CN109459819B - 高效的多模式变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明高效的多模式变换器，在1550纳米波长上，具体实现模式复用技术的基阶模式（LP01）向多个高阶模式（LPmn）的高效率变换，属于光通信领域。本发明包括：纤芯包层（1）、“半径减小型拉锥纤芯（2）”、“半径增长型拉锥纤芯（3）”。其中，“半径减小型拉锥纤芯（2）”和“半径增长型拉锥纤芯（3）”构成反向拉锥双芯结构光波导实现的多模式变换器。通过从“半径减小型拉锥纤芯（2）”注入基阶模式（LP01），从“半径增长型拉锥纤芯（3）”耦合输出高阶模式（LPmn）。本发明是应用于光通信领域的模式复用技术，具体实现高效的多模式变换器，能实现基阶模式（LP01）向多个高阶模式（LPmn）的高效率变换；同样的，也能实现高阶模式（LPmn）向基阶模式（LP01）变换。

Description

高效的多模式变换器
技术领域
本发明涉及高效的多模式变换器，通过调整结构参数值，可以在1550纳米波长上高效地实现四个高阶模式的变换，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)变换成高阶模式(LPmn)，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(LPmn)变换成基阶模式(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变换器主要有以下几种类型：几何光学模式变换器，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变换器，基于光子晶体光纤的模式变换器，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；要么转换效率低；或者是仅实现一个高阶模式的转换。
本发明设计的高效的多模式变换器，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。
发明内容
本发明针对现有模式变换技术的缺点，采用反向拉锥双芯结构光波导构成模式变换器，把基阶模式(LP01)变换为多种高阶模式(LPmn)，变换效率高。本发明高效的多模式变换器，通过调整结构参数值，可以在1550纳米波长上高效地实现四个高阶模式的变换，同样的，也能实现高阶模式(LPmn)向基阶模式(LP01)变换。且结构简单，尺寸较小，利于系统集成。
本发明通过将“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”平行布置且两端对齐，形成反向拉锥双芯结构光波导构成的模式变换器，实现基阶模式(LP01)变换为高阶模式(LPmn)的多模式变换器。
本发明高效的多模式变换器，包括：纤芯包层(1)、“半径减小型拉锥纤芯(2)”、“半径增长型拉锥纤芯(3)”，其中：
a.纤芯包层(1)均匀覆盖纤芯,半径为R1，长度为L；
b.“半径减小型拉锥纤芯(2)”长度为L，纤芯半径从R2缓慢减小到R3；“半径增长型拉锥纤芯(3)”长度为L，半径从R4缓慢增长到R5；
c.“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”的中心轴线平行，且中心轴线的间距为D；d.纤芯包层(1)的折射率为n1，“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”的折射率均为n2，且n1<n2；
e.基模信号(LP01)从输入端口(P1)输入到“半径减小型拉锥纤芯(2)”，通过“半径增长型拉锥纤芯(3)”的耦合，输入模式变换为高阶模式，从耦合输出端口(P4)输出；
f.随着信号的传输，“半径减小型拉锥纤芯(2)”中的基模的有效折射率逐渐减小，耦合输出端的“半径增长型拉锥纤芯(3)”中耦合输出的高阶模的有效折射率增加，当某一模式的有效折射率与基模的有效折射率相等时，基模功率将大幅度地耦合到该高阶模上，实现高效率的模式变换。
g.调整长度L和“半径减小型拉锥纤芯(2)”的输入端(P1)和输出端(P2)的半径R2和R3，增大中心轴线的间距D以及“半径增长型拉锥纤芯(3)”的输入端(P3)和输出端(P4)的半径R4和R5，可以实现基阶模式(LP01)向更高阶模式变换；
h.光波导结构是圆的，或矩形的；当使用矩形波导时，模式变换得到的是准LPmn，而不是严格的LPmn模式；
i.本模式变换器是在二氧化硅(silica)平面光波导电路技术上实现。
本发明高效的多模式变换器，通过调整结构参数值，可以在1550纳米波长上高效地实现四个高阶模式的变换，同样的，也能实现高阶模式(LPmn)向基阶模式(LP01)变换。且结构简单，尺寸较小，利于系统集成，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为模式变换器结构图。
图2为基模(LP01)和高阶模(LP11)的有效折射率随传输距离的变化。
图3为基模(LP01)和高阶模(LP11)的归一化功率随传输距离的变化。
图4为基模(LP01)和高阶模(LP21)的归一化功率随传输距离的变化。
图5为基模(LP01)和高阶模(LP31)的归一化功率随传输距离的变化。
图6为基模(LP01)和高阶模(LP12)的归一化功率随传输距离的变化。
具体实施方式
本发明针对现有的主流的模式变换技术的缺点，提出把基阶模式(LP01)变换为高阶模式(LPmn)的高效的多模式变换器。本发明提出的高效的多模式变换器，通过调整结构参数值，可以在1550纳米波长上高效地实现四个高阶模式的变换，同样的，也能实现高阶模式(LPmn)向基阶模式(LP01)变换。且结构简单，尺寸较小，利于系统集成。
本发明通过将“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”平行布置且两端对齐，形成反向拉锥双芯结构光波导构成的模式变换器，实现基阶模式(LP01)变换为不同的高阶模式(LPmn)的多模式变换器。
本发明高效的多模式变换器，包括：纤芯包层(1)、“半径减小型拉锥纤芯(2)”、“半径增长型拉锥纤芯(3)”，其中：
a.纤芯包层(1)均匀覆盖纤芯,半径为R1，长度为L；
b.“半径减小型拉锥纤芯(2)”长度为L，纤芯半径从R2缓慢减小到R3；“半径增长型拉锥纤芯(3)”长度为L，半径从R4缓慢增长到R5；
c.“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”的中心轴线平行，且中心轴线的间距为D；
d.纤芯包层(1)的折射率为n1，“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”的折射率均为n2，且n1<n2；
e.基模信号(LP01)从输入端口(P1)输入到“半径减小型拉锥纤芯(2)”，通过“半径增长型拉锥纤芯(3)”的耦合，输入模式变换为高阶模式，从耦合输出端口(P4)输出；
f.随着信号的传输，“半径减小型拉锥纤芯(2)”中的基模的有效折射率逐渐减小，耦合输出端的“半径增长型拉锥纤芯(3)”中耦合输出的高阶模的有效折射率增加，当某一模式的有效折射率与基模的有效折射率相等时，基模功率将大幅度地耦合到该高阶模上，实现高效率的模式变换。
g.调整长度L和“半径减小型拉锥纤芯(2)”输入端(P1)和输出端(P2)的半径R2和R3，增大中心轴线的间距D以及“半径增长型拉锥纤芯(3)”的输入端(P3)和输出端(P4)的半径R4和R5，可以实现基阶模式(LP01)向更高阶模式变换；
h.光波导结构是圆的，或矩形的；当使用矩形波导时，模式变换得到的是准LPmn，而不是严格的LPmn模式；
i.本模式变换器是在二氧化硅(silica)平面光波导电路技术上实现。
本发明为高效的多模式变换器，是应用于光通信领域中模式复用技术。其结构如图1所示。
本发明的技术方案是这样实现的：光纤中的传输模式的传输常数完全表征了该模式，而传输常数则由该模式的有效折射率确定，因此，通过合理地设计双芯结构，随着信号的传输，“半径减小型拉锥纤芯(2)”中的基模的有效折射率逐渐减小，耦合输出端的“半径增长型拉锥纤芯(3)”中耦合输出的高阶模的有效折射率增加，当某一模式的有效折射率与基模的有效折射率相等时，基模功率将大幅度地耦合到该高阶模上，实现高效率的模式变换。
下面以一个LP01变换到LP11的模式变换器为例，结合图2和图3，进一步来说明上述模式变换器。图2所示为“半径减小型拉锥纤芯(2)”中的基模(LP01)和“半径增长型拉锥纤芯(3)”中的高阶模(LP11)的有效折射率随传输距离的变化。当LP01模(基阶模式)从输入端注入时，随着纤芯半径缓慢拉锥减小，LP01模的有效折射率(图2中实线表示，Neff01)也随着缓慢减小，而在“半径增长型拉锥纤芯(3)”中，随着其半径缓慢拉锥增大，LP11模的有效折射率(图2中虚线表示，Neff11)则随着缓慢增大。在传输距离约为5000微米的时候，LP01模的有效折射率和LP11模的有效折射率相等，此时即使耦合最快速剧烈的时候，LP01模的功率将大幅度变换到LP11模中。随后两模式的有效折射率逐渐不一致，耦合作用趋于缓和，最终LP01模功率几乎全部耦合到LP11模中，以高阶模的形式传输，实现了光纤基模到高阶模式的变换。结合图3中模式的归一化功率的变化，在传输距离达到5000微米的时候，LP01模功率急剧减少，而LP11模功率急剧增大。最终，LP11模的功率达到0.99，几乎完全实现了模式变换。
调整长度L和“半径减小型拉锥纤芯(2)”的输入端(P1)和输出端(P2)的半径R2和R3，增大“半径增长型拉锥纤芯(3)”的输入端(P3)和输出端(P4)的半径R4和R5，同时增大它们的中心轴线的间距D，可以实现基阶模式(LP01)向较高阶模式(相对于当前实现的变换得到的LP11模式)变换。图4、图5和图6分别展示了基模(LP01)和三个不同的高阶模(依次为LP21、LP31和LP12)的归一化功率随传输距离的变化。由图4、图5和图6可以看到，最终，在输出端，高阶模LP21、LP31和LP12的归一化功率分别为∽0.96、∽0.92和∽0.93，即分别达到了∽96％、∽92％和∽93％的高变换效率。
在这里，展示了LP01到LP11、LP21、LP31和LP12模式的变换；但是实际上，按前述调整结构参数值，还可以用来实现在1550波长上LP01模到其他高阶模式(LP41、LP22等)的变换。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.高效的多模式变换器，其特征在于，采用反向拉锥双芯结构光波导构成模式变换器，包括：纤芯包层(1)、“半径减小型拉锥纤芯(2)”、“半径增长型拉锥纤芯(3)”，其中：
a.纤芯包层(1)均匀覆盖纤芯,半径为R1，长度为L；
b.“半径减小型拉锥纤芯(2)”长度为L，纤芯半径从R2缓慢减小到R3；“半径增长型拉锥纤芯(3)”长度为L，半径从R4缓慢增长到R5；
c.“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”的中心轴线平行，且中心轴线的间距为D；
d.纤芯包层(1)的折射率为n1，“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”的折射率均为n2，且n1<n2；
e.“半径减小型拉锥纤芯(2)”的输入端口为P1，输出端口为P2；“半径增长型拉锥纤芯(3)”的输入端口为P3，输出端口为P4；
随着信号的传输，“半径减小型拉锥纤芯(2)”中的基模的有效折射率逐渐减小，耦合输出端的“半径增长型拉锥纤芯(3)”中耦合输出的高阶模的有效折射率增加，当某一模式的有效折射率与基模的有效折射率相等时，基模功率将大幅度地耦合到该高阶模上，实现高效率的模式变换；
调整长度L和“半径减小型拉锥纤芯(2)”的输入端口P1和输出端口P2的半径R2和R3，增大中心轴线的间距D以及“半径增长型拉锥纤芯(3)”的输入端口P3和输出端口P4的半径R4和R5，可以实现基阶模式(LP01)向更高阶模式变换。
2.根据权利要求1所述的高效的多模式变换器，其特征在于：基阶模式(LP01)信号从输入端口P1输入到“半径减小型拉锥纤芯(2)”，通过“半径增长型拉锥纤芯(3)”的耦合，输入模式变换为高阶模式，从耦合输出端口P4输出。
3.根据权利要求1所述的高效的多模式变换器，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，模式变换得到的是准高阶模式(LPmn)，而不是严格的高阶模式(LPmn)。
4.根据权利要求1所述的高效的多模式变换器，其特征在于：本模式变换器是在二氧化硅(silica)平面光波导电路技术上实现的。
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