一种全光纤模式转换装置及方法和检测装置

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，特别是涉及一种全光纤模式转换装置及方法和检测装置。

背景技术

模分复用通信系统中，需要实现模式转换的器件，现有模式转换装置大概包括：自由空间光学元件模式转换器，由于这类模式转换器是自由空间装置，因此比较复杂，而且插入损耗大；平面光波导模式转换器，在全光纤通信系统中存在模式输出耦合损耗问题，而且价格较贵；全光纤模式转换器较前两种模式转换器而言，更适合在光纤通信系统中使用。

目前基于全光纤的模式选择耦合器能将LP

发明内容

本发明的目的是提供一种全光纤模式转换装置及方法和检测装置，可产生高阶OAM模式，实现不低于99％的高效率模式转换，以解决现有技术中光纤模式转换装置存在转换效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种全光纤模式转换装置，包括第一偏振控制器、模式转换器、第二偏振控制器；所述第一偏振控制器的输出端与所述模式转换器的输入端通过光纤连接，所述模式转换器的输出端通过光纤连接所述第二偏振控制器的输入端，所述第一偏振控制器用于将光束调整为圆偏光或者线偏光，所述模式转换器利用由二氧化碳激光在少模光纤上刻写的长周期光纤光栅(Long-Period Fiber Grating,LPFG)实现模式转换，所述第二偏振控制器用于调节矢量HE奇偶模或EH奇偶模之间的相位差，从而产生轨道角动量模式。

可选的，所述第一偏振控制器为单模光纤偏振控制器。

优选的，所述第二偏振控制器为少模光纤偏振控制器。

优选的，所述装置还包括：滤模器，所述滤模器的输入端通过光纤连接所述第一偏振控制器，所述滤模器的输出端通过光纤连接所述模式转换器，所述滤模器用于滤除所述光束中的高阶纤芯模。

优选的，所述模式转换器为直接型模式转换器，所述直接型模式转换器为利用二氧化碳激光在少模光纤上刻写的单个长周期光纤光栅，实现将LP

可选的，所述模式转换器为级联型模式转换器，所述级联型模式转换器为利用二氧化碳激光在光纤上刻写的级联长周期光纤光栅，实现将LP

一种全光纤模式转换方法，利用上述装置进行操作，包括下述程序：

所述全光纤模式转换装置包括：第一偏振控制器、模式转换器、第二偏振控制器；所述第一偏振控制器的输出端与所述模式转换器的输入端通过光纤连接，所述模式转换器的输出端通过光纤连接所述第二偏振控制器的输入端，所述模式转换器利用二氧化碳激光在光纤上刻写的长周期光纤光栅实现模式转换；

光源产生的光束经过全光纤模式转换装置的第一偏振控制器，将所述光束调整为圆偏光或者线偏光；

经过所述第一偏振控制器后的光束通过所述模式转换器，利用二氧化碳激光在光纤上刻写的LPFG进行模式转换；

经过模式转换后的光束通过所述第二偏振控制器调节矢量HE奇偶模或EH奇偶模之间的相位差，从而产生OAM模式。

优选的，所述经过所述第一偏振控制器后的光束通过所述模式转换器，利用二氧化碳激光在少模光纤上刻写的LPFG进行模式转换，之前还包括：

经过所述第一偏振控制器后的光束通过滤模器进行滤模，滤除光束中的高阶纤芯模。

优选的，所述经过所述第一偏振控制器后的光束通过所述模式转换器，利用二氧化碳激光在少模光纤上刻写LPFG进行模式转换，具体包括：

经过所述第一偏振控制器后的光束通过所述模式转换器，利用二氧化碳激光在少模光纤上刻写单个LPFG，实现将LP

一种全光纤模式转换检测装置，用于检测转换装置产生的全光纤模式转换，所述检测装置包括耦合器、全光纤模式转换装置、第一透镜、第二透镜、起偏器、反射镜、合束器、控制器，图像传感器；所述可调激光器的输出光半径，耦合器后分成两路：一路依次经第二透镜、起偏器和反射镜后到达合束器，而另一路经全光纤模式转换装置和第一透镜后到达合束器，合束器的输出到图像传感器，图像传感器电连接控制器(3010)；

所述耦合器用于将入射光束平均分为第一光束和第二光束，所述第一光束依次通过所述全光纤模式转换装置、所述第一透镜后到达所述分光镜；

所述第一偏振控制器的输出端与所述模式转换器的输入端通过光纤连接，所述模式转换器的输出端通过少模光纤连接所述第二偏振控制器的输入端，所述第一偏振控制器用于将光束调整为圆偏光或者线偏光，所述模式转换器利用二氧化碳激光在光纤上刻写的LPFG实现模式转换，所述第二偏振控制器用于调节矢量HE奇偶模或EH奇偶模之间的相位差，从而产生OAM模式；

所述第二光束作为参考光束依次经过所述第二透镜、所述起偏器、所述反射镜后到达所述合束器；

所述合束器用于将经过所述全光纤模式转换装置、所述第一透镜后到达所述合束器的第一光束和经过所述第二透镜、所述起偏器、所述反射镜后到达所述合束器的第二光束进行干涉，并将干涉后的光束传输至所述图像传感器；

所述图像传感器用于将接收的光信号转换为电信号，并传输至所述控制器，所述控制器接收所述图像传感器的电信号，并根据所述电信号显示干涉后的光束图像，以便用户根据所述图像分析检测结果。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的技术进步：

1.本发明提供的产生高阶OAM模式的全光纤模式转换器，通过基于二氧化碳激光刻写的满足相位匹配条件的LPFG的一种产生OAM模式的全光纤模式转换器，在较大带宽范围内实现较高的模式纯度和较高的模式转换效率，从而提高通信系统的效率

2.由于本发明所提供的模式转换器插入损耗小，解决了高阶OAM模式产生的模式转换器与光纤通信系统连接问题；同时本发明具有制作工艺简单、体积小，成本低等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明全光纤模式转换装置结构图。

图2为本发明全光纤模式转换方法流程图。

图3为本发明全光纤模式转换检测装置结构图。

图4为本发明全光纤模式转换装置中模式转换器的模式转换示意图。

图5为本发明全光纤模式转换装置及方法实施例1模式转换器的透射谱图。

图6为本发明全光纤模式转换装置及方法实施例1模式转换器转换后的模式强度图。

图7为本发明全光纤模式转换装置及方法实施例1模式转换器产生的模式及其干涉图。

图8为本发明全光纤模式转换装置及方法实施例2模式转换器的透射谱图。

图9为本发明全光纤模式转换装置及方法实施例2模式转换器转换后的模式强度图。

图10为本发明全光纤模式转换装置及方法实施例2模式转换器产生的模式及其干涉图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

图1为本发明的一种全光纤模式转换装置结构图。如图1所示，所述全光纤模式转换装置包括第一偏振控制器101、滤模器102、模式转换器103、第二偏振控制器104、光纤105和光纤106；第一偏振控制器101的输出端与模式转换器103的输入端通过光纤105连接，模式转换器103的输出端通过光纤106连接第二偏振控制器104的输入端，第一偏振控制器101用于将光束调整为圆偏光或者线偏光，模式转换器103利用二氧化碳激光在少模光纤106上刻写LPFG实现模式转换，第二偏振控制器104用于调节矢量HE奇偶模或EH奇偶模之间的相位差，从而产生OAM模式。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

光源产生的光先经过偏振控制器101，偏振控制器101为单模光纤偏振控制器，对应单模光纤105，偏振控制器101将光调整为圆偏光或者特定偏振方向的线偏光。之后光束通过一段少模光纤106经过模式转换器103将LP

所述模式转换器103实现模式转换是基于二氧化碳激光在少模光纤上刻写LPFG实现模式转换。因此，模式转换器103分为直接型模式转换器和级联型模式转换器。直接型模式转换器为利用二氧化碳激光在少模光纤上刻写单个的LPFG直接实现模式转换，能直接将LP

对于上述方案，还可以在第一偏振控制器101与模式转换器103之间添加滤模器102，用于滤除光束中的高阶纤芯模，以保证进入模式转换器103的是纯净的LP

实施例三：

本全光纤模式转换方法，采用上述转换装置进行操作，其特征在于操作步骤如下：

1)光源产生的光束经过全光纤模式转换装置的第一偏振控制器，将所述光束调整为圆偏光或者线偏光；所述全光纤模式转换装置包括：第一偏振控制器、模式转换器、第二偏振控制器；所述第一偏振控制器的输出端与所述模式转换器的输入端通过光纤连接，所述模式转换器的输出端通过光纤连接所述第二偏振控制器的输入端，所述模式转换器由利用二氧化碳激光在少模光纤上刻写的长周期光纤光栅实现模式转换；

2)经过所述第一偏振控制器后的光束通过所述模式转换器，由利用二氧化碳激光在少模光纤上刻写的长周期光纤光栅进行模式转换；

3)经过模式转换后的光束通过所述第二偏振控制器调节矢量HE奇偶模或EH奇偶模之间的相位差，从而产生轨道角动量模式。

实施例四：

采用上述装置的转换方法的流程图如图2所示，图2为本全光纤模式转换方法流程图，所述方法操作步骤包括：

步骤201：调节光束为圆偏光或者线偏光。通过单模光纤偏振控制器将光源产生的光束调整为圆偏光或者特定偏振方向的线偏光。

步骤202：滤除高阶纤芯模。通过滤模器滤除光纤光束中的高阶纤芯模，以保证进入模式转换器的是纯净的LP

步骤203：刻写LPFG进行模式转换。模式转换器利用二氧化碳激光在少模光纤中制作LPFG实现模式转换。模式转换器分为直接型模式转换器和级联型模式转换器。直接型模式转换器为利用二氧化碳激光在少模光纤上刻写单个的LPFG直接实现模式转换，能直接将LP

需要强调的是，圆偏光进入模式转换器转换得到的是LP高阶纤芯模的矢量模式，而线偏光进入模式转换器转换得到的是LP高阶纤芯模的线偏振模式。

步骤204：调节相位差。将步骤204转换得到的高阶LP纤芯模经过一个少模光纤偏振控制器，此偏振控制器用来调节矢量HE奇偶模或EH奇偶模之间的相位差。

步骤205：产生OAM模式。经过步骤204偏振控制器调节矢量HE奇偶模或EH奇偶模之间的相位差之后，产生OAM模式。高阶OAM模式的产生是将转换的LP

模式转换器303利用二氧化碳激光在少模光纤中制作LPFG实现模式转换，包括高阶LP纤芯模式的转换和高阶OAM模式的产生这两个部分：高阶LP纤芯模式的产生是将LP

实施例五：

为了检测本发明产生的OAM模式效果，本发明还提供一种检测装置，如图3所示，图3为本发明全光纤模式转换检测装置结构图，该检测装置包括：可调谐激光器301、耦合器302、全光纤模式转换装置303、第一透镜304、合束器305、第二透镜306、起偏器307、反射镜308、图像传感器309、控制器3010。所述可调激光器301的输出光半径，耦合器302后分成两路：一路依次经第二透镜306、起偏器307和反射镜308后到达合束器305，而另一路经全光纤模式转换装置303和第一透镜304后到达合束器305，合束器305的输出到图像传感器309，图像传感器309电连接控制器3010。

可调谐激光器301产生的入射光，通过耦合器302将光束平均分为两束，一束进入到全光纤模式转换装置303，然后通过第一透镜304，最后到达分光镜305，另一束作为参考光束用于检测所转换的LP高阶纤芯模或生成的OAM模式，其中耦合器302为3dB耦合器，全光纤模式转换装置303为上述图1所示的装置，合束器305为非偏振合束器。参考光束依次经过第二透镜306，起偏器307和反射镜308在非偏振合束器305中与经过第一透镜304的OAM模式输出光束进行干涉。可以采用CCD作为图像传感器309，将光信号转换为电信号，然后传输至控制器3010，控制器3010用于显示检测的图像结果，以便工作人员根据图像分析检测结果。

图4为本发明全光纤模式转换装置中模式转换器的模式转换示意图。如图4所示，模式转换器能直接将LP

本发明全光纤模式转换装置及方法具体实施例四：

图5示出用二氧化碳激光器在少模光纤中写入周期分别为1750μm，645μm，420μm，周期数为20的直接型模式转换器的透射谱图，其中刻写所用周期分别满足LP

图6所示为经过直接型模式转换器所得到的LP

图7为直接型模式转换器产生的一阶OAM和二阶OAM模式及其干涉图。

本发明全光纤模式转换装置及方法具体实施例五：

图8示出为在少模光纤中写入周期分别为1750μm和1320μm，周期数都为20的级联型LPFG模式转换器的透射谱图，其中第一个LPFG是将LP

图9所示为经过级联型模式转换器所得到的LP

图10所示为级联型模式转换器产生的二阶OAM模式及其干涉图。

比较实施例四和实施例五两种LP

综合上述实施例可知，本发明公开一种全光纤模式转换装置及方法和检测装置，本转换装置包括第一偏振控制器、模式转换器、第二偏振控制器；所述第一偏振控制器的输出端与所述模式转换器的输入端通过光纤连接，所述模式转换器的输出端通过光纤连接所述第二偏振控制器的输入端，所述第一偏振控制器用于将光束调整为圆偏光或者线偏光，所述模式转换器利用由二氧化碳激光在少模光纤上刻写的长周期光纤光栅实现模式转换，所述第二偏振控制器用于调节矢量HE奇偶模或EH奇偶模之间的相位差，从而产生轨道角动量模式。采用本发明的装置及方法，可实现宽带宽、高纯度模式、高转换效率的模式转换，在模分复用光纤通信系统中具有广阔的应用价值。上述各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。