空间光多模光纤的单模耦合效率分析

2019年第1期空间光-多模光纤的单模耦合效率分析Analysisofspaceoptical-multimodefiber-singlemodefibercouplingefficiencyWUShiqi1,LINYixiang1,MURan2,CHENJing2(1.The10thResearchInstituteofCETC,Chengdu610036,China;2.Schoolofelectronicinformation,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)Abstract:Single-modefibercouplingisoneofthekeytechnologiesinspaceopticalcommunicationforpreamplifierandhetero-dynedetection.Multimodefibercanrealizeapproximatelysingle-modetransmissioninashortdistance.Undercertainconditions,multi-modefiberisusedascouplingfiber,whichcantakeintoaccountbothsingle-modeandmulti-modeapplications,improvestheefficiencyofopticalcoupling.Thetransmissioncharacteristicsofmultimodefiberarestudiedbyusingmulti-phasescreenandbeampropagationmethod.Themodecouplingmethodisusedtocalculatethecouplingefficiencybetweenthecoupledlightfieldandthemodefieldofthemultimodefiber.Themodematchingmethodisusedtocalculatethematchingefficiencybetweenthemultimodefibercoupledlightfieldandthefundamentalmodefield.Thesimulationresultsshowthatthevariesperiodical-lywiththelengthofthemultimodefiberwhentheatmosphericturbulenceintensityparameter0=1,5,10,anditspeakvaluecanreach2~3.5timesthepeakvalueofdirectsingle-modefibercouplingefficiency.Whencontrollingthetransmissiondistanceofmultimodefiber,themaximumvaluecanbeobtained,sothatmultimodefibercanbeappliedtosinglemodeapplicationssuchascoherentopticalcommunication.Keywords:spaceoptical-multimodefibercoupling;atmosphereturbulence;couplingefficiency;beampropagationmethod吴世奇1，林贻翔1，牟冉2，陈晶2渊1.中国电子科技集团公司第十研究所袁成都610036曰2.武汉大学电子信息学院袁武汉430072冤摘要院在空间光前置放大和外差探测应用中，单模光纤耦合是空间光通信的关键技术之一。由于多模光纤在短距离内可以实现近似单模传输，在特定条件下采用多模光纤作为耦合光纤，可兼顾单模和多模应用，提高光耦合效率。利用多层相位屏和光束传输法研究多模光纤中的传输特性。采用模式匹配法计算多模光纤耦合光场与基模光场耦合效率。仿真结果表明：大气湍流强度参数/0=1、5、10时，随多模光纤长度呈周期变化，峰值可以达到单模光纤直接耦合值的2~3.5倍；控制多模光纤的传输距离，可以获得最大值，使多模光纤适用于相干光通信等单模应用中。关键词院空间光-多模光纤耦合；大气湍流；耦合效率；光束传输法中图分类号院TN915.62文献标识码院A文章编号院1002-5561渊2019冤01-0032-05DOI院10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.01.008开放科学渊资源服务冤标识码渊OSID冤院0引言为实现空间激光的前置光放大和相干解调袁一般通过空间光与单模光纤的耦合实现选模[1袁2]遥然而袁在空间光到单模光纤的耦合过程中袁由于受到大气湍流效应尧对准误差和光学像差等因素的影响袁导致耦合进入光纤中的能量损耗大袁严重影响通信系统的通信效率和通信链路的可靠性[3袁4]遥国内外相关研究主要围绕大气湍流对单模光纤耦合效率的影响和改善单模光纤耦合效率的方法[5-9]遥通过光束的精密对准可以实现聚焦光斑的准确耦合接收袁但无法解决模式匹配的问题遥采用自适应光学技术可纠正波前畸变袁在中弱湍流情况下可以有效地提高单模光纤耦合效率袁但在中强湍流情况下袁耦合效率改善有限[10-13]遥多模光纤可以提高空间光耦合效率袁但在实际使收稿日期院2018-07-20遥作者简介院吴世奇渊1983-冤袁男袁四川乐山人袁硕士袁高级工程师遥主要研究方向为宽带无线通信系统传输组网技术尧激光/射频混合通信技术和高速信号处理技术曰共计承担国家级尧省部级项目10多项袁获省部级科技进步二等奖1项袁获发明专利授权3项遥引用本文院吴世奇袁林贻翔袁牟冉袁等院空间光-多模光纤的单模耦合效率分析[J].光通信技术袁2019袁43渊1冤院32-36.光纤光栅輧輰訛2019年第1期用中多模光纤需要通过与单模光纤连接袁而模式的不匹配会影响多模光纤与单模光纤之间耦合效率遥为了提高多模光纤到单模光纤的耦合效率袁可以采用自聚焦透镜对从多模光纤出射的光束进行汇聚袁使其半径大小尽量与单模光纤的芯径大小相匹配遥实际上光场注入条件不同袁多模光纤传输模式是可变的袁较大的数值孔径光注入会激发较高阶模式袁单模光纤和多模光纤耦合点位置不同袁耦合效率也会不同遥本文主要讨论经过大气湍流后的聚焦光场在多模光纤中的传输问题遥对多模光纤的剖面尧截面光场进行分析袁计算多模传输光场与单模光场之间耦合效率遥通过最优化袁为多模耦合技术在前置放大尧相干检测中的应用提供依据遥1空间光-多模光纤-单模光纤耦合理论分析空间光-多模光纤-单模光纤接收模型如图1所示袁它是由一段多模光纤无偏心地连接到一段单模光纤上遥受大气湍流影响的空间光耦合进入多模光纤袁在多模光纤中激励起高阶模遥光束在多模光纤传输中周期性形成了具有暗中空三维封闭区域的光束袁即局域空心光束遥多模光纤的输出场作为单模光纤的输入场袁单模光纤只能传输线偏振模LP01基模遥图1中袁表示多模光纤中的纵向位置袁为透镜焦距袁为多模光纤长度曰为经过大气湍流后的入瞳光场曰1为望远镜聚焦光场袁即多模光纤输入光场曰2为多模光纤传输后的光场袁即单模光纤输入光场曰3为单模输出光场遥由于光场受到光波导传输影响袁若采用图1中的单模耦合方法袁数值不能确定遥多模光纤对的影响可以通过数值仿真的方法获取遥大气湍流中光束传输的数值模拟从光场传播方程出发袁标准抛物线型方程为院=222+22蓸蔀+1渊1冤其中袁为电磁场标量场袁1=-1袁大气折射率抑1袁=2仔遥大气湍流对激光传输光束的影响袁其物理本质是湍流引起传输光束波前相位的随机起伏遥将导致相位变化足够小的短距离传输路径上的大气湍流等效为满足湍流统计理论的相位屏的影响和光的真空传播袁湍流效应由一随机相位屏来代替遥在光束传输方向上从-1的平面经过厚度为的大气湍流到达=-1+的平面的解为院(,)抑exp2-1乙22+22蓘蓡伊exp(,)蓘蓡(,-1)渊2冤其中袁为平面极坐标系下的径向坐标袁(,)表示大气湍流引起的相位变化遥经过湍流后的空间光场聚焦到多模光纤时会激发出一系列的高阶模遥用拉盖尔原高斯光束模型表示高阶高斯光束[4]院(,,)=02姨()蓸蔀()222()蓸蔀伊exp-(2++1)()蓘蓡伊exp+-22-22蓸蔀渊3冤其中袁袁=0袁1袁2噎袁为平面极坐标系下的方位坐标袁0为束腰半径袁()为与束腰相距处的光斑半径袁()222()蓸蔀为关联拉盖尔多项式袁为归一化常数袁为光束的曲率半径遥多模光纤纤芯中任意位置处的光场可以表示为不同阶本征模式的叠加院==1移0()exp(),臆渊4冤其中袁表示多模光纤中激励的,模总数袁尧分别表示多模光纤中,的横向和纵向传播常数袁=(212-2)12袁表示不同模式的激励系数袁1是多模光纤纤芯折射率遥因为高斯激光束经过大气湍流后模式会发生畸变袁激光束可以看成多个模式的叠加袁所以多模光纤到单模光纤的耦合效率袁可以通过单模模式和多模模式进行模式匹配算出遥按照模式匹配方法袁经过多模传输后的光场与单模光纤光场的耦合效率可以表示为[5]院图1空间激光到单模光纤耦合示意图吴世奇袁林贻翔袁牟冉袁等院空间光-多模光纤的单模耦合效率分析光纤光栅輧輱訛2019年第1期=掖业掖业=掖乙()*()2业掖A乙()2业渊5冤其中袁为耦合进光纤中的光功率袁为光纤端面上的光功率曰()为多模光纤与单模光纤连接端的入射模场袁()为单模光纤模场分布遥2空间光-多模光纤-单模光纤耦合仿真本文采用多层相位屏法模拟大气湍流对光束传播的影响袁同时假设光束在随机相位屏间进行自由传输袁即可将相位屏对光束产生的相位变化转化为幅度的变化[14袁15]遥假设自由光通信过程是高斯激光束从发射端孔径射出袁传输距离后到达接收端袁通过望远物镜耦合至光纤中遥考虑到匹配单模光纤的数值口径袁望远物镜接收口径为0.15m袁焦距为0.75m遥通过调整传输距离和大气折射率结构常数获得不同湍流强度下的接收光场袁以大气湍流强度参数0的数值作为评判湍流强弱的标准遥多层相位屏法的仿真条件如表1所示遥将受湍流影响的光场经过傅里叶变换袁获得聚焦光场袁以聚焦光场作为多模光纤光波导的输入场遥对光波导的分析有两种方法院解析法和数值方法遥虽然解析法可以计算出精确的数值结果袁但对于复杂结构光波导袁只有少量波导可以通过解析法得到表达式袁因此更多波导分析应用数值法遥本文采用交替方向隐式光束传输法渊ADI-BPM冤来模拟多模光纤中的光传播情况遥ADI-BPM先将三维结构下的差分格式方程分解为两个可用二维结构下的追赶法求解的差分方程袁再依次用追赶法求解[16]遥本文根据商用多模光纤的参数进行建模袁ADI-BPM光波导仿真条件如表2所示遥3仿真结果分析通过ADI-BPM仿真袁典型的弱湍流渊0=1冤多模光纤截面光强分布和剖面光强分布如图2所示遥光场耦合计算主要是对截面进行计算遥图2渊a冤中光纤截面光强呈圆对称分布遥当光场注入至多模光纤中时袁截面光场分布和湍流仿真场近似遥当距离达到200滋m时袁光场出现多环状分布袁光强中心减弱遥当距离达到1000滋m时袁中心能量有所增强袁光场分布仍然呈环状分布遥随着传输距离增加袁截面光场开始呈周期性变化遥在周期中的峰值点袁多模光纤纤芯中心出现较强的光强袁能量有汇聚的趋势遥在周期中的谷值点袁多模参数类型参数值激光参数波长1.55滋m束腰半径0(准直光束)30mm环境参数传输距离3000m内尺度01伊10-3m外尺度010m网格参数网格数量伊256伊256网格间距0.5伊10-3相位屏间距20m湍流功率谱VonKarman谱要表1多层相位屏法仿真条件参数数值入射光场直径10滋m波长1.55滋m光纤折射率分布类型阶跃光纤光纤纤芯直径50滋m光纤纤芯折射率1.462光纤纤包层折射率1.447多模光纤长度5000滋m网格数量伊256伊256表2多模光纤仿真参数图2/0=1时袁不同传输距离的光强分布渊a冤截面渊b冤剖面吴世奇袁林贻翔袁牟冉袁等院空间光-多模光纤的单模耦合效率分析光纤光栅輧輲訛