【《全光纤模式复用器概述》1700字】

全光纤模式复用器概述1模式选择耦合器图2.1为全光纤熔融模式选择耦合器的结构原理图，包括单模光纤臂、少模光纤臂以及中间的耦合区。模式选择耦合器采用弱融合技术，基于相位匹配原理，由单模光纤和少模光纤拉锥熔融而成，在特定的耦合器直径处，发射到单模光纤中的基模被转换为少模光纤中特定的高阶模式。制备过程中，通过设计具体的光纤预拉锥尺寸、熔融拉锥区域长度等参数来控制实现特定的高阶模式的转换。图2.1全光纤熔融模式选择耦合器的结构原理图假设光纤是无损的，由耦合模方程：dd其中z表示沿着模式选择耦合器耦合区的任一位置；A1和A2分别是单模光纤中的基模和少模光纤中被激发的高阶模的模场振幅；β1和β2分别是单模光纤中的基模和少模光纤中被激发的高阶模的传播常数；C11和C22分别是基模、高阶模的自耦合系数；C12和C21是基模和高阶模之间的互耦合系数。自耦合系数相对于互耦合系数而言很小，可以忽略不计，并且近似有C12=C21=C，其中C取决于耦合区的长度。则模式选择耦合器两输出端口的光功率为：PPF=F2表示单模光纤和少模光纤的最大耦合功率。分析式(2.2)可知，当单模光纤中基模的传播常数β1与少模光纤中高阶模的传播常数β2满足相位匹配条件，即∆β=β1-β2=0时，功率分配可以化简为PP则两输出端口的光功率之和为一恒定常数，表明在无损条件下两根光纤之间完全周期性的功率传输。而传播常数β=neffk0，其中k0是真空中的传播常数；neff是模式有效折射率，它随着光纤直径的变化而变化。所以要实现单模光纤中基模与少模光纤中特定的高阶模之间的模式转换，应该设计优化单模光纤和少模光纤的直径，以满足单模光纤中基模与少模光纤中特定的高阶模之间的相位匹配条件。利用COMSOL软件,通过有限元法计算在不同光纤直径下,单模光纤中的基模和少模光纤中所需的高阶模的模式有效折射率，从中找到实现单模光纤中基模与少模光纤中期望被激发的高阶模相位匹配的最佳直径,从而在特定的耦合器直径处,将发射到单模光纤中的基模完全转换为少模光纤中特定的高阶模式。模式选择耦合器一方面作为模式转换器，将单模光纤中的基模转换为少模光纤中的高阶模式；另一方面作为模式分离器，在不同的光纤输出端口输出不同的模式。2模式复用器/解复用器将模式选择耦合器级联，组成能高效地复用/解复用多个线偏振模式的模式复用器/解复用器，如图2.2所示。模式复用器是将前一个MSC的少模光纤输出端连接至下一个MSC的少模光纤输入端，各个MSC的单模光纤输入端作为整个模式复用器的输入端口，最后一个MSC的少模光纤输出端作为整个模式复用器的输出端口。通过控制各个模式选择耦合器的单模光纤输入端口，可以实现由单模光纤中的基模到少模光纤中LP01模、LP11模、LP21模、LP02模、LP31模及混合模式的转换。而模式解复用器是将各个MSC的少模光纤端级联起来，第一个MSC的少模光纤输入端作为整个模式解复用器的输入端口，各个MSC的单模光纤输出端作为整个模式解复用器的输出端口。当LP01模、LP11模、LP21模、LP02模、LP31模及其混合模式注入到模式解复用器的输入端口时，可将其解复用至相应MSC的单模光纤输出端。在理想情况下，若只在MSC1的单模光纤输入端口注入基模，则在模式复用器的少模光纤输出端口只能检测到LP01模；若只在MSC2的单模光纤输入端口注入基模，则在模式复用器的少模光纤输出端口只能检测到LP11模；若只在MSC3的单模光纤输入端口注入基模，则在模式复用器的少模光纤输出端口只能检测到LP21模；若只在MSC4的单模光纤输入端口注入基模，则在模式复用器的少模光纤输出端口只能检测到LP02模；若只在MSC5的单模光纤输入端口注入基模，则在模式复用器的少模光纤输出端口只能检测到LP31模；若同时往五个模式选择耦合器的单模光纤输入端口都注入基模，则在模式复用器的少模光纤输出端口能同时检测到输出的LP01模、LP11模、LP21模、LP02模和LP31模，即检测到混合模式。在实验中通过使用光开关控制模式复用器的输入，可以切换在少模光纤中传输的高阶模式，从而得到不同高阶模式的激光输出。图2.2由级联的MSC组成的模式复用器/解复用器现有的支持高阶模式输出的激光器很多采用OSS结合FM-FBG的方式，但是OSS结构具有插入损耗大，斜率效率低，模式选择能力差的缺点。还有采用MSPL实现高阶模式输出的激光器结构，但是光子灯笼模式串扰大，高阶模式激光纯度低，