1.本发明涉及的是单模输入-少模光纤输出的模式光斑控制器，属于光纤传感技术领域。


背景技术：

2.随着5g时代的到来,人们对网络带宽的需求呈指数型增长,而单模光纤通信系统的传输速率和容量越来越接近非线性香农极限,使得单模光纤(single
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mode fiber,smf)通信系统已经很难满足目前通信容量的需求。所以，一种高速率大容量的通信系统已经成为这个时代迫切的需求,基于少模光纤(few-mode fiber,fmf)的模分复用(mode division multiplexing,mdm)系统可以通过有限个独立正交空间模式进行信号承载,实现多路信号独立并行传输,进而成倍的提升了系统的传输容量,也因此受到了国内外的广泛关注。
3.在mdm系统中,最为关键的器件就是模式复用/解复用器。光子灯笼型模式复用/解复用器是一种全光纤型的器件,它可以将多个不同模式的光信号复用到一根少模光纤中进行传输,也可以将少模光纤中的光信号解复用到多个单模光纤中进行接收。
4.传统意义上的光子灯笼，单模光纤尺寸相同，光由单模光纤传输至光子灯笼中，虽然能向高阶模式进行转化，但不能实现特定转化，且生成多个模式的混合态。
5.相比于传统的光子灯笼，模式选择型光子灯笼更适合于实际应用，此类光子灯笼的入射端多采用在光纤套管中插入多根包层或纤芯直径不同的单模光纤，通过对光纤套管的绝热拉锥，套管内部单模光纤纤芯直径收缩减小，在单模光纤传输的激光随着纤芯直径收缩减小从纤芯泄露至包层，同时，每根光纤的包层和邻近光纤的包层相互融合，形成新的导光纤芯，而套管在拉锥过程中形成新的包层，光子灯笼的末端与少模光纤对准熔接，从而实现模式由单模向指定高阶模、高阶简并模等的转换。随着工艺和技术的不断提升，光子灯笼的制作日益改善，已经能够较好地实现基模向指定高阶模式的转换，插入损耗和模间串扰较小。
6.在光子灯笼器件应用中，由基模转换为指定高阶模式的过程，需要对构成光子灯笼的单模光纤实现独立通光控制，若同时在光子灯笼中激发产生两个或多个模式，在传输过程中模式与模式之间产生干涉，若模式之间存在稳定的相位差，则在少模光纤中会传输稳定的相干模式。
7.专利号为cn111239910a的专利公开了一种光子灯笼型简并模组复用/ 解复用器及传输方法，用来解决简并模式组接收问题，初步解决了少模光纤中模式耦合进/出光纤的问题，避免了利用空间调制耦合所面对的器件体积大、操作复杂的问题，实现了少模光纤两端全光传输，但其每一组简并模式组均需要生产一个模式选择性光子灯笼，成本较大，虽利用了光子灯笼本身具有的模式选择功能，缺乏模式选择激发的灵活性。
8.专利号为cn111999816b的专利公开了一种低串扰、高性能的光子灯笼型模式复用器优化方法，该专利通过仿真优化光子灯笼输出尾端玻璃套管的内径和玻璃套管的折射率，降低光子灯笼各个模式间的串扰，提高光子灯笼各个模式的模式纯净度和耦合效率，在
实际制作光子灯笼中可作为工艺参考。
9.本发明中，光由单模光纤传输，通过等比分光器后，光等比例耦合至多根单模光纤中，光开关对多根单模光纤独立通光控制；若要求在少模光纤中得到指定的高阶模式，则光开关对多根单模光纤独立通光控制通过控制光开关实现单路通光，在光子灯笼中实现由基模转换为指定高阶模式，在少模光纤中得到指定高阶模式；若要求在少模光纤中传输稳定干涉的指定高阶模式，首先通过光开关对多根单模光纤独立通光控制，选择指定的高阶模式，然后通过光纤相位调制器分别调节对应单模光纤中传输的光模式相位，在光子灯笼中实现由基模向指定高阶模式的转换，得到在少模光纤中传输的稳定干涉模式。


技术实现要素：

10.下面参考附图并结合实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
11.本发明的目的是这样实现的：
12.单模输入-少模光纤输出的模式光斑控制器，它由单模光纤、等比例分光器、多根单模光纤、光开关、光纤相位调制器、光子灯笼、少模光纤、光纤模式分析仪组成；所述器件光由单模光纤传输，在等比例分光器中，光等比例耦合至多根单模光纤中，光开关分别控制多根单模光纤，首先，若在光子灯笼中单独激发出不同模式，则少模光纤中形成不同模式光斑，其次，若同时在光子灯笼中激发两个至多个模式时，在少模光纤中形成模间干涉光斑，光纤模式分析仪检测少模光纤尾端，光纤相位调制器分别调节单模光纤中光传输模式相位，获取光斑振幅及相位信息。
13.所述的光子灯笼，一端是多根纤芯直径不同的单模光纤在低折射率的石英毛细管中按照正多边形排布，其中，单模光纤的数量n，3≤n≤15，另一端是绝热拉锥形成的锥体，锥体末端几何尺寸与少模光纤几何尺寸对应。
14.所述的等比例分光器，两端为规格相同的单模光纤，实现将由一根单模光纤传输的光等比例耦合到多根单模光纤中，该器件保证了多根单模光纤同光源，多根单模光纤中的光是具备相干条件的。
15.所述的光开关数量和光子灯笼的光纤数量相同，光开关单独控制光子灯笼各路光纤的通光，控制单独一根单模光纤的光进入多芯光子灯笼，激发产生对应lp模式，在少模光纤中传输稳定的模式。
16.所述的光纤相位调制器数量和光子灯笼的光纤数量相同，光纤相位调制器单独控制光纤传输光的相位，通过光开关对多根单模光纤独立通光控制，选择指定的高阶模式，然后通过光纤相位调制器分别调节对应单模光纤中传输的光模式相位，在光子灯笼中实现由基模向指定高阶模式的转换，得到在少模光纤中传输的稳定干涉模式。
附图说明
17.图1是单模输入-少模光纤输出的模式光斑控制器的整体示意图。
18.图2是等比例耦合器示意图。
19.图3是光子灯笼示意图。
20.图4是光子灯笼激发产生不同lp模式的光斑。
21.图5是光子灯笼激发产生不同lp模式相干光斑。
22.附图标记说明：
23.1—单模光纤，2—单模光纤与等比分光器的熔接点，3—等比分光器， 4—等你分光器截面，5—光开关，6—光纤相位调制器，7—光子灯笼截面，8—光子灯笼，9—光子灯笼与少模光纤熔接点，10—少模光纤，11—光纤模式分析仪。
具体实施方式
24.下面参考附图结合实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
25.先参阅图2，将六根直径为9um的单模光纤在毛细管中，按照正六边形进行几何排布组棒，正六边形几何中心与毛细管中心重合，通过绝热拉锥制成等比例分光器，经过拉锥的一端要求六个纤芯确定的圆大小与单模光纤纤芯直径匹配，锥体尾端与一根单模光纤进行熔接。
26.参阅图3，将六根定制的单模光纤在毛细管内部按照正五边形进行几何排布，正五边形几何中心与毛细管中心重合，正五边形中心单模光纤的纤芯直径为6um,周围5根单模光纤的纤芯直径在五边形上按照顺时针排布分别为11um、 9um、8um、8um、9um，六根单模光纤在低折射率的毛细管中排布组棒后，绝热拉锥制成锥体结构，即六芯光子灯笼，光子灯笼末端外围五个纤芯确定的圆大小与少模光纤纤芯直径匹配，光子灯笼末端与少模光纤熔接，少模光纤的纤芯直径为19um。
27.参考图2、图3的六根单模光纤，按照次序c1～c6、d1～d6进行对应连接，中间通过光开关a1～a6、光纤相位调制器b1～b6分别调节控制。
28.本发明中，所用的单模光纤的纤芯的折射率为1.4482，包层的折射率为 1.4440。
29.本发明中，毛细管折射率为1.4398。
30.本发明中，少模光纤的纤芯折射率为1.4440，包层折射率为1.4398。
31.光从一根单模光纤注入，经等比例分光器将光等比例耦合到六根单模光纤中。
32.参考图4，通过光开关控制，光分别从六根单模光纤单独进入光子灯笼，在光子灯笼中激发产生lp01模式、lp11a模式、lp11b模式、lp02模式、lp21a 模式、lp21b模式，在少模光纤尾端输出稳定的模式光斑，通过光纤模式分析仪检测少模光纤尾端，获取模式光斑振幅及相位信息。
33.参考图5，通过光开关控制，控制其中两根单模光纤通光进入到光子灯笼中，激发产生相应传输模式，因模式之间相干，在少模光纤中形成模式相干光斑，调节光纤相位调制器得到稳定的模式相干光斑，通过光纤模式分析仪检测少模光纤尾端，获取光斑振幅及相位信息。
34.参考图5，是其中两根单模光纤的光，在光子灯笼中，激发产生对应的 lp模式，输出的模间干涉光斑。