阅读说明：本技术 基于光纤端面微结构的LP01-LPmn全光纤模式转换器及其制备方法 (LP based on fiber end face micro-structure01-LPmnAll -fiber mode converter and preparation method thereof ) 是由 付松年 张聪 唐明 刘德明 于 2019-08-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光纤端面微结构的LP_(01)-LP_(mn)全光纤模式转换器及其制备方法,全光纤模式转换器包括依次相连的单模输入光纤、少模激励光纤、少模输出光纤,在少模激励光纤的尾端具有端面微结构。制备方法包括由聚焦后的飞秒激光对少模激励光纤端面进行纤芯材料选择性去除加工,纤芯材料去除之后形成的空气层和未被激光去除的纤芯共同形成少模激励光纤端面微结构；将单模输入光纤,具有端面微结构的少模激励光纤,少模输出光纤依次熔接在一起,形成全光纤模式转换器。本发明提供的光纤模式转换器利用端面微结构产生的在少模激励光纤纤芯横截面上具有不同空间分布的π相位差,从而在少模输出光纤中激励起对应的LP_(mn)模式,结构简单,稳定性好。(The invention discloses a kind of LP based on fiber end face micro-structure 01 ‑LP mn All -fiber mode converter and preparation method thereof, all -fiber mode converter include the single mode input fiber being sequentially connected, few mould excitation optical fiber, few mould output optical fibre, have end face micro-structure in the tail end of few mould excitation optical fiber.Preparation method includes carrying out the processing of core material selective removal to few mould excitation fiber end face by the femtosecond laser after focusing, and core material, which removes the air layer formed later and few mould is not collectively formed by the fibre core of laser ablation, motivates fiber end face micro-structure；By single mode input fiber, few mould with end face micro-structure motivates optical fiber, and few mould output optical fibre is successively welded together, and forms all -fiber mode converter.The π phase difference with different spaces distribution on few mould excitation fiber core cross section that optical fibre mode converter provided by the invention is generated using end face micro-structure, to motivate corresponding LP in few mould output optical fibre mn Mode, structure is simple, and stability is good.)

基于光纤端面微结构的LP01-LPmn全光纤模式转换器及其制备 方法

技术领域

本发明属于光纤通信领域，更具体地，涉及一种基于光纤端面微结构的LP₀₁-LP_mn全光纤模式转换器及其制备方法。

背景技术

随着5G通信技术、大数据、物联网等技术的快速发展，数据通信业务呈指数型增长，以单模光纤为载体的通信容量逐渐逼近了其非线性香浓极限，现有的标准单模光纤通信系统在不久的将来出现容量危机。为了应对即将到来的容量危机，采用新技术实现光纤通信容量的显著提升，显得尤为重要。模分复用技术，采用光纤中的不同高阶本征模式作为独立的传输信道并行传输不同的数据流，从而将单根纤芯中的通信容量提升，这技术得到了通信领域广泛的关注和研究。利用高阶本征模式传输，就必然要求在多模光纤或者少模光纤中有效的激励和传输高阶模式，这就需要把光纤中传输的基模(LP₀₁模式)转换成为高阶模式，因此需要用到模式转换器。

现有用于模分复用系统中的模式转换方法有横向方法，即基于相位盘的自由空间光学模式转换技术，其通过控制相位盘不同区域的横向高度，在光信号传输的横向位置引入受控的相位跃变，可以实现高效率的LP₀₁模式到LP_mn模式的转换。但这模式转换器设计复杂、模式激励损耗高、相对体积庞大对外界环境振动敏感，因此，难以长期保持稳定性工作。

其次，还有纵向方法，即在光信号传输的方向引入周期性的扰动，周期性的扰动会使得光纤中的基模LP₀₁模式和高阶模式出现耦合，从而将基模转换成高阶模。但是这种模式转换器件带宽较小，往往只有几个nm，不满足通信系统宽波段通信的要求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于光纤端面微结构的LP₀₁-LP_mn全光纤模式转换器及其制备方法，旨在解决现有LP₀₁-LP_mn模式转换器结构复杂、稳定性差的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种基于光纤端面微结构的LP₀₁-LP_mn全光纤模式转换器，包括依次相连的单模输入光纤、少模激励光纤、少模输出光纤，在少模激励光纤的尾端具有端面微结构；

单模输入光纤用于发送LP₀₁模式；

少模激励光纤用于在LP₀₁模式传经过端面微结构时，引入不同空间分布的π相位差，从而在少模输出光纤中激励起对应的LP_mn模式；

少模输出光纤用于传输激励的LP_mn模式。

进一步地，端面微结构与激励的LP_mn模式一一对应，通过对纤芯材料选择性去除加工形成空气层和未被去除的纤芯共同形成的端面微结构。

进一步地，LP₀₁模式为基模，所述LP_mn模式为高阶模。

进一步地，单模输入光纤为单模光纤，少模激励光纤和少模输出光纤为同一种少模光纤。

按照本发明的另一方面，提供了一种端面微结构的少模激励光纤，包括包层和纤芯，纤芯一端端面通过对纤芯材料选择性去除加工形成空气层和未被去除的纤芯共同形成的端面微结构。即纤芯由纤芯处飞秒激光去除的纤芯结构以及正常纤芯结构组成，其中未受激光影响的纤芯区域纤芯折射率N_co与纤芯材料遭到去除之后的结构存在折射率差Δn＝(N_co-1)，通过控制去除材料的深度d为d＝λ/2(N_co-1)，其中λ为纤芯中传输的光的波长。当控制去除材料的深度为上述公式值的奇数倍时，传输经过端面微结构的光与在纤芯中传输的光将产生π的相位差。通过在少模激励光纤端面纤芯引入具有不同横向分布的端面微结构，可以获得不同高阶模式的全光纤型相位板。

按照本发明的又一方面，提供了一种上述具有端面微结构的少模激励光纤的制备方法，包括由聚焦后的飞秒激光对少模激励光纤端面进行纤芯材料选择性去除加工，纤芯材料去除之后形成的空气层和未被激光去除的纤芯共同形成少模激励光纤端面微结构。

进一步地，选择性去除加工包括将去除涂覆层后的所述少模激励光纤进行切割，获得平整的光纤端面并固定；飞秒激光聚焦在少模激励光纤端面的纤芯中，在纤芯中进行选择性材料去除形成具有端面微结构的少模激励光纤。

按照本发明的又一方面，提供了一种基于上述全光纤模式转换器的制备方法，包括：

由聚焦后的飞秒激光对少模激励光纤端面进行纤芯材料选择性去除加工，纤芯材料去除之后形成的空气层和未被激光去除的纤芯共同形成少模激励光纤端面微结构；

将单模输入光纤，具有端面微结构的少模激励光纤，少模输出光纤依次熔接在一起，形成全光纤模式转换器。

进一步地，选择性去除加工包括将去除涂覆层后的所述少模激励光纤进行切割，获得平整的光纤端面并固定；飞秒激光聚焦在少模激励光纤端面的纤芯中，在纤芯中进行选择性材料去除形成光纤端面微结构。

进一步地，具有端面微结构的少模激励光纤和少模输出光纤为同一种少模光纤。

本发明提供的模式转换器在制备方法上对少模光纤没有任何要求，该模式转换器用的少模激励光纤端面纤芯存在一激光刻写的端面微结构，从该部分纤芯的横截面来看，其由激光刻写的端面微结构以及其他未受激光刻写的正常纤芯结构组成。根据光程差理论，光经过拥有不同折射率的区域时，会产生不同的相位延迟，通过控制所述不同折射率的区域的深度，即可引入可控的相位差。在所述少模激励光纤端面微结构中，其经过激光刻写的区域，纤芯材料被去除，该区域被空气所填充，折射率变为1，未被激光刻写的纤芯区域折射率仍保持不变。因此光纤中的光在经过端面微结构时，经过不同区域的光会经过不同的光程，通过控制去除材料的深度，两种区域的光之间相位差可以控制为π，那这样实质上就在少模激励光纤的端面上形成了一个全光纤型的相位板。通过改变光纤端面微结构的形状及深度，可以获得不同高阶模式的全光纤型相位板，从而在少模输出光纤中激励起特定的高阶LP_mn模式。

本发明所提供的基于光纤端面微结构的LP₀₁-LP_mn全光纤模式转换器在少模激励光纤传输的端面上横向引入可控的相位变化，从而实现任意少模光纤中的LP₀₁模式与LP_mn模式的任意高效转换，无须对光纤进行特殊设计及拉制，具有广泛的适用性。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下

有益效果：

1、本发明提供的光纤模式转换器利用端面微结构产生的在纤芯横截面上具有不同空间分布的π相位差，实现LP₀₁模与高阶模式LP_mn之间的转换，不需要增加额外的器件，在少模激励光纤的端面上形成全光纤型的相位板，稳定性更好；

2、本发明提供的光纤模式转换器所采用的具有端面微结构的光纤为普通少模光纤经过飞秒激光加工而成，无须对光纤进行特殊设计及拉制，工艺简单，成本低，易于批量生产；

3、本发明提供的模式转换器为全光纤型模式转换器，其基于模式相位匹配，不依赖模式耦合，实现基模LP₀₁与高阶模LP_mn的转换，因此模式转换带宽大。

附图说明

图1是本发明提供的基于端面微结构的全光纤型模式转换器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的实现基模LP₀₁转换到LP_mn模式所需要的光纤端面的结构示意图；

图3是本发明实施例1提供的全光纤模式转换器(LP₀₁-LP₁₁)的模式转换效率随着飞秒激光去除材料深度变化关系；

图4是本发明实施例2提供的全光纤模式转换器(LP₀₁-LP₂₁)的模式转换效率随着飞秒激光去除材料深度变化关系；

图5是本发明实施例3提供的全光纤模式转换器(LP₀₁-LP₀₂)的模式转换效率随着飞秒激光去除材料深度变化关系；

图6是本发明实施例提供的基于光纤端面微结构的全光纤模式转换器的制备方法采用的刻写系统的结构示意图；

附图说明：

111、单模输入光纤，112、具有端面微结构的少模激励光纤，113、少模输出光纤，210、飞秒激光去除的少模激励光纤纤芯材料，220、少模激励光纤纤芯，310、飞秒激光，320、聚焦物镜，330、被剥除了涂覆层且拥有平整端面的少模激励光纤。

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，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种基于光纤端面微结构的LP₀₁-LP_mn全光纤模式转换器，包括用于发送LP₀₁模式的单模输入光纤111、实现模式转换功能的具有端面微结构的少模激励光纤112、用于传输激励的LP_mn模式的少模输出光纤113，以达到模式转换的目的。基模LP₀₁从单模输入光纤低损耗传输进具有端面微结构的少模激励光纤之中，传输经过具有端面微结构的少模激励光纤端面时，由于经过区域的折射率不同，那么经过的光程差也不同，从而会引起相位差，进而在少模输出光纤113中激励起来相应的高阶模式。

具体地，端面微结构与激励的LP_mn模式一一对应，通过对纤芯材料选择性去除加工形成空气层和未被去除的纤芯共同形成的端面微结构。

具体地，LP₀₁模式为基模，所述LP_mn模式为高阶模。

具体地，单模输入光纤为单模光纤，少模激励光纤和少模输出光纤为同一种少模光纤。

本发明还提供了一种端面微结构的少模激励光纤，包括包层和纤芯，纤芯一端端面通过对纤芯材料选择性去除加工形成空气层和未被去除的纤芯共同形成的端面微结构。

本发明还提供了上述具有端面微结构的少模激励光纤的制备方法，包括由聚焦后的飞秒激光对少模激励光纤端面进行纤芯材料选择性去除加工，纤芯材料去除之后形成的空气层和未被激光去除的纤芯共同形成少模激励光纤端面微结构。

具体地，选择性去除加工包括将去除涂覆层后的所述少模激励光纤进行切割，获得平整的光纤端面并固定；飞秒激光聚焦在少模激励光纤端面的纤芯中，在纤芯中进行选择性材料去除形成具有端面微结构的少模激励光纤。

图2所示是本发明实施例1至3提供的全光纤模式转换器的具有端面微结构的少模激励光纤的端面示意图，包括实现LP₀₁模式到LP₁₁模式、LP₀₁模式到LP₂₁模式、LP₀₁模式到LP₀₂模式的具有端面微结构的少模激励光纤端面微结构示意图。图中，黑色区域210表示被去除掉的纤芯区域，纤芯材料被去除之后，原本纤芯材料位置被空气取代，折射率为1，这样纤芯中的光在经过空气和其相邻的纤芯时，由于二者存在折射率差，因此通过这两个部分的光会经历不同的光程，进而产生相位差，通过控制去除纤芯材料区域的形状和深度，可以控制经历两个区域的光的相位差为π。通过在少模激励光纤端面纤芯结构上，选择性的去除纤芯材料，可以在少模激励光纤端面形成任意高阶LP_mn模式全光纤相位板结构，进而在输出少模激励光纤内激励起相应的高阶LP_mn模式。

进一步的，在图2的去除材料横截面确定的基础上，对LP₀₁模到LP₁₁模式、LP₀₁模式到LP₂₁模式、LP₀₁模式到LP₀₂模式转换进行了理论验证。

图3所示的是LP₀₁模式到LP₁₁模式的转换程度与去除材料深度的关系，使用的少模光纤参数为：包层和纤芯的折射率分别为1.444和1.45，直径分别为125微米和8微米，纤芯中传输的光波长为1.55微米。如图3所示，在去除材料深度达到特定值时，如1.75微米或者5.25微米时，少模输出光纤中的LP₁₁模式将会被完全激励起来。同理，如图4、图5所示，使用的少模光纤参数为：包层和纤芯的折射率分别为1.444和1.45，直径分别为125微米和16微米，纤芯中传输的光波长为1.55微米。在去除材料深度达到一定的情况下，少模输出光纤中的LP₂₁和LP₀₂模式也将被完全激励起来。应了解，上述选定的光纤参数只为举例说明本发明实例，并不对光纤的参数进行限制。

如图6所示，本发明实施例还提供了一种基于光纤端面微结构的全光纤模式转换器的制作方法，应用于上述的全光纤模式转换器，所述方法包括：

将少模激励光纤剥除涂覆层之后，用切割刀切而获得平整的端面，固定在三维调节平台上。将飞秒激光聚焦于光纤端面上，控制激光的功率和光纤的运动，完成材料的去除，在纤芯中进行选择性材料去除形成光纤端面微结构，将单模输入光纤，具有端面微结构的少模激励光纤，少模输出光纤依次熔接在一起，形成全光纤模式转换器。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。