CN107436462B - 一种用于模式复用中的可选择模式激发的能量转换器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于模式复用中可选择模式激发的能量转换器件，包括：一个多模波导端和一个单模波导端；多模波导端与一个多模光波导对接，它是由N个单元波导排列形成的复合波导；单模波导端与M个单模光波导对接，它是由N个单元波导中的若干单元波导排列形成的M个复合波导组，各组单元波导数总和等于N。本发明具有紧凑的外形和完善的功能，而且生产起来也十分方便。它能实现光在经能量转换器件在单模光波导和多模光波导低损耗传输过程中模式的复用与解复用。同时，由于各组合的单元波导之间的数量、排列方式或者间距有差异，所以能进行模式选择，包括选择传播常数相近的同一模式组内某个特定的模式。

Description

一种用于模式复用中的可选择模式激发的能量转换器件
技术领域
本发明属于多路复用通信领域，更具体地，涉及一种用于模式复用中可选择模式激发的能量转换器件。
背景技术
信息的产生与日俱增，仅仅依靠单模光纤终将不能满足大量数据的传输。各种复用技术被开发出来提高光纤的传输容量，而光子灯笼技术就是非常具有前景的解决方案之一。在2005年加利福尼亚州阿纳汉姆的一次光学通信会议(全称：Optical FiberCommunication Conference)中，S.G.Leon-Saval和他的团队发表了一篇文章“Single-mode performance in multimode fibre devices”，这篇文章第一次公开了一种用于模式复用中的波导型器件——光子灯笼，它是由一个单模光纤和一个多模光纤通过物理波导过渡接口连接，它允许光信号在两者之间低损耗地传输，结构如图1所示。
2014年，S.G.Leon-Saval和他的团队在《Optics Express》这本杂志上发表了另一篇文章“Mode-selective photonic lanterns for space division multiplexing”，而这篇文章则介绍了一种通过光纤制造法得到的模式选择光子灯笼，光纤制造法是将单模光纤束插入到一组低折射率的套管中或者直接采用多芯光纤，然后熔融拉锥，过渡过程中单模波导端纤芯因为尺寸减少将失去对光线的束缚力，光束因此发散到包层，并受到折射率更低的材料的束缚，在另一端形成多模光纤。这种光子灯笼的单模波导端的光纤束中不同光纤纤芯的尺寸不相同，不同模式的光的有效折射率在单模波导端则会有一定差异，利用这个便能实现模式选择。
2015年，Binbin Guan等人在光学通信会议上发表了一篇文章“Mode-Group-Selective Photonic Lantern based on Integrated 3D Devices Fabricated byUltrafast Laser Inscription”，这篇文章讲述了一种利用3D激光直写的方法制造的一种模组可选择的光子灯笼，用激光照射玻璃，使得被照射部分折射率增加，形成波导纤芯。在这种情况下，分离的单模波导纤芯制造出来并且逐渐靠近，然后发生强烈的耦合形成了多模复合的波导，最终完成了单模到多模的转换。这种光子灯笼多模波导端以及单模波导端的波导尺寸及排列如图2所示，其中(a)为多模波导端，(b)为单模波导端；由于各个波导的尺寸不同，不同模式的光的有效折射率也不相同，所以实现了模式选择。
2016年，香港城市大学的Yunfei Wu和Kin Seng Chiang在光电及通信国际会议(全称：Opto Electronics and Communications Conference)上发表了一篇文章“Four-Mode-Selective Photonic Lantern Based on Two-Layer Polymer WaveguideBranches”，这篇文章介绍了一种四模式选择光子灯笼，这种光子灯笼采用分层生长的方法得到，图3的(a)是多模波导端各个小波导的尺寸及排列，(b)是单模波导端波导排列，多模波导端每一层的波导只能向同一层的单模波导端生长。
在以上三种模式可选择的光子灯笼中：第一种采用的是光纤制造方法，对纤芯的尺寸难以把握，制造工艺尚不成熟，成品率低；第二种采用的是3D激光直写的方法，但是每次应用都需要重新写出各种不同尺寸的波导，工艺步骤无法统一；第三种采用的是分层生长的方法，这种方法的局限性在于波导只能在固定的层上传输，并且同方法二一样，不同尺寸的波导生产起来无法完全统一工艺步骤。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于模式复用中可选择模式激发的能量转换器件，该能量转换器的核心思想是基于统一结构的单元波导构建能量转换器件，旨在解决现有技术中由于单元波导的尺寸不同导致操作繁琐、制备工艺复杂的问题。
本发明提供了一种用于模式复用中可选择模式激发的能量转换器件，包括：一个多模波导端和一个单模波导端；所述多模波导端用于与一个多模光波导对接，所述多模波导端为由N个单元波导排列形成的复合波导；所述单模波导端用于与M个单模光波导对接，所述单模波导端为由N个单元波导中的若干单元波导排列形成的M个复合波导组，M个复合波导组中各组单元波导数总和等于N；N为大于M的整数，M为大于等于2的整数。
更进一步地，N的值由与多模波导端连接的多模光波导的面积和单元波导的面积决定。
更进一步地，M的值等于多模光波导的模式数。
更进一步地，M个复合波导组中单元波导的组合方式不同。
更进一步地，单元波导的数量不同；或者单元波导的排列方式不同；或者单元波导之间的间距不同。
更进一步地，所述单元波导的截面为统一形状。
更进一步地，单元波导的波导边长最小值由激光直写系统的激光光斑面积决定，最大值不超过单模光波导的最小直径；波导间距最小值为0，最大值不超过单模光波导的最小直径。
本发明采用的单元波导制造思想，能带来更大的灵活性，只需要生产同一种尺寸的波导，再重组排列即可得到扩展性更好、更易制作的能量转换器件。同时，本发明具有紧凑的外形和完善的功能，而且生产起来也十分方便。它能实现光在经能量转换器件在单模光波导和多模光波导低损耗传输过程中模式的复用与解复用。同时，由于各组合的单元波导之间的数量、排列方式或者间距有差异，所以能进行模式选择，包括选择传播常数相近的同一模式组内某个特定的模式。
附图说明
图1是现有技术提供的与光纤对接的能量转换器件结构示意图；
图2是现有技术提供的一种模组可选能量转换器件的波导排列图，其中(a)为多模波导端，(b)为单模波导端；
图3是现有技术提供的一种四模式选择能量转换器件波导排列图，其中(a)为多模波导端，(b)为单模波导端；
图4是本发明的能量转换器件的多模波导端波导排列图，其中，A为圆对称，B为椭圆对称；
图5是本发明的能量转换器件的单模波导端波导排列图，其中，A为数量不同，B为排列方式不同，C为间距不同；
图6是本发明的能量转换器件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种能进行模式选择的简易灵活的能量转换器件，它可以区分不同的模式，包括区分传播常数相近的同一模式组内某个特定的模式。从而得到可扩展、选择度好、应用性强、易制作的能量转换器件。
本发明可以应用于多路复用通信领域，光学领域、光学器件和集成器件领域。本发明采用的是超快激光直写技术制造能量转换器件，提供了一种用于模式复用中可选择模式激发的能量转换器件，包括：一个多模波导端和一个单模波导端。多模波导端与一个多模光波导对接，它是由N个单元波导排列形成的复合波导；单模波导端与M个单模光波导对接，它是由N个单元波导中的若干单元波导排列形成的M个复合波导组，M个复合波导组里各组单元波导数总和等于N。N为大于M的整数，M为大于等于2的整数，N的值由与多模波导端连接的多模光波导的面积和单元波导的面积决定；M的值等于实际应用中多模光波导的模式数。
在各个单模波导端单元波导的组合方式不同，具体可以为：单元波导的数量不同；或者单元波导的排列方式不同；或者单元波导之间的间距不同。
按照上述制造方法发明出的能量转换器件，具有紧凑的外形和完善的功能，而且生产起来也十分方便。它能实现光在经能量转换器件在单模光波导和多模光波导低损耗传输过程中模式的复用与解复用。同时，由于各组合的单元波导之间的数量、排列方式或者间距有差异，所以能进行模式选择，包括对选择传播常数相近的同一模式组内某个特定的模式。除此之外，本发明采用的单元波导制造思想，还能带来更大的灵活性，只需要生产同一种尺寸的波导，再重组排列即可得到扩展性更好、更易制作的能量转换器件。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一般我们先根据多模光波导的面积、模式数目以及单模光波导的最小面积计算好多模波导端的波导数目和波导尺寸，设计好多模波导端的波导排列形式，图4中的多模波导端波导有两种排列形式，分别对应两种不同的多模光波导，A能与圆对称型的多模光波导匹配，B则与椭圆对称型的多模光波导匹配。然后将这些单元波导分成等同多模光波导模式数目的组合排列在单模波导端，对于单模波导端的各组合单元波导的排列，我们需要使得单元波导之间的数量、排列方式或者间距有所不同即可控制不同的组合的基模的有效折射率差，以此达到模式选择的目的，图5给出了三种不同的控制方式，其中，A为数量不同，B为排列方式不同，C为间距不同。
我们选择了截面为方形的单元波导，波导边长以及波导间距取在1um～10um之间，这样既能使后续间距有一定的可调空间，又不至于使各个模式的有效折射率相差过小，而且制作更为简便。
图6给出了该能量转换器件的内部结构示意图，左端为多模波导端，右端为单模波导端。多模波导端选择了图4中的A种圆对称排列方式，它与多模光波导对接；单模波导端选择了图5中的A种排列方式，它与单模光波导对接。两端的波导是一一对应关系，传输过程中为满足低损耗的要求，各单元波导趋近排列是绝热的，要尽可能的缓慢，为此我们选择了近似曲线的趋近方式。然后，为了降低器件的整体尺寸，我们设计的路径在趋近过程的前半部分，是以一个相对较快的速度将各单元波导趋近到较近的位置，后半部分再缓慢趋近。以上仅仅是大概的传输路径形式，至于更具体的传输路径则需要针对不同的系统通过优化算法来进一步设计。
由此，我们得到了一个能进行模式选择的、可扩展、选择度好、易制作、低损耗的能量转换器件。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于模式复用中可选择模式激发的能量转换器件，其特征在于，包括：一个多模波导端和一个单模波导端；
所述多模波导端用于与一个多模光波导对接，所述多模波导端为由N个单元波导排列形成的复合波导；
所述单模波导端用于与M个单模光波导对接，所述单模波导端为由N个单元波导中的若干单元波导排列形成的M个复合波导组，M个复合波导组中各组单元波导数总和等于N；N为大于M的整数，M为大于等于2的整数；所述单元波导的截面为尺寸相同的统一形状；
依据所述多模光波导的面积、模式数目以及M个单模光波导的最小面积设置所述多模波导端的单元波导数目、单元波导尺寸和单元波导排列方式，将单元波导分成等同多模光波导模式数目的组合排列在单模波导端，依据单元波导之间的数量、排列方式或者间距控制不同组合排列的基模的有效折射率。
2.如权利要求1所述的能量转换器件，其特征在于，N的值由与多模波导端连接的多模光波导的面积和单元波导的面积决定。
3.如权利要求1或2所述的能量转换器件，其特征在于，M的值等于多模光波导的模式数。
4.如权利要求1或2所述的能量转换器件，其特征在于，M个复合波导组中单元波导的组合方式不同。
5.如权利要求4所述的能量转换器件，其特征在于，单元波导的数量不同；或者单元波导的排列方式不同；或者单元波导之间的间距不同。
6.如权利要求5所述的能量转换器件，其特征在于，单元波导的波导边长最小值由激光直写系统的激光光斑面积决定，最大值不超过单模光波导的最小直径；波导间距最小值为0，最大值不超过单模光波导的最小直径。
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