《光致长周期光栅光纤引起模式转换》翻译

多模光纤中光致长周期光栅光纤引起模式转换

摘要：我们证明和展示了由光致长周期光纤光栅引起了导模的转换。纳秒脉冲激光激发的两个模式的干涉通过科尔效应产生了折射率光栅。此光栅使得一束反向传输的连续波从LP01模转换到LP02模。利用光束传输方法的数值模拟表明完全的转化是可能的。实验上，效率为50%的模式转换被观察到。

正文：1.引言

长周期光纤光栅产生于折射率的周期性变化。如果该光栅的周期等于来两个横模拍长，例如基模可以转换为高阶的导模或是泄露模。LPG的周期一般在几百μm到几㎜之间。LPG的应用包括过滤，温度，应力和折射率传感器，光开关等。模式转换可用来进行信号功率管理及散射补偿。LPG有不同的制作方法：光敏光纤的紫外脉冲刻画；飞秒脉冲刻画，或由应力，声波，电光效应刻画。

这篇文章中，我们证明和展示了由光学科尔效应引起的LPG。一束高功率的被称为“刻画光”的光利用LP01模与LP02模的干涉暂时形成了光纤上的光栅。一束反向传输的低功率的光被标为“探测光”，在光栅处发生衍射而被转化为其他模式的光。同其他刻光栅的技术不同的是，光致LPG仅存在短暂的一段时间，脉冲光被用来得到刻写光所需的峰值功率。刻写光的高功率需求的限制在非线性光纤中可被减小。因为前面提到的OLPG是由导光产生的，而非边刻光栅，所以很容易产生很长的光栅，它的吸收过滤带宽非常小。可调谐的LPG可通过机械方法，声学方法或倾斜光栅的方法实现，而OLPG可通过刻写光的特性来调谐。

2. 基本设定

图1 展示了实验方案。一束脉冲激光被作为刻写光，被耦合进多模光纤使得两种导模（LP01模和LP02模）存在。由于不同的传播常数，两个模式的相对相位随着光束传播而发生变化，这导致了类似光栅的翻转粒子数分布，而周期等于拍长。一束反向传输的连续探测光被仔细的耦合进光纤中，仅激发基模。经过多模光纤的传输后，探测光被耦合进一段单模光纤作为空间

滤波器。这样由于模式转换引起的功率下降可以在单模光纤后被检测出来。刻写光与探测光的波长均为1064μm，虽非必要，但可保证光栅周期与探测光两模式拍长的自然匹配。

半波片和偏振分光镜的组合用来控制刻写光的功率，因为光纤自己以及产生的折射率变化一般有双折射，因此一个半波片及一个四分之一波片被用来优化模式耦合。用非偏振的分束镜将光耦进单模光纤，是为了防止无意的偏振态变化被检测到。

3. 数值模拟

利用光束传输方法模拟了模式在OLPG上的转换，假定科尔效应引起的折射率变化为,非线性折射率, I 为功率密度，此模型中，线芯直径

d=25μm，数值孔径NA=0.06，(V=4.43)与实验所用光纤相同。首先模拟二维下模式的传播，因为如果只有两个模式被激发，那么二维与三维的不同几可忽略。开始时，功率为200kW的刻写光（准连续光）以相同的比例激发两个模式。两模式的不同传播常数导致模式干涉，拍长为3㎜。干涉的结果是产生了类似光栅的反转粒子数分布，导致如图2a所示的空间折射率的交替变换。然后，所有的能量都在基模上的探测光沿着已修正了折射率的光纤传播。光栅的存在导致了能量在两个模式之间的转移。假设刻写光不是准连续光而是脉冲，光栅的长度则由脉宽决定。模式转换取决于传播长度，当脉冲功率为常数时，传播的长度与脉冲的能量有关。当脉冲能量为80微焦时得到了完全的模式转换。实际上，只要脉冲能量相同，低峰值功率但长脉宽的脉冲所导致的模式转换是一样的。我们还检测了模式转换与刻写光不同模式功率分布的关系，当

LP01模的功率占20%时，转换效率降低到90%。注意到刻写光自己不会发生衍射，因为相位匹配不满足。

4. 实验细节及结果

试验中我们用Q开关Nd:YAG激光器产生LPG。重复频率，脉冲能量，脉宽T=14ns ，在光纤中脉冲长度为2.9m 。与数值模拟相比，这样的长脉冲是需要的，因为高斯型的脉冲最大峰值功率仅为5kW。因所用的激光器非衍射受限（)，与光纤的耦合效率非常低，仅为35%。光束是多模的，因此基模与高阶模均可被激发。多模光纤有阶跃型的折射率截面，纤芯直径25μm，数值孔径0.06,长度8m。光纤的归一化频率为4.4，支持LP01,LP11,LP21,LP02模的传输。光纤弯曲直径为15cm，完全抑制了LP21和LP02模的传输。以前的试验中我们在同类型的光纤中仅检测到很少的LP20和LP02模的激发。此光纤有高折射率的丙烯酸脂做涂覆层，那种包层中的光不会传输。为了减小脉冲反射到探测臂的光，光纤末端做成倾斜角，光学元件也有稍微的倾斜角。探测光为连续输出近衍射极限的非平面环形激光器，功率40mW，探测光准直须仔细调整，保证当刻写光激光器关闭时，探测光只有基模激发。耦合效率约为70%。为了探测基模功率，探测光经过多模光纤后被非保偏分束镜反射出一部分光，耦合进单模光纤（实际上是一段弯曲很大的多模光纤）之后用光电二极管检测。这里单模光纤起到了空间滤波器的作用，它的效率描述了其对LP11模的抑制，取决于对准程度。完美对准后11模可完全被抑制。假设最大不对准为3μm时，经计算得知对所用的光纤来说，11模含量小于10%。

打开连续和脉冲激光，当脉冲能量超过3μJ时，某些脉冲观察到了强烈的后向SBS。一束前向传输的光被声波散射时会出现SBS，而该声波自身是由前向和后向传输光的干涉产生。通过附加一束后向传输的频率相近的光，这种非线性效应的阈值会降低。但是由于刻写光与探测光彼此独立，SBS随机出现，因此试验中我们选择没有观察到SBS现象的脉冲进行测量。更进一步的消除SBS 可通过频率的去谐实现。

上图a-h展示了不同的脉冲能量下探测光通过单模光纤后测得的功率。尽管光纤端面都做了角度抛磨处理，部分脉冲光还是从端面发射进入探测器中。在所有的测量中这部分反射光被减去，此外，为了减小脉冲波动的影响，每次记录结果均经过10次平均。然后，观察到探测光出现了特有的最小值，如同所期望的模式向高阶模的转换。最小值随着脉冲光功率的增加而减小，脉冲功率为60μJ时最小，为未变化时的40%，而功率为70μJ时又略微回升（如图I）。更高功率的脉冲损坏了光纤前端面，因此没够观察到完整的回升过程。为提高破坏阈值，应采用光纤端帽及更好的刻写光。因为模式分配及模式偏振会随着折射率的变化而变化，产生的光栅会随着传播过程因此也随着时间变化，这被认为是最小值随时间变化的原因。

比较测量所得数据与计算所得数据，发现基模随脉冲能量增加而减小有的形状近似，符合较好。尽管如此，实验所得与模拟结果还存在两个主要的不同：首先，实验得到最小值时所用脉冲能量低于模拟值。这个偏差可能是由脉冲能量测量不确定性（约10%）和实际纤芯直径不确定性（2μm）决定的，他们影响了纤芯光功率密度从而影响光栅的强度。还有，还有部分偏差是由采用二维决定的。第二：测量结果没有达到0。意味着试验中没有观察到完全的转化。效率降低的原因可能是光栅的不完美，这可能由于不同模式偏振（当模式经过不同的双折射时出现）和更高阶模式的出现（21模和02模）。增加的模式，可由于折射率截面的变化而在耦合器及光纤中被激发，附加的干涉导致了探测光耦合到更高阶的模式中。在这种更复杂的三模式或更多模式耦合的例子中，基模的功率没有必要为0。

为了确定探测光功率的减少是由导模转换所决定的，经转换及未转换的探测光的空间独立性应该被测量。由于没有可以分离模式转换的高速摄像机，我们仔细的扫描单模光纤。因此，认为01模及11模的重组导致了光束中心（取决与相对相位）的偏移。图4显示了计算所得到的强度（a)，