由主纖芯和輔助纖芯組成。其中，主纖芯只有一個，且其歸一化頻率Vm滿足Vm>2.405，即支持高階模傳輸。輔助纖芯的數(shù)量為M，這里M≥1。輔助纖芯的一端與主纖芯的側(cè)面相交，且主纖芯的中心軸線與輔助纖芯的中心軸線處于同一平面內(nèi)。輔助纖芯的另一端位于光纖端面，在此端面，任意兩個纖芯的中心距離均大于兩者的纖芯半徑之和。任一輔助纖芯與主纖芯之間的參數(shù)滿足：主纖芯至少有一個傳輸模其有效折射率低于輔助纖芯基模的有效折射率。本發(fā)明提出一種新型少模光纖器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對少模光纖中的模式進行轉(zhuǎn)換、合并、分離或濾除。
【專利說明】
一種少模光纖器件
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及光纖通信領域，具體為一種能夠?qū)崿F(xiàn)對少模光纖中的模式進行轉(zhuǎn)換、合并、分離或濾除等功能的光纖器件。
【背景技術】
[0002]近年來，由于單模光纖傳輸容量的限制，使得基于少模光纖的通信技術引起了人們廣泛的興趣。采用少模光纖，以不同的模式傳輸不同的信息的方法，即所謂的模分復用技術，可以成倍地提高光纖的傳輸容量，同時，少模光纖還可以具有更大的纖芯面積，以減少各種復用技術導致的光纖非線性效應。除了在模分復用技術方面的應用以外，少模光纖還可以通過選擇性激發(fā)高階模的方法，實現(xiàn)大模場單模傳輸、色散補償、超短脈沖傳輸以及非線性應用等。
[0003]在模分復用系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)模式間轉(zhuǎn)換、將不同的模式復用到少模光纖以及實現(xiàn)少模光纖中模式的解復用等功能的少模光纖器件是決定系統(tǒng)性能的關鍵因素之一。采用空間光學元件的方法雖然能量實現(xiàn)對模式的復用和解復用，但存在附加損耗大、穩(wěn)定性差、以及器件尺寸大等缺點，而全光纖器件可以很好地克服這些缺點。采用長周期光纖光柵可以實現(xiàn)少模光纖的基模與高階模之間的高效轉(zhuǎn)換，帶寬達到3 4 n m [ I E E EPhoton.Technol.Lett.,2015,27(9): 1006-1009]。采用長周期光纖光柵級聯(lián)的方法，理論上可以實現(xiàn)高階模之間轉(zhuǎn)換，但其3dB帶寬也僅為約1nm[Opt.Express , 2014 , 22( 10):11488-11497]?；趩文９饫w與少模光纖耦合的雙芯光纖可以實現(xiàn)模式的分離，但難以避免不同模式之間的耦合[Opt.Fiber Technol.,2011，17(5):490-494]。采用多芯光纖可以實現(xiàn)多種模式的復用與分離，其缺點其模場變形比較嚴重[Opt.EXpreSS，010，18(5):4709-4716]。采用波導結(jié)構(gòu)，也可實現(xiàn)模式分離，但結(jié)構(gòu)相對復雜[Opt.Express ,2013 ,21(15):17904-17911，0pt.Express ,2013,21 (17): 20220-20229]。采用錐形的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn)寬帶的模式轉(zhuǎn)換[Opt.Lett.，2007，32(4):328-330]，但也只能實現(xiàn)光纖基模與高階模之間的轉(zhuǎn)換。
[0004]通常，基于模式耦合原理的模式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性存在很強的波長依賴性，工作帶寬較窄，輸出頻譜均勻性差。由于光纖中的四重簡并模的模式有效折射率相等，因此對這種模式的復用和分解也存在很大的困難。對于少模光纖系統(tǒng)的應用，目前仍然缺乏有效手段以實現(xiàn)選擇性的濾除某個或某些特定模式。綜上所述，可以靈活地實現(xiàn)少模光纖中各種不同模式間的轉(zhuǎn)換以及實現(xiàn)將不同模式復用、合并、分離以及濾除的光纖器件仍然尚待開發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)對少模光纖中的模式進行轉(zhuǎn)換、合并、分離或濾除等多種功能的少模光纖器件。
[0006]本發(fā)明的技術方案為:
[0007]—種少模光纖器件，由纖芯和包層組成，其特征在于:所述纖芯包括一個主纖芯和M個輔助纖芯，M多I;主纖芯的歸一化頻率Vm滿足Vm>2.405，即支持高階模傳輸;輔助纖芯的一端與主纖芯的側(cè)面相交，且主纖芯的中心軸線與輔助纖芯的中心軸線處于同一平面內(nèi)；輔助纖芯的另一端延伸至光纖的多芯端面，光纖的單芯端面只有主纖芯；多芯端面的一端，任意兩個纖芯的中心距離均大于兩者的纖芯半徑之和;任一輔助纖芯與主纖芯之間的參數(shù)滿足:主纖芯至少有一個模式的有效折射率低于輔助纖芯基模的有效折射率。
[0008]優(yōu)選地，主纖芯和輔助纖芯的截面均為圓形。
[0009]優(yōu)選地，所述輔助纖芯的基模有效折射率與主纖芯的任一模式的有效折射率之差的絕對值均大于0.0001。
[0010]優(yōu)選地，輔助纖芯僅支持單模傳輸，即要求其歸一化頻率Vf滿足Vf〈2.405。
[0011 ] 優(yōu)選地，所述輔助纖芯滿足:m—i>nf>m(I彡i>I)或nf>m(i = I);其中，m為主纖芯的第i個模式的有效折射率，I為主纖芯的模式總數(shù)，且有m-Oma多i>l)，nf為輔助纖芯的基模有效折射率。則此輔助纖芯為主纖芯的第i個模式配套的輔助纖芯，可用于輸入\輸出主纖芯的第i個模式。
[0012]優(yōu)選地，主纖芯的一個四重簡并模有兩個配套的輔助纖芯，這兩個輔助纖芯的中心軸線和主纖芯的中心軸線所確定的平面之間的夾角滿足90°/m;m為大于等于I的整數(shù)，指主纖芯的四重簡并模的橫向電場沿圓周的最大值的對數(shù)。
[0013]優(yōu)選地，輔助纖芯的數(shù)量M與主纖芯模式數(shù)量I和主纖芯四重簡并模數(shù)量N的關系為:M=I+N;其中〗個輔助纖芯的中心軸線與主纖芯的中心軸線均處于同一平面內(nèi)，定義輔助纖芯為第一類輔助纖芯，分別用于輸入\輸出主纖芯的I個模式;另外N個輔助纖芯的中心軸線不在此平面內(nèi)，定義為第二類輔助纖芯，分別用于輸入\輸出主纖芯的N個四重簡并模式中的另一個模式。
[0014]優(yōu)選地，輔助纖芯的中心軸線在主纖芯中心軸線上的投影長度滿足:任一第一類輔助纖芯的中心軸線在主纖芯中心軸線上的投影長度大于任一第二類輔助纖芯的中心軸線在主纖芯中心軸線上的投影長度。
[0015]優(yōu)選地，第一類輔助纖芯有且僅有一個配套的主纖芯模式；第二類輔助纖芯有且僅有一個配套的主纖芯的四重簡并模。
[0016]優(yōu)選地，第一類輔助纖芯的基模有效折射率均大于主纖芯的基模有效折射率η1。
[0017]優(yōu)選地，所述輔助纖芯的數(shù)量為6，第一類輔助纖芯為4個，在多芯端面上的四個第一類輔助纖芯按照中心軸線與主纖芯中心軸線的距離依次減小排列；第二類輔助纖芯為2個，兩個第二類輔助纖芯的中心軸線和第一類輔助線芯的中心軸線與主纖芯中心軸線構(gòu)成的平面的夾角分別為45°和90°。
[0018]本發(fā)明的技術效果為:本發(fā)明提出的新型少模光纖器件，可以實現(xiàn)少模光纖中不同模式之間的模場轉(zhuǎn)換、可以通過叢纖芯將不同的光信號轉(zhuǎn)換為少模光纖中的不同模式，從而實現(xiàn)模分復用；也可以將少模光纖中的模式分別耦合到不同的叢纖芯并輸出，從而實現(xiàn)少模光纖中不同模式信號的分離，即解復用;還可以實現(xiàn)選擇性的下載和上傳不同的模式信號，并可選擇性地濾除少模光纖中的高階模以及在少模光纖中實現(xiàn)單模傳輸，實現(xiàn)對簡并的高階模進行分離等功能。所述結(jié)構(gòu)還具有對光纖的參數(shù)不敏感、允許具有較大的制作容差、工作波長范圍寬以及輸出能量均勻性好和偏振無關等優(yōu)點。本發(fā)明可以廣泛應用于少模光纖通信、傳感等系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明所述光纖的實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為光從本發(fā)明所述光纖的實施例1的輔助纖芯輸入時，從主纖芯輸出的模式能量曲線，其中橫坐標為輔助纖芯與包層折射率差。圖中a、b、c、d分別表示輔助纖芯基模有效折射率等于主纖芯的LPo1、LPn,LP21、LPo2模的有效折射率時的值。
[0021]圖3為光從光從本發(fā)明所述光纖的實施例1的輔助纖芯輸入時，從主纖芯輸出的模式能量曲線與波長的關系曲線，其中輔助纖芯的基模有效折射率大于主纖芯的LP21模而小于主纖芯的LP11模的有效折射率。
[0022]圖4為光從光從本發(fā)明所述光纖的實施例1的多芯端面主纖芯輸入，從單芯端面主纖芯輸出的模式能量曲線與波長的關系曲線，其中輔助纖芯的基模有效折射率大于主纖芯的LP21模而小于主纖芯的LPii模的有效折射率。其中，(a)輸入LPoi模，(b)輸入LPn模，(C)輸入LP21模，⑷輸人LPq2模。
[0023]圖5為光從光從本發(fā)明所述光纖的實施例1的單芯端面主纖芯輸入時，從多芯端面輸出的模式能量曲線與波長的關系曲線，其中輔助纖芯的基模有效折射率大于主纖芯的LPii模而小于主纖芯的LPoi模的有效折射率。其中，(a)輸入LPoi模，(b)輸入LPii模，(C)輸入LP2I模，⑷輸入LP02模。
[0024]圖6給出了本發(fā)明所述光纖的實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖7為光從本發(fā)明所述光纖的實施例2單芯端面主纖芯輸入時，從輔助纖芯輸出的模式能量曲線與波長的關系曲線。其中，(a)輸入LP11偶模，(b)輸入LP21奇模。
[0026]圖8為光從本發(fā)明所述光纖的實施例2多芯端面輔助纖芯輸入時，從主纖芯輸出的模式能量曲線與波長的關系曲線。其中，(a)光從輔助纖芯6輸入，(b)光從輔助纖芯9輸入。
[0027]圖中，
[0028]I為主纖芯，2為輔助纖芯，3為包層，21、22、23、24、25為第一類輔助纖芯，26為第二類輔助纖芯。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。
[0030]本發(fā)明所提供的少模光纖器件，由纖芯和包層組成，所述纖芯包括一個主纖芯和M個輔助纖芯，M多I;主纖芯和輔助纖芯的截面均為圓形、且中心軸線均為直線。主纖芯的歸一化頻率￥?滿足Vm>2.405，即支持高階模傳輸;所述輔助纖芯的基模有效折射率與主纖芯的任一模式的有效折射率之差的絕對值均大于0.0001。輔助纖芯的一端與主纖芯的側(cè)面相交，且主纖芯的中心軸線與輔助纖芯的中心軸線處于同一平面內(nèi)；輔助纖芯的另一端延伸至光纖的多芯端面，光纖的單芯端面只有主纖芯，多芯端面的一端，任意兩個纖芯的中心距離均大于兩者的纖芯半徑之和;任一輔助纖芯與主纖芯之間的參數(shù)滿足:主纖芯至少有一個模式的有效折射率低于輔助纖芯基模的有效折射率。
[0031]實施例1
[0032]圖1為本發(fā)明所述光纖實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。所述輔助纖芯的數(shù)量M=I，且滿足:m—i>nf >m (I多i > I)或nf >m (i = l);其中，m為主纖芯的第i個模式的有效折射率，！為主纖芯的模式總數(shù)，且有m-Oma多i>l)，nf為輔助纖芯的基模有效折射率。主纖芯和輔助纖芯數(shù)量均為一。多芯端面存在主纖芯和輔助纖芯，而單芯端面處只存在主纖芯。
[0033]在工作波長處，主纖芯I為一種少模纖芯，即其可以傳輸高階模，本發(fā)明通過引入輔助纖芯2實現(xiàn)對主纖芯I中模式的導入、提取、轉(zhuǎn)換等操作。
[0034]一.光從多芯端面的輔助纖芯輸入
[0035]假設主纖芯能夠支持LPQ1、LPn、LP21、LP()2四個模式的傳輸。若輔助纖芯的基模(LPo1模)的有效折射率大于主纖芯1^21模的有效折射率且小于主纖芯LP11模的有效折射率，則當從輔助纖芯輸入基模時，將在主纖芯激發(fā)出1^21模，并從單芯端面輸出。若輔助纖芯的基模(LPo1)的有效折射率大于主纖芯LPo2模的有效折射率且小于主纖芯LP21模的有效折射率，則當從輔助纖芯輸入基模時，其將在主纖芯激發(fā)出LPo2模，并從單芯端面輸出。
[0036]光從多芯端面的輔助纖芯輸入，從單芯端面的主纖芯輸出，且滿足:m-OnArua多i>l)或nf>m(i = l);則輔助纖芯的基模將轉(zhuǎn)換為主纖芯的第i個模式。這里定義主纖芯的第i個模式的有效折射率為m，I為主纖芯的模式總數(shù)，且有m-1>ni(I^: i>l)，nf為輔助纖芯的基模有效折射率。
[0037]圖2為光從實施例1所述結(jié)構(gòu)的輔助纖芯輸入時，從主纖芯輸出的模式能量曲線，其中橫坐標為輔助纖芯與包層折射率之差。隨著輔助纖芯與包層折射率之差的增大(這里假設包層折射率不變，也即實際上是輔助纖芯的折射率在增大)，其輔助纖芯的基模有效折射率也隨之增大，因而其與主纖芯中模式的有效折射率關系也發(fā)生變化。圖中a、b、c、d分別表示輔助纖芯基模有效折射率分別與主纖芯的LPQ1、LPn、LP21、LP()2模的有效折射率相等時對應的輔助纖芯與包層折射率之差的位置。即當輔助纖芯的基模有效折射率依次超過主纖芯的LPQ2、LP21、LPn和LPo1模時，由輔助纖芯輸入的光也將依次轉(zhuǎn)化為主纖芯的LPQ2、LP21、LP11和LPo1模。同時，除在a-d位置及附近的小范圍內(nèi)，主纖芯會激發(fā)出兩種模式外，在其它位置，其均能實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換損耗不超過-0.03dB。轉(zhuǎn)換特性具有對輔助纖芯的折射率不敏感的特點，即輔助纖芯的折射率在一定的區(qū)間變化對輸出能量影響很小。由圖可見，當輔助纖芯基模有效折射率小于主纖芯的LPo2模，即主纖芯模式的有效折射率均大于輔助纖芯基模有效折射率時，其無法形成有效的模式轉(zhuǎn)換。
[0038]圖3為光從實施例1的輔助纖芯輸入時，從主纖芯輸出的模式能量曲線與波長的關系曲線，其中輔助纖芯的基模有效折射率大于主纖芯的LP21模而小于主纖芯的LPn模的有效折射率?？梢娫诔瑢挷ㄩL范圍內(nèi)主纖芯1^21模被激發(fā)，且主纖芯中其它模式能量均小于-20dB，即僅有LP21模被有效激發(fā)。
[0039]二.光從多芯端面主纖芯輸入
[0040]若光從多芯端面主纖芯輸入，則根據(jù)輔助纖芯參數(shù)的不同，其從單芯端面輸出的結(jié)果也不同。假設主纖芯能夠支持LPo1、LPi1、LP21、LPo2四個模式的傳輸，而輔助纖芯的基模(LPo1)的有效折射率大于主纖芯1^21模的有效折射率且小于主纖芯LP11模的有效折射率。則有，從多芯端面主纖芯分別輸入LPo1、LP11、LP21模時，從端口 B輸出的模式分別為:LPoi ^ LPn、LP02模，即前兩者模式不變，而LP21模將轉(zhuǎn)換為LPq2模；若輸入為LPq2模，則其將發(fā)生泄露而不再從端口B輸出。同理，若輔助纖芯的基模(LPo1)模的有效折射率大于主纖芯LPn模的有效折射率且小于主纖芯LPo1模的有效折射率。則有，從多芯端面主纖芯分別輸入LPQ1、LPn、LP21模時，從單芯端面輸出的模式分別為:LPq1、LP21、LPq2模，即后兩者模式發(fā)生轉(zhuǎn)變;若輸入為LP02模，則其將發(fā)生泄露而不再從端口 B輸出。
[0041]光從多芯端面的主纖芯輸入，從單芯端面的主纖芯輸出；主纖芯與輔助纖芯的參數(shù)滿足:m—OnAma多i>l)或nf>m( i = I);若存在正整數(shù)j，滿足I〉j ^ i，則從多芯端面輸入的主纖芯的第j個模式將轉(zhuǎn)換為主纖芯的第j+Ι個模式輸出，而從多芯端面輸入的主纖芯的第I個模式將被濾除。
[0042]圖4為光從實施例1的多芯端面主纖芯輸入，從單芯端面主纖芯輸出的模式能量曲線與波長的關系曲線，其中輔助纖芯的基模有效折射率大于主纖芯的1^21模而小于主纖芯的LPn模的有效折射率。其中，(a)輸入LPo1模，(b)輸入LPn模，(C)輸入LP21模，⑷輸入LP02模。由圖可見，輸入的LPoi模和LPn模仍保持低損耗傳輸；而其它模式的輸出能量均小于_20dB，即不能被有效激發(fā)。輸入的1^21模轉(zhuǎn)換為LPo2模，且其它模式能量均很低。輸入的LP02模則產(chǎn)生泄露，即被衰減掉且不會激發(fā)出其它模式。
[0043]三.光從單芯端面主纖芯輸入
[0044]圖5為光從實施例1的從單芯端面主纖芯輸入時，從多芯端面輸出的模式能量曲線與波長的關系曲線，同樣假設主纖芯能夠支持LPq1、LPi1、LP21、LPq2四個模式的傳輸而且輔助纖芯的基模有效折射率大于主纖芯的LPn模而小于主纖芯的LPo1模的有效折射率。其中，
(a)輸入LPoi模，(b)輸入LPii模，(C)輸入LP21模，⑷輸入LPq2模。即當從單芯端面主纖芯分別輸入LPo1、LP21、LPo2模時，從多芯端面主纖芯輸出的模式分別為:LPo1、LP11、1^21模，即LPq1模不變，而LP21、LPQ2模分別轉(zhuǎn)換為LP11和1^21模。而若從單芯端面主纖芯輸入LP11模時，則其將耦合到輔助纖芯，從而轉(zhuǎn)換為輔助纖芯的基模輸出。
[0045]即光從單芯端面的主纖芯輸入，主纖芯與輔助纖芯的參數(shù)滿足:m-OnAma彡i>I)或nf>m(i = l);則輸入的主纖芯的第i個模式將轉(zhuǎn)換為輔助纖芯基模，若存在正整數(shù)j，滿足I多j>i，則從單芯端面輸入的主纖芯的第j個模式將轉(zhuǎn)換為主纖芯的第j-Ι個模式輸出。
[0046]本發(fā)明結(jié)構(gòu)中輔助纖芯與主纖芯的直徑均不隨傳輸距離發(fā)生變化，即其并非通過拉錐等方式實現(xiàn)不同纖芯之間的模式耦合。
[0047]基于以上結(jié)構(gòu)和功能，通過增加輔助纖芯數(shù)量，組合出各種復雜功能器件。
[0048]在纖芯與包層的折射率差較小的情況下，本發(fā)明光纖器件具有偏振無關性，即其同一模式的兩個偏振態(tài)具有相同的傳輸特性。
[0049]由于輔助纖芯與主纖芯距離較近，如果輔助纖芯基模與主纖芯的某個模式有效折射率相等，則這兩個模式就可以發(fā)生強的耦合，為避免模式間這種耦合，要求在工作波長處，輔助纖芯基模與主纖芯中模式的有效折射率不相等，由圖2見，輔助纖芯的基模有效折射率與主纖芯的任一模式的有效折射率之差的絕對值應大于0.0001，以避免同時與兩個主纖芯模式發(fā)生轉(zhuǎn)換等效應。
[0050]主纖芯和輔助纖芯均為圓形纖芯，即其橫截面為圓形，在其它情形下，通常難以實現(xiàn)低串擾的模式轉(zhuǎn)換和操作。
[0051]由前述分析可知，主纖芯至少有一個模式其有效折射率低于輔助纖芯基模的有效折射率，否則無法實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換等功能。
[0052]本發(fā)明結(jié)構(gòu)的性能與主纖芯模式特性相關，若主纖芯某一模式為四重簡并模，則一個輔助纖芯與主纖芯的交點區(qū)域，對于主纖芯模式場的幅值在交點處存在極大值的情況下，其可發(fā)生模式轉(zhuǎn)換等過程，而根據(jù)正交性，此模式的另一簡并模在交點位置處于極小值位置，從而不發(fā)生變化;為此可設置另一輔助纖芯，其與主纖芯交點處于此簡并模的極值位置，從而同樣實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換等效果。同時，輔助纖芯與主纖芯的交點應與其橫向電場在圓周方向的最大值重疊，以形成最強的模場轉(zhuǎn)換。因此，對應的兩個輔助纖芯，其中心軸線與主纖芯中心軸線所確定的兩個平面之間的夾角需滿足:90°/m;這里m為大于等于I的整數(shù)，指主纖芯的這個四重簡并模的橫向電場沿圓周的最大值的對數(shù)。
[0053]由于LP11模為四重簡并模，因此，其兩個簡并模應分別從不同的輔助纖芯輸入或輸出。由于其兩個簡并模存在180度旋轉(zhuǎn)對稱關系，因此，其對應的兩個輔助纖芯的中心軸線與主纖芯中心軸線組成的平面之間的夾角應為90度角。而LP21模的兩個簡并模存在45度旋轉(zhuǎn)對稱關系，因此，其對應的輔助纖芯的中心軸線與主纖芯中心軸線組成的平面之間的夾角應為45度角。
[0054]本發(fā)明是實現(xiàn)少模光纖中的模式處理，因而，主纖芯須為非單模光纖，由光纖理論，對于階躍結(jié)構(gòu)光纖，其歸一化頻率大于2.405時，其可以支持高階模傳輸，因此要求主纖芯的歸一化頻率至少大于2.405。主纖芯至少有一個傳輸模其有效折射率低于輔助纖芯基模的有效折射率，否則無法實現(xiàn)本發(fā)明效果。本發(fā)明使主纖芯與輔助纖芯組成一個復合結(jié)構(gòu)，在兩個纖芯交點及附近，形成橫截面尺寸增大的纖芯區(qū)域，從主纖芯或輔助纖芯輸入的模式，在此纖芯區(qū)域形成模式的轉(zhuǎn)換和變化，最終形成本發(fā)明的效果。
[0055]對于從主纖芯輸入光以實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換、濾模的情形，其模式轉(zhuǎn)換和濾模均與輔助纖芯中模式的有效折射率有關，為有效控制模式的轉(zhuǎn)換，輔助纖芯采用單模纖芯能更有效地控制轉(zhuǎn)換模式和帶寬，即要求有其歸一化頻率Vf滿足Vf〈2.405。對于從輔助纖芯輸入模式，以激發(fā)出主纖芯基模或高階模的情形，不論輔助纖芯是否是單模纖芯，只要輔助纖芯中實際僅傳輸基模即可達到同樣效果，因此，這種情況下輔助纖芯可以為非單模纖芯。
[0056]增加輔助纖芯的數(shù)量，可以實現(xiàn)更多復雜的功能。在這種情況下，每個輔助纖芯與主纖芯的作用是獨立的，即輔助纖芯與主纖芯僅在兩者的交點及附近區(qū)域發(fā)生模式轉(zhuǎn)換等作用，而輔助纖芯之間保持相對獨立的光傳輸。因此，雖然所有輔助纖芯的一端均在光纖的同一端面，但其傳輸是相對獨立的，因而，多個輔助纖芯的結(jié)構(gòu)相當于單個輔助纖芯結(jié)構(gòu)的級聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0057]實施例2
[0058]本發(fā)明可以實現(xiàn)對光纖模式的復用和解復用。輔助纖芯的數(shù)量M與主纖芯模式數(shù)量I和主纖芯簡并模數(shù)量N的關系為:M= I+N; I個輔助纖芯的中心軸線處于同一平面內(nèi)，定義輔助纖芯為第一類輔助纖芯，分別用于輸入主纖芯的I個模式；另外N個輔助纖芯的中心軸線不在此平面內(nèi)，定義為第二類輔助纖芯，分別用于輸入主纖芯的N個四重簡并模式中的另一個模式。
[0059]圖6給出其中一種方案，輔助纖芯為6個，其中，4個為第一類輔助纖芯，4個第一類輔助纖芯21、22、23、24的中心軸線與主纖芯的中心軸線均處于同一平面內(nèi)，在多芯端面上的四個第一類輔助纖芯21、22、23、24按照中心軸線與主纖芯中心軸線的距離依次減小排列。2個輔助纖芯25、26為第二類輔助纖芯，兩個第二類輔助纖芯25、26的中心軸線和第一類輔助線芯的中心軸線與主纖芯中心軸線構(gòu)成的平面的夾角分別為45°和90°。
[0060]仍假定主纖芯能夠支持LPQ1、LPn、LP21、LPQ2四個模式的傳輸，由光纖模式理論，LPn和1^21模為四重簡并模，而其它為二重簡并模。第一類輔助纖芯對于任一主纖芯模式的有效折射率區(qū)間(m-^rn)，有且僅有一個第一類輔助纖芯的基模有效折射率處于此區(qū)間，I多i> I。即第一類輔助纖芯21、22、23、24和第二類輔助纖芯25、26的基模有效折射率分別大于主纖芯的LPQ2、LP21、LPn和LPQ1、LPn和1^21模的有效折射率，且第一類輔助纖芯21、22、23與第二類輔助纖芯的25、26的基模有效折射率小于主纖芯的LPiLPnaP^LPiLPn模的有效折射率。從輔助纖芯21、22、23、24、25、26輸入基模時，其分別將激發(fā)出主纖芯的LPo2模、LP21奇模、LP11奇模、LPo1模、LP11偶模、LP21偶模。這里，主纖芯模式的激發(fā)須滿足一定的順序，即由于輔助纖芯激發(fā)出主纖芯模式后，主纖芯模式仍可能經(jīng)過其它輔助纖芯與主纖芯的交點區(qū)域，從而使此種情況相當于前述單個輔助纖芯結(jié)構(gòu)，而光從多芯端面主纖芯輸入的情況。即激發(fā)出的模式可能會在經(jīng)過其它輔助纖芯與主纖芯交點區(qū)域時發(fā)生變化。為此，我們先激發(fā)出低階(即模式有效折射率較高的)的主纖芯模式，從而當此模式經(jīng)過基模有效折射率更高的輔助纖芯時，其不會發(fā)生模式轉(zhuǎn)換。對于四重簡并模，同樣需要避免輔助纖芯對主纖芯其它模式的干擾，為此要求先激發(fā)出較低階模的四重簡并模，再激發(fā)較高階的四重簡并模，最后再激發(fā)出四重簡并模的另一個模式及其它二重簡并模。輔助纖芯22和26分別用于激發(fā)LP21奇模、LP21偶模，因此要求兩者的中心軸線分別與主纖芯中心軸線的所確定的兩個平面之間的夾角為45度。而輔助纖芯23和29分別用于激發(fā)LP11奇模、LP11偶模，因此要求兩者的中心軸線分別與主纖芯中心軸線的所確定的兩個平面之間的夾角為90度。
[0061]對于以上光纖結(jié)構(gòu)，若光從單芯端面的主纖芯輸入，則輸入的LPo2模、LP21奇模、LPn奇模、LPo1模、LP11偶模、1^21偶模將分別從輔助纖芯21、22、23、24、25、26輸出。即此結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)模式的解復用功能。
[0062]圖7為光從圖6所示結(jié)構(gòu)的單芯端面主纖芯輸入時，從輔助纖芯輸出的模式能量曲線與波長的關系曲線。其中，(a)輸入LP11偶模，(b)輸入LP21奇模。由圖可見，當從主纖芯輸入LPn偶模時，其將從輔助纖芯25輸出，且在光波長大于1.36μπι的寬波長范圍內(nèi)，其輸出能量大于-0.1dB，而其它輔助纖芯輸出能量都在-35dB以下，即其串擾很低。主纖芯模式轉(zhuǎn)換到輔助纖芯輸出時，其輸出模式的能量隨波長變化很小，反映出這種結(jié)構(gòu)具有超寬的工作帶寬。相似的，當從主纖芯輸入LP21奇模時，其將從輔助纖芯22輸出，且在光波長小于1.66μπι的寬波長范圍內(nèi)，其輸出能量大于-0.05dB，而其它輔助纖芯輸出能量都在-25dB以下，即其串擾很低。即在300nm的超寬波長范圍內(nèi)，兩個模式均可實現(xiàn)低損耗、低串擾的模式轉(zhuǎn)換和解復用。
[0063]作為另一種解決方案，仍采用圖6光纖結(jié)構(gòu)，仍假定主纖芯能夠支持LPQ1、LPn、LP21、LPo2四個模式的傳輸。這里，第二類輔助纖芯的25、26的基模有效折射率分別大于主纖芯的LPn、LP21模而小于主纖芯的LPQ1、LPn模的有效折射率。而第一類輔助纖芯的21、22、23、24的基模有效折射率均大于主纖芯的LPo1模的有效折射率。即第二類輔助纖芯的25和26的基模進入主纖芯，分別激發(fā)出主纖芯的LP11偶模、LP21偶模，且這兩個模式再經(jīng)過其它輔助纖芯與主纖芯交點區(qū)域時，均不會發(fā)生模式轉(zhuǎn)換。而輔助纖芯24的基模進入主纖芯，激發(fā)出主纖芯的LPo1模，當其經(jīng)過輔助纖芯23與主纖芯交點區(qū)域時，其被轉(zhuǎn)換為LPn奇模，再經(jīng)過輔助纖芯22與主纖芯交點區(qū)域時，又被轉(zhuǎn)換為LP21奇模，最后，經(jīng)再經(jīng)過輔助纖芯21與主纖芯交點區(qū)域時，被轉(zhuǎn)換為LPo2模，即輔助纖芯21的基模最終轉(zhuǎn)換為主纖芯的LPo2模輸出。相似的，從輔助纖芯的21、22、23輸入的基模，最后分別轉(zhuǎn)換為主纖芯的LPo1模、LP11奇模、LP21奇模輸出。因此，從輔助纖芯的21、22、23、24、25、26輸入基模時，其分別將激發(fā)出主纖芯的LP01模、LP11奇模、LP21奇模、LP02模、LP11偶模、LP21偶模。
[0064]對于以上方案，若光從單芯端面的主纖芯輸入，則輸入的LPoi模、LPii奇模、LP21奇模、LPo2模、LP11偶模、LP21偶模將分別從輔助纖芯的21、22、23、24、25、26輸出。即此結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)模式的解復用功能。
[0065]圖8為圖6所示結(jié)構(gòu)，光從多芯端面輔助纖芯輸入時，從主纖芯輸出的模式能量曲線與波長的關系曲線。其中，(a)光從輔助纖芯22輸入，(b)光從輔助纖芯25輸入。由圖可見，當光從輔助纖芯22輸入時，其激發(fā)出LP11奇模，且在光波長小于1.635μπι的寬波長范圍內(nèi)，LPii奇模輸出能量大于-0.05dB，而其它模式輸出能量都在-20dB以下。當光從輔助纖芯25輸入時，其激發(fā)出LP11偶模，且在光波長大于1.36μπι的寬波長范圍內(nèi)，LP11偶模輸出能量大于-
0.05dB的寬波長范圍內(nèi)，其它模式輸出能量都在-20dB以下。即在275nm的超寬波長范圍內(nèi)，兩個模式均可實現(xiàn)低損耗、低串擾的模式轉(zhuǎn)換和復用。
[0066]通過組合不同參數(shù)的輔助纖芯及其與主纖芯交點位置，還可以實現(xiàn)模式的插分復用、模式的選擇性濾除等功能。
[0067]所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種少模光纖器件，由纖芯和包層組成，其特征在于:所述纖芯包括一個主纖芯和M個輔助纖芯，M多I;主纖芯的歸一化頻率Vm滿足Vm>2.405，即支持高階模傳輸;輔助纖芯的一端與主纖芯的側(cè)面相交，且主纖芯的中心軸線與輔助纖芯的中心軸線處于同一平面內(nèi)；輔助纖芯的另一端延伸至光纖的多芯端面，光纖的單芯端面只有主纖芯；多芯端面的一端，任意兩個纖芯的中心距離均大于兩者的纖芯半徑之和;任一輔助纖芯與主纖芯之間的參數(shù)滿足:主纖芯至少有一個模式的有效折射率低于輔助纖芯基模的有效折射率。2.根據(jù)權利要求書I所述的少模光纖器件，其特征在于:主纖芯和輔助纖芯的截面均為圓形。3.根據(jù)權利要求書I所述的少模光纖器件，其特征在于:所述輔助纖芯的基模有效折射率與主纖芯的任一模式的有效折射率之差的絕對值均大于0.0001。4.根據(jù)權利要求書I所述的少模光纖器件，其特征在于:輔助纖芯僅支持單模傳輸，即要求其歸一化頻率Vf滿足VK2.405。5.根據(jù)權利要求書I所述的少模光纖器件，其特征在于:所述輔助纖芯滿足:m-Onf>m(I彡i>l)或nf>m(i = l);其中，m為主纖芯的第i個模式的有效折射率，I為主纖芯的模式總數(shù)，且有m-Omd多i>l)，nf為輔助纖芯的基模有效折射率。則此輔助纖芯為主纖芯的第i個模式配套的輔助纖芯，可用于輸入\輸出主纖芯的第i個模式。6.根據(jù)權利要求書I所述的少模光纖器件，其特征在于:主纖芯的一個四重簡并模有兩個配套的輔助纖芯，這兩個輔助纖芯的中心軸線和主纖芯的中心軸線所確定的平面之間的夾角滿足90°/m;m為大于等于I的整數(shù)，指主纖芯的四重簡并模的橫向電場沿圓周的最大值的對數(shù)。7.根據(jù)權利要求書I所述的少模光纖器件，其特征在于:輔助纖芯的數(shù)量M與主纖芯模式數(shù)量I和主纖芯四重簡并模數(shù)量N的關系為:M=I+N;其中I個輔助纖芯的中心軸線與主纖芯的中心軸線均處于同一平面內(nèi)，定義輔助纖芯為第一類輔助纖芯，分別用于輸入\輸出主纖芯的I個模式;另外N個輔助纖芯的中心軸線不在此平面內(nèi)，定義為第二類輔助纖芯，分別用于輸入\輸出主纖芯的N個四重簡并模式中的另一個模式。8.根據(jù)權利要求書7所述的少模光纖器件，其特征在于:輔助纖芯的中心軸線在主纖芯中心軸線上的投影長度滿足:任一第一類輔助纖芯的中心軸線在主纖芯中心軸線上的投影長度大于任一第二類輔助纖芯的中心軸線在主纖芯中心軸線上的投影長度。9.根據(jù)權利要求書7所述的少模光纖器件，其特征在于:第一類輔助纖芯有且僅有一個配套的主纖芯模式;第二類輔助纖芯有且僅有一個配套的主纖芯的四重簡并模。10.根據(jù)權利要求書7所述的少模光纖器件，其特征在于:第一類輔助纖芯的基模有效折射率均大于主纖芯的基模有效折射率m。
【文檔編號】G02B6/293GK106019475SQ201610608873
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月28日
【發(fā)明人】陳明陽, 曹國棟, 劉丕丕
【申請人】江蘇大學