基于少模長周期光纖疊柵的模式轉換器*

薛艷茹 田朋飛 金娃 趙能 靳云3) 畢衛紅?

1) (燕山大學信息科學與工程學院, 河北省特種光纖與光纖傳感重點實驗室, 秦皇島 066004)

2) (河北科技師范學院機電工程學院, 秦皇島 066004)

3) (河北建材職業技術學院機電工程系, 秦皇島 066004)

本文提出一種在同一段少模光纖上寫入兩個不同周期 和 的長周期光纖光柵構成疊柵的方法, 實現了纖芯基模LP01向高階纖芯模LP11模式轉換的寬帶寬的新型的全光纖模式轉換器. 利用有限元法和耦合模理論建立了模式轉換器的理論分析模型. 數值仿真分析了疊柵中兩個子光柵周期間隔、光柵長度、耦合系數等光柵參數對模式轉換器的影響. 仿真分析和實驗結果表明, 通過改變兩個子光柵的周期間隔來改變兩個損耗峰的位置, 形成一個損耗峰, 從而可以實現寬帶寬的模式轉換器, 其10 dB帶寬約是單柵的2倍. 與傳統的模式轉換器相比, 該轉換器帶寬寬、轉換效率高, 尺寸小、抗干擾能力強, 可以在模分復用系統和光通信中得到廣泛的應用.

1 引 言

目前, 模分復用系統因能夠克服單模光纖傳輸容量的極限、 實現更大容量的光纖傳輸、 滿足人們日益增長的通信需求而受到廣泛的關注[1,2]. 基于少模光纖的模分復用系統主要是利用少模光纖中不同的光纖模式作為傳輸信道來同時傳輸多路信號從而增大傳輸容量[3]. 模式轉換器將單模光纖中傳輸的基模(LP01)轉換成少模光纖中傳輸的高階纖芯模, 是模分復用系統中的關鍵器件, 實現的主要方式有空間光調制器法[4,5]、相位板法[6,7]、波導耦合器法[8,9]、光子燈籠法[10,11]、布拉格光柵法[12]、長周期光柵法[13-18]等. 基于長周期光柵的模式轉換器實現的方法有機械微彎法[13]、紫外線法[14]、飛秒激光法[15]、CO2激光器法[16-18]. CO2激光器法因其具有低損耗、易于制造、可控性好、穩定性好等優點, 在長周期光柵的刻制中發揮了重要的作用,這已經得到理論和實驗的證實. 文獻[13,16]提出了在少模光纖中刻制長周期光柵以實現模式的轉換, 該方法轉換效率高, 但是帶寬只有幾十納米.2013 年, Garg 和 Thyagarajan[19]首次提出在單模光纖中利用疊柵實現基模與包層模的寬帶寬轉換,但只進行了理論仿真分析.

本文提出在少模光纖中利用疊柵實現纖芯基模LP01向高階纖芯模LP11的轉換, 仿真分析了各參數對轉換器性能的影響, 根據仿真結果, 利用CO2激光器刻制疊柵, 轉換效率大于90%的帶寬達 153 nm.

2 模式轉換器原理

2.1 模式轉換器結構

圖1 模式轉換器的結構圖Fig. 1. Schematic of mode converter.

2.2 理論模型

在少模光纖同一段寫入不同周期的長周期光柵而形成疊柵, 假設每次寫入的光柵對光纖折射率的調制均為弱調制, 這樣疊柵的折射率調制可認為是兩個子光柵單獨調制的線性疊加, 纖芯折射率的改變量為[20]

兩個子光柵在滿足相位匹配的條件下均實現了纖芯基模LP01向高階纖芯模LP11的轉換. 根據耦合模理論, 得出利用疊柵實現模式轉換的耦合方程[20]如下:

這里采用數值法對(2)式進行求解. 設光柵的長度為 0—L, 取光柵的邊界條件,0, 將其代入耦合方程, 可求得.

3 數值仿真

本文所采用的是由烽火公司提供的兩模階躍光纖(FMF-SI-1550A), 纖芯和包層直徑分別為13.6, 125, 在 1550 nm 處纖芯和包層的有效折射率分別為1.4634, 1.4571. 利用有限元法計算出LP01和LP11的色散曲線如圖2所示. 從圖2可以看出, 隨著波長的增加, 其有效折射率逐漸減小.

圖2 少模光纖的模式色散特性Fig. 2. Effective refractive indices against wavelength of two modes.

圖3 少模光纖光柵周期與諧振波長的關系Fig. 3. Dependence of grating period and resonant wavelength in few mode fiber.

圖4 單柵與疊柵光譜對比Fig. 4. Spectrum contrast between LPFG and SLPFG.

4 疊柵參數對模式轉換器的影響

疊柵的傳輸光譜可以反映出模式轉換器的帶寬和轉換效率的變化情況, 而疊柵的周期間隔、長度及耦合系數對傳輸光譜有著一定的影響, 本文主要仿真分析以上參數對模式轉換器的影響.

4.1 周期間隔對模式轉換器的影響

由(5)式知, 疊柵傳輸光譜中兩個損耗峰的位置由光柵I和光柵Ⅱ的周期間隔決定, 令兩個子光柵的長度, 耦合系數, 固定光柵 I的周期, 調節光柵Ⅱ的周期分別為 690, 688, 686, 684, 如圖5所示. 從圖5中可以看出, 疊柵中兩個子光柵的損耗峰間的帶隙將隨著兩個子光柵的周期間隔而發生變化, 隨著變小, 兩個損耗峰逐漸靠攏最后形成一個單峰; 當兩個子光柵的間隔為12時, 形成一個單峰. 其轉換效率先減小后增加. 由(1)式知, 光柵Ⅱ的周期減小引起了纖芯折射率的改變, 從而引起調制深度的變化, 進而使模式轉換器的轉換效率發生了變化.

圖5 不同周期的疊柵仿真Fig. 5. Simulated SLPFG for different periods.

4.2 光柵長度對模式轉換器的影響

4.3 光柵耦合系數對模式轉換器的影響

圖6 不同光柵長度的疊柵仿真Fig. 6. Simulated SLPFG for different grating lengths.

圖7 不同耦合系數的疊柵仿真Fig. 7. Simulated SLPFG for different coupling coefficient.

5 模式轉換器的實驗研究

5.1 模式轉換器的制備

在本實驗中利用CO2激光器在少模光纖上刻制重疊光柵而制備模式轉換器, 其制備系統如圖8所示. 將少模光纖(烽火兩模階躍型光纖FMFSI-1550A)兩端熔接上單模光纖(康寧SMF-28),去除涂覆層水平放置于光纖旋轉平臺. 所使用的光源是波長范圍為470—2400 nm, 總輸出功率大于500 mW的超連續譜光源 (SC-5武漢安揚激光);利用觀測波長范圍為 600—1700 nm, 分辨率為0.02 nm 的光譜分析儀 (AQ6370C, YOKOGAWA)實時監測刻柵過程中光譜的變化; 利用CO2激光器 (CO2-H10C, Han’s Laser, 深圳大族)刻制疊柵.

圖8 少模光纖疊柵的實驗制備系統Fig. 8. Experiment setup for TMF-SLPFG.

5.2 實驗結果與討論

圖9 單柵和疊柵的實驗光譜圖Fig. 9. Experimental spectrum of LPFG and SLPFG.

圖10 模場觀測裝置Fig. 10. Schematic of mode profile observation.

圖11 不同波長處的模場圖 (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.

為了證實所提出的模式轉換器能夠實現LP01向LP11模式的轉換, 采用圖10所示的實驗裝置, 通 過 可調諧激光器 (Santec Corporatio 1260—1650 nm), 調節輸出波長分別為 1400,1486 和 1550 nm 的 IR CCD (Cinogy 1400 —1600 nm), 來測試模式轉換器輸出的模場(圖11),發現光場能量由LP01模耦合到了LP11模, 實現了模式的轉換.

6 結 論

本文提出了一種在少模光纖中利用長周期光纖疊柵實現寬帶寬的全光纖模式轉換器. 利用耦合模理論建立了疊柵的理論模型, 通過仿真分析兩個子光柵的周期間隔、光柵長度、耦合系數對模式轉換器性能的影響, 得出兩個光柵間隔為 12, 光柵長度等于35個光柵周期, 耦合系數為130 m–1時, 轉換器的帶寬和轉換效率最優. 利用CO2激光器在少模光纖中制備了疊柵以實現模式轉換, 實驗結果表明, 利用疊柵實現的模式轉換器轉換效率最高達 99% 以上, 3 dB 帶寬約為 232 nm, 10 dB帶寬約為 153 nm. 研究結果顯示, 實驗所得到的轉換器效果與理論分析較好地符合. 此外, 所提出的疊柵結構也可以推廣到基模向其他高階纖芯模式的轉換中, 通過合理設計兩個子光柵的周期, 還可以實現在任意波長的寬帶寬的帶阻濾波.