CN109459818A - 一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器 - Google Patents

一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器 Download PDF

Info

Publication number
CN109459818A
CN109459818A CN201811581166.1A CN201811581166A CN109459818A CN 109459818 A CN109459818 A CN 109459818A CN 201811581166 A CN201811581166 A CN 201811581166A CN 109459818 A CN109459818 A CN 109459818A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fibre core
gradual change
radius
mode
point
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811581166.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109459818B (zh
Inventor
申东娅
马川
张秀普
袁洪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yunnan University YNU
Original Assignee
Yunnan University YNU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yunnan University YNU filed Critical Yunnan University YNU
Priority to CN201811581166.1A priority Critical patent/CN109459818B/zh
Publication of CN109459818A publication Critical patent/CN109459818A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109459818B publication Critical patent/CN109459818B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/14—Mode converters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29379—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device
    • G02B6/2938—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device for multiplexing or demultiplexing, i.e. combining or separating wavelengths, e.g. 1xN, NxM

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，在115纳米带宽上，具体实现模式复用通信技术中基阶模式（LP01）向高阶模式（LP0m）的转换，属于光通信领域。本发明包括：纤芯包层（1），第一级渐变纤芯（2、3），第二级渐变纤芯（4）和第三级渐变纤芯（5、6）。其中，第一级渐变纤芯（2、3），第二级渐变纤芯（4）和第三级渐变纤芯（5、6）共中心轴线依次级联。本发明是应用于光通信领域的模式复用技术，具体实现宽带模式转换器，能实现基阶模式（LP01）到高阶模式（LP0m）的高效转换。同样的，在相同的带宽上，也能实现高阶模式（LP0m）向基阶模式（LP01）转换。

Description

一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器
技术领域
本发明涉及一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，适用于1.485-1.6微米的工作波长范围上，共115纳米带宽，属于光纤模式复用通信技术领域。
背景技术
光纤模式复用技术（MDM）是实现光纤多输入多输出（MIMO）通信的主要方法，是增加光纤链路传输容量的最直接有效的方法。
光纤模式复用通信系统通过使用少模光纤（FMF）中不同的传输模式进行信号的传输，每一个传输模式作为一个独立的信道，单独携带一路传输信号。在使用模式复用通信技术时，需要把发送端的基阶模式（LP01）转换成高阶模式（LP0m），并将它们复用在少模光纤中进行传输；同理，也需要把接收端的携带信息的高阶模式（LP0m）转换成基阶模式（LP01），再进行信号处理。
到目前为止，应用于模式复用技术中的模式转换器主要有以下几种类型：几何光学模式转换器，基于平面光波导的模式复用/解复用器，长周期光纤光栅型模式转换器，基于光子晶体光纤的模式转换器，双芯光纤的耦合器。这些研究要么尺寸过大，不利于系统集成；要么加工过程需要精密控制，难以实现；或者是带宽较窄，损耗大。
本发明设计的宽带模式转换器，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。
发明内容
本发明针对现有的主流的模式转换技术的缺点，提出把基阶模式（LP01）转换为高阶模式（LP0m）的宽带模式转换器。本发明提出的宽带模式转换器，可以应用于1.485-1.6微米的工作波长范围上，共115纳米带宽；且结构简单，易于加工；尺寸很小，利于系统集成。同样的，该模式转换器具有可逆性，在相同的工作带宽上，也能实现将高阶模式（LP0m） 向基阶模式（LP01）转换。
本发明通过级联共中心轴线的多级渐变纤芯，实现基阶模式（LP01）转换为高阶模式（LP0m）的宽带模式转换器。
本发明一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，包括：纤芯包层（1）、第一级渐变纤芯（2、3）、第二级渐变纤芯（4）和第三级渐变纤芯（5、6），其中：
a. 纤芯包层（1）均匀覆盖每一级渐变纤芯, 半径为R5，长度为L1+L2+L3+L4+L5（AF段）；
b. 第一级渐变纤芯（2、3）左端作为模式转换器输入端，包括渐变部分（2）和柱形部分 （3），渐变部分（2）半径从R1（A点）以指数函数渐变增长到半径R2（B点），函数形式为，其中为渐变部分（2）的半径，以AF方向为轴向，，和分别为A点和B点处的值， 为当前值，渐变部分（3）长度为L1（AB段），柱形部分（4） 的半径为R2，长度为L2（BC段）；
d. 第二级渐变纤芯（4）半径从R2（C点）以二次函数渐变减小到半径R3（D点），函数形式 为，其中为第二级渐变纤芯（5）的半径，，和 分别为C点和D点处的值， 为当前值，第二级渐变纤芯（4）长度为L3（CD段）；
e．第三级渐变纤芯（5、6）包括渐变部分（5）和柱形部分（6），半径从R3（D点）以另一二次 函数渐变减小到半径R4（E点），函数形式为，其中为渐变部分（5）的 半径，，和分别为D点和E点处的值， 为当前值，渐变部分（5）长度为L4（DE 段），柱形部分（6）的半径为R4，长度为L5（EF段）；
f．纤芯包层（1）折射率为n1，第一级渐变纤芯（2、3）的折射率为n2，第二级渐变纤芯（4）和第三级渐变纤芯（5、6）的折射率为n3, 且n1<n3<n2；
g．增大半径增长型锥形纤芯（3）和半径减小型锥形纤芯（5）结束处（C点）和（E点）的半径R2和R3，同时增大纤芯折射率n2和n3，可以实现基阶模式（LP01）向较高阶模式（相对于当前实现的转换得到的LP0m模式）转换；
h．光波导结构是圆的，或矩形的；
i．当使用矩形波导时，模式是准LP0m，而不是严格的LP0m模式。
本发明一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，能高效地实现基阶模式（LP01）到高阶模式（LP0m）的转换；同样的，该模式转换器具有可逆性，也能实现将高阶模式（LP0m）向基阶模式（LP01）转换。该宽带模式转换器具有很宽的工作带宽，在1.485-1.6微米的工作波长范围，共115纳米工作带宽，且模式转换对结构尺寸的轻微偏差不敏感，方便加工，尺寸很小，利于集成，对未来光纤模式复用通信系统有巨大的应用前景。
附图说明
图1为模式转换器结构图。
图2 为模式转换器输出端的模式的归一化功率。
图3 为LP01到LP03转换的插入损耗。
具体实施方式
本发明一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，包括：纤芯包层（1）、第一级渐变纤芯（2、3）、第二级渐变纤芯（4）和第三级渐变纤芯（5、6），其中：
a. 纤芯包层（1）均匀覆盖每一级渐变纤芯, 半径为R5，长度为L1+L2+L3+L4+L5（AF段）；
b. 第一级渐变纤芯（2、3）左端作为模式转换器输入端，包括渐变部分（2）和柱形部分 （3），渐变部分（2）半径从R1（A点）以指数函数渐变增长到半径R2（B点），函数形式为，其中为渐变部分（2）的半径，以AF方向为轴向，，和分别为A点和B点处的值， 为当前值，渐变部分（3）长度为L1（AB段），柱形部分（4） 的半径为R2，长度为L2（BC段）；
d. 第二级渐变纤芯（4）半径从R2（C点）以二次函数渐变减小到半径R3（D点），函数形式 为，其中为第二级渐变纤芯（5）的半径，，和 分别为C点和D点处的值， 为当前值，第二级渐变纤芯（4）长度为L3（CD段）；
e．第三级渐变纤芯（5、6）包括渐变部分（5）和柱形部分（6），半径从R3（D点）以另一二次 函数渐变减小到半径R4（E点），函数形式为，其中为渐变部分（5）的 半径，，和分别为D点和E点处的值， 为当前值，渐变部分（5）长度为L4（DE 段），柱形部分（6）的半径为R4，长度为L5（EF段）；
f．纤芯包层（1）折射率为n1，第一级渐变纤芯（2、3）的折射率为n2，第二级渐变纤芯（4）和第三级渐变纤芯（5、6）的折射率为n3, 且n1<n3<n2；
g．增大半径增长型锥形纤芯（3）和半径减小型锥形纤芯（5）结束处（C点）和（E点）的半径R2和R3，同时增大纤芯折射率n2和n3，可以实现基阶模式（LP01）向较高阶模式（相对于当前实现的转换得到的LP0m模式）转换；
h．光波导结构是圆的，或矩形的；
i．当使用矩形波导时，模式是准LP0m，而不是严格的LP0m模式。
本发明为一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，是应用于光通信领域中模式复用技术，它的光波导结构是圆形的，或是矩形的。本宽带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。其结构如图1所示。
本发明的技术方案是这样实现的：基阶模式（LP01）的光从最左边的单模纤芯（如图1所示(2)处）注入，第一级渐变纤芯（3、4）会给不同的模式引入不同的传播相位，经过第一级渐变纤芯后，会激发出期望的LP0m模式，但其模式功率并不占主导地位，且非期望的模式（特别是LP0k，k≠m）还以较大功率存在，所以需要通过第二级渐变纤芯（5）和第三级渐变纤芯（6、7）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，结合图2，进一步来说明上述宽带模式转换器。当LP01模（基阶模式）从（2）处注入到模式转换器时，通过调整第一级渐变纤芯的半径（起始半径R1和终止半径R2）和长度L1，LP0m（m=1,2,3）模式的功率会逐渐激发。
例如，对一个LP01转换到LP03的宽带模式转换器，在第一级渐变纤芯输出处，LP03模式的功率虽然占最大的比重，但可以看到也仅仅有40%的转换效率。显然，只靠第一级渐变纤芯是无法获得所期望的模式转换性能的。因此，需要引入第二级和第三级渐变纤芯以改善模式转换器的性能，以实现光功率几乎转移到所需要的LP03模式上。
参见图2，在引入了第二级渐变纤芯后，期望的LP03模式的功率有了明显的提高，在经过第三级渐变纤芯后，进一步增强了LP03模式的功率，同时减小了LP01和LP02模式的功率；可以看出，LP03转换的归一化功率超过了80%。图3为在1.46 -1.675微米的工作波长上，LP01到LP03的转换时的插入损耗（转换比率或者说效率）。在这里，插入损耗=PLP01,in/PLP03,out，其中PLP01,in是模式转换器输入端的基模功率，PLP03,out 是模式转换器输出端的LP03模式的功率。可以清楚地看到，模式转换器在1.485-1.6微米的波长范围内的插入损耗都小于0.97分贝（转换效率大于80%）。
在这里，只是展示了LP01到LP03模式的转换；但是实际上，通过调整其各部分的尺寸规模，调节纤芯的折射率，同样可以用来实现在C波段上LP01模到其他高阶模式（LP04、LP05等）的转换。

Claims (5)

1.一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，其特征在于，采用多级渐变纤芯级联的光波导实现的宽带模式转换器，包括：纤芯包层（1）、第一级渐变纤芯（2、3）、第二级渐变纤芯（4）和第三级渐变纤芯（5、6），其中：
a. 纤芯包层（1）均匀覆盖每一级渐变纤芯, 半径为R5，长度为L1+L2+L3+L4+L5（AF段）；
b. 第一级渐变纤芯（2、3）左端作为模式转换器输入端，包括渐变部分（2）和柱形部分 （3），渐变部分（2）半径从R1（A点）以指数函数渐变增长到半径R2（B点），函数形式为，其中为渐变部分（2）的半径，以AF方向为轴向，，和分别为A点和B点处的值， 为当前值，渐变部分（3）长度为L1（AB段），柱形部分（4） 的半径为R2，长度为L2（BC段）；
d. 第二级渐变纤芯（4）半径从R2（C点）以二次函数渐变减小到半径R3（D点），函数形式 为，其中为第二级渐变纤芯（5）的半径，，和 分别为C点和D点处的值， 为当前值，第二级渐变纤芯（4）长度为L3（CD段）；
e．第三级渐变纤芯（5、6）包括渐变部分（5）和柱形部分（6），半径从R3（D点）以另一二次 函数渐变减小到半径R4（E点），函数形式为，其中为渐变部分（5）的 半径，，和分别为D点和E点处的值， 为当前值，渐变部分（5）长度为L4（DE 段），柱形部分（6）的半径为R4，长度为L5（EF段）。
2.如权利要求1所述的一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，其特征在于：
纤芯包层（1）折射率为n1，第一级渐变纤芯（2、3）的折射率为n2，第二级渐变纤芯（4）和第三级渐变纤芯（5、6）的折射率为n3, 且n1<n3<n2。
3.如权利要求1所述的一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，其特征在于：增大半径增长型锥形纤芯（3）和半径减小型锥形纤芯（5）结束处（C点）和（E点）的半径R2和R3，同时增大纤芯折射率n2和n3，可以实现基阶模式（LP01）向较高阶模式（相对于当前实现的转换得到的LP0m模式）转换。
4.如权利要求1所述的一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，其特征在于：光波导结构是圆的，或矩形的；当使用矩形波导时，模式是准LP0m，而不是严格的LP0m模式。
5.如权利要求1所述的一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，其特征在于：光波导结构是圆形或者矩形的；本模式转换器是在二氧化硅（silica）平面光波导电路技术上实现。
CN201811581166.1A 2018-12-24 2018-12-24 一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器 Active CN109459818B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811581166.1A CN109459818B (zh) 2018-12-24 2018-12-24 一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811581166.1A CN109459818B (zh) 2018-12-24 2018-12-24 一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109459818A true CN109459818A (zh) 2019-03-12
CN109459818B CN109459818B (zh) 2023-11-21

Family

ID=65614501

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811581166.1A Active CN109459818B (zh) 2018-12-24 2018-12-24 一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109459818B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112564804A (zh) * 2020-11-27 2021-03-26 电子科技大学 一种全光纤在线模式转换装置
CN113376742A (zh) * 2021-06-18 2021-09-10 哈尔滨理工大学 一种简单高转换率锥形模式转换器的参数选择方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005017517A (ja) * 2003-06-24 2005-01-20 Fujikura Ltd モード変換器
CN101339273A (zh) * 2008-08-12 2009-01-07 江苏大学 一种光纤模式转换器
US20140119701A1 (en) * 2012-10-31 2014-05-01 Corning Incorporated Multimode optical fiber and systems comprising such fiber
CN203838366U (zh) * 2013-12-16 2014-09-17 国家电网公司 一种宽带光纤模式转换器
CN105137542A (zh) * 2015-03-18 2015-12-09 云南大学 基于锥形渐变光波导的模式转换器
CN209400730U (zh) * 2018-12-24 2019-09-17 云南大学 一种新型的多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005017517A (ja) * 2003-06-24 2005-01-20 Fujikura Ltd モード変換器
CN101339273A (zh) * 2008-08-12 2009-01-07 江苏大学 一种光纤模式转换器
US20140119701A1 (en) * 2012-10-31 2014-05-01 Corning Incorporated Multimode optical fiber and systems comprising such fiber
CN203838366U (zh) * 2013-12-16 2014-09-17 国家电网公司 一种宽带光纤模式转换器
CN105137542A (zh) * 2015-03-18 2015-12-09 云南大学 基于锥形渐变光波导的模式转换器
CN209400730U (zh) * 2018-12-24 2019-09-17 云南大学 一种新型的多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112564804A (zh) * 2020-11-27 2021-03-26 电子科技大学 一种全光纤在线模式转换装置
CN113376742A (zh) * 2021-06-18 2021-09-10 哈尔滨理工大学 一种简单高转换率锥形模式转换器的参数选择方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109459818B (zh) 2023-11-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105829933B (zh) 波导偏振分离和偏振转换器
US11855755B2 (en) WDM1r combiner for PON
CN105137542B (zh) 基于锥形渐变光波导的模式转换器
CN101339273B (zh) 一种光纤模式转换器
CN206833029U (zh) 延迟线干涉仪的多路分用设备
Hanzawa et al. Three-mode PLC-type multi/demultiplexer for mode-division multiplexing transmission
Hanzawa et al. Demonstration of PLC-based six-mode multiplexer for mode division multiplexing transmission
CN109725386B (zh) 多波段的宽带光波导模式转换器
CN209400730U (zh) 一种新型的多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器
CN103698842B (zh) 一种光纤模式插分复用器
CN107272115A (zh) 一种基于三芯光纤的模式复用器/解复用器
CN104111494A (zh) 基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法
CN109459818A (zh) 一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器
CN108519642B (zh) 一种兼容波分复用与模分复用功能的集成化光模式开关
CN107490829A (zh) 基于反锥形波导的三模式复用器/解复用器
CN209746179U (zh) 一种新型的高效率多模式变换器
CN207424295U (zh) 一种采用双锥组合结构的模式变换器
AU2020101436A4 (en) An n-ports universal multimode optical router that supports mode-division multiplexing (mdm)
CN113311537A (zh) 一种基于级联锥形耦合器的聚合物三模式复用器
CN209400731U (zh) 一种新型的多波段宽带光波导模式转换器
CN109709643B (zh) 一种基于单片集成的双偏振模式复用-解复用芯片
CN104345380A (zh) 一种双模光纤
CN102062902B (zh) 基于马赫-曾德干涉仪的可调谐平顶多信道光纤滤波器
CN108061927B (zh) 一种光子晶体波分模分混合复用解复用器及方法
CN102608705A (zh) 双通马赫-曾德干涉仪型偏振无关平顶梳状光纤滤波器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant