阅读说明：本技术 一种基于Gouy相移的光纤模式分离方法和装置 (Gouy phase shift-based optical fiber mode separation method and apparatus ) 是由 兰名荥 王子琪 高立 李俊晖 喻松 杨家利 项阳阳 于 2019-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于Gouy相移的光纤模式分离方法和装置,该方法通过利用Gouy相位差产生相长干涉的方式,完成光场模式的分离,其中,选用渐变折射率光纤实现Gouy相位的累积。相应的装置依据该方法进行设计。该装置包括光纤分束模块、光纤Gouy相位产生模块、光纤干涉模块；所述光纤分束模块将光束一分为二；所述光纤Gouy相位产生模块包含两段光纤,光束经过该模块后产生光纤中模式分离所需的Gouy相位差；光束在所述光纤干涉模块中基于Gouy相位差发生相长干涉,最终实现模式分离。本发明实现了光纤中基于Gouy相移的光场模式分离,同时光纤模式分离装置的体积比空间中缩小数个量级,便于操作与集成化,可应用于全光纤通信系统。(The invention relates to a Gouy phase shift-based optical fiber mode separation method and a Gouy phase shift-based optical fiber mode separation device. The corresponding device is designed according to the method. The device comprises an optical fiber beam splitting module, an optical fiber Gouy phase generating module and an optical fiber interference module; the optical fiber beam splitting module divides a light beam into two parts; the optical fiber Gouy phase generation module comprises two sections of optical fibers, and light beams pass through the optical fiber Gouy phase generation module to generate Gouy phase difference required by mode separation in the optical fibers; the light beams generate constructive interference in the optical fiber interference module based on Gouy phase difference, and mode separation is finally achieved. The Gouy phase shift-based optical field mode separation device realizes the Gouy phase shift-based optical field mode separation in the optical fiber, and meanwhile, the volume of the optical fiber mode separation device is reduced by several orders of magnitude in space, so that the optical fiber mode separation device is convenient to operate and integrate, and can be applied to all-fiber communication systems.)

一种基于Gouy相移的光纤模式分离方法和装置

技术领域

本发明属于光纤中空分复用的技术领域，尤其涉及一种基于Gouy相移的光纤模式分离的方法和装置。

背景技术

为解决飞速增长的带宽需求和光纤容量极限之间的矛盾，波分复用、空分复用等技术应运而生，其中模分复用作为空分复用技术的一种，被公认为是大幅增加光通信容量最有前景的方法之一。模式分离是模分复用的关键技术之一，前人在该方向上已经实现了光纤中拉盖尔—高斯光束按轨道角动量的模式分离、空间中基于Gouy相移对光场模式的分离，其中，实现后者模式分离的方法是：通过在干涉仪两臂中***不同的透镜、分束器等光学器件，并调整相互之间的距离产生Gouy相位差，由相位差产生的相长干涉原理最终达到模式分离的目的。

上述研究表明，虽然基于Gouy相移已经实现了模式的分离，但其必须使用空间光学器件来完成，并未在光纤中实现，不能应用于全光纤通信系统，并且空间中一级完整的模式分离装置体积较庞大，难以级联和集成化。

因而，有必要提供一种新型的模式分离方法和装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Gouy相移的光纤模式分离方法和装置，旨在解决上述技术中存在的在光纤中无法实现、体积大的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于Gouy相移的光纤模式分离装置，该装置包括：

光纤分束模块(1)、光纤Gouy相位产生模块(2)、光纤干涉模块(3)；

所述光纤分束模块(1)的输出端分为两路，将光束一分为二；

所述光纤Gouy相位产生模块(2)包含两段光纤，两段光纤输入端分别与所述光纤分束模块(1)的两路输出端相连、输出端与所述光纤干涉模块(3)的两路输入端相连，光束经过所述光纤Gouy相位产生模块(2)后产生光纤中模式分离所需的Gouy相位差；

所述光纤干涉模块(3)输出端分为两路，光束利用产生的Gouy相位差在该模块中发生相长干涉以实现模式分离。

可选的，所述光纤Gouy相位产生模块(2)由一根渐变折射率光纤、一根阶跃折射率光纤组成。

可选的，所述光纤Gouy相位产生模块(2)由两根参数不同的渐变折射率光纤组成。

可选的，所述光纤Gouy相位产生模块(2)由两根参数相同渐变折射率光纤、光纤“U”型槽(4)组成，选取一根所述参数相同渐变折射率光纤置于所述光纤“U”型槽(4)中，通过旋钮使光纤发生形变，改变光纤折射率分布，从而产生Gouy相位差。

本发明还提供一种基于Gouy相移的光纤模式分离方法其特征在于，该方法包括：

两束完全相同的光束经过两段参数不同的特殊光纤后，产生Gouy相位差，利用相位差发生相长干涉，最终实现模式的分离。

可选的，使用渐变折射率光纤实现Gouy相位的累积，当渐变折射率光纤参数不同时，累积的Gouy相位值不同。

本发明克服了前人研究中的不足，实现了在光纤中基于Gouy相移对光场模式的分离，并且该模式分离装置具有体积小、易级联、可应用到全光纤通信系统等一系列优点。

附图说明

图1为本发明装置的结构图；

图2为本发明装置的系统框图；

图3为本发明装置中光纤“U”型槽(4)与光纤组合的结构图；

图4为本发明装置进行级联的结构图。

其中，1.光纤分束模块、2.光纤Gouy相位产生模块、3.光纤干涉模块、4.光纤“U”型槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的方法和装置进行进一步详细说明。应当指出，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

正如背景技术所介绍的，为了解决上述问题，克服现有技术中无法应用到全光纤通信系统、体积大的问题，本发明提出了一种基于Gouy相移的光纤模式分离装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于Gouy相移的光纤模式分离装置，该装置包括：

光纤分束模块(1)、光纤Gouy相位产生模块(2)、光纤干涉模块(3)；

所述光纤分束模块(1)的输出端分为两路，将光束一分为二；

所述光纤Gouy相位产生模块(2)包含两段光纤，两段光纤输入端分别与所述光纤分束模块(1)的两路输出端相连、输出端与所述光纤干涉模块(3)的两路输入端相连，光束经过所述光纤Gouy相位产生模块(2)后产生光纤中模式分离所需的Gouy相位差；

所述光纤干涉模块(3)输出端分为两路，光束利用产生的Gouy相位差在该模块中发生相长干涉以实现模式分离。

所述光纤Gouy相位产生模块(2)由一根渐变折射率光纤、一根阶跃折射率光纤组成。

光束经过所述光纤分束模块(1)后分成两个与之参数完全相同的两束子光束。两束子光束分别经过所述光纤Gouy相位产生模块(2)中的两根光纤：一束子光束经过阶跃折射率光纤正常传播，一束子光束经过渐变折射率光纤累计Gouy相位差。当所述光纤Gouy相位产生模块(2)输出的两个子光束在所述光纤干涉模块(3)中汇聚后，由于Gouy相位差的存在发生相长干涉，最终在所述光纤干涉模块(3)的输出端输出不同模式的光束，完成模式的分离。

实施例2：

在实施例1的基础上，更换所述光纤Gouy相位产生模块(2)中的光纤类型：所述光纤Gouy相位产生模块(2)由两根参数不同的渐变折射率光纤组成。

在渐变折射率光纤中，光束随传播距离的增加累积相应的Gouy相位，不同的折射率分布会引起相位累积值的差异。因此，当两束子光束分别经过两根参数不同的渐变折射率光纤后，同样可以达到产生不同Gouy相移的目的。最终光束通过所述光纤干涉模块(3)发生相长干涉，实现模式分离。

实施例3：

在实施例1的基础上，更换所述光纤Gouy相位产生模块(2)中的组成结构：所述光纤Gouy相位产生模块(2)由两根参数相同渐变折射率光纤、光纤“U”型槽(4)组成。

选取一根所述参数相同渐变折射率光纤置于所述光纤“U”型槽(4)中，通过旋转旋钮使光纤发生形变，从而改变光纤的折射率分布。当两束子光束经过两段渐变折射率光纤后，即可产生Gouy相位差。最终光束通过所述光纤干涉模块(3)发生相长干涉，实现模式分离。

所述光纤“U”型槽(4)与光纤组合的结构如图3所示，通过上下调节旋钮的位置，可灵活改变光纤折射率参数，从而控制Gouy相位差的值。

本发明还提供一种基于Gouy相移的光纤模式分离方法：

两束完全相同的光束经过两段参数不同的特殊光纤后，产生Gouy相位差，利用相位差发生相长干涉，最终实现模式的分离。

当光束经过光纤分束器一分为二后，分别经过两段参数不同的特殊光纤，累积不同的Gouy相位。已经存在Gouy相位差的两光束汇聚后发生相长干涉，不同光场模式对于同一Gouy相位差发生相长干涉后的结果不同，因此，最终可准确分离不同的光场模式。

在该方法中，使用渐变折射率光纤实现Gouy相位的累积。研究发现，渐变折射率光纤对光束具有聚焦效果，在聚焦点处，Gouy相位产生180°的相位突变。光束沿光纤传播，累积不同的Gouy相位值。当光束经过不同参数的渐变折射率光纤时，累积的Gouy相位值不同。

由于装置结构特点，本发明装置只能分出两种不同的模式，当输入光束中包含多种模式时需要采用级联的方式实现多种模式的准确分离，装置的级联结构如图4所示。级联后的装置，通过控制每一级中Gouy相位差的不同完成对多种光场模式的分离。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。