《光致長(zhǎng)周期光柵光纖引起模式轉(zhuǎn)換》翻譯

多模光纖中光致長(zhǎng)周期光柵光纖引起模式轉(zhuǎn)換摘要：我們證明和展示了由光致長(zhǎng)周期光纖光柵引起了導(dǎo)模的轉(zhuǎn)換。納秒脈沖激光激發(fā)的兩個(gè)模式的干涉通過(guò)科爾效應(yīng)產(chǎn)生了折射率光柵。此光柵使得一束反向傳輸?shù)倪B續(xù)波從LP01模轉(zhuǎn)換到LP02模。利用光束傳輸方法的數(shù)值模擬表明完全的轉(zhuǎn)化是可能的 。實(shí)驗(yàn)上，效率為50%的模式轉(zhuǎn)換被觀察到。正文：1.引言長(zhǎng)周期光纖光柵產(chǎn)生于折射率的周期性變化。 如果該光柵的周期等于來(lái)兩個(gè)橫模拍長(zhǎng)， 例如基?？梢赞D(zhuǎn)換為高階的導(dǎo)?；蚴切孤赌?。 LPG的周期一般在幾百ym到幾mm之間。LPG的應(yīng)用包括過(guò)濾，溫度，應(yīng)力和折射率傳感器，光開(kāi)關(guān)等。模式轉(zhuǎn)換可用來(lái)進(jìn)行信號(hào)功率管理及散射補(bǔ)償。LPG有不同的制作方法：光敏光纖的紫外脈沖刻畫(huà)；飛秒脈沖刻畫(huà)，或由應(yīng)力，聲波，電光效應(yīng)刻畫(huà)。這篇文章中，我們證明和展示了由光學(xué)科爾效應(yīng)引起的 LPG。一束高功率的被稱為刻畫(huà)光”的光利用LP01模與LP02模的干涉暫時(shí)形成了光纖上的光柵。 一束反向傳輸?shù)牡凸β实墓獗粯?biāo)為探測(cè)光”，在光柵處發(fā)生衍射而被轉(zhuǎn)化為其他模式的光。同其他刻光柵的技術(shù)不同的是，光致LPG僅存在短暫的一段時(shí)間，脈沖光被用來(lái)得到刻寫(xiě)光所需的峰值功率?？虒?xiě)光的高功率需求的限制在非線性光纖中可被減小。 因?yàn)榍懊嫣岬降腛LPG是由導(dǎo)光產(chǎn)生的，而非邊刻光柵，所以很容易產(chǎn)生很長(zhǎng)的光柵，它的吸收過(guò)濾帶寬非常小?？烧{(diào)諧的 LPG可通過(guò)機(jī)械方法，聲學(xué)方法或傾斜光柵的方法實(shí)現(xiàn)，而OLPG可通過(guò)刻寫(xiě)光的特性來(lái)調(diào)諧。2.基本設(shè)定Fig.1.FKvcniueijlii]^etup:Thepulsedinducesii ilun coiinttT-ciliacontiiLUon^-x\a\'0■ ■laser NPBSPBS:noil-polLiiizingboam^plirter.SMF;sirt^le-modefibei;PD;phatodiode.圖1展示了實(shí)驗(yàn)方案。一束脈沖激光被作為刻寫(xiě)光， 被耦合進(jìn)多模光纖使得兩種導(dǎo)模（LP01模和LP02模）存在。由于不同的傳播常數(shù)，兩個(gè)模式的相對(duì)相位隨著光束傳播而發(fā)生變化，這導(dǎo)致了類似光柵的翻轉(zhuǎn)粒子數(shù)分布，而周期等于拍長(zhǎng)。一束反向傳輸?shù)倪B續(xù)探測(cè)光被仔細(xì)的耦合進(jìn)光纖中， 僅激發(fā)基模。經(jīng)過(guò)多模光纖的傳輸后，探測(cè)光被耦合進(jìn)一段單模光纖作為 空間

濾波器。這樣由于模式轉(zhuǎn)換引起的功率下降可以在單模光纖后被檢測(cè)出來(lái)。刻寫(xiě)光與探測(cè)光的波長(zhǎng)均為1064卩m，雖非必要，但可保證光柵周期與探測(cè)光兩模式拍長(zhǎng)的自然匹配。半波片和偏振分光鏡的組合用來(lái)控制刻寫(xiě)光的功率 ，因?yàn)楣饫w自己以及產(chǎn)生的折射率變化一般有雙折射，因此一個(gè)半波片及一個(gè)四分之一波片被用來(lái)優(yōu)化模式耦合 。用非偏振的分束鏡將是為了防止無(wú)意的偏振態(tài)變化被檢測(cè)到。.數(shù)值模擬sisC5POUICbrr廿pordingptriw- (p」：? 40ww；0U2DX?OCM009(T.CHOuQTOROHzpMution(m)Fig.2.NumericalsiimilaticnoftheOLPG：(a)Refracth^eindexchangeinducedintheflbt?iIj^卄叱iikhI^sisC5POUICbrr廿pordingptriw- (p」：? 40ww；0U2DX?OCM009(T.CHOuQTOROHzpMution(m)Fig.2.NumericalsiimilaticnoftheOLPG：(a)Refracth^eindexchangeinducedintheflbt?iIj^卄叱iikhI^ (if;i2Q0kWquasi-twbedirl(b)inreiisiiyoftlie]>nilre tlialispropagatedthiouglithefiberwithmodiBedrefractiveindex*and(c)normalizedmodalixiweint'cv.beairkthettunUnienraCtnotle(/曲iscmivenedtoTheI.P\\mode.■wgbLPN黃「L空利用光束傳輸方法模擬了模式 在OLPG上的轉(zhuǎn)換，假定科爾效應(yīng)引起的折射率變化為△忙咚,非線性折射率禮2=騫甲曠恥m3/lV,I為功率密度，此模型中，線芯直徑d=25艸，數(shù)值孔徑NA=0.06 ,(V=4.43)與實(shí)驗(yàn)所用光纖相同。首先模擬二維下模式的傳播，因?yàn)槿绻挥袃蓚€(gè)模式被激發(fā)，那么二維與三維的不同幾可忽略。開(kāi)始時(shí)， 功率為200kW的刻寫(xiě)光(準(zhǔn)連續(xù)光)以相同的比例激發(fā)兩個(gè)模式。兩模式的不同傳播常數(shù)導(dǎo)致模式干涉， 拍長(zhǎng)為3mm。干涉的結(jié)果是產(chǎn)生了類似光柵的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)分布，導(dǎo)致如圖 2a所示的空間折射率的交替變換。然后，所有的能量都在基模上的探測(cè)光沿著已修正了折射率的光纖傳播。光柵的存在導(dǎo)致了能量在兩個(gè)模式之間的轉(zhuǎn)移。 假設(shè)刻寫(xiě)光不是準(zhǔn)連續(xù)光而是脈沖， 光柵的長(zhǎng)度則由脈寬決定。模式轉(zhuǎn)換取決于傳播長(zhǎng)度，當(dāng)脈沖功率為常數(shù)時(shí)，傳播的長(zhǎng)度與脈沖的能量有關(guān)。當(dāng)脈沖能量為80微焦時(shí)得到了完全的模式轉(zhuǎn)換。實(shí)際上，只要脈沖能量相同，低峰值功率但長(zhǎng)脈寬的脈沖所導(dǎo)致的模式轉(zhuǎn)換是一樣的。我們還檢測(cè)了模式轉(zhuǎn)換與刻寫(xiě)光不同模式功率分布的關(guān)系，當(dāng)LP01模的功率占20%時(shí)，轉(zhuǎn)換效率降低到90%。注意到刻寫(xiě)光自己不會(huì)發(fā)生衍射，因?yàn)橄辔黄ヅ洳粷M足。4.實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)及結(jié)果試驗(yàn)中我們用Q開(kāi)關(guān)Nd:YAG激光器產(chǎn)生LPG。重復(fù)頻率S ,脈沖能量脈寬T=14ns ，在光纖中脈沖長(zhǎng)度為2.9m。與數(shù)值模擬相比，這樣的長(zhǎng)脈沖是需要的，因?yàn)楦咚剐偷拿}沖最大峰值功率僅為 5kW。因所用的激光器非衍射受限（丄工！二：-），與光纖的耦合效率非常低，僅為 35%。光束是多模的，因此基模與高階模均可被激發(fā)。多模光纖有階躍型的折射率截面，纖芯直徑 25^m，數(shù)值孔徑0.06,長(zhǎng)度8m。光纖的歸一化頻率為4.4，支持LP01,LP11,LP21,LP02 模的傳輸。光纖彎曲直徑為15cm，完全抑制了LP21和LP02模的傳輸。以前的試驗(yàn)中我們?cè)谕愋偷墓饫w中僅檢測(cè)到很少的 LP20和LP02模的激發(fā)。此光纖有高折射率的丙烯酸脂做涂覆層，那種包層中的光不會(huì)傳輸。為了減小脈沖反射到探測(cè)臂的光，光纖末端做成傾斜角，光學(xué)元件也有稍微的傾斜角。探測(cè)光為連續(xù)輸出近衍射極限的非平面環(huán)形激光器，功率40mW,探測(cè)光準(zhǔn)直須仔細(xì)調(diào)整，保證當(dāng)刻寫(xiě)光激光器關(guān)閉時(shí)，探測(cè)光只有基模激發(fā)。耦合效率約為70%。為了探測(cè)基模功率，探測(cè)光經(jīng)過(guò)多模光纖后被非保偏分束鏡反射岀一部分光，耦合進(jìn)單模光纖（實(shí)際上是一段彎曲很大的多模光纖）之后用光電二極管檢測(cè)。這里單模光纖起到了空間濾波器的作用，它的效率描述了其對(duì) LP11模的抑制，取決于對(duì)準(zhǔn)程度。完美對(duì)準(zhǔn)后11?？赏耆灰种?。假設(shè)最大不對(duì)準(zhǔn)為3卩m時(shí)，經(jīng)計(jì)算得知對(duì)所用的光纖來(lái)說(shuō)， 11模含量小于10%。打開(kāi)連續(xù)和脈沖激光，當(dāng)脈沖能量超過(guò) 3卩時(shí)，某些脈沖觀察到了強(qiáng)烈的后向 SBS。一束前向傳輸?shù)墓獗宦暡ㄉ⑸鋾r(shí)會(huì)岀現(xiàn) SBS，而該聲波自身是由前向和后向傳輸光的干涉產(chǎn)生。通過(guò)附加一束后向傳輸?shù)念l率相近的光，這種非線性效應(yīng)的閾值會(huì)降低 。但是由于刻寫(xiě)光與探測(cè)光彼此獨(dú)立，SBS隨機(jī)岀現(xiàn)，因此試驗(yàn)中我們選擇沒(méi)有觀察到 SBS現(xiàn)象的脈沖進(jìn)行測(cè)量。更進(jìn)一步的消除 SBS可通過(guò)頻率的去諧實(shí)現(xiàn)。護(hù),(fl*61Eg:IT.5-50 0SOIMTlmetna}Time-(ms|:紀(jì);，2392-500TineTimeana-}OdB0-EQp i 護(hù),(fl*61Eg:IT.5-50 0SOIMTlmetna}Time-(ms|:紀(jì);，2392-500TineTimeana-}OdB0-EQp i p ij■ 1 ■ il ■ J L憐善,丄“…■Te -Thinsoeder1"B0 ID血 帥 3 5080 TO EH SOPutieemerge㈣FijL3.|a-h)Powerofth己probebeambelnndtlieSNLFforddierentpulseetiersues.>hdip over錨esiei-eyviithathird-ciKdeifii,?iidthec^lcuhteddeaes^eofthetiLiKhiiienrollrn^ieiudqueiuieiKeoilThepul^eueiey.上圖a-h展示了不同的脈沖能量下探測(cè)光通過(guò)單模光纖后測(cè)得的功率。盡管光纖端面都做了角度拋磨處理，部分脈沖光還是從端面發(fā)射進(jìn)入探測(cè)器中。在所有的測(cè)量中這部分反射光被減去，此外，為了減小脈沖波動(dòng)的影響，每次記錄結(jié)果均經(jīng)過(guò) 10次平均。然后，觀察到探測(cè)光岀現(xiàn)了特有的最小值，如同所期望的模式向高階模的轉(zhuǎn)換。最小值隨著脈沖光功率的增加而減小，脈沖功率為60卩J時(shí)最小，為未變化時(shí)的40%，而功率為70卩時(shí)又略微回升（如圖I）。更高功率的脈沖損壞了光纖前端面，因此沒(méi)夠觀察到完整的回升過(guò)程。 為提高破壞閾值，應(yīng)采用光纖端帽及更好的刻寫(xiě)光。因?yàn)槟Ｊ椒峙浼澳Ｊ狡駮?huì)隨著折射率的變化而變化，產(chǎn)生的光柵會(huì)隨著傳播過(guò)程因此也隨著時(shí)間變化，這被認(rèn)為是最小值隨時(shí)間變化的原因。比較測(cè)量所得數(shù)據(jù)與計(jì)算所得數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)基模隨脈沖能量增加而減小有的形狀近似，符合較好。盡管如此，實(shí)驗(yàn)所得與模擬結(jié)果還存在兩個(gè)主要的不同：首先，實(shí)驗(yàn)得到最小值時(shí)所用脈沖能量低于模擬值。這個(gè)偏差可能是由脈沖能量測(cè)量不確定性（約 10%）和實(shí)際纖芯直徑不確定性（2卩m）決定的，他們影響了纖芯光功率密度從而影響光柵的強(qiáng)度。還有，還有部分偏差是由采用二維決定的。第二：測(cè)量結(jié)果沒(méi)有達(dá)到 0。意味著試驗(yàn)中沒(méi)有觀察到完全的轉(zhuǎn)化。效率降低的原因可能是光柵的不完美，這可能由于不同模式偏振（當(dāng)模式經(jīng)過(guò)不同的雙折射時(shí)岀現(xiàn)）和更高階模式的岀現(xiàn)（21模和02模）。增加的模式，可由于折射率截面的變化而在耦合器及光纖中被激發(fā)，附加的干涉導(dǎo)致了探測(cè)光耦合到更高階的模式中。 在這種更復(fù)雜的三模式或更多模式耦合的例子中，基模的功率沒(méi)有必要為0。為了確定探測(cè)光功率的減少是由導(dǎo)模轉(zhuǎn)換所決定的， 經(jīng)轉(zhuǎn)換及未轉(zhuǎn)換的探測(cè)光的空間獨(dú)立性應(yīng)該被測(cè)量。由于沒(méi)有可以分離模式轉(zhuǎn)換的高速攝像機(jī)，我們仔細(xì)的掃描單模光纖。因此，認(rèn)為01模及11模的重組導(dǎo)致了光束中心（取決與相對(duì)相位）的偏移。圖 4顯示了計(jì)算所得到的強(qiáng)度（a），基模，（b）等功率01模與11模重組，（c）計(jì)算所得兩種光束截面在單模光纖后的透過(guò)率，試驗(yàn)中，單模光纖耦合器末端側(cè)向移動(dòng)，這樣轉(zhuǎn)化的及未轉(zhuǎn)換的光束透過(guò)的功率均可被檢測(cè)到。結(jié)果（每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均是六次平均所得）如圖4（d）（e）所示。采用三階多項(xiàng)式使得曲線平滑。當(dāng)掃描未轉(zhuǎn)化的光束時(shí)發(fā)現(xiàn)透過(guò)率對(duì)稱的減少，而掃描已轉(zhuǎn)化的光束時(shí)發(fā)現(xiàn)中心左移。當(dāng)取走刻寫(xiě)光束時(shí)，觀察到光束中心右移。取決于刻寫(xiě)光束的耦合，探測(cè)光束中心也可以上下移動(dòng)。光束中心的移動(dòng)是第一個(gè)高階模出現(xiàn)的證據(jù)。從掃描實(shí)驗(yàn)中我們測(cè)量到約50%的基模被轉(zhuǎn)化到11模上。而透過(guò)率測(cè)量得到較高的轉(zhuǎn)換效率，但這個(gè)值包括了向更高階模式的轉(zhuǎn)換。5.總結(jié)與展望本文據(jù)我們所知第一次發(fā)現(xiàn)和證