CN107577009A - 一种基于泄漏模波导的在线模式分辨器 - Google Patents
一种基于泄漏模波导的在线模式分辨器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于泄漏模波导的在线模式分辨器，包括：两个束缚模波导，一个泄漏模波导，以及探测器阵列；所述束缚模波导是与待分辨光路波导结构相匹配的波导，用于导入和导出待分辨光路波导传输的光信号；泄漏模波导是与束缚模波导结构相匹配的波导，用于泄漏其芯层的部分光信号；探测器阵列为一系列光电探测器，用于检测从泄漏模波导芯层泄露出来的光信号。本发明具有紧凑的外形和完善的功能，而且制作简单、使用方便。它可以实现光信号在传输过程中，低损且连续地识别模式，以提取隐藏在波导芯层的信息。同时，相关装置在工作的过程中不会被中断，可以实现模式的在线分辨，并且分辨度较好，准确度较高。
Description
技术领域
本发明属于光学通信领域，光学器件领域，以及波导器件和集成器件领域，更具体地，涉及一种基于泄漏模波导的在线模式分辨器
背景技术
随着光学通信的飞速发展，泄漏模波导由于其自身能量泄漏的特点，在传感与耦合等领域具有很重要的地位。早在20世纪下半叶，泄漏模波导就已经是微波波导研究最活跃的领域之一。1956年，布鲁克林理工学院的一系列报告，首次提出了泄漏模式的概念。同年，Marcuvitz的文章“On field representations in terms of leaky modes oreigenmodes”，第一次将泄漏模式与量子力学中的势阱类比，并指出现有的波动方程仅能描述泄漏模式具有复传播常数的中心区域的场，而该场在无限横向空间处则是以指数形式增长。随后，越来越多的科研工作者开始研究泄漏模波导，将其色散和损耗等特性应用于光学通信。
模式分辨作为分析提取光信息的重要方式，被广泛应用于激光、传感、耦合以及光纤通信等众多领域。现有的用于模式分辨最常见的方法有终端切割探测法和基于耦合器的光提取分辨法，前者在分辨过程中会阻断光的传输，后者则会使光变细并且无法保持原有的模式。1973年，美国专利US3761716“Optical waveguide mode discriminator”中公开了一种光波导模式分辨器，该器件通过控制波导的归一化频率V，来控制分辨器各个波导中允许存在的导模数，使得各路模式数从1依次递增，再利用合适的减法运算就可以直接将原波导中的不同模式分辨提取出来。可以看出，上述发明是一个独立的光信号模式分离提取装置，它不能在线进行模式分辨，在一定程度上破坏了初始信号的完整性，并且集成度低、制造复杂。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于泄漏模波导的在线模式分辨器，其目的在于在线、实时区分具有不同传播常数的模式，旨在解决现有的模式分辨器非在线、分辨器制备复杂的技术问题。
本发明中，所述模式为是波导结构的固有电磁共振属性的表征，每一种模式对应于沿着波导轴向传播的一种电磁波。所述传播常数是对应模式的相位在传播方向单位长度上的变化量。
本发明提出的一种基于泄漏模波导的在线模式分辨器，包括两个束缚模波导，一个泄漏模波导和探测器阵列；
所述泄漏模波导是模式泄漏型波导，用于泄漏其芯层的部分光信号；所述泄漏模波导两端各设有一个束缚模波导，其与泄漏模波导同轴无间隙设置，共同构成一个光通道；
所述束缚模波导和泄漏模波导是与待分辨光路波导结构相匹配的波导，所述束缚模波导用于导入和导出待分辨光路波导内的光信号；
所述探测器阵列设置在泄漏模波导表面，由多个性能相同的光电探测器沿轴线方向成直线排列组成，其阵列面与波导轴线平行，用于检测从泄漏模波导芯层泄露出来的光信号。
进一步的，所述探测器阵列中探测器个数为N，按照一个探测器对应一个角度、一个角度对应一个传播常数的准则，通过相关计算公式得到与传播常数相应的泄漏角度，来预先确定各探测器的设置位置。
使用时，将分辨器两端的束缚模波导与待分辨光路波导对接，因为各个波导的结构均相匹配，所以待分辨光路波导中的大部分光能耦合进泄漏模波导，少部分光信号从泄漏模波导芯层泄露出来被光电探测器检测。其中少部分光信号中已经包含了待分辨光路波导芯层全部的模式，由于不同传播常数模式的泄漏角度不同，而相应的泄漏角度我们通过仿真计算已经准确得出，故可以在确定位置上预先设置好探测器，再根据检测到光信号的探测器序号，来得到相应传播常数的模式。
本发明具有紧凑的外形和完善的功能，而且制作简单、使用方便。它可以实现光在传输过程中，低损且连续地识别模式，以提取隐藏在波导芯层的信息。同时，由于该分辨器可以事先接入传输光路，所以相关装置在工作的过程中不会被中断，可以实现在线分辨。除此之外，本发明在工作过程中的模式分辨度相对较好，不同模式之间的差异明显，因此准确度高。
附图说明
图1是本发明的模式分辨器结构示意图；
图2是本发明的具体实施例的结构示意图；
图3是本发明的具体实施例中被激发的两种泄漏模式的模式分布图。
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。
图1是本发明模式分辨器的一般结构示意图，在不失一般性的前提下，为了将讨论简单化，本实施例采用如图2所示的结构，其中束缚模波导选择了阶跃平板波导，泄漏模波导选择了W型泄漏平板波导，通过调节W型波导芯层及内外包层的尺寸可以使其与其他波导结构匹配。阶跃平板波导芯层折射率为n1，外包层折射率为n0；W型泄漏平板波导具有两个包层，芯层和外包层的折射率为n1，内包层的折射率为n0；其中n1>n0。两种波导芯层的厚度相同，设为a；W型波导的内包层厚度设为d；光波长为λ。由于束缚模波导与泄漏模波导相匹配，所以大部分光能耦合进泄漏模波导。然后通过改变d的大小来改变泄漏模式的泄漏率，使得大部分光仍然留在芯层，最终耦合进下一个束缚模波导。少部分泄露出来的光中已经包含了待分辨光路波导芯层全部的模式。由于不同传播常数模式的泄漏角度不同，所以我们在不同角度的与波导轴线平行的不同位置处安置光电探测器对分界线处的光强进行探测，便能分辨出特定传播常数的模式。
取n1＝1.45，n0＝1,λ＝1um，a＝1um，d＝0.1um。我们得到泄漏模波导中被激发的TM0模和TM1模的模式分布，如图3所示，上图为TM0模，下图为TM1模。根据相关计算公式：θ＝tan-1(Re[k1⊥]/Re[β])(k1是芯层的波矢，k1⊥表示其垂直与波导中心轴的分量，β是模式的复传播常数)，可以算出TM0和TM1这两个模式对应的泄漏角分别为15度和30度，基准是波导中心轴。在泄漏模波导的表面15度和30度方向上各安置一个探测器并进行编号，便可以实现对TM0及TM1模式的分辨。当分辨器接入待测光路波导工作时，某探测器检测到了光强便说明该序号探测器对应的模式存在。
由此，我们得到了一种具有应用性强、分辨度好、实时性强、制作简单以及使用方便的在线模式分辨器。
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 (2)
1.一种基于泄漏模波导的在线模式分辨器，其特征在于，包括：两个束缚模波导，一个泄漏模波导和探测器阵列；
所述泄漏模波导是模式泄漏型波导，用于泄漏其芯层的部分光信号；所述泄漏模波导两端各设有一个束缚模波导，其与泄漏模波导同轴无间隙设置，共同构成一个光通道；
所述束缚模波导和泄漏模波导是与待分辨光路波导结构相匹配的波导，所述束缚模波导用于导入和导出待分辨光路波导内的光信号；
所述探测器阵列设置在泄漏模波导表面，由多个性能相同的光电探测器沿轴线方向成直线排列组成，其阵列面与波导轴线平行，用于检测从泄漏模波导芯层泄露出来的光信号；
使用时，根据被测波导结构参数，预先计算不同模式光泄漏角度，从而确定探测器在泄漏模波导表面的位置分布；将分辨器两端的束缚模波导与待分辨光路波导对接，少部分光信号从泄漏模波导芯层泄露出来被光电探测器检测，根据检测到光信号的探测器，得到相应传播常数的模式。
2.如权利要求1或2所述的模式分辨器，其特征在于，所述探测器阵列中探测器个数为N，使用前按照一个探测器对应一个角度、一个角度对应一个传播常数的模式的准则，通过计算得到与模式相应的光泄漏角度，来预先确定各探测器的设置位置。
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