[發(fā)明專利]一種基于干涉理論的少模光纖空間模場檢測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010165936.5
• 申請日: 2020-03-11
• 公開（公告）號: CN111404600B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉艷格;毛百威;郭慧毅;張紅偉;王志;劉波;張昊
• 申請（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號: H04B10/079
• 分類號: H04B10/079;H04B10/075
• 代理公司: 天津耀達(dá)律師事務(wù)所 12223
• 代理人: 侯力

一種基于干涉理論的少模光纖空間模場檢測方法。首先，通過仿真軟件得出待測光纖在相關(guān)波長處能夠支持的模式組分；隨后，基于干涉理論，提煉出反映簡并模式復(fù)強(qiáng)度的可測的特征參量；其次，通過建立這些特征參量和簡并模式復(fù)強(qiáng)度的方程組，使得能夠從物理圖像中通過算法處理得到各簡并模式的復(fù)強(qiáng)度，并設(shè)計相關(guān)算法去實現(xiàn)這一思路。在實驗層面，搭建一套檢測光纖出射模場的光學(xué)裝置，并用空間圖像探測器記錄模斑；由空間圖像探測器探測到的圖像上，應(yīng)用上述提到的模式恢復(fù)算法，即可得出相應(yīng)的各階次簡并模式的復(fù)強(qiáng)度。本發(fā)明能夠計算恢復(fù)簡并模式的復(fù)振幅，與傳統(tǒng)的只能得到模組強(qiáng)度的方法相比起來更加精確。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于干涉理論的少模光纖空間模場檢測方法，屬于空分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)和集成光學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

空間模式是光纖中能夠穩(wěn)定存在的特定空間光場分布，被分為不同的角向階次和徑向階次。每一種不同階次的空間模式相互正交，可被視為一個獨(dú)立的傳輸信道以增加復(fù)用維度，從而可進(jìn)一步提升光通信傳輸?shù)娜萘俊Ｈ粢沟媚骋荒Ｊ匠蔀橐粋€獨(dú)立的信道，在輸出端應(yīng)實現(xiàn)對該信道中傳輸信號的復(fù)原和檢測。在空分復(fù)用系統(tǒng)中，國內(nèi)外研究人員針對不同階次空間模式提出了各種各樣的光場檢測手段，并基于此設(shè)計了多種復(fù)用及解復(fù)用系統(tǒng)。目前，針對不同階次空間模式的檢測技術(shù)已趨于成熟。在每一階次的空間模式下，又可再細(xì)分為二或四個正交的簡并模式，它們同樣有潛力作為新的復(fù)用信道。然而，這幾組簡并模式有著十分微小的傳播常數(shù)差(10^-6)，因此它們在光纖中一般以相干疊加的形式同時出現(xiàn)，較難對其進(jìn)行獨(dú)立檢測。到目前為止，對簡并模式的分離和檢測仍存在著不小的挑戰(zhàn)。

少模光纖中的不同空間模式具有不同的傳輸特征和模場特征，通常被具象為模式的傳播常數(shù)和橫向剖面光場。傳統(tǒng)方法大都通過對傳播常數(shù)的測量來實現(xiàn)對不同空間模場檢測。目前比較典型的是空間頻譜法(Spatially and Spectrally resolved imaging，S²)，該方案基于各個模式之間產(chǎn)生的拍頻來提煉它們的傳播常數(shù)差。在多模光纖中傳輸?shù)哪Ｊ焦鈭鲋g雖然總體保持著正交性，但是在某個特定的空間位置上來看，是產(chǎn)生了相干效應(yīng)的，這種在某空間位置上的拍頻蘊(yùn)含著傳播常數(shù)差的信息。空間頻譜法就是根據(jù)上述原理來測量不同空間模式間的傳播常數(shù)差的。如果這時有一個參考模式(比如基模)的成分占比很大，那么其他模式之間的拍頻可以被忽略。由于參考模式和待測各空間模式的傳播常數(shù)差已知，因此不同拍頻分量的強(qiáng)度就對應(yīng)著相應(yīng)空間模式的強(qiáng)度。然而，這種基于傳播常數(shù)的檢測方法的缺陷在于，當(dāng)某兩個或某幾個空間模式的傳播常數(shù)相差不大時，難以通過檢測傳播常數(shù)的方式倒推回相應(yīng)的空間模式。因而，這種方法只能識別傳播常數(shù)相近的模群，而不能夠識別某個特定的空間模式，除非在該傳播常數(shù)附近僅有一種空間模式存在。針對傳統(tǒng)方法檢測恢復(fù)的模群，它們的強(qiáng)度可能由傳播常數(shù)相近的任何一種組分貢獻(xiàn)。換言之，對于傳統(tǒng)方法而言，它們檢測恢復(fù)的模群信息不足以唯一確定地反映在真實空間中的物理圖景，而是可能存在無數(shù)種表現(xiàn)(具象化為圖像探測器探測到的模斑)。總體來說，目前傳統(tǒng)空間模式檢測方法的原理大多基于對傳播常數(shù)的測量，它們難以對少模光纖空間模式的最基本單元——簡并模式進(jìn)行恢復(fù)。因此急需一種快速、高效、準(zhǔn)確的簡并模式分析方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是要解決當(dāng)前傳統(tǒng)空間模場檢測方法難以精確測量少模光纖中最基本單元——簡并空間模式的技術(shù)問題，提出一種基于干涉理論的少模光纖空間模場的檢測方法。該方法只需對少模光纖出射的空間模場在不同偏振態(tài)下進(jìn)行拍攝，代入算法即可還原空間模場各組分的成分及相位。它具有計算復(fù)雜度低，物理意義明確，適用范圍廣、計算速度快、計算結(jié)果精確等特點。這種簡單又精確的方法可以成為空分復(fù)用光纖復(fù)用解復(fù)用系統(tǒng)的有力工具，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于干涉理論的少模光纖空間模場檢測方法，該方法包括：

第1步、利用數(shù)值計算或解析解的方法計算待測少模光纖所有空間本征模式的模場分布及傳播常數(shù)，空間本征模式也被稱為簡并模式；具體過程如下：