基于多芯光纤的光传输结构及具有该结构的装置 技术领域 本发明涉及通信技术领域， 更为具体地， 涉及一种基于多芯光纤的多路并行光传 输结构， 以及具有该光传输结构的装置， 比如激光器和传感器。
背景技术 根据光纤传播模式的特征， 可以将光纤分为单模光纤和多模光纤两类。单模光纤 只允许按一个本征模式传播， 而多模光纤则可传输数以百计的模式。
所谓的 SMS(Single mode-Multimode-Single mode) 光传输结构是指分别将一段 单模光纤、 多模光纤、 单模光纤级联起来， 形成一个多路并行反馈光纤结构， 如图 1 所示。该 光传输结构的特点是 ： 当输入光从单模光纤耦合进多模光纤时， 会激发起各种不同的模式， 从而提供了多条光传输路径， 由此当光从多模光纤再次耦合进单模光纤时， 不同模式汇聚 成单模光纤的基模来继续进行传播。根据不同光路传播常数之间的关系， 通过计算不同模 式的群速度与相位差， 可以得到不同谐振情况的光反馈结构。假设多模光纤的归一化频率 为 V(V 是多模光纤基本参数， 其与多模光纤折射率和芯径有关 )， 则对于渐变型折射率多模
光纤， 其传播模式总数为
对于阶跃型折射率多模光纤， 其传播模式总数为如果将多段多模光纤级联， 那么光传输路径将以指数增加。如图 2 所示， 假设多模 光纤能传播的模式数为 n， 多模光纤级联的段数为 m， 则整个反馈结构能够提供的光路数目 m 为N＝n， 也就是说， 用于传输的光路数目将以指数形式迅速增加。这样， 将m段 “单模光 m 纤 - 多模光纤 - 单模光纤” 结构级联起来时， 独立的通路数为 n 个， 会随着级联段数急剧增 m 加。若将该级联结构环起来形成环形谐振腔， 将产生 n 个独立谐振回路。若将该级联结构 两端加上反射镜， 即形成线腔激光器结构， 将产生 nm*nm ＝ n2m 个独立谐振回路。 当谐振腔中 存在增益介质， 形成激光器时， 所产生激光需要同时满足所有谐振腔的限制条件， 从而所获 得的激光具有极窄的线宽。因此， 利用上述光传输结构， 在实际应用中， 可以减小激光器线 宽， 并且作为光源， 可以提高陀螺传感器的精度。
虽然上述光传输结构能够提供数目巨大的反馈光路， 用途广泛。但是仍存在下述 缺点 ：
(1) 单模光纤和多模光纤耦合时， 功率损耗较大 ；
(2) 当光从单模光纤进入多模光纤时， 激发起的各种模式从低阶到高阶能量递减， 低阶的几个模式将占到整个耦合功率的 99％以上， 这样就减弱了高阶模式对光路的作用 ； 以及
(3) 不同模式之间传播常数差很小， 而且容易受到环境因素影响。 发明内容 鉴于上述问题， 本发明提供了一种基于多芯光纤的多路并行光传输结构， 利用上 述光传输结构， 可以减少光纤耦合时的功率损耗， 以及减弱高阶模式对光路的影响。
根据本发明的一个方面， 提供了一种基于多芯光纤的多路并行光传输结构， 包括 多段单 / 多模光纤以及多段多芯光纤， 其中， 所述多段单 / 多模光纤和所述多段多芯光纤按 照交替的方式连接。
此外， 所述单 / 多模光纤的包层直径与所述多芯光纤的包层直径相同。
优选地， 所述单 / 多模光纤以及多芯光纤的包层直径为 125μm。
此外， 所述多芯光纤的纤芯个数、 纤芯的折射率、 纤芯直径、 纤芯间距、 纤芯形状以 及纤芯的放置位置根据需要设定。
根据本发明的另一方面， 提供了一种基于并行反馈的激光器， 包括如上所述的多 路并行光传输结构。
根据本发明的另一方面， 提供了一种传感器， 包括如上所述的多路并行光传输结 构。
为了实现上述以及相关目的， 本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在 权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。 然而， 这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。 此外， 本发明 旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。 本发明的积极效果为 ：
利用本发明的基于基于多芯光纤的多路并行光传输结构， 利用上述光传输结构， 可以减少光纤耦合时的功率损耗， 以及减弱高阶模式对光路的影响。
附图说明 通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容， 并且随着对本发明的更全面 理解， 本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中 ：
图 1 示出了常规的 SMS 光传输结构 ；
图 2 示出了常规的单模光纤和多模光纤级联结构示意图 ；
图 3 示出了包含 7 芯单模光纤的多芯光纤的示意图 ；
图 4A 和 4B 示出了包含 19 芯单模光纤的多芯光纤的折射率分布图和尺寸图 ；
图 5 示出了根据本发明的基于多芯光纤的光传输结构示意图 ；
图 6 示出了具有根据本发明的基于多芯光传输结构的激光器的方框示意图 ； 和
图 7 示出了具有根据本发明的基于多芯光传输结构的传感器的方框示意图。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中， 出于说明的目的， 为了提供对一个或多个实施例的全面理解， 阐 述了许多具体细节。然而， 很明显， 也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。 在其它例子中， 为了便于描述一个或多个实施例， 公知的结构和设备以方框图的形式示出。
下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。
图 3 示出了一种多芯光纤的结构示意图。如图 3 所示， 该多芯光纤通过将七个不 同折射率的单模光纤纤芯对称均匀地嵌在光纤包层之中而形成， 优选地， 所述七个单模光 纤纤芯中的一个放置在中心， 其余六个按照正六边形布置。在图 3 中示出的多芯光纤中，单模光纤的纤芯直径为 9μm， 单模光纤之间的纤芯间距为 18μm， 单模纤芯到包层边缘的 距离为 31μm。由此， 可以计算出图 3 中示出的多芯光纤的包层直径为 31*2+18*2+9*3 ＝ 125μm， 这与通常使用的单模光纤和多模光纤的直径相同。
在图 3 中示出的多芯光纤中， n0 为包层折射率， 7 个纤芯折射率大小关系为 ： n1 ＞ n2 ＞ n3 ＞ n4 ＞ n5 ＞ n6 ＞ n7， 而且折射率大小相对分散排列。这是因为在对最后的输出端 的光进行干涉叠加时， 由于临近纤芯回路的折射率差别较大， 积累的相位差相对较大， 干涉 叠加效果更好。作为示例， 表 1 示出了在图 3 中示出的多芯光纤中的各个纤芯的折射率， 其 是线性等距变化的。
纤芯 折射率
n1 1.4446 n2 1.4421 n3 1.4396 n4 1.4371 n5 1.4346 n6 1.4321 n7 1.4296 n0 1.4271表 1 多芯光纤中的各个纤芯的折射率分布
这里要说明的是， 图 3 中示出的多芯光纤仅仅是一个示例。在替换实例中， 所述多 芯光纤的纤芯个数、 纤芯的折射率、 纤芯直径、 纤芯间距、 纤芯形状以及纤芯的放置位置可 以根据需要进行设定。图 4A 和 4B 示出了包含有 19 芯单模光纤的多芯光纤， 图 4A 示出了 该多芯光纤的折射率分布图， 以及图 4B 示出了该多芯光纤中的 19 个单模光纤的尺寸图。 如图 4A 中所示， 19 个单模光纤对称地嵌入。n0 为包层折射率， 19 个纤芯折射率大 小关系为 ： n1 ＞ n2 ＞ n3 ＞ n4……＞ n17 ＞ n18 ＞ n19， 而且折射率大小相对分散排列。作为示 例， 表 2 示出了在图 3 中示出的多芯光纤中的各个纤芯的折射率， 其是线性等距变化的。
纤芯 折射率 纤芯 折射率 纤芯 折射率
n1 1.4446 n8 1.438153 n15 1.431706 n2 1.443679 n9 1.437232 n16 1.430785 n3 1.442758 n10 1.436311 n17 1.429864 n4 1.441837 n11 1.43539 n18 1.428943 n5 1.440916 n12 1.434469 n19 1.428022 n6 1.439995 n13 1.433548 n0 1.4271 n7 1.439074 n14 1.432627表 2 多芯光纤中的各个纤芯的折射率分布
如图 4B 所示， 单模纤芯为 82， 间距满足 ： 10.5*2+16*4+8*5 ＝ 125um。虚线圆直径 为： 16*4+8*5 ＝ 104 ＜ 105， 即所有纤芯范围在最大的多模光纤纤芯直径 105um 以内， 便于 连接耦合。
图 5 示出了根据本发明的基于多芯光纤的光传输结构 500 的示意图。 如图 5 所示， 所述光传输结构 500 包括多段单 / 多模光纤 510 以及多段多芯光纤 520。 所述多芯光纤 520
例如可以是图 3 或图 4A、 4B 中示出的多芯光纤。此外， 所述多芯光纤 520 的纤芯个数、 纤芯 的折射率、 纤芯直径、 纤芯间距、 纤芯形状以及纤芯的放置位置可以根据需要进行设定。
在图 5 中示出的光传输结构 500 中， 所述多段单 / 多模光纤 510 和所述多段多芯 光纤 520 按照交替的方式连接。此外， 所述单 / 多模光纤的包层直径与所述多芯光纤的包 层直径相同。优选地， 所述单 / 多模光纤以及多芯光纤的包层直径可以为 125μm。
在上述的光传输结构 500 中， 在进行多芯光纤级联时， 可以通过单模光纤进行过 渡， 也可以通过多模光纤进行过渡。也就是说， 可以将单模光纤与多芯光纤交替级联， 也可 以将多模光纤与多芯光纤交替级联。或者， 可以利用单模光纤和多模光纤两者的组合来与 多芯光纤交替级联。如上所述， 在制作多芯光纤时， 通过选择多芯光纤的纤芯个数、 纤芯直 径、 纤芯间距、 纤芯形状以及纤芯的放置位置， 可以使得单 / 多模光纤和多芯光纤的纤芯位 置平等， 从而可以降低功率耦合损耗。例如， 所述纤芯的放置位置例如为圆环形或等距形 等。所述纤芯直径例如为 4um 到 10um。所述纤芯之间的间距被选择为使得多芯光纤的包层 直径与所述常用单模光纤或多模光纤的包层直径相同。 所述纤芯形状例如为圆形、 矩形、 多 边形等。
此外， 在上述光传输结构 500 中， 由于不同纤芯位置平等， 从而使得耦合能量分配 比较平均。 在这种情况下， 可以通过设置多芯光纤中的各个纤芯的折射率， 使得光在多芯光 纤中的传播模式、 传播常数变为固定， 由此使得光路设计计算变得更加容易。 此外， 不同纤芯折射率差、 折射率分布可以按照设计要求预先设定， 并且不同纤芯 传播模式之间由包层隔离， 从而模式之间耦合较小， 而且传播常数受环境因素影响同步。
利用上述基于单 / 多模光纤和多芯光纤构成的光传输结构， 在单模光纤与多芯光 纤耦合时， 功率损耗较小。在多模光纤中， 从低阶到高阶模式， 模场分布不同。而单模和多 芯光纤中， 传播的都是基模。 由于发明中的定制的多芯光纤尺寸与单模光纤匹配， 模式耦合 效率高。
此外， 在多芯光纤中， 纤芯一般对称地分布于横截面中， 每一路纤芯中都可以以基 模传播， 能量分布均匀， 从而可以更好地实现并行传输。
例外， 在上述光传输结构中， 对于多芯光纤， 可以根据具体需要设定不同的纤芯折 射率、 折射率差， 从而可以实现理想的传输效果。而且， 纤芯之间利用包层隔离， 模间耦合、 干扰较小， 所以光路能够较为稳定传输。
根据本发明的光传输结构可以应用于激光器和传感器中。图 6 示出了具有根据本 发明的光传输结构的激光器 600。图 7 示出了具有根据本发明的光传输结构的传感器 700， 所述传感器 700 例如是陀螺仪。
尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例， 但是应当注意， 在不背离权 利要求限定的本发明的范围的前提下， 可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实 施例的方法权利要求的功能、 步骤和 / 或动作不需以任何特定顺序执行。此外， 尽管本发明 的元素可以以个体形式描述或要求， 但是也可以设想多个， 除非明确限制为单数。
尽管已经结合详细示出并描述的优选实施例公开了本发明， 但是本领域技术人员 应当理解， 对于上述本发明所提出的基于正交测量的真值估计方法及装置， 还可以在不脱 离本发明内容的基础上做出各种改进。因此， 本发明的保护范围应当由所附的权利要求书 的内容确定。