CN107290825A - 基于双锥组合结构的模式转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明采用双锥组合结构实现光波导型模式转换器，具体实现光模式复用技术中基阶LP01模向高阶LP0m模的转换，属于光通信领域。本发明包括：波导芯包层（1）、锥形波导芯（2、3）、环形分布的双锥波导芯组合结构（4）。其中，波导芯包层（1）均匀覆盖锥形波导芯（2、3）；锥形波导芯（2、3）从锥形过渡到柱形；双锥波导芯组合结构（4）由八个相同的双锥结构组成，均匀内嵌于锥形波导芯（2、3）中半径为S的圆环上，每一个双锥组合结构由两个圆锥体的底部相接形成。本发明是应用于光通信领域的模式复用技术，具体实现模式转换器，能高效地实现基阶模式LP01模到高阶模式LP0m模的转换。

Description

基于双锥组合结构的模式转换器
技术领域
本发明涉及一种采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式转换器，属于光通信中模式复用技术领域。
背景技术
光纤模式复用（MDM）是实现光纤多输入多输出（MIMO）通信的主要方法，是增加光纤传输链路容量的最直接的方法。
光纤模式复用使用少模光纤（FMF）和多模光纤中不同阶的模式进行MIMO信号的传输，每一个传输模式被视为是一个独立的单模光纤通道。在使用光纤模式复用时，在发射端需要把基阶模式转换成某些高阶模式，同理，在接收端，也需要把搭载信息的高阶模式转换成基阶模式。
2002年以后，国内外开始对模式转换器的研究工作。目前报道的模式转换器有几何光学模式转换器，基于光纤光栅和光纤耦合的模式转换器，基于硅耦合器的模式转换器；基于二氧化硅（silica）耦合器、光锥形波导、晶体光纤、平面光波导电路、Y-交叉波导的模式转换器。这些研究大部分用于金属波导，不能直接应用到使用光纤波导的模式复用MIMO通信系统中，且带宽较窄，损耗大，尺寸大，结构复杂。
本发明设计的模式转换器，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。
发明内容
本发明在克服现有技术不足基础上，提出把基阶模式转换为高阶模式的模式转换器。
本发明在锥形波导芯中内嵌双锥组合结构实现基阶模式转换为高阶模式的模式转换器。
本发明一种采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式转换器，包括：波导芯包层（1）、锥形波导芯（2、3）、双锥波导芯组合结构（4），其中：
a. 波导芯包层（1）均匀覆盖锥形波导芯（2、3）, 半径为r3，长度为L1+L2+L3+L4(AE段)。
b. 锥形波导芯（2、3）从锥形过渡到柱形，半径从r1（A点）指数增长到半径r2(C点); 锥形波导芯长度为L1+L2(AC段)，柱形波导芯长度为L3+L4（BC段）。
c. 双锥波导芯组合结构（4）均匀地内嵌于锥形波导芯（2、3）中半径为S的圆环上；双锥波导芯组合结构（4）由多个相同的双锥波导芯结构组成；双锥波导芯组合结构（4）的起始端（B点）到模式转换器的输入端（A点）距离为L1。
d. 每一个双锥波导芯结构由两个圆锥体波导芯结构（5、6）的底部相接形成；左边的圆锥体波导芯结构（5）半径从0（B点）指数增长到r4（D点），右边的圆锥体波导芯结构（6）半径从r4（D点）指数减小到0（E点）。
e. 波导芯包层（1）的折射率为n1，锥形波导芯（2、3）的折射率为n2，双锥波导芯组合结构（4）的折射率为n3，且n3<n1<n2。
f. 改变双锥结构的个数, 将得到不同的转换性能。
g. 光波导结构可以是圆的，也可以是矩形的; 当使用矩形波导时，模式是准LP0m，而不是严格的LP0m模式。
h. 锥形波导芯（2、3）的顶部（A点）半径r1取值在(2um~5um)时，随着r1的增加，消光比ER21和消光比ER23先增加后减小，消光比ER24缓慢增加，插入损耗IL02逐渐减小，插入损耗IL03先增加后减小，插入损耗IL04缓慢增加；双锥波导芯结构的底部（D点）半径r4取值在(1.5um~4.5um)时，随着r4的增加，消光比ER21和消光比ER23先增加后减小，消光比ER24单调递减，插入损耗IL02缓慢增加，插入损耗IL03先增加后减小，插入损耗IL04单调递减；左边的圆锥体波导芯结构（5）长度（L2+L3）取值在（1250um~1700um）时，随着（L2+L3）的增加，消光比ER21先增加后减小，消光比ER23和消光比ER24缓慢增加，插入损耗IL02几乎保持不变，插入损耗IL03和插入损耗IL04缓慢增加；右边的圆锥体波导芯结构（6）长度L4取值在（350um~600um）时，随着L4的增加，消光比ER21先增加后减小，消光比ER23缓慢减小，消光比ER24缓慢增加，插入损耗IL02几乎保持不变，插入损耗IL03缓慢减小，插入损耗IL04缓慢增加。
本发明采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式转换器能高效地实现基阶模式LP01到高阶模式LP0m的转换，模式转换对波长的依赖性低，具有很宽的转换带宽，适于制作宽带模式转换器，对未来光纤模式复用通信会有巨大的应用前景。
附图说明
图1为模式转换器结构图；
图2为双锥结构图；
图3 为LP01到LP02转换的归一化功率；
图4 为LP01到LP02转换的消光比。
具体实施方式
本发明一种采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式转换器，包括：波导芯包层（1）、锥形波导芯（2、3）、双锥波导芯组合结构（4），其中：
a. 波导芯包层（1）均匀覆盖锥形波导芯（2、3）。
b. 锥形波导芯（2、3）从锥形过渡到柱形，半径从r1（A点）指数增长到半径r2(C点)。
c. 双锥波导芯组合结构（4）均匀地内嵌于锥形波导芯（2、3）中半径为S的圆环上；双锥波导芯组合结构（4）由多个相同的双锥波导芯结构组成。
d. 每一个双锥波导芯结构由两个圆锥体波导芯结构（5、6）的底部相接形成；左边的圆锥体波导芯结构（5）半径从0（B点）指数增长到r4（D点），右边的圆锥体波导芯结构（6）半径从r4（D点）指数减小到0（E点）。
e. 波导芯包层（1）的折射率为n1，锥形波导芯（2、3）的折射率为n2，双锥波导芯组合结构（4）的折射率为n3，且n3<n1<n2。
f. 改变双锥结构的个数, 将得到不同的转换性能。
g. 光波导结构可以是圆的，也可以是矩形的; 当使用矩形波导时，模式是准LP0m，而不是严格的LP0m模式。
h. 锥形波导芯（2、3）的顶部（A点）半径r1取值在(2um~5um)时，随着r1的增加，消光比ER21和消光比ER23先增加后减小，消光比ER24缓慢增加，插入损耗IL02逐渐减小，插入损耗IL03先增加后减小，插入损耗IL04缓慢增加；双锥波导芯结构的底部（D点）半径r4取值在(1.5um~4.5um)时，随着r4的增加，消光比ER21和消光比ER23先增加后减小，消光比ER24单调递减，插入损耗IL02缓慢增加，插入损耗IL03先增加后减小，插入损耗IL04单调递减；左边的圆锥体波导芯结构（5）长度（L2+L3）取值在（1250um~1700um）时，随着（L2+L3）的增加，消光比ER21先增加后减小，消光比ER23和消光比ER24缓慢增加，插入损耗IL02几乎保持不变，插入损耗IL03和插入损耗IL04缓慢增加；右边的圆锥体波导芯结构（6）长度L4取值在（350um~600um）时，随着L4的增加，消光比ER21先增加后减小，消光比ER23缓慢减小，消光比ER24缓慢增加，插入损耗IL02几乎保持不变，插入损耗IL03缓慢减小，插入损耗IL04缓慢增加。
本发明为模式转换器，是应用于光通信领域中光模式复用技术，它的光波导结构可以是圆形的，也可以是矩形的。本模式转换器可以在二氧化硅（silica）平面光波导电路技术上实现。
本发明的技术方案是这样实现的：基阶模式（LP01）的光从最左边的锥形波导芯（如图1所示(2)处）注入，锥形波导芯会给不同的模式引入不同的传播相位，通过调整锥形波导芯的长度，从而使绝大部分光从LP01模转换到所需要的LP0m模，但仍会有部分非期望的高阶模式（特别是LP0m，k≠m）产生，所以需要通过双锥波导芯组合结构（4）来进一步加强期望LP0m模式的转换，抑制非期望模式的转换。
下面以基阶模式从（2）处注入为例，进一步来说明上述模式转换器。当LP01模(基阶模式)从（2）处注入到模式转换器时，通过分别调整双锥组合结构的相对位置L1、双锥长度L4和L5、半径r4、折射率n3，LP0m(m=2，3，4等)模式的功率会随着AB段长度L1的变化而改变。只考虑长度L1的变化，并且保持其他参数不变，可以看出L1长度的变化对模式转换效率的影响。例如，对一个LP01转换到LP02的模式转换器，L1的最佳长度在495纳米附近，r4的最佳长度在2.06纳米附近，L4的最佳长度在1430纳米附近，L5的最佳长度在479纳米附近。
图3和图4所示为在很宽波段上（1350-1700nm），LP01到LP02转换的归一化功率（转换比率或者效率）以及消光比（ERmk）。可以看出，三个模式转换器在整个1350-1700nm波段上的转换效率都超过了90%，同时，模式转换器输出的LP0m模式与其他非期望的高阶LP0k模式之间的消光比也几乎都超过了15分贝。
在这里，只是展示了最开始的三个LP0m模。但是实际上，通过调整其各部分的尺寸规模，并改变双锥组合结构中双锥的分布情况，同样可以用来实现1350-1700nm波段上LP01模到其他高阶LP0m（m>4）模式的转换。

Claims (5)

1.一种采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式转换器，其特征在于，采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式转换器，包括：波导芯包层（1）、锥形波导芯（2、3）、双锥波导芯组合结构（4），其中：
a. 波导芯包层（1）均匀覆盖锥形波导芯（2、3）, 半径为r3，长度为L1+L2+L3+L4(AE段);
b. 锥形波导芯（2、3）从锥形过渡到柱形，半径从r1（A点）指数增长到半径r2(C点); 锥形波导芯长度为L1+L2(AC段)，柱形波导芯长度为L3+L4（BC段）;
c. 双锥波导芯组合结构（4）均匀地内嵌于锥形波导芯（2、3）中半径为S的圆环上；双锥波导芯组合结构（4）由多个相同的双锥波导芯结构组成；双锥波导芯组合结构（4）的起始端（B点）到模式转换器的输入端（A点）距离为L1;
d. 每一个双锥波导芯结构由两个圆锥体波导芯结构（5、6）的底部相接形成；左边的圆锥体波导芯结构（5）半径从0（B点）指数增长到r4（D点），右边的圆锥体波导芯结构（6）半径从r4（D点）指数减小到0（E点）。
2.如权利要求1所述的一种采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式转换器，其特征在于：
每一个双锥波导芯结构由两个圆锥体波导芯结构（5、6）的底部相接形成；左边的圆锥体波导芯结构（5）半径从0（B点）指数增长到r4（D点），右边的圆锥体（6）半径从r4（D点）指数减小到0（E点）。
3.如权利要求1所述的一种采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式转换器，其特征在于：
波导芯包层（1）折射率为n1，锥形波导芯（2、3）的折射率为n2，双锥波导芯组合结构（4）的折射率为n3, 且n3<n1<n2。
4.如权利要求1、2所述的采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式转换器，其特征在于：
改变双锥结构的个数, 将得到不同的转换性能。
5.如权利要求1、2、3所述的一种采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式转换器，其特征在于：光波导结构可以是圆的，也可以是矩形的; 当使用矩形波导时，模式是准LP0m，而不是严格的LP0m模式。
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