基于少模长周期光纤叠栅的模式转换器*

薛艳茹 田朋飞 金娃 赵能 靳云3) 毕卫红†

1) (燕山大学信息科学与工程学院, 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 秦皇岛 066004)

2) (河北科技师范学院机电工程学院, 秦皇岛 066004)

3) (河北建材职业技术学院机电工程系, 秦皇岛 066004)

本文提出一种在同一段少模光纤上写入两个不同周期 和 的长周期光纤光栅构成叠栅的方法, 实现了纤芯基模LP01向高阶纤芯模LP11模式转换的宽带宽的新型的全光纤模式转换器. 利用有限元法和耦合模理论建立了模式转换器的理论分析模型. 数值仿真分析了叠栅中两个子光栅周期间隔、光栅长度、耦合系数等光栅参数对模式转换器的影响. 仿真分析和实验结果表明, 通过改变两个子光栅的周期间隔来改变两个损耗峰的位置, 形成一个损耗峰, 从而可以实现宽带宽的模式转换器, 其10 dB带宽约是单栅的2倍. 与传统的模式转换器相比, 该转换器带宽宽、转换效率高, 尺寸小、抗干扰能力强, 可以在模分复用系统和光通信中得到广泛的应用.

1 引 言

目前, 模分复用系统因能够克服单模光纤传输容量的极限、 实现更大容量的光纤传输、 满足人们日益增长的通信需求而受到广泛的关注[1,2]. 基于少模光纤的模分复用系统主要是利用少模光纤中不同的光纤模式作为传输信道来同时传输多路信号从而增大传输容量[3]. 模式转换器将单模光纤中传输的基模(LP01)转换成少模光纤中传输的高阶纤芯模, 是模分复用系统中的关键器件, 实现的主要方式有空间光调制器法[4,5]、相位板法[6,7]、波导耦合器法[8,9]、光子灯笼法[10,11]、布拉格光栅法[12]、长周期光栅法[13-18]等. 基于长周期光栅的模式转换器实现的方法有机械微弯法[13]、紫外线法[14]、飞秒激光法[15]、CO2激光器法[16-18]. CO2激光器法因其具有低损耗、易于制造、可控性好、稳定性好等优点, 在长周期光栅的刻制中发挥了重要的作用,这已经得到理论和实验的证实. 文献[13,16]提出了在少模光纤中刻制长周期光栅以实现模式的转换, 该方法转换效率高, 但是带宽只有几十纳米.2013 年, Garg 和 Thyagarajan[19]首次提出在单模光纤中利用叠栅实现基模与包层模的宽带宽转换,但只进行了理论仿真分析.

本文提出在少模光纤中利用叠栅实现纤芯基模LP01向高阶纤芯模LP11的转换, 仿真分析了各参数对转换器性能的影响, 根据仿真结果, 利用CO2激光器刻制叠栅, 转换效率大于90%的带宽达 153 nm.

2 模式转换器原理

2.1 模式转换器结构

图1 模式转换器的结构图Fig. 1. Schematic of mode converter.

2.2 理论模型

在少模光纤同一段写入不同周期的长周期光栅而形成叠栅, 假设每次写入的光栅对光纤折射率的调制均为弱调制, 这样叠栅的折射率调制可认为是两个子光栅单独调制的线性叠加, 纤芯折射率的改变量为[20]

两个子光栅在满足相位匹配的条件下均实现了纤芯基模LP01向高阶纤芯模LP11的转换. 根据耦合模理论, 得出利用叠栅实现模式转换的耦合方程[20]如下:

这里采用数值法对(2)式进行求解. 设光栅的长度为 0—L, 取光栅的边界条件,0, 将其代入耦合方程, 可求得.

3 数值仿真

本文所采用的是由烽火公司提供的两模阶跃光纤(FMF-SI-1550A), 纤芯和包层直径分别为13.6, 125, 在 1550 nm 处纤芯和包层的有效折射率分别为1.4634, 1.4571. 利用有限元法计算出LP01和LP11的色散曲线如图2所示. 从图2可以看出, 随着波长的增加, 其有效折射率逐渐减小.

图2 少模光纤的模式色散特性Fig. 2. Effective refractive indices against wavelength of two modes.

图3 少模光纤光栅周期与谐振波长的关系Fig. 3. Dependence of grating period and resonant wavelength in few mode fiber.

图4 单栅与叠栅光谱对比Fig. 4. Spectrum contrast between LPFG and SLPFG.

4 叠栅参数对模式转换器的影响

叠栅的传输光谱可以反映出模式转换器的带宽和转换效率的变化情况, 而叠栅的周期间隔、长度及耦合系数对传输光谱有着一定的影响, 本文主要仿真分析以上参数对模式转换器的影响.

4.1 周期间隔对模式转换器的影响

由(5)式知, 叠栅传输光谱中两个损耗峰的位置由光栅I和光栅Ⅱ的周期间隔决定, 令两个子光栅的长度, 耦合系数, 固定光栅 I的周期, 调节光栅Ⅱ的周期分别为 690, 688, 686, 684, 如图5所示. 从图5中可以看出, 叠栅中两个子光栅的损耗峰间的带隙将随着两个子光栅的周期间隔而发生变化, 随着变小, 两个损耗峰逐渐靠拢最后形成一个单峰; 当两个子光栅的间隔为12时, 形成一个单峰. 其转换效率先减小后增加. 由(1)式知, 光栅Ⅱ的周期减小引起了纤芯折射率的改变, 从而引起调制深度的变化, 进而使模式转换器的转换效率发生了变化.

图5 不同周期的叠栅仿真Fig. 5. Simulated SLPFG for different periods.

4.2 光栅长度对模式转换器的影响

4.3 光栅耦合系数对模式转换器的影响

图6 不同光栅长度的叠栅仿真Fig. 6. Simulated SLPFG for different grating lengths.

图7 不同耦合系数的叠栅仿真Fig. 7. Simulated SLPFG for different coupling coefficient.

5 模式转换器的实验研究

5.1 模式转换器的制备

在本实验中利用CO2激光器在少模光纤上刻制重叠光栅而制备模式转换器, 其制备系统如图8所示. 将少模光纤(烽火两模阶跃型光纤FMFSI-1550A)两端熔接上单模光纤(康宁SMF-28),去除涂覆层水平放置于光纤旋转平台. 所使用的光源是波长范围为470—2400 nm, 总输出功率大于500 mW的超连续谱光源 (SC-5武汉安扬激光);利用观测波长范围为 600—1700 nm, 分辨率为0.02 nm 的光谱分析仪 (AQ6370C, YOKOGAWA)实时监测刻栅过程中光谱的变化; 利用CO2激光器 (CO2-H10C, Han’s Laser, 深圳大族)刻制叠栅.

图8 少模光纤叠栅的实验制备系统Fig. 8. Experiment setup for TMF-SLPFG.

5.2 实验结果与讨论

图9 单栅和叠栅的实验光谱图Fig. 9. Experimental spectrum of LPFG and SLPFG.

图10 模场观测装置Fig. 10. Schematic of mode profile observation.

图11 不同波长处的模场图 (a) 1400 nm; (b)1486 nm;(c) 1550 nmFig. 11. Images of mode profiles located at different wavelength: (a) 1400 nm; (b) 1486 nm; (c) 1550 nm.

为了证实所提出的模式转换器能够实现LP01向LP11模式的转换, 采用图10所示的实验装置, 通 过 可调谐激光器 (Santec Corporatio 1260—1650 nm), 调节输出波长分别为 1400,1486 和 1550 nm 的 IR CCD (Cinogy 1400 —1600 nm), 来测试模式转换器输出的模场(图11),发现光场能量由LP01模耦合到了LP11模, 实现了模式的转换.

6 结 论

本文提出了一种在少模光纤中利用长周期光纤叠栅实现宽带宽的全光纤模式转换器. 利用耦合模理论建立了叠栅的理论模型, 通过仿真分析两个子光栅的周期间隔、光栅长度、耦合系数对模式转换器性能的影响, 得出两个光栅间隔为 12, 光栅长度等于35个光栅周期, 耦合系数为130 m–1时, 转换器的带宽和转换效率最优. 利用CO2激光器在少模光纤中制备了叠栅以实现模式转换, 实验结果表明, 利用叠栅实现的模式转换器转换效率最高达 99% 以上, 3 dB 带宽约为 232 nm, 10 dB带宽约为 153 nm. 研究结果显示, 实验所得到的转换器效果与理论分析较好地符合. 此外, 所提出的叠栅结构也可以推广到基模向其他高阶纤芯模式的转换中, 通过合理设计两个子光栅的周期, 还可以实现在任意波长的宽带宽的带阻滤波.