封面 | 宽带、高效全光纤矢量模式选择耦合器

文章链接 | 郭英豪, 刘美, 汤敏, 任文华, 任国斌. 基于矢量模式的全光纤模式选择耦合器[J]. 中国激光, 2022, 49(3): 0306004

【封面解读】封面展现了可直接实现特定矢量模式输出的全光纤模式选择耦合器的基本原理。该矢量模式选择耦合器由阶跃型光纤和空气芯环形少模光纤组成，通过调节阶跃型光纤纤芯半径，满足相位匹配条件，实现特定高阶矢量模式的输出。图中上半部分表现为两根光纤纤芯间距对耦合器工作带宽和模式间串扰的影响，纤芯间距增大导致耦合器带宽变窄（左上），同时高阶模式间串扰降低（右上），二者之间存在相互制约的关系。

一、研究背景

矢量光束具有独特的空间变化的幅度、相位或偏振分布，在光通信、显微、成像、表面等离子体激发、粒子操控、光镊、激光加工等众多科学技术领域具有广阔的应用前景，能够产生高质量矢量光束的激光器，是开展以上前沿技术工作的重要基础。

在众多的实现方案中，全光纤矢量光束激光器由于具有与光纤系统兼容、结构紧凑、插入损耗小、稳定性好的优点成为研究热点。核心器件是光纤模式转换器，常用的有长周期光纤光栅、光纤布拉格光栅、光纤模式选择耦合器等，其中光纤模式选择耦合器由于具有更大的工作带宽而备受关注。但目前常见的光纤模式选择耦合器只能实现标量模式之间的模式转换，需要结合偏振控制器等器件才能获得所需的矢量光束，增加了系统的复杂度，降低了系统的可靠性。

二、创新研究

针对上述问题，北京交通大学任国斌教授课题组报道了一种基于矢量模式的全光纤模式选择耦合器，可直接实现矢量基模和高阶矢量模式的高效率转换，在较大带宽范围内实现特定高阶矢量光束的稳定输出。

为实现矢量模式的转换，用于模式耦合的光纤应满足两个条件：1）支持模式耦合所需的高阶矢量模式；2）高阶矢量模式之间的有效折射率差应大于10-4，从而实现特定高阶矢量模式在光纤中的稳定传输。为此设计了一种空芯环形少模光纤（ACF），如图1所示。该矢量光纤模式选择耦合器由阶跃型单模光纤（SMF）和ACF组成。在制作方面，该矢量光纤模式选择耦合器通过侧抛法制得，即将两根光纤去除涂覆层后，将其放置在石英基片的弧形槽中固定，然后将抛磨至纤芯的消逝场区域，再将两石英基片靠拢使得光纤的消逝场重合，从而发生模式耦合。

图1 矢量光纤模式选择耦合器结构示意图

根据耦合模理论，当SMF中的基模和ACF中的高阶模满足相位匹配条件时，基模的能量将耦合到高阶模。通过改变单模光纤纤芯半径，可在不同的纤芯半径处实现矢量基模到特定高阶矢量模式的转换。

纤芯间距会影响耦合系数的变化，从而影响工作带宽和高阶模式间的串扰。这里以SMF中的和ACF中的之间的模式耦合为例，通过改变纤芯间距D（10.0、10.5、11.0、11.5、12.0 μm）得到模式对应的带宽，如图2所示。随着纤芯间距的增大，模式的重叠积分减小，从而导致两个模式之间的相互作用变小，当相位失配增加时，两个模式的耦合效率会迅速降低，最终导致工作带宽变窄。

图2 不同纤芯间距下的矢量光纤模式选择耦合器的工作带宽

通过改变纤芯间距D，可得到ACF中TE01模式与TM01模式的串扰。表1为C波段不同纤芯间距下的模间串扰，随着纤芯间距的增大，模间串扰会逐渐降低。图3中，当纤芯间距为12 μm时，C波段TE01模式与TM01模式的串扰值可降低至1.1%和0.5%。

矢量光纤模式选择耦合器工作带宽和高阶模式间的串扰存在相互制约关系，在实际应用中，应根据需要控制纤芯间距，在模间串扰和工作带宽之间寻求平衡。

表1 C波段不同纤芯间距下TE01和TM01相对于HE21的最大串扰

图3 纤芯间距 D=12 μm时的模间串扰

三、总结与展望

基于矢量模式的全光纤模式选择耦合器可实现矢量基模和特定高阶矢量模式的大带宽、高效率耦合。研究结果表明该矢量光纤模式选择耦合器的带宽和模间串扰之间存在制约关系。与标量光纤模式选择耦合器相比，该矢量光纤模式选择耦合器不需要使用偏振控制器等其它光器件，就可以获得更加稳定、可靠的光纤矢量光束，为相关前沿研究提供有力的技术支撑。

本课题组设计的矢量光纤模式选择耦合器在理论上的性能表现优越，下一步将尝试对其进行实验制作，进而搭建基于其的全光纤矢量光束激光器，实现特定矢量光束的稳定输出，并进行相关的应用研究。

课题组简介

北京交通大学任国斌教授课题组长期致力于新型特种光纤及光纤器件、光纤激光器等的基础理论和应用研究。近年来，主持和参与多项国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目，目前已发表高水平学术论文100余篇，SCI总引用次数超过2000次。