一种光纤模式的在线监测方法
1.本发明涉及光纤模式监测技术领域，特别是涉及一种光纤模式的在线监测方法。
背景技术：
2.面对单模光纤传输容量极限，越来越多的复用技术，包括波分复用、空分复用以及模分复用，备受关注并得到广泛应用。其中，以轨道角动量(orbital angularmomentum，oam)模式为一种模式基的模分复用，由于oam模式的优良特性(特征参数拓扑荷值可以无限大以及不同拓扑荷的oam模式相互正交)使信息传输容量大大提高，也使得这种复用方式成为当前的研究热点。但随之而来的是，越来越多的模式在光纤内复用传输并且模式交叠严重，使得在光纤内传输的oam模式难以区分，难以对相应的模式进行放大及转换等处理。同时，不同结构光纤由于结构性差异导致的光纤非兼容性也愈发严重。但如何解决上述两个问题，目前还没有相应的解决措施。
3.目前，实现光纤内模式的在线监测及识别大致分为两种，其一是基于深度学习算法实现对模式的学习及识别；其二是基于非保留式的在线模式转换方式将模式转换实现模式识别。然而，利用深度学习算法学习时间较长，且整个学习光路复杂，设备昂贵，面对自由空间的影响，而难以推广使用。利用非保留式的在线模式转换方式面临着对模式的不确定性，转换成的模式也具有不确定性，这样多重不确定性的方式也不具备广泛应用。此外，针对非匹配的两个光纤实现高兼容性，并没有很好的解决方案。
技术实现要素：
4.本发明的目的是为了克服上述技术的不足并且解决模式在线监测问题，提供一种光纤模式的在线监测方法，适用于少模光纤模式和多模光纤模式，结构简单、成本低且测试简单，基于拉锥技术实现少模或多模光纤的拉锥处理，利用光纤不同阶模式绝热、非绝热演化的差异，构建不同阶模式的分阶滤模器，基于光纤模式分阶滤除，实现少模或多模光纤模式的在线监测。
5.本发明的技术方案是：
6.本发明提供了一种光纤模式的在线监测方法，包括：
7.采用光纤拉锥技术对少模或多模光纤进行拉锥处理，其中，所述光纤拉锥技术的拉锥参数通过对光纤结构参数仿真获得，满足高阶模式截止和其他模式的绝热演化条件；
8.利用光纤不同阶模式绝热、非绝热演化的差异，构建不同阶模式的分阶滤模器；
9.利用分阶滤模器实现分阶模式滤除，进而实现各阶光纤模式的在线监测。
10.进一步地，所述利用光纤不同阶模式绝热、非绝热演化的差异，构建不同阶模式的分阶滤模器，包括以下步骤：
11.利用光学仿真软件comsol获得不同拉锥比，即光纤腰锥直径下的模式支持情况，根据模式绝热条件，获得最小拉锥光纤的过渡区长度；
12.氢氧焰拉锥机设定拉锥参数后，包括氢气流速、火头移动速度、拉锥机移动速度以
及拉锥长度，对光纤进行拉锥；
13.在整个光纤锥中寻锥腰区，且锥腰直径等于仿真参数的区域进行平直切割，构建不同阶模式的分阶滤模器。
14.进一步地，所述少模或多模光纤为支持53个线偏振模式的少模或多模光纤。
15.根据权利要求2所述的一种光纤模式的在线监测方法，其特征在于，所述拉锥光纤的过渡区平缓且侧面光滑，端面切割平整；在仅传输基模情况下的所述光纤腰锥直径大于0。
16.进一步地，所述拉锥处理不考虑折射率分布的改变。
17.进一步地，所述绝热演化条件需满足绝热标准，即过渡区长度应大于任意两个模式之间的拍长的最大值。
18.进一步地，所述各阶光纤模式的在线监测包括非匹配少模或多模光纤中的模式在线监测，具体包括：两个非匹配光纤的拉锥参数根据仿真获得，所需要耦合的模式为两个拉锥光纤中的最高阶模式并且耦合效率最高，耦合效率计算公式为：
[0019][0020]
其中，e1和e2表示两种光纤中的电场强度，及表示两种光纤中电场强度的共轭，dxdy表示光纤截面的积分面元。
[0021]
进一步地，所述拉锥处理完成之后利用光纤熔接机对两个光纤的腰锥区拼接，拼接端面平整，纤芯中心对齐。
[0022]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0023]
由上述发明提供的技术方案可以看出，本发明优化了目前基于深度学习以及模式转换方式实现模式识别的形式，利用一种拉锥技术实现少/多模光纤中的高阶模式截止，其他模式绝热转化，仅需通过控制某个模式截止，测量输入输出光谱或功率，就可以实现对光纤中存在的多个模式监测及识别，进而实现模式的转换。此外，基于这种方式，实现非匹配少/多模光纤中的模式在线监测。
附图说明
[0024]
构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0025]
在附图中：
[0026]
图1是分阶模式滤除器的原理图；
[0027]
图2是本实施例的制作的分阶模式滤除器实物图及输入输出光场分布；
[0028]
图3是为本实施例的分阶模式滤除器与拉锥单模光纤熔接实物图；
[0029]
图4是为本实施例的环芯光纤与单模光纤处理前后的光传输谱；
[0030]
图5是为本实施例的分阶模式滤除器与拉锥单模光纤熔接后的光场分布。
[0031]
附图简称说明：
[0032]
oam0：基模；oam1：一阶轨道角动量模式；oam2：二阶轨道角动量模式；oam3：三阶轨
道角动量模式。
具体实施方式
[0033]
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。
[0034]
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。
[0035]
本发明提供的一种光纤模式的在线监测方法：应用光纤拉锥技术对少/多模光纤拉锥处理，其中拉锥参数通过对具体光纤结构参数仿真获得，满足高阶模式截止和其他模式的绝热演化条件，从而实现分阶模式滤除的功能，进而实现各阶的模式在线监测，并提供了一种可拓展到实现非匹配少/多模光纤中的模式在线监测方案。
[0036]
实现分阶模式滤除功能器件制作包括以下步骤：
[0037]
(1)利用光学仿真软件comsol获得不同拉锥比，即腰锥直径下的模式支持情况，根据模式绝热条件，获得最小过渡区长度；
[0038]
(2)氢氧焰拉锥机设定拉锥参数后，包括氢气流速、火头移动速度、拉锥机移动速度以及拉锥长度等参数，对光纤进行拉锥；
[0039]
(3)在整个光纤锥中寻锥腰区，且锥腰直径等于仿真参数的区域进行平直切割，制成一个实现分阶模式滤除功能器件。
[0040]
所述少模或多模光纤，理论上可以达到目前所能支持53个线偏振模式的少模或多模光纤；然而由于制作存在的尺寸控制问题，因此容差在仅传输基模情况下的光纤腰锥直径大于0即可。
[0041]
所述的拉锥光纤的过渡区需平缓且侧面光滑，端面切割平整。
[0042]
所述的在整个拉锥过程时间短，只有光纤结构参数即尺寸上的变化，折射率分布几乎不发生改变，因此，不需要考虑折射率分布的改变。
[0043]
所述的绝热演化条件需满足绝热标准，即过渡区长度应大于任意两个模式之间的拍长的最大值。
[0044]
所述的非匹配少/多模光纤中的模式在线监测方案指，两个非匹配光纤的拉锥参数根据仿真获得，其中所需要耦合的模式为两个拉锥光纤中的最高阶模式并且耦合效率最高，耦合效率计算公式为：
[0045][0046]
其中，e1和e2表示两种光纤中的电场强度，及表示两种光纤中电场强度的共轭，dxdy表示光纤截面的积分面元。
[0047]
所述的两个非匹配少/多模光纤拉锥完成之后利用光纤熔接机对两个光纤的腰锥区拼接，拼接端面平整，纤芯中心对齐。
[0048]
在本发明实施例中所采用的光纤为环芯光纤，大致为三层结构，即内、外包层及环形纤芯层，实际拉制的环芯光纤为包含凹陷层的四层结构。凹陷层用以减小光纤弯曲过程照成的损耗，环芯光纤大致支持四个模组传输。
[0049]
需要说明的是，其中的分阶滤模器不仅可以实现oam光束的滤除也包括线偏振模式以及其他结构光束，实施例中以oam光束为例进行说明。
[0050]
如图1所示，将环芯光纤分别拉锥到仿真获得的锥腰直径参数下，而对于过渡区长度而言，只需要控制长度大于基模与一阶模式之间的拍长，便能实现基模以及高阶模式绝热转换，如图1所示，环芯光纤中拉锥到对应的结构参数下，当环芯中存在高阶模式传输，由于在当前的锥腰直径下，光纤不支持高阶模式传输，故而在输出端只能观察到光纤所支持的对应的模式，进而测量输入前后的光谱或者功率便可实现模式的监测。
[0051]
如图2所示，将环芯光纤利用氢氧焰拉锥机进行拉锥处理并在其相应尺寸的位置处切断，切割端面平整，如图2所示的各个滤模器尺寸分别为～35μm、～65μm及～91μm，过渡区长度为～5.3mm、～4.2mm及～3.0mm。如图2中的(c)部分所示，在输入端输入光纤所支持的四个模式，观察对应输出端的情况，可以发现输出端实现了对应模式的滤除，故而可以用于对环芯光纤中模式的监测。
[0052]
如图3所示，分别对单模光纤和环芯光纤进行类似处理，环芯光纤腰锥直径为37.5μm，单模光纤腰锥直径为100.0μm，在两个光纤腰锥区进行切断，放置在熔接机内，调整放电功率及放电时间，将两个光纤纤芯对齐熔接，端面平整。测试经过这种处理和未经过处理前后的光传输谱情况，如图4所示，可以发现在处理后的失配光纤间基模的耦合效率可以达到90％以上。如图5所示，挑选五个任意波长进行测量光场分布，通过输出端的强度及干涉情况，输出光场为基模分布。因而，相应地也验证了上述分阶滤模的方案并且提供了一种非匹配少/多模光纤的模式在线监测方案。
[0053]
总结上述，本发明提供的光纤模式的在线监测方法，通过精确控制制作参数、过程，可以实现分阶模式滤除的功能并用于光纤内模式的监测，另外，通过结合单模光纤和环芯光纤中的处理，实现了非匹配光纤的熔接并验证了分阶滤模功能实现基模的绝热转换传输。
[0054]
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种光纤模式的在线监测方法，其特征在于，包括：采用光纤拉锥技术对少模或多模光纤进行拉锥处理，其中，所述光纤拉锥技术的拉锥参数通过对光纤结构参数仿真获得，满足高阶模式截止和其他模式的绝热演化条件；利用光纤不同阶模式绝热、非绝热演化的差异，构建不同阶模式的分阶滤模器；利用分阶滤模器实现分阶模式滤除，进而实现各阶光纤模式的在线监测。2.根据权利要求1所述的一种光纤模式的在线监测方法，其特征在于，所述利用光纤不同阶模式绝热、非绝热演化的差异，构建不同阶模式的分阶滤模器，包括以下步骤：利用光学仿真软件comsol获得不同拉锥比，即光纤腰锥直径下的模式支持情况，根据模式绝热条件，获得最小拉锥光纤的过渡区长度；氢氧焰拉锥机设定拉锥参数后，包括氢气流速、火头移动速度、拉锥机移动速度以及拉锥长度，对光纤进行拉锥；在整个光纤锥中寻锥腰区，且锥腰直径等于仿真参数的区域进行平直切割，构建不同阶模式的分阶滤模器。3.根据权利要求1所述的一种光纤模式的在线监测方法，其特征在于，所述少模或多模光纤为支持53个线偏振模式的少模或多模光纤。4.根据权利要求2所述的一种光纤模式的在线监测方法，其特征在于，所述拉锥光纤的过渡区平缓且侧面光滑，端面切割平整；在仅传输基模情况下的所述光纤腰锥直径大于0。5.根据权利要求1所述的一种光纤模式的在线监测方法，其特征在于，所述拉锥处理不考虑折射率分布的改变。6.根据权利要求1所述的一种光纤模式的在线监测方法，其特征在于，所述绝热演化条件需满足绝热标准，即拉锥光纤的过渡区长度应大于任意两个模式之间的拍长的最大值。7.根据权利要求1所述的一种光纤模式的在线监测方法，其特征在于，所述各阶光纤模式的在线监测包括非匹配少模或多模光纤中的模式在线监测，具体包括：两个非匹配光纤的拉锥参数根据仿真获得，所需要耦合的模式为两个拉锥光纤中的最高阶模式并且耦合效率最高，耦合效率计算公式为：其中，e1和e2表示两种光纤中的电场强度，及表示两种光纤中电场强度的共轭，dxdy表示光纤截面的积分面元。8.根据权利要求1所述的一种光纤模式的在线监测方法，其特征在于，所述拉锥处理完成之后利用光纤熔接机对两个光纤的腰锥区拼接，拼接端面平整，纤芯中心对齐。
技术总结
本发明公开了一种光纤模式中在线监测方法，属于光纤模式监测技术领域。该方法包括：应用光纤拉锥技术对少/多模光纤拉锥处理，其中拉锥参数通过对具体光纤结构参数仿真获得，满足高阶模式截止和其他模式的绝热演化条件，从而实现分阶模式滤除的功能，进而实现各阶的模式在线监测，提供了一种可拓展到实现非匹配少/多模光纤中的模式在线监测方案。本发明的监测方法能够实现对少/多模光纤模式在线监测，实现多个模式的有效监测并促进模式的耦合转换实现正确模式复用以及模式转换过程光谱的监测，制作工艺简单，效果明显。效果明显。
