CN104020526B - 一种支持偏振复用的光纤模式复用及解复用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持偏振复用的光纤模式复用及解复用装置，包括由硅基液晶、法拉第旋光器和偏振分束器构成的可编程光线模式选择性激励与复用系统；可在对偏振复用信号零损伤的条件下，实现光纤模式的高隔离度选择性激励、6个空间和偏振模式的复用及解复用。本发明利用一块硅基液晶同时实现包括偏振态在内的四种偏振和空间模式的选择性激励，与具有偏振复用信号的基模光场同时耦合进少模光纤，从而实现了6个空间和偏振模式的复用。

Description

一种支持偏振复用的光纤模式复用及解复用装置

技术领域

本发明涉及光通信领域，涉及一种支持偏振复用的光纤模式复用及解复用装置。

背景技术

模式复用技术是利用光纤中光场分布的空间维度，利用多种模式分别传输不同信息，从而达到提高光纤通信系统容量的目的；同时由于增大了光纤纤芯的有效面积，一定程度上减弱了光纤非线性对光信号的损伤，而限制这一技术发展的关键在于精确的模式选择性激励与耦合方案。

经过文献调研和专利检索，目前文献中提到的基于液晶的模式复用装置复用的模式少，液晶利用效率不高，系统过于复杂；目前还没有提出液晶利用效率高、复用模式数目多(>4)的模式复用/解复用器的专利。文献中提到的其他模式激励方案，如基于长周期光纤光栅的模式激励、基于偏心注入的模式激励等，总是受限于模式选择性激励的精确度、灵活度、工作波长范围和可实现程度。

现有技术中提出了一种基于多模干涉(MMI)的模式激励与耦合方案，其利用“单模光纤-多模光纤-单模光纤”的连接而产生的多模干涉来实现模式激励，这种方案的问题在于所能激励的模式只能是一些低阶模，而且受限于工作的波长，同时所激励模式的精确度受到环境因素的影响，实用性不强。还提出了多芯光纤到少模光纤的模式耦合方案，这种方法虽然是全光纤结构，但插入损耗大，模间干涉和模间串扰大，而且不适用于激励模场分布较为复杂的模式，也不适用于模场分布为圆环形的模式，如LP_0m模式。此外，还有文献提到利用长周期光纤光栅的方法来实现模式的选择性激励，这种方法的缺点是光栅刻写复杂，受温度影响较大，而且工作波长的动态范围很窄，这对于波分复用和模分复用相结合的场合不适用。

本发明方案中的硅基液晶是偏振敏感器件，本发明的结构设计能实现偏振复用和模式复用的结合，而且对偏振复用信号的损伤小，所需要的液晶数量和法拉第旋光器数量少，复用的模式数量多(6个空间和偏振模式)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种支持偏振复用的光纤模式复用及解复用装置，可在对偏振复用信号零损伤的条件下，实现光纤模式的高隔离度选择性激励、6个空间和偏振模式的复用及解复用。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种支持偏振复用的光纤模式复用及解复用装置， 包括由硅基液晶、法拉第旋光器和偏振分束器构成的可编程光线模式选择性激励与复用系统；

该系统的第一、第二保偏光纤分别发出第一、第二携带偏振复用信息的光，第一、第二携带偏振复用信息的光分别经过第一、第二准直透镜组实现准直后，通过第一、第二直角棱镜将第一、第二携带偏振复用信息的光的光路转折，将两路携带偏振复用信息的光控制于同一竖直平面内形成准直光束；

准直光束经过偏振分束器，形成第一、第二正交偏振态的光束，第一正交偏振态的光束依次通过第三、第四直角棱镜平行的移动光束路线后，第一正交偏振态的光束通过法拉第旋光器以及第一二分之一波片调整偏振方向后，进入硅基液晶右端；第二正交偏振态的光束通过第二二分之一波片调整偏振方向后，通过第五直角棱镜转折所述第二正交偏振态的光束，所述第二正交偏振态的光束通过所述法拉第旋光器以及第一二分之一波片调整偏振方向后，进入硅基液晶左端；硅基液晶的左右两端分别对两个正交偏振态的光束进行调制；

调制后的两路正交偏振态的光束，再由原路返回至偏振分束器进行合束形成调制光束；第三保偏光纤发出基模光束，基模光束经过第三准直透镜组实现准直；调制光束与基模光束通过合束器进行合束形成复用光束，复用光束通过第四准直透镜组进入少模光纤。

本发明进一步限定的技术方案是：

所有准直透镜组均由两个型号不同的双凸球面透镜组成。

硅基液晶进行模式转换时，通过控制液晶像素的电压调整相位调制模板。

通过法拉第旋光器和硅基液晶组合对所述第一、第二正交偏振态的光束进行空间光调制。

本发明的有益效果是：

本发明利用一块硅基液晶同时实现包括偏振态在内的四种偏振和空间模式的选择性激励，与具有偏振复用信号的基模光场同时耦合尽少模光纤，从而实现了6个空间和偏振模式的复用。

本发明的器件进行光的逆向传输，可以实现模式的解复用。

本发明复用的模式数目多，节约成本，集成度高，体积小；由于利用的是硅基液晶对光场进行相位调制，不改变光场的偏振特性，故激励的高阶光场模式隔离度很高，而且由于液晶每个像素的电压可以通过编程进行控制，故可以实现任意高阶模式的激励；同时，通过偏振分束器(PBS)对光的偏振态进行分离，可以对正交的两路线偏振光分别进行模式转换，使 得两个偏振态的光可以进行独立的模式转换，从而可以与通信系统中的偏振复用技术相容，即同时实现了偏振复用和模式复用功能。另一方面，本发明的扩展性强，可以增加液晶和合束器的数目来增加激励与耦合的模式数目(在一定的插入损耗容限内)。

综上所述，本发明具有复用模式数目多、集成度高、模式隔离度高、耦合插入损耗低、稳定性强等优点；同时，本发明还具有激励模式灵活可调、工作波长带宽较大、可扩展性强等特点。

附图说明

附图1为本发明提供的模式选择性激励与复用方案的系统框图。

附图2为本发明提供的偏振分束器对入射光的偏振态分离框图。

附图标记：1-第一保偏光纤、2-第一准直透镜组、3-少模光纤、4-第一直角棱镜、5-第二直角棱镜、6-第二准直透镜组、7-第三保偏光纤、8-第二保偏光纤、9-第五直角棱镜、10-第二二分之一波片、11-偏振分束器、12-合束器、13-聚焦透镜组、14-硅基液晶、15-第四直角棱镜、16-第三直角棱镜、17-法拉第旋光器、18-第一二分之一波片、19-第三准直透镜组。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供的一种支持偏振复用的光纤模式复用及解复用装置，结构如图1所示，包括由硅基液晶、法拉第旋光器和偏振分束器构成的可编程光线模式选择性激励与复用系统；

该系统的第一、第二保偏光纤分别发出第一、第二携带偏振复用信息的光，第一、第二携带偏振复用信息的光分别经过第一、第二准直透镜组实现准直后，可以扩大模场有效面积，便于进行空间光调制，同时减小光束的发散程度；通过第一、第二直角棱镜将第一、第二携带偏振复用信息的光的光路转折，将两路携带偏振复用信息的光控制于同一竖直平面内形成准直光束；

准直光束经过偏振分束器，形成第一、第二正交偏振态的光束，第一正交偏振态的光束依次通过第三、第四直角棱镜平行的移动光束路线后，第一正交偏振态的光束通过法拉第旋光器以及第一二分之一波片调整偏振方向后，进入硅基液晶右端；第二正交偏振态的光束通过第二二分之一波片调整偏振方向后，通过第五直角棱镜转折所述第二正交偏振态的光束，所述第二正交偏振态的光束通过所述法拉第旋光器以及第一二分之一波片调整偏振方向后，进入硅基液晶左端；硅基液晶的左右两端分别对两个正交偏振态的光束进行调制；通过法拉 第旋光器和硅基液晶组合对所述第一、第二正交偏振态的光束进行空间光调制，实现光场模式的选择性转换，激励出理想的高阶模式；其中硅基液晶进行模式转换时，通过控制液晶像素的电压调整相位调制模板，可以对光场进行相位调制，从而达到模式转换的目的。

调制后的两路正交偏振态的光束，再由原路返回至偏振分束器进行合束形成调制光束；第三保偏光纤发出基模光束，基模光束经过第三准直透镜组实现准直；调制光束与基模光束通过合束器进行合束形成复用光束，复用光束通过聚焦透镜组进入少模光纤。

所有准直透镜组均由两个型号不同的双凸球面透镜组成。聚焦透镜组由两个型号不同的双凸球面透镜组成。

本实施例的工作原理如下：

保偏光纤的输出光束仍为高斯光束，束腰w_s可以定义为

w_s＝a_s(0.65+1.619V_s ^-1.5+2.879V_s ^-6) (1)

其中a_s和V_s分别为保偏光纤的半径和V-数。可以利用光线矩阵方法分析高斯光束的准直效果，令q₀为保偏光纤输出端面的参数，则q₀的表达式如式(2)所示。

$q_0=0-i\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{w}_s^2}---\left(2\right)$

其中λ为激光波长。经过l₁距离传输到达第一准直透镜组第一块透镜前表面，其q参数为

$q_1=q_0+l_1=l_1-\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{w}_s^2}---\left(3\right)$

经过两块准直透镜，在第一准直透镜组第二块透镜后表面的q参数为

$q_2=\frac{{\mathrm{Aq}}_1+B}{{\mathrm{Cq}}_1+D}---\left(4\right)$

其中

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1-\frac{h_{22}}{f_2}& d_2\frac{1}{n}\\ -\frac{1}{f_2}& 1-\frac{h_{21}}{f_2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& l_2\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1-\frac{h_{12}}{f_1}& d_1\frac{1}{n}\\ -\frac{1}{f_1}& 1-\frac{h_{11}}{f_1}\end{array}\right]---\left(5\right)$

为两块透镜和其之间的光线传输矩阵，A、B、C、D为传输矩阵的四个元素，f₁和f₂分别为两块准直透镜的焦距，d₁和d₂为透镜的厚度，h₁₁和h₂₁为物方主面到透镜左顶点的距离，h₁₂和 h₂₂为像方主面到透镜右顶点的距离，l₂为两块透镜之间距离。此时光束束腰大小w₂为

$w_2=\frac{\sqrt{\mathrm{\λ}/\mathrm{\π}}}{\sqrt{\left|\mathrm{Im}(-1/q_2)\right|}}---\left(6\right)$

准直光束通过偏振分束器(PBS)的1号端口，将两个正交偏振态的激光分开，水平方向偏振的光从端口3透射(第二正交偏振态的光束)，垂直方向偏振的光经过PBS发生反射从端口2出射(第一正交偏振态的光束)；第一正交偏振态的光束经过第三、第四直角棱镜改变传输方向；第二正交偏振态的光束经过半波片使得偏振方向旋转90°，再经过直角棱镜改变传输方向；两束光同时经过法拉第旋光器是偏振方向旋转45°，然后经过半波片调整偏振方向使之与硅基液晶所要求的偏振方向一致；

硅基液晶表面和第一准直透镜组的第二块透镜后表面的光线距离为l₃，则传输到达硅基液晶表面的光场(光束1)参数^q ₃为

$q_3=q_2+l_3=l_3+\frac{{\mathrm{Aq}}_2+B}{{\mathrm{Cq}}_2+D}---\left(6\right)$

此时光斑尺寸w₃为

$w_3=\frac{\sqrt{\mathrm{\λ}/\mathrm{\π}}}{\sqrt{\left|\mathrm{Im}(-1/q_3)\right|}}---\left(7\right)$

设硅基液晶的透过率函数为t(ξ,η)，则在距离硅基液晶为z处的光场(反射回来的光场)可以认为是硅基液晶处光场的菲涅尔近似，

$\begin{array}{c}E(x,y)=\frac{\exp \left(\mathrm{jkz}\right)}{\mathrm{j\λz}}\underset{\mathrm{\Σ}}{\∫\∫}E(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\×t(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\×\exp (-\frac{{\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2}{2w_2^2})\\ \×\exp \left[\frac{\mathrm{jk}}{2z}({\mathrm{\ξ}}^2+{\mathrm{\η}}^2)\right]\×\exp \left[\frac{-\mathrm{jk}}{z}(\mathrm{x\ξ}+\mathrm{y\η})\right]\mathrm{d\ξd\η}\end{array}---\left(8\right)$

其中ξ、η为硅基液晶表面的点的坐标，x、y为观察平面(距离硅基液晶为z处的与光路垂直的平面)上点的坐标，E(ξ,η)为硅基液晶表面的光的电场分布，E(x,y)为观察平面上的光的电场分布；k为波数，其定义为

$k=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}---\left(9\right)$

相应的光强分布为|E(x,y)|²，而聚焦透镜组不会改变光场的形状和相位分布，故只需硅基液晶处实现很好的模式转换即可。光束经过硅基液晶并反射，实现了相位调制，从而达到 光场模式转换的目的，激励出理想的高阶模式，并反向通过半波片，光束的偏振方向恢复到入射时的状态；进而反向通过法拉第旋光器使偏振方向继续旋转90°。第一正交偏振态的光束的变化与第二正交偏振态的光束类似，区别在于两束光作用于硅基液晶的下半侧的两个部分，如附图2所示的光场1和光场2。

达到PBS5的两束光的偏振态已经发生了90°的改变，第一正交偏振态的光束垂直方向偏振，发生反射，第二正交偏振态的光束水平方向偏振，发生透射，从而实现了从PBS的第四个端口合束输出；

来自于第二保偏光纤的光场模式变换过程和第一保偏光纤的过程基本一致，区别在于入射到硅基液晶表面的位置在竖直方向上有3.5mm偏移，如附图2所示的光场3和光场4，而且所用的相位掩膜板不同。

从第三保偏光纤出射的基模光场经过第三准直透镜组准直，经过合束器与前面的高阶模式的光合束，并经聚焦透镜组聚焦，复用进少模光纤。

进一步的，如果需要改变激励的高阶模式，可以通过加载相应的相位掩膜板来改变硅基液晶像素点的控制电压，改变相应的相位延时来实现。

根据式(8)，设计合适的液晶透过率函数t(ξ,η)，即可实现模式从基模向任意的高阶模式进行转换。

由于液晶的尺寸不大，需要同时对四个光斑起作用，而且为了提高模式变换的精确度，应尽可能多地利用液晶像素数目，所以器件需要精确调节。另一方面，在竖直方向分离的光场只通过双凸球面聚焦透镜组实现聚焦合束，在向少模光纤耦合式会产生一定的插入损耗，需要通过精细调节来减小。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种支持偏振复用的光纤模式复用及解复用装置，包括由硅基液晶、法拉第旋光器和偏振分束器构成的可编程光线模式选择性激励与复用系统；

该系统的第一、第二保偏光纤分别发出第一、第二携带偏振复用信息的光，所述第一、第二携带偏振复用信息的光分别经过第一、第二准直透镜组实现准直后，通过第一、第二直角棱镜将所述第一、第二携带偏振复用信息的光的光路转折，将两路携带偏振复用信息的光控制于同一竖直平面内形成准直光束；

所述准直光束经过偏振分束器，形成第一、第二正交偏振态的光束，所述第一正交偏振态的光束依次通过第三、第四直角棱镜平行的移动光束路线后，所述第一正交偏振态的光束通过所述法拉第旋光器以及第一二分之一 波片调整偏振方向后，进入硅基液晶右端；其特征在于：

所述第二正交偏振态的光束通过第二二分之一 波片调整偏振方向后，通过第五直角棱镜转折所述第二正交偏振态的光束，所述第二正交偏振态的光束通过所述法拉第旋光器以及第一二分之一 波片调整偏振方向后，进入所述硅基液晶左端；所述硅基液晶的左右两端分别对两个正交偏振态的光束进行调制；

所述调制后的两路正交偏振态的光束，再由原路返回至偏振分束器进行合束形成调制光束；第三保偏光纤发出基模光束，所述基模光束经过第三准直透镜组实现准直；所述调制光束 与所述基模光束通过合束器进行合束形成复用光束，所述复用光束通过聚焦透镜组进入少模光纤。

2.根据权利要求1中所述的支持偏振复用的光纤模式复用及解复用装置，其特征在于：所有所述准直透镜组均由两个型号不同的双凸球面透镜组成。

3.根据权利要求1中所述的支持偏振复用的光纤模式复用及解复用装置，其特征在于：所述硅基液晶进行模式转换时，通过控制液晶像素的电压调整相位调制模板。

4.根据权利要求1中所述的支持偏振复用的光纤模式复用及解复用装置，其特征在于：通过所述法拉第旋光器和所述硅基液晶组合对所述第一、第二正交偏振态的光束进行空间光调制。

5.根据权利要求1中所述的支持偏振复用的光纤模式复用及解复用装置，其特征在于：所述聚焦透镜组由两个型号不同的双凸球面透镜组成。