CN109725386A - 多波段的宽带光波导模式转换器 - Google Patents

多波段的宽带光波导模式转换器 Download PDF

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Abstract

本发明多波段的宽带光波导模式转换器，在O‑，E‑，S‑，C‑，L‑和U‑波段上，具体实现模式复用技术的基阶模式（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）、单模纤芯（2）、半径增长型锥形纤芯（3）、多模纤芯（4）、半径减小型锥形纤芯（5）、少模纤芯（6）。其中，半径增长型锥形纤芯（3）和多模纤芯（4）构成第一阶段的模式转换器；半径减小型锥形纤芯（5）和少模纤芯（6）构成第二阶段的模式转换器。本发明是应用于光通信领域的模式复用技术，具体实现多波段宽带模式转换器，能实现基阶模式（LP01）到高阶模式（LP0m）的转换。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

多波段的宽带光波导模式转换器
技术领域
本发明涉及多波段的宽带光波导模式转换器，应用于O-，E-，S-，C-，L-和U-波段（在1.26-1.675微米的工作波长范围，共415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O-，E-，S-，C-，L-和U-波段（在1.26-1.675微米的工作波长范围，共415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。
本发明通过在半径增长型锥形纤芯之后的多模纤芯级联共中心轴线的半径减小型锥形纤芯，实现基阶模式（LP01）转换为高阶模式（LP0m）的宽带模式转换器。
本发明多波段的宽带光波导模式转换器，包括：纤芯包层（1）、单模纤芯（2）、半径增长型锥形纤芯（3）、多模纤芯（4）、半径减小型锥形纤芯（5）、少模纤芯（6），其中：
a. 纤芯包层（1）均匀覆盖纤芯, 半径为R4，长度为L1+L2+L3+L4+L5（AF段）；
b. 单模纤芯（2）作为模式转换器输入端（A点），半径为R1，长度为L1（AB段）；
c. 半径增长型锥形纤芯（3）在单模纤芯（2）之后（B点），半径从R1（B点）渐变增长到半径R2（C点），在结束（C点）处连接多模纤芯（4），形成第一阶段的模式转换器，半径增长型锥形纤芯（3）长度为L2（BC段），多模纤芯（3）长度为L3（CD段），半径为R2；
d. 半径减小型锥形纤芯（5）连接多模纤芯（4）结束（D点）处，半径从R2（D点）渐变减小到半径R3（E点），在结束（E点）处连接少模纤芯（6），形成第二阶段的模式转换器，半径减小型锥形纤芯（5）长度为L4（DE段），少模纤芯（6）长度为L5（EF段），半径为R3；
e．单模纤芯（2）、半径增长型锥形纤芯（3）、多模纤芯（4）、半径减小型锥形纤芯（5）和少模纤芯（6）都处在一条中心轴线上；
f．纤芯包层（1）折射率为n1，单模纤芯（2）、半径增长型锥形纤芯（3）、多模纤芯（4）的折射率为n2，半径减小型锥形纤芯（5）、少模纤芯（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。
本发明多波段的宽带光波导模式转换器，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1.26-1.675微米的工作波长范围，共415nm工作带宽)，应用于O-， E-，S-，C-，L-和U-波段，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是模式转换器结构图。
图2是通过调整L2长度，在多模纤芯输出处获得的LP0m模式的归一化功率。
图3是模式转换器输出端的模式的归一化功率。
图4是LP01到LP02转换的消光比和插入损耗。
具体实施方式
本发明多波段的宽带光波导模式转换器，包括：纤芯包层（1）、单模纤芯（2）、半径增长型锥形纤芯（3）、多模纤芯（4）、半径减小型锥形纤芯（5）、少模纤芯（6），其中：
a. 纤芯包层（1）均匀覆盖纤芯, 半径为R4，长度为L1+L2+L3+L4+L5（AF段）；
b. 单模纤芯（2）作为模式转换器输入端（A点），半径为R1，长度为L1（AB段）；
c. 半径增长型锥形纤芯（3）在单模纤芯（2）之后（B点），半径从R1（B点）渐变增长到半径R2（C点），在结束（C点）处连接多模纤芯（4），形成第一阶段的模式转换器，半径增长型锥形纤芯（3）长度为L2（BC段），多模纤芯（3）长度为L3（CD段），半径为R2；
d. 半径减小型锥形纤芯（5）连接多模纤芯（4）结束（D点）处，半径从R2（D点）渐变减小到半径R3（E点），在结束（E点）处连接少模纤芯（6），形成第二阶段的模式转换器，半径减小型锥形纤芯（5）长度为L4（DE段），少模纤芯（6）长度为L5（EF段），半径为R3；
e．单模纤芯（2）、半径增长型锥形纤芯（3）、多模纤芯（4）、半径减小型锥形纤芯（5）和少模纤芯（6）都处在一条中心轴线上；
f．纤芯包层（1）折射率为n1，单模纤芯（2）、半径增长型锥形纤芯（3）、多模纤芯（4）的折射率为n2，半径减小型锥形纤芯（5）、少模纤芯（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。
本发明为多波段的宽带光波导模式转换器，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，半径增长型锥形纤芯（3）会给不同的模式引入不同的传播相位，通过调整半径增长型锥形纤芯的长度，从而使大部分光功率从LP01模转换到所需要的LP0m模，但仍会有部分非期望的模式（特别是LP0m，k≠m）存在，所以需要通过第二阶段的半径减小型锥形纤芯（5）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，通过调整半径增长型锥形纤芯的长度L2，LP0m（m=1,2,3）模式的功率会随着BC段长度L2的变化而改变。在多模纤芯输出（D点）处获得的LP0m模式的归一化功率,(这里只考虑半径增长型锥形纤芯并且保持其他参数不变），可以看出L2长度的变化对模式转换的影响。
例如，对一个LP01转换到LP02的宽带模式转换器，L2的最佳长度在728微米附近，可以得到接近80%的转换效率，但可以看到还有接近10%的其他模式（LP01和LP03）的功率残留，意味着会存在比较大的模式串扰。显然，只靠这第一阶段的模式转换器是无法获得所期望的模式转换性能的。因此，需要引入第二阶段的模式转换器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LP02模式上。
参见图3，在引入了第二阶段的模式转换器后，在少模纤芯输出（F点）处，LP01到LP02转换的归一化功率。可以看出，LP02转换的归一化功率超过了90%，同时，模式转换器输出的其他非期望的模式功率接近0。图4为在1.26 -1.675微米的工作波长上，LP01到LP02的转换时的插入损耗（转换比率或者说效率）以及消光比。在这里，插入损耗=PLP01,in/PLP02,out，消光比=PLP02,out/PLP01,out，其中PLP01,in是模式转换器输入端的基模功率，PLP02,out和PLP01,out分别是模式转换器输出端LP02和LP01模式的功率。可以清楚地看到，模式转换器在整个1.26-1.675微米的波长范围内的插入损耗都小于1.65分贝（转换效率大于68%），同时消光比都超过了11分贝，可以满足模式转换的性能要求；特别的，在1.525-1.590微米的波长范围内（完全覆盖了C波段）的插入损耗都小于0.457分贝（转换效率都超过了90%），同时，消光比也都超过了17分贝。
在这里，只是展示了LP01到LP02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（LP03、LP04等）的转换。

Claims (5)

1.多波段的宽带光波导模式转换器，其特征在于，采用锥形纤芯级联结构的光波导实现的宽带模式转换器，包括：纤芯包层（1）、单模纤芯（2）、半径增长型锥形纤芯（3）、多模纤芯（4）、半径减小型锥形纤芯（5）、少模纤芯（6），其中：
a. 纤芯包层（1）均匀覆盖纤芯, 半径为R4，长度为L1+L2+L3+L4+L5（AF段）；
b. 单模纤芯（2）作为模式转换器输入端（A点），半径为R1，长度为L1（AB段）；
c. 半径增长型锥形纤芯（3）在单模纤芯（2）之后（B点），半径从R1（B点）渐变增长到半径R2（C点），在结束（C点）处连接多模纤芯（4），形成第一阶段的模式转换器，半径增长型锥形纤芯（3）长度为L2（BC段），多模纤芯（3）长度为L3（CD段），半径为R2；
d. 半径减小型锥形纤芯（5）连接在多模纤芯（4）结束（D点）处，半径从R2（D点）渐变减小到半径R3（E点），在结束（E点）处连接少模纤芯（6），形成第二阶段的模式转换器，半径减小型锥形纤芯（5）长度为L4（DE段），少模纤芯（6）长度为L5（EF段），半径为R3；
e．单模纤芯（2）、半径增长型锥形纤芯（3）、多模纤芯（4）、半径减小型锥形纤芯（5）和少模纤芯（6）都处在一条中心轴线上。
2.如权利要求1所述的多波段的宽带光波导模式转换器，其特征在于：
纤芯包层（1）折射率为n1，单模纤芯（2）、半径增长型锥形纤芯（3）、多模纤芯（4）的折射率为n2，半径减小型锥形纤芯（5）、少模纤芯（6）的折射率为n3, 且n1<n3<n2。
3.如权利要求1所述的多波段的宽带光波导模式转换器，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所述的多波段的宽带光波导模式转换器，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所述的多波段的宽带光波导模式转换器，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。
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