CN105158850A - 一种马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光通信领域，设计一种马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器及实现方法，包括马赫曾德干涉仪结构和电光相位调制电极。本发明主要是基于电光效应和干涉原理，通过控制施加在电光相位调制电极上电压，改变两干涉臂上光波的相位关系，实现两种模式之间的相互转换。本发明模式转换速度快，工作带宽较宽，具有实际的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域，特别是涉及一种模式转换速度快、波长范围宽的马赫曾德尔干涉仪结构的新型电光模式转换器及其实现方法。
背景技术
随着互联网、移动互联网等业务的迅猛增长，未来的通信网络需要不断提高传输容量以满足人们日益增长的对信息的需求。随着密集波分复用(DenseWavelengthDivisionMultiplex,DWDM)、偏振态复用(PolarizationDivisionMultiplex,PDM)以及正交频分复用(OpticalFrequencyDivisionMultiplex,OFDM)等技术的应用，基于单模光纤的光通信系统传输容量已经接近非线性光纤的香农极限，光通信系统将面临“带宽瓶颈”。空分复用技术(SpaceDivisionMultiplex,SDM)为解决“带宽瓶颈”提供了解决方案，成为了近年来研究的热点。空分复用技术主要分为基于多芯光纤的复用技术(Multi-CoreFiberMultiplex,MCFM)和模分复用技术(ModeDivisionMultiplex,MDM)。多芯光纤复用技术虽然可以大幅度的提高通信系统的容量，但光纤不易拉制，相关器件的制作难度较大。模分复用技术又分为多模光纤复用技术、模式群分复用技术以及少模光纤复用技术。其中多模光纤由于光纤支持的模式较多，模式的激发、转换和色散等难以控制，复用难度较大；模式群分复用技术(ModeGroupDiversityMultiplex,MGDM)将多模光纤中有效传播常数相近的模式群作为一个独立信道进行复用，不适合长距离大容量的传输，更适用于接入网；而基于少模光纤(FewModesFiber,FMF)的模分复用技术，由于光纤支持有限数量的模式，较容易控制模式的激发、转换、均衡放大和色散等，是提高通信系统传输容量的重要技术方案。
模式转换技术是实现模分复用系统的关键技术之一，已经有多种实现方案被提出。根据其模式转换的实现方式，可以分为空间光路型和光纤波导型等方案。空间光路型的模式转换的实现方式包括相位匹配法(PhaseMatchingMethod,PMM)、空间光调制器(SpatialLightModulator,SLM)，点阵耦合法(Spot-BasedModeCoupler,SBMC)等，基于光纤和平面光波导的模式转换器包括光纤定向耦合器、长周期光纤光栅，非对称光波导耦合器，非对称波导Y分支等，这些器件和现有的光纤通信系统的兼容性较好，但是由于材料的限制，只能提供固定的模式转换，不具备可重构特性，而器件的可重构特性是满足未来智能网络需求的重要性质。目前已报道的可重构模式转换器包括超声波驱动的可调谐模式转换器、电光效应引入的长周期波导光栅模式转换器、基于聚合物材料的非对称马赫曾德尔干涉结构的热光模式转换器等，这些器件存在着稳定性不足、结构复杂、转换速度较慢以及工作波长范围不足等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种模式转换速度快和工作波长范围宽的新型电光模式转换器。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器，用于实现模分复用光纤通信系统中的模式复用和解复用，其特征在于，包括：马赫曾德尔干涉仪结构和电光相位调制电极。
进一步，所述马赫曾德尔干涉仪结构，包括：输入波导、两干涉臂和输出波导，所述两干涉臂为对称结构，所述输入波导和两干涉臂的一端通过第一个Y分支波导连接，所述输出波导和两干涉臂的另一端通过第二个Y分支波导连接。
进一步，所述输入波导和输出波导均为双模波导，用于接收和激发少模光纤中的LP01模式的光波和LP11模式的光波，光纤中的LP01模式的光波在输入波导中主要激发产生基模，LP11模式的光波在输入波导中主要激发产生一阶模；输出波导中的基模激发产生少模光纤的LP01模式，输出波导中的一阶模激发产生少模光纤的LP11模式。
进一步，所述两干涉臂为单模波导。
进一步，所述第一个Y分支波导和第二个Y分支波导均为单模波导。
进一步，所述电光相位调制电极为推挽式结构，用于改变干涉仪两干涉臂中传输光波的相位，结合干涉的作用实现模式转换，将两干涉臂中间部分的电极作为共用电极，可以最大效率的利用材料的电光效应。
本发明还涉及一种马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器的实现方法，具体为：输入波导中的基模在第一个Y分支波导处激发产生两束相位相同的基模光波并在两干涉臂中传输，输入波导中的一阶模在第一个Y分支波导处激发产生两束相位相差π的基模光波并在两干涉臂中传输；当来自两干涉臂的两束光波在第二个Y分支波导处合为一束时，来自两干涉臂的两束光波在输出波导中都将激发产生基模和一阶模光波并发生干涉；若来自两干涉臂中的两束光波相位相同，则输出波导中的基模干涉相长，一阶模干涉相消，输出波导实现基模输出；若来自两干涉臂中的两束光波相位相差π，则输出波导中的基模干涉相消，一阶模干涉相长，输出波导实现一阶模输出。
进一步，马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器的实现是基于X切铌酸锂材质的电光效应来实现的。
进一步，马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器的实现是基于Z切铌酸锂材质的电光效应来实现的。
进一步，马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器的实现是基于电光聚合物材质的电光效应来实现的。
本发明的有益效果如下：本发明所提供的马赫曾德尔干涉仪结构的新型电光模式转换器，结合材料的电光效应和干涉原理，构造了一种新型电光模式转换器，该结构利用电光效应来实现模式转换，具有较快的转换速度和较宽的工作波长范围。
附图说明
图1为本发明基于X切铌酸锂材质实现的马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器的基本结构图。
图2为本发明基于X切铌酸锂材质实现的马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器的横切面图。
图3为本发明在施加不同驱动电压条件下，基于X切铌酸锂材质实现的马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器输出波导中基模光波的传输谱。
图4为本发明基于Z切铌酸锂材质实现的马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器的基本结构图。
图5为本发明基于电光聚合物材质实现的马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器的基本结构图。
附图标记说明：1为输入波导，2为两干涉臂，3为输出波导，4为电光相位调制电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器及其实现方法作进一步的说明。
马赫曾德尔干涉仪结构包括：输入波导、两干涉臂和输出波导。输入波导和输出波导均为双模波导；输入波导和输出波导支持两个模式，光纤中的LP01模式的光波在输入波导中主要激发产生基模，LP11模式的光波在输入波导中主要激发产生一阶模；两干涉臂为单模波导；两干涉臂为对称结构，输入波导和两干涉臂的一端通过第一个Y分支波导连接，输出波导和两干涉臂的另一端通过第二个Y分支波导连接，两个Y分支波导均为单模波导。电光相位调制电极为推挽式结构，将两干涉臂中间部分的电极作为共用电极，可以最大效率的利用材料的电光效应。
若输入波导仅存在基模光波，在干涉仪第一个Y分支波导处，激发产生相位相同的两束基模光波并在两干涉臂中传输。若电光相位调制电极上不施加电压，由于两干涉臂为对称结构，因此两干涉臂中传输的两束光波的相位保持同相，两干涉臂传来的两束光波合为一束并在输出波导中分别激发产生基模和一阶模并发生干涉，其中基模干涉相长，一阶模干涉相消，输出波导中仅存在基模；若在电光相位调制电极上施加电压，利用电光效应在两干涉臂中传输的两束基模的光波之间引入值为π的相位差，则两束光波合为一束在输出波导中激发产生基模和一阶模并发生干涉，其中基模干涉相消，一阶模干涉相长，输出波导中仅存在一阶模。
若输入波导仅存在一阶模光波，在干涉仪的第一个Y分支波导处，激发产生相位差为π的两束基模光波并在两干涉臂中传输。若电光相位调制电极上不施加电压，则两干涉臂上传输的两束光波之间的相位差保持不变，在输出波导中，由于干涉效应，仅存在一阶模；若在电光相位调制电极施加电压，将两干涉臂上传输的两束光波的相位关系调整为同相，则在输出波导中仅存在基模。通过在控制施加在电光相位调制电极上的电压，实现了模式转换。
实施例1
图1为基于X切铌酸锂材质实现的马赫曾德尔干涉仪结构的新型电光模式转换器的基本结构图。主要包括输入波导1、两干涉臂2、输出波导3以及电光相位调制电极4。
输入波导1和输出波导3均为双模波导；输入波导1和输出波导3支持两个模式，光纤中的LP01模式的光波在输入波导1中主要激发产生基模，LP11模式的光波在输入波导1中主要激发产生一阶模。两干涉臂2为单模波导；两干涉臂2为对称结构，输入波导1和两干涉臂2的一端通过第一个Y分支波导连接，输出波导3和两干涉臂2的另一端通过第二个Y分支波导连接，两个Y分支波导均为单模波导。输出波导3中的基模激发产生少模光纤的LP01模式，输出波导3中的一阶模激发产生少模光纤中的LP11模式。电光相位调制电极4为推挽式结构，将两干涉臂2中间部分的电极作为共用电极，可以最大效率的利用材料的电光效应。
图2为基于X切铌酸锂材质实现的马赫曾德尔干涉仪结构的新型电光模式转换器的横切面图。
若输入波导1仅存在基模光波，在干涉仪第一个Y分支波导处，激发产生相位相同的两束基模光波并在两干涉臂2中传输。若电光相位调制电极上不施加电压，由于两干涉臂2为对称结构，因此两干涉臂2中传输的两束光波的相位保持同相，两干涉臂2传来的两束光波合为一束并在输出波导3中分别激发产生基模和一阶模并发生干涉，其中基模干涉相长，一阶模干涉相消，输出波导3中仅存在基模；若在电光相位调制电极4上施加电压，利用电光效应在两干涉臂2中传输的两束基模的光波之间引入值为π的相位差，则两束光波合为一束在输出波导3中激发产生基模和一阶模并发生干涉，其中基模干涉相消，一阶模干涉相长，输出波导3中仅存在一阶模。
若输入波导1仅存在一阶模光波，在干涉仪的第一个Y分支波导处，激发产生相位差为π的两束基模光波并在两干涉臂2中传输。若电光相位调制电极4上不施加电压，则两干涉臂2上传输的两束光波之间的相位差保持不变，在输出波导3中，由于干涉效应，仅存在一阶模；若在电光相位调制电极4施加电压，将两干涉臂2上传输的两束光波的相位关系调整为同相，则在输出波导3中仅存在基模。通过在控制施加在电光相位调制电极4上的电压，实现了模式转换。
本发明以C波段1550nm附近的一段波长范围为例，设置电光相位调制电极的长度为0.5cm，根据所设计的器件的结构，利用仿真软件，通过理论推导出输出波导中基模的传输光谱如图3所示。
实施例2
图4为基于Z切铌酸锂材质实现的马赫曾德尔干涉仪结构的新型电光模式转换器的基本结构图。主要包括输入波导1、两干涉臂2、输出波导3以及电光相位调制电极4。
输入波导1和输出波导3均为双模波导；输入波导1和输出波导3支持两个模式，光纤中的LP01模式的光波在输入波导1中主要激发产生基模，LP11模式的光波在输入波导1中主要激发产生一阶模。两干涉臂2为单模波导；两干涉臂2为对称结构，输入波导1和两干涉臂2的一端通过第一个Y分支波导连接，输出波导3和两干涉臂2的另一端通过第二个Y分支波导连接，两个Y分支波导均为单模波导。输出波导3中的基模激发产生少模光纤的LP01模式，输出波导3中的一阶模激发产生少模光纤中的LP11模式。电光相位调制电极4为推挽式结构，将两干涉臂2中间部分的电极作为共用电极，可以最大效率的利用材料的电光效应。
若输入波导1仅存在基模光波，在干涉仪第一个Y分支波导处，激发产生相位相同的两束基模光波并在两干涉臂2中传输。若电光相位调制电极上不施加电压，由于两干涉臂2为对称结构，因此两干涉臂2中传输的两束光波的相位保持同相，两干涉臂2传来的两束光波合为一束并在输出波导3中分别激发产生基模和一阶模并发生干涉，其中基模干涉相长，一阶模干涉相消，输出波导3中仅存在基模；若在电光相位调制电极4上施加电压，利用电光效应在两干涉臂2中传输的两束基模的光波之间引入值为π的相位差，则两束光波合为一束在输出波导3中激发产生基模和一阶模并发生干涉，其中基模干涉相消，一阶模干涉相长，输出波导3中仅存在一阶模。
若输入波导1仅存在一阶模光波，在干涉仪的第一个Y分支波导处，激发产生相位差为π的两束基模光波并在两干涉臂2中传输。若电光相位调制电极4上不施加电压，则两干涉臂2上传输的两束光波之间的相位差保持不变，在输出波导3中，由于干涉效应，仅存在一阶模；若在电光相位调制电极4施加电压，将两干涉臂2上传输的两束光波的相位关系调整为同相，则在输出波导3中仅存在基模。通过在控制施加在电光相位调制电极4上的电压，实现了模式转换。
实施例3
图5为基于电光聚合物材质实现的马赫曾德尔干涉仪结构的新型电光模式转换器的基本结构图。该电光聚合物的芯层为amorphouspolycarbonateEOmaterial，包层为su8；马赫曾德尔干涉仪结构主要包括输入波导1、两干涉臂2、输出波导3以及电光相位调制电极4。
输入波导1和输出波导3均为双模波导；输入波导1和输出波导3支持两个模式，光纤中的LP01模式的光波在输入波导1中主要激发产生基模，LP11模式的光波在输入波导1中主要激发产生一阶模。两干涉臂2为单模波导；两干涉臂2为对称结构，输入波导1和两干涉臂2的一端通过第一个Y分支波导连接，输出波导3和两干涉臂2的另一端通过第二个Y分支波导连接，两个Y分支波导均为单模波导。输出波导3中的基模激发产生少模光纤的LP01模式，输出波导3中的一阶模激发产生少模光纤中的LP11模式。电光相位调制电极4为推挽式结构，将两干涉臂2中间部分的电极作为共用电极，可以最大效率的利用材料的电光效应。
若输入波导1仅存在基模光波，在干涉仪第一个Y分支波导处，激发产生相位相同的两束基模光波并在两干涉臂2中传输。若电光相位调制电极上不施加电压，由于两干涉臂2为对称结构，因此两干涉臂2中传输的两束光波的相位保持同相，两干涉臂2传来的两束光波合为一束并在输出波导3中分别激发产生基模和一阶模并发生干涉，其中基模干涉相长，一阶模干涉相消，输出波导3中仅存在基模；若在电光相位调制电极4上施加电压，利用电光效应在两干涉臂2中传输的两束基模的光波之间引入值为π的相位差，则两束光波合为一束在输出波导3中激发产生基模和一阶模并发生干涉，其中基模干涉相消，一阶模干涉相长，输出波导3中仅存在一阶模。
若输入波导1仅存在一阶模光波，在干涉仪的第一个Y分支波导处，激发产生相位差为π的两束基模光波并在两干涉臂2中传输。若电光相位调制电极4上不施加电压，则两干涉臂2上传输的两束光波之间的相位差保持不变，在输出波导3中，由于干涉效应，仅存在一阶模；若在电光相位调制电极4施加电压，将两干涉臂2上传输的两束光波的相位关系调整为同相，则在输出波导3中仅存在基模。通过在控制施加在电光相位调制电极4上的电压，实现了模式转换。
综上,本发明通过马赫曾德尔干涉仪结构实现了电压控制和电调谐的模式转换，构造了一种新型电光模式转换器，转换速度快，工作波长范围宽，具有很好的实际应用价值。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器，用于实现模分复用光纤通信系统中的模式复用和解复用，其特征在于，包括：马赫曾德尔干涉仪结构和电光相位调制电极。
2.如权利要求1所述的马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器，其特征在于，所述马赫曾德尔干涉仪结构包括：输入波导、两干涉臂和输出波导；所述两干涉臂为对称结构，所述输入波导和两干涉臂的一端通过第一个Y分支波导连接，所述输出波导和两干涉臂的另一端通过第二个Y分支波导连接。
3.如权利要求2所述的马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器，其特征在于，所述输入波导和输出波导均为双模波导。
4.如权利要求2所述的马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器，其特征在于，所述两干涉臂为单模波导。
5.如权利要求2所述的马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器，其特征在于，所述第一个Y分支波导和第二个Y分支波导均为单模波导。
6.如权利要求1所述的马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器，其特征在于，所述电光相位调制电极为推挽式结构。
7.一种如权利要求1所述的马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器的实现方法，其特征在于，
输入波导中的基模在第一个Y分支波导处激发产生两束相位相同的基模光波进入两干涉臂中传输；输入波导中的一阶模在第一个Y分支波导处激发产生两束相位相差π的基模光波在两干涉臂中传输；
当来自两干涉臂的两束光波在第二个Y分支波导处合为一束时，来自两干涉臂的两束光波在输出波导中都将激发产生基模和一阶模光波并发生干涉；若来自两干涉臂中的两束光波相位相同，则输出波导中的基模干涉相长，一阶模干涉相消，输出波导实现基模输出；若来自两干涉臂中的两束光波相位相差π，则输出波导中的基模干涉相消，一阶模干涉相长，输出波导实现一阶模输出。
8.如权利要求7所述的马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器的实现方法，其特征在于，该方法是基于X切铌酸锂材质实现的。
9.如权利要求7所述的马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器的实现方法，其特征在于，该方法是基于Z切铌酸锂材质实现的。
10.如权利要求7所述的马赫曾德尔干涉仪结构的电光模式转换器的实现方法，其特征在于，该方法是基于电光聚合物材质实现的。
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