基于长周期光栅的少模光纤模式转换器研究

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摘 要：目前，信息化建设高速发展，单模光纤传输系统容量已经接近极限，基于少模光纤的模分复用技术逐渐得到了人们的关注。模式转换器是模分复用技术中的重要器件之一，本文简述了基于长周期光栅实现模式转换结构、理论模型和数值仿真，可以作为工程实现的前期工作。

关键词：少模光纤;长周期光栅;模式转换;模分复用

中图分类号：TN253文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）10-0022-02

Abstract： At present， with the rapid development of information technology， the capacity of single mode fiber transmission system is close to the limit， people began to pay more attention to the mode division multiplexing based on few mode fiber. Mode converter is one of the important components in the technology of mode division multiplexing. This paper briefly described the structure， theoretical model and numerical simulation of mode conversion based on long period grating， it can be used as the preliminary work of engineering realization.

Keywords： few mode fiber; long period fiber gratings; mode converter; mode division multiplexing

面对大数据、物联网、云计算等应用所带来的指数增长的带宽需求，寻求新型高速大容量的光传输机理已成为未来光通信与传感网络面临的重大挑战。基于少模光纤的模分复用技术是利用少模光纤中的不同光纤模式作为传输信道来传输多路信号。模式转换器将单模光纤中传输的基模（LP01）转换成少模光纤传输的高阶模，是模分复用系统中的关键器件。利用CO2激光器在光纤上刻写长周期光栅实现模式转换的方式，具有低损耗、易于制造、可控性好、稳定性好等优点。

1 基于长周期光栅的少模光纤模式转换器原理

目前，基于少模光纤的通信技术主要可分为两类。一类是采用模分复用技术增加系统容量，另一类是通过选择性模式激励，使少模光纤以单模状态工作。本文提出了一种新型基于长周期光纤光栅的滤模器。模分复用技术是以少模光纤中不同模式作为独立信道传输不同信息的方法，需要使用模式转换器实现单模光纤中基模与少模光纤中高阶模之间转换。虽然现有的模式转换器已经能够实现高效率模式转换，但很少研究残余基模对高阶模的串扰。该滤模器采用切趾型长周期光纤光栅使少模光纤中纤芯基模与包层模发生耦合，并借助涂覆层折射率略高于包层模的特点，泄露包层模，同时，保证纤芯其他高阶模不发生耦合或耦合后仍能转移能量，达到滤除基模和保留高阶模的目的。

1.1 模式转换器结构

利用CO2激光器在少模光纤纤芯刻写周期为几十至几百微米的长周期光栅，如图1所示。利用光栅周期性微扰引起的模式耦合实现纤芯基模向高阶模式转换。CO2激光脉冲逐点写入热激成栅的方法灵活性高，使用普通的通信光纤即可，无需掺锗、载氢，且光栅制备成本低，制作效率高。通过精准运动控制系统还可灵活调整光栅写入周期，得到了广泛应用。

2 数值仿真

本文所选用烽火通信公司提供的四模阶跃光纤，纤芯和包层直径分别为18μm、125μm，在1 550nm处纤芯和包层的有效折射率分别为1.463 219 82、1.457 1。利用有限元法comsol multiphysics可获得波导稳态的不同模场分布情况及有效折射率。由模式分析功能可知该少模光纤支持LP01、LP11、LP21和LP02模式，每个模式的模场分布图如图2所示。不同模式可以作为相互独立的信道同时传输多路信号，极大地扩展光纤的信息传输容量。

当传输波长在1 450～1650nm时，利用comsol multiphysics可获得上述4个模式在不同波长时的有效折射率。每个模式的有效折射率随传输波长的关系如图3所示。

3 结语

本文利用耦合模理论给出了长周期光栅实现模式转换的理论模型。依据有限元法进行数值仿真，得到不同模式的稳态模场分布图和有效折射率，进而结合耦合模理论获得了为实现特定模式转换所需的光栅周期与不同谐振波长的关系。基于长周期光栅的模式转换器具有体积小、损耗低、模式转换效率高等优点，可以在模分复用系统和光通信中得到廣泛应用。

参考文献：

[1]少模长周期光纤光栅矢量模耦合特性研究[D].刘湄钰.北京交通大学 2018