CN105629381A - 光纤模式旋转器、全光纤模式复用器和解复用器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种光纤模式旋转器、全光纤模式复用器和解复用器，该光纤模式旋转器包括：对称分布的距离光纤的纤芯预设距离的两个内芯，所述两个内芯的连线与导模的光轴呈预设的角度，其中所述两个内芯与所述纤芯的折射率不同，所述光纤模式旋转器的长度为实现模式转换的两个导模的两个传播常数差的拍长。由于在本发明实施例中在光纤的纤芯两侧对称的分布有两个内芯，该内芯的折射率与纤芯的折射率不同，从而可是使入射的导模发生90度的旋转，从而可以基于光纤实现模式的转换，因此可以实现模式的复用，并且因为该模式旋转器是基于光纤的，因此可以避免插入损耗，从而可以有效提高通信系统的性能。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种光纤模式旋转器、全光纤模式复用器和解复用器。
背景技术
随着通信技术的不断演进和新业务井喷式的涌现，人们对通信网络的容量提出了越来越高的要求。过去的十几年里研究人员为了提升光纤通信的容量，基于单模光纤研究出了很多先进的技术，例如，采用高阶正交调制格式替代简单的幅度调制格式，偏振复用(PDM)，密集波分复用(DWDM)技术，正交频分复用(OFDM)技术等，使得目前单模光纤容量已接近香农极限。在这种情况下，人们开始把研究的目光重新转向多模光纤。
单模光纤中，多种复用方法尚未能够充分利用到光纤中可利用的所有自由度。其中，光纤中的固有属性-光纤模式，便是重要的自由度之一。若能使多模光纤中携带的模式彼此分离地承载信号，充分利用光纤带宽，则可能给光纤容量带来新的飞跃。因此研究模式复用即空间复用是光传输未来的发展趋势和重要技术。
在模式复用技术中，模式的复用和解复用是一项关键技术也是技术难点所在，模式复用器主要的作用是将不同空间模式复用进同一根光纤中，解复用即将同一根光纤中的不同模式分离开来，然后导进不同的光纤中。这类似于光纤的波分复用技术中的波分复用器以及解复用器。
现有的模式复用器及解复用器主要包括：基于自由空间光的模式复用/解复用器；基于光纤拉锥技术的光子灯笼型模式复用/解复用器；基于硅基光学的模式复用/解复用器等等。这些模式复用/解复用器虽然都能实现模式复用/解复用，但是其插入损耗和模式串扰非常严重。这是因为为了实现简并模的复用，需要将模式复用器在同一平面上设置在少模光纤的不同角度上，而现有技术中基于光纤器件的技术都不能实现在同一平面上同时完成两个简并模的复用功能。而基于平面光波导技术的模式复用器虽然能够实现在同一平面上同时完成两个简并模的复用，但平面光波导接入光纤系统中会带来很大的插入损耗，降低通信系统的性能。
发明内容
本发明实施例公开了一种光纤模式旋转器、全光纤模式复用器和解复用器，用以实现导模的复用，并降低插入损耗，提高通信系统的性能。
为达到上述目的，本发明实施例公开了一种光纤模式旋转器，应用于光纤中，所述光纤模式旋转器包括：
对称分布的距离光纤的纤芯预设距离的两个内芯，所述两个内芯的连线与导模的光轴呈预设的角度，其中所述两个内芯的半径相同、折射率相同，且与所述纤芯的折射率不同；
所述光纤模式旋转器的长度为实现模式转换的两个导模的两个传播常数差的拍长。
进一步地，所述当所述导模为LP11模时，所述预设的角度为45度；
当所述导模为LP21模时，所述预设的角度为22.5度；
当所述导模为LP31模时，所述预设的角度为15度；
当所述导模为LP12模时，所述预设的角度为45度。
进一步地，所述两个内芯的半径小于纤芯的半径。
进一步地，所述两个内芯的中心距离所述纤芯的距离为6微米。
本发明实施例提供了一种基于上述光纤模式旋转器的全光纤模式复用器，应用于光纤中，所述全光纤模式复用器包括：
输入光纤和输出光纤；
连接在所述输入光纤和输出光纤间的至少一个光纤模式旋转器，及至少一个光纤模式耦合器。
进一步地，当所述全光纤模式复用器为六模复用器时，所述全光纤模式复用器具体包括：
所述至少一个光纤模式旋转器包括：LP21模光纤模式旋转器和LP11模光纤模式旋转器；
所述至少一个光纤模式耦合器包括：2个LP21模耦合器、2个LP11模耦合器和LP02模耦合器。
进一步地，当所述全光纤模式复用器为六模复用器时，所述全光纤中依次设置有输入光纤、第一LP21模耦合器、LP21模光纤模式旋转器、第二LP21模耦合器、第一LP11模耦合器、LP11模光纤模式旋转器、第二LP11模耦合器、LP02模耦合器和输出光纤。
本发明实施例提供了一种基于上述光纤模式旋转器的全光纤模式解复用器，应用于光纤中，所述全光纤模式解复用器包括：
输入光纤和输出光纤；
连接在所述输入光纤和输出光纤间的至少一个光纤模式旋转器，及至少一个光纤模式耦合器。
进一步地，当所述全光纤模式解复用器为六模解复用器时，所述全光纤模式解复用器具体包括：
所述至少一个光纤模式旋转器包括：LP21模光纤模式旋转器和LP11模光纤模式旋转器；
所述至少一个光纤模式耦合器包括：2个LP21模耦合器、2个LP11模耦合器和LP02模耦合器。
进一步地，当所述全光纤模式解复用器为六模解复用器时，所述全光纤中依次设置有输入光纤、LP02模耦合器、第一LP11模耦合器、LP11模光纤模式旋转器、第二LP11模耦合器、第一LP21模耦合器、LP21模光纤模式旋转器、第二LP21模耦合器和输出光纤。
本发明实施例提供了一种光纤模式旋转器、全光纤模式复用器和解复用器，该光纤模式旋转器包括：对称分布的距离光纤的纤芯预设距离的两个内芯，所述两个内芯的连线与导模的光轴呈预设的角度，其中所述两个内芯的半径相同、折射率相同，且与所述纤芯的折射率不同，所述光纤模式旋转器的长度为实现模式转换的两个导模的两个传播常数差的拍长。由于在本发明实施例中在光纤的纤芯两侧对称的分布有两个内芯，该内芯的折射率与纤芯的折射率不同，所述光纤模式旋转器的长度为实现模式转换的两个导模的两个传播常数差的拍长，从而可是使入射的导模发生90度的旋转，从而可以基于光纤实现模式的转换，因此可以实现模式的复用，并且因为该模式旋转器是基于光纤的，因此可以避免插入损耗，从而可以有效提高通信系统的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A为本发明实施例提供的一种光纤模式旋转器实现模式旋转的示意图；
图1B为本发明实施例提供的图1A中光纤模式旋转器的横截面的示意图；
图2为本发明实施例提供的基于该光纤模式旋转器，实现模式旋转的示意图；
图3为本发明实施例提供的全光纤六模复用器的结构示意图。
具体实施方式
为了实现导模的复用，并降低插入损耗，提高通信系统的性能，本发明实施例提供了一种光纤模式旋转器、全光纤模式复用器和解复用器。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使模式旋转，得到两个正交的模式，本发明实施例提供了一种光纤模式旋转器，该光纤模式旋转器应用于光纤中，包括：
两个内芯对称分布在光纤纤芯内，所述两个内芯的连线与导模的光轴呈预设的角度，其中所述两个内芯的半径相同、折射率相同，且与所述纤芯的折射率不同；
所述光纤模式旋转器的长度为实现模式转换的两个导模的两个传播常数差的拍长。
图1A为本发明实施例提供的一种光纤模式旋转器实现模式旋转的示意图，图1B为本发明实施例提供的图1A中光纤模式旋转器的横截面的示意图，该光线模式旋转器对称分布两个内芯，该两个内芯距离光纤的纤芯的预设距离DIF，该两个内芯的半径ID相同，并且折射率相同，且与光纤的纤芯的折射率不同，两个内芯的连线与导模的光轴呈预设的角度RA，其中导膜的光轴是经过两个模瓣最亮的地方的一条线；另外，该光纤模式旋转器的长度L为实现模式转换的两个导模的两个传播常数差的拍长。
该光纤模式旋转器中增加的两个内芯中也可以传输导模，其材质根据实现的功能，及纤芯的折射率确定。例如内芯的材料可以和光纤包层的材料相同。
LPlm模可以看成两个模式的合成，l和m为不小于0的整数。以LP11模为例进行说明，一个LP11模可以看做是两个正交的模式：LP11a和LP11b的合成。当这两个模式在光纤模式旋转器中传输时，由于角向空间结构的不对称，导致这两个模式的传输常熟β1和β2不同，当光纤模式旋转器的长度等于拍长|π/(β1-β2)|时，就能使入射的导模发生90的旋转。
具体的，两个内芯的半径小于光纤纤芯的半径。
较佳地，所述两个内芯的中心距离所述纤芯的距离DIF为6微米。内芯与纤芯的距离是根据内芯的中心与纤芯的中心的之间的距离计算的。
由于在本发明实施例中在光心的纤芯中增加了两个对称分布的，与纤芯的折射率不同的内芯，通过这样的结构使输入的导模的角向分量不对称，从而使得一个导模的不同角向分量对应的传播常熟不同，从而实现模式旋转的功能。
图2为本发明实施例提供的基于该光纤模式旋转器，实现模式旋转的示意图，当所述导模为LP11模时，所述预设的角度为45度；
当所述导模为LP21模时，所述预设的角度为22.5度；
当所述导模为LP31模时，所述预设的角度为15度；
当所述导模为LP12模时，所述预设的角度为45度。
如图2所示，为了实现LP11模的模式旋转，光纤模式旋转器中的RA为45度，当输入的模式为LP11a时，该模式可以看做是相位角为φ1＝0和φ2＝0的两个模式的合成，经过光纤模式旋转器后将LP11a模旋转得到LP11b模，该模式可以看做是相位角为φ1＝0和φ2＝π的两个模式的合成；同样的，为了实现LP21模的模式旋转，光纤模式旋转器中的RA为22.5度，当输入的模式为LP21a时，经过光纤模式旋转器后将LP21a模旋转得到LP21b模；为了实现LP31模的模式旋转，光纤模式旋转器中的RA为15度，当输入的模式为LP31a时，经过光纤模式旋转器后将LP31a模旋转得到LP31b模；为了实现LP12模的模式旋转，光纤模式旋转器中的RA为45度，当输入的模式为LP12a时，经过光纤模式旋转器后将LP12a模旋转得到LP12b模。
基于上述内芯的半径，两个内芯的连线与导模的光轴呈预设的角度制备光纤模式旋转器属于现有技术，在本发明实施例中对该过程不进行赘述。
基于上述实施例中提供的光纤模式旋转器，本发明实施例提供了一种全光纤模式复用器，应用于光纤中，所述全光纤模式复用器包括：
输入光纤和输出光纤；
连接在所述输入光纤和输出光纤间的至少一个光纤模式旋转器，及至少一个光纤模式耦合器。
在本发明实施例中该全光纤模式复用器包括至少一个光纤模式旋转器，该光纤模式旋转器可以基于一种导模，在该导模的不同模式之间转换，而光纤模式耦合器可以在不同模式之间进行转换，从而实现了在基于全光纤器件，在同一个平面上同时完成多个导模之间的转换和复用的功能，并且由于该全光纤模式复用器是基于光纤的，因此可以避免插入损耗，从而可以有效提高通信系统的性能。
当该全光纤模式复用器为六模复用器时，当所述全光纤模式复用器为六模复用器时，所述全光纤模式复用器具体包括：
所述至少一个光纤模式旋转器包括：LP21模光纤模式旋转器和LP11模光纤模式旋转器；
所述至少一个光纤模式耦合器包括：2个LP21模耦合器、2个LP11模耦合器和LP02模耦合器。
图3为本发明实施例提供的全光纤六模复用器的结构示意图，所述全光纤模式复用器中依次设置有输入光纤、第一LP21模耦合器、LP21模光纤模式旋转器、第二LP21模耦合器、第一LP11模耦合器、LP11模光纤模式旋转器、第二LP11模耦合器、LP02模耦合器和输出光纤。
具体的，基模通过输入光纤输入到全光纤模式复用器中，在第一LP21模耦合器的输入端输入基模；通过该第一LP21模耦合器得到LP21a模，LP21a模经过LP21模光纤模式旋转器进行模式旋转，得到LP21b模；在第二LP21模耦合器的输入端输入基模，通过该第二LP21模耦合器得到LP21a模；在第一LP11模耦合器的输入端输入基模，通过该第二LP11模耦合器得到LP11a模，LP11a模经过LP11模光纤模式旋转器进行模式旋转，得到LP11b模；在第二LP11模耦合器的输入端输入基模，通过该第二LP21模耦合器得到LP11a模；在LP02模耦合器的输入端输入基模，通过该LP02模耦合器得到LP02模，从而在输出光纤处得到六种模式。通过该全光纤模式复用器分别得到了基模、LP21a模、LP21b模、LP11a模、LP11b模和LP02模六种模式。
当光纤模式旋转器确定后，在该光纤模式旋转器的基础上制备光纤模式耦合器，并制备全光纤模式复用器属于现有技术，在本发明实施例中对该过程不进行赘述。
本发明实施例还提供了一种全光纤模式解复用器，其结构模式复用器相同，只是使用时为模式复用器反过来使用，应用于光纤中，所述全光纤模式解复用器包括：
输入光纤和输出光纤；
连接在所述输入光纤和输出光纤间的至少一个光纤模式旋转器，及至少一个光纤模式耦合器。
当所述全光纤模式解复用器为六模解复用器时，所述全光纤模式解复用器具体包括：
所述至少一个光纤模式旋转器包括：LP21模光纤模式旋转器和LP11模光纤模式旋转器；
所述至少一个光纤模式耦合器包括：2个LP21模耦合器、2个LP11模耦合器和LP02模耦合器。
当所述全光纤模式解复用器为六模解复用器时，所述全光纤中依次设置有输入光纤、LP02模耦合器、第一LP11模耦合器、LP11模光纤模式旋转器、第二LP11模耦合器、第一LP21模耦合器、LP21模光纤模式旋转器、第二LP21模耦合器和输出光纤。
还以图3为例说明本发明实施例的全光纤六模解复用器，所述全光纤六模解复用器中依次设置有输出光纤、第一LP21模耦合器、LP21模光纤模式旋转器、第二LP21模耦合器、第一LP11模耦合器、LP11模光纤模式旋转器、第二LP11模耦合器、LP02模耦合器和输入光纤。
具体的，将六种模式(基模、LP21a模、LP21b模、LP11a模、LP11b模和LP02模)叠加之后的光输入到输入光纤，即图3中所示的最右端，在LP02模耦合器的单模输出端可以得到对应LP02模的信号，在第二LP11模耦合器的单模输出端可以得到LP11a模的信号，在第一LP11模耦合器的单模输出端可以得到LP11b模的信号，在第二LP21模耦合器的单模输出端可以得到LP21b模的信号，在第一LP21模耦合器的单模输出端可以得到LP21a的信号，在解复用器的输出光纤的输出端得到基模，从而实现了六种模式的解复用。
当光纤模式旋转器确定后，在该光纤模式旋转器的基础上制备光纤模式耦合器，并制备全光纤模式解复用器属于现有技术，在本发明实施例中对该过程不进行赘述。
本发明实施例提供了一种光纤模式旋转器、全光纤模式复用器和解复用器，该光纤模式旋转器包括：对称分布的距离光纤的纤芯预设距离的两个内芯，所述两个内芯的连线与导模的光轴呈预设的角度，其中所述两个内芯的半径相同、折射率相同，且与所述纤芯的折射率不同，所述光纤模式旋转器的长度为实现模式转换的两个导模的两个传播常数差的拍长。由于在本发明实施例中在光纤的纤芯两侧对称的分布有两个内芯，该内芯的折射率与纤芯的折射率不同，所述光纤模式旋转器的长度为实现模式转换的两个导模的两个传播常数差的拍长，从而可是使入射的导模发生90度的旋转，从而可以基于光纤实现模式的转换，因此可以实现模式的复用，并且因为该模式旋转器是基于光纤的，因此可以避免插入损耗，从而可以有效提高通信系统的性能。
对于系统/装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种光纤模式旋转器，其特征在于，应用于光纤中，所述光纤模式旋转器包括：
对称分布的距离光纤的纤芯预设距离的两个内芯，所述两个内芯的连线与导模的光轴呈预设的角度，其中所述两个内芯的半径相同、折射率相同，且与所述纤芯的折射率不同；
所述光纤模式旋转器的长度为实现模式转换的两个导模的两个传播常数差的拍长。
2.根据权利要求1所述的光纤模式旋转器，其特征在于，所述当所述导模为LP11模时，所述预设的角度为45度；
当所述导模为LP21模时，所述预设的角度为22.5度；
当所述导模为LP31模时，所述预设的角度为15度；
当所述导模为LP12模时，所述预设的角度为45度。
3.根据权利要求1所述的光纤模式旋转器，其特征在于，所述两个内芯的半径小于纤芯的半径。
4.根据权利要求1所述的光纤模式旋转器，其特征在于，所述两个内芯的中心距离所述纤芯的距离为6微米。
5.一种基于权利要求1-4任一项光纤模式旋转器的全光纤模式复用器，其特征在于，应用于光纤中，所述全光纤模式复用器包括：
输入光纤和输出光纤；
连接在所述输入光纤和输出光纤间的至少一个光纤模式旋转器，及至少一个光纤模式耦合器。
6.根据权利要求5所述的全光纤模式复用器，其特征在于，当所述全光纤模式复用器为六模复用器时，所述全光纤模式复用器具体包括：
所述至少一个光纤模式旋转器包括：LP21模光纤模式旋转器和LP11模光纤模式旋转器；
所述至少一个光纤模式耦合器包括：2个LP21模耦合器、2个LP11模耦合器和LP02模耦合器。
7.根据权利要求6所述的全光纤模式复用器，其特征在于，当所述全光纤模式复用器为六模复用器时，所述全光纤中依次设置有输入光纤、第一LP21模耦合器、LP21模光纤模式旋转器、第二LP21模耦合器、第一LP11模耦合器、LP11模光纤模式旋转器、第二LP11模耦合器、LP02模耦合器和输出光纤。
8.一种基于权利要求1-4任一项光纤模式旋转器的全光纤模式解复用器，其特征在于，应用于光纤中，所述全光纤模式解复用器包括：
输入光纤和输出光纤；
连接在所述输入光纤和输出光纤间的至少一个光纤模式旋转器，及至少一个光纤模式耦合器。
9.根据权利要求8所述的全光纤模式解复用器，其特征在于，当所述全光纤模式解复用器为六模解复用器时，所述全光纤模式解复用器具体包括：
所述至少一个光纤模式旋转器包括：LP21模光纤模式旋转器和LP11模光纤模式旋转器；
所述至少一个光纤模式耦合器包括：2个LP21模耦合器、2个LP11模耦合器和LP02模耦合器。
10.根据权利要求9所述的全光纤模式解复用器，其特征在于，当所述全光纤模式解复用器为六模解复用器时，所述全光纤中依次设置有输入光纤、LP02模耦合器、第一LP11模耦合器、LP11模光纤模式旋转器、第二LP11模耦合器、第一LP21模耦合器、LP21模光纤模式旋转器、第二LP21模耦合器和输出光纤。
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