[发明专利]多模光纤中高次模的空间滤波

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于除去沿多模光纤传播的高次模信号的模式滤波器(mode filter)，更具体地，涉及利用梯度折射率(Graded Index，GRIN)透镜的傅立叶变换特性协同小孔元件(pinhole element)阻挡高次模的进一步传播。

背景技术

大模式面积(LMA)光纤广泛用于制造基于光纤的元件例如大功率激光器和放大器。相对于常规的光纤，增大模式面积提供几个好处，例如减少信号衰减(与非线性有关)、在放大器中提高泵浦信号与增益介质的重叠以及提高蓄能容量。然而，增加这些光纤的模式面积导致它们变为“多模的”，其中通过沿光纤长度的分散或分布散射活动可以激发多空间模式。这些多空间模式干涉基本信号模式，改变光束的质心位置并增加最小焦斑大小(M²)。因此除去存在于由LMA光纤形成的光纤系统中的高次空间模式是所希望的。

目前在大功率光纤激光器方面的大量研究致力于设计复杂的LMA光纤构型，使它们仅有效地支持基模。设计LMA光纤的折射率分布和/或掺杂剂分布，使光纤对基模的微分增益或者对于高次模的微分损耗。早先已经将卷绕和/或锥形的LMA光纤用于去除高次模。然而，LMA光纤的紧密弯曲在提高非线性的同时将该模式移出光纤轴并且减小模式面积。该弯曲还影响信号和光纤的掺杂芯区的重叠度，从而减小增益。光纤锥形长度相对长(例如几厘米)，导致在小模式面积中传播所产生的非线性提高，并且锥形光纤部分是易碎的，需要专门的封装。

发明内容

本发明致力于现有技术中仍存在的需要，本发明涉及一种用于除去沿多模光纤如“大模式面积”(LMA)光纤传播的高次模信号的模式滤波器，更具体地，涉及利用GRIN透镜的傅立叶变换特性协同小孔元件阻挡高次模的进一步传播。

GRIN透镜可以是基于光纤的或者是散装光学元件。小孔元件优选包括耦合到GRIN透镜输出端以收集仅沿光轴传播的部分光信号的小芯光纤。由于GRIN透镜将高次模从光轴移走，因此仅光信号的基模将被耦合到小芯光纤。在本发明的空间模式滤波器的一优选实施方式中，与小芯光纤组合使用基于光纤的GRIN透镜，从而形成可以熔合到多模(LMA)光纤端面末端的“在纤(in-fiber)”模式滤波器。虽然这是优选的实施方式，也可以采用利用散装GRIN透镜的散装光学布置来获得相同的模式剥离结果。

在一个实施方式中，将本发明的模式滤波器设置在用作光纤放大器增益介质的一段LMA光纤的输出端，以便从放大信号中除去不希望的高次模。

本发明的另一实施方式包括沿着多模传输光纤串联配置的用于周期性“清洗”沿该多模光纤传播的光信号的多个模式滤波器。沿基于多模光纤的通信系统配置的多个空间模式滤波器起到周期性地除去在沿多模光纤的长度传播信号期间所产生的不希望的高次模信号的作用。

本发明的在纤实施方式(in-fiber embodiment)的一个优势是基模损耗的水平低。在本发明的一个优选的实施方式中，将GRIN光纤透镜直接熔合到多模信号光纤(例如，LMA光纤)的输出端。当结合光纤放大器使用时，各种其它的放大器元件也可以是基于光纤的(例如反射器、模变换器等)并直接耦合到本发明的模式滤波器，进一步降低光学系统内的插入损耗水平。

在下列讨论的过程中并且通过参考附图，本发明的其它和进一步的方面和实施方式将变得更明显。

附图说明

现在参考附图，

图1是显示傅立叶空间模式滤波的基本概念的图；

图2说明根据本发明形成的示例性的模式滤波器；

图3是说明GRIN光学透镜的傅立叶变换性能的一组模拟电场强度，图3(a)与基本LP₀₁模式有关，以及图3(b)～(d)与高次LP_0x模式有关；

图4说明关于基本LP₀₁模式和高次LP₀₂模式在场强方面的改变，显示在GRIN光学透镜的输入端(图4(a))和GRIN光学透镜输出端(图4(b))处的强度分布；

图5是关于基模和多个高次模在与径向坐标有关的给定半径内所含的模式能量分数的曲线图；

图6显示所计算的在LMA光纤的各种模式和小芯单模光纤的基模之间的耦合损耗(按dB)；

图7说明本发明的另一个实施方式，在这种情况下在空间模式滤波器的输出端利用GRIN模变换器将光束腰(beam waist)从小芯单模光纤重新变换为与LMA光纤的第二部分有关的较大的腰；