CN110542950A - 一种基于空间三维波导的简并模式组的模式解复用器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间三维波导的简并模式组的模式解复用器，其特征在于，包括包括一根少模波导和两根单模波导；第一单模波导的一端与该少模波导耦合，且耦合位置处第一单模波导的轴向与少模波导的轴向相同，另一端经一S型弯曲波导与一单模直波导一端连接；第二单模波导的一端与该少模波导耦合、另一端经一S型弯曲波导与一单模直波导一端连接；两单模直波导的另一端与一两模波导一端耦合，且圆心连线形成的夹角为90°；该少模波导的端口1接收混合模式的少模信号；该两模波导的另一端将输入少模波导的模式LP_pqa和LP_pqb对应的耦合至两模波导的LP_11a和LP_11b后输出；其中，p≠0。

Description

一种基于空间三维波导的简并模式组的模式解复用器

技术领域

本发明涉及一种简并模式组的解复用结构，具体涉及基于空间三维波导的简并模式组分别解复用再合路的解复用器，可应用于光纤通信、光学信息处理等新一代信息技术领域。

背景技术

近年来，为了满足光纤通信系统的容量需求，模分复用技术成为光纤通信领域的研究热点之一，作为其关键技术之一的模式复用器/解复用器得到了广泛的关注。由于每个模式组内的模式之间串扰较大，但模式组之间的串扰很低。因此在长距离模分复用系统中，需要使用多入多出数字信号处理技术来消除模式间的串扰。对于例如超级计算机、数据中心等短距离传输的场景，每个模式组承载一路信息则不需要使用多入多出数字信号处理，以牺牲传输容量的方式来节省较高的软硬件成本。

普通圆对称的少模光纤中的模式可以用线性偏振模式(Linear Polarization,LP)表征。在其支持的LP_pq(p＝0,1,2,…；q＝1,2,3,…)模式中，所有p＝0模式的空间分布是圆对称的，其本身即为一个模式组。所有p≠0的模式的空间分布是非圆对称的，包含LP_pqa和LP_pqb两个简并模式，这两个简并模式的有效折射率差极小，在纤芯中的空间分布只有角度方向上的不同，往往被归为一个模式组，称为LP_pq简并模式组。在少模光纤模式组复用系统的发射端，对于LP_pq简并模式组中的LP_pqa和LP_pqb模式，一般只激励出二者中一个。由于光纤几何结构不完美、光纤的弯曲以及温度变化等微扰，该模式在光纤中传输之后会发生旋转，并且该旋转会随着时间缓变。对于接收端来说等效于会同时收到LP_pqa和LP_pqb两个简并模式即LP_pq简并模式组。普通的模式解复用器一般是将复用器反过来使用，即少模光信号从少模光纤注入，转化为单模光纤中的LP₀₁模式。这种方式对于圆对称模式LP_0q模式没有问题。但是对于非圆对称的简并模式LP_pqa和LP_pqb，普通模式解复用器只能将其中的一个解复用，因此需要一个在接收端能够同时接收LP_pqa和LP_pqb两个简并模式(即LP_pq简并模式组)的简并模式组解复用器。

现有方案一：在少模波导的不同方向(取向由LP_pqa和LP_pqb两个简并模式的空间分布决定)使用两根单模波导分别将LP_pqa和LP_pqb两个简并模式解复用，然后将两路单模信号使用光电检测器接收，最后使用数字信号处理技术将两路电信号合并。由于需要使用数字信号处理，这种方式的缺点是软硬件成本高。

现有方案二：一种基于熔融拉锥的少模光纤简并模式组解复用器，这种方案将少模光纤和另一种不同的两模光纤拉锥，使得LP_pqa和LP_pqb两个简并模式可以同时解复用到LP_11a和LP_11b上。相同的原理也可以用波导的方式实现。但由于高阶模式间的定向耦合条件比较严苛，并且要同时兼顾两个模式的耦合，导致器件实现难度太大，耦合区较长，器件效率普遍较低。

发明内容

针对现有方案存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于空间三维波导的简并模式组分别解复用再合路的模式解复用器。

由于本发明的目的是针对简并模式组而设计，因此下文中所有的p≠0。

再一次强调，在短距离模分复用系统中的发射端，简并模式组LP_pqa和LP_pqb一般只被激励出其中一个，由于光纤的圆对称性以及传输过程的影响，在接收端会产生LP_pqa和LP_pqb两个模式，并且简并模式组LP_pqa和LP_pqb承载相同的信号。

本发明的技术方案为：

一种基于空间三维波导的简并模式组的模式解复用器，其特征在于，包括一根少模波导和两根单模波导；第一单模波导的一端与该少模波导耦合，且耦合位置处第一单模波导的轴向与少模波导的轴向相同，第一单模波导另一端经一第一S型弯曲波导与一单模直波导一端连接；第二单模波导的一端与该少模波导耦合，且耦合位置处第二单模波导的轴向与少模波导的轴向相同，第二单模波导另一端经一第二S型弯曲波导与一单模直波导一端连接；两单模直波导的另一端与一两模波导一端耦合且耦合处轴向相同，两单模直波导的圆心分别与该两模波导的圆心连线形成的夹角为90°；该少模波导的一端记为端口1，用于接收混合模式的少模信号，两根单模波导用于将该少模信号中简并模式组所包含的模式LP_pqa和LP_pqb解复用；该两模波导的另一端记为端口2，用于将输入少模波导的模式LP_pqa和LP_pqb对应的耦合至两模波导的LP_11a和LP_11b后输出；该少模波导的另一端记为端口3，用于输出少模信号中除模式LP_pqa和LP_pqb之外的其他信号，其中，p≠0。

进一步的，耦合位置处两根单模波导的圆心分别与该少模波导的圆心连线形成的夹角为β；β的取值由模式LP_pqa和LP_pqb的空间分布决定。

进一步的，β的理论值为β＝(2m-1)π/(2p)，其中m为自然数。

进一步的，β值不低于90°。

进一步的，p＝1时，β＝90°；p＝2，β＝135°；p＝3，β＝90°。

进一步的，第一S型弯曲波导的曲率与第二S型弯曲波导的曲率一致，曲率半径大于或等于3cm。

进一步的，少模波导中LP_pqa和LP_pqb的有效折射率等于单模波导中LP₀₁的有效折射率。

进一步的，两模波导中的LP_11a和LP_11b模式的有效折射率与单模波导中LP₀₁模式的有效折射率相等。

一种级联模式解复用器，其特征在于，包括第一模式耦合器、第二模式耦合器和多个所述模式解复用器，作为第一级的第一模式耦合器的少模波导一端作为少模信号输入端，另一端与下一级的所述模式解复用器的端口1连接，所述模式解复用器的端口3与下一级的所述模式解复用器的端口1连接，第二模式耦合器作为最后一级，第二模式耦合器的少模波导信号输入端与上一级的所述模式解复用器的端口3连接。

一种基于空间三维波导的简并模式组的模式解复用方法，其步骤为：

1)将混合模式的少模信号注入少模波导，使用两根单模波导分别将少模波导中的LP_pqa和LP_pqb解复用；

2)用两段S型弯曲波导将两路单模波导的出口和少模波导的出口分离开，输出两路单模信号；

3)将两路单模信号分别输入一段单模直波导，然后将两路单模直波导的输出信号分别耦合至一两模波导中的LP_11a和LP_11b后输出。

本发明的方案如图1所示，混合模式的少模信号从端口1注入少模波导，使用两根单模波导(需要满足相位匹配条件，下一段会详细阐述)分别将少模波导中的LP_pqa和LP_pqb解复用，三根波导轴向相同，圆心之间的夹角为β，β的大小由LP_pqa和LP_pqb两个模式的空间分布决定(β的值不是唯一的，理论上β＝(2m-1)π/(2p)，其中m＝1、2、3……，但是为了防止两路单模波导距离太近而产生相互耦合，β的值不能低于90°。由以上两个限制条件，给出几组常用值：p＝1时，β＝90°；p＝2，β＝135°；p＝3，β＝90°。)，如图1中虚线框(1)所示，这一步称为简并模式组分别解复用。第二步，S型弯曲波导常用来分离波导的出口位置，这里用两段S型弯曲波导将两路单模波导的出口和少模波导的出口分离开，将两路单模信号引至端口2所在的位置，做下一步处理，其间需要保证两路单模信号的光程差尽可能小，要求光程差小于几百微米，只需要两路S型弯曲波导的曲线基本一致即可实现；另一方面，S型弯曲波导的曲率半径需要在厘米数量级(一般来说大于等于3cm即可)，从而降低S型弯曲波导的功率损耗。最后一步称为合路，两路单模信号分别经过S型弯曲波导后，分别进入一段单模直波导，两段单模直波导和一段两模直波导平行排列，轴向相同，圆心之间的夹角为90°，在满足相位匹配条件下，两路单模直波导的信号分别耦合至两模波导中的LP_11a和LP_11b并从端口2输出，如图1中的虚线框(2)所示。从端口1注入的其他模式从端口3输出。

注入解复用器的信号一般是多个模式的混合信号光，一般来说简并模式组LP_pqa和LP_pqb的有效折射率几乎相等。解复用时的相位匹配条件指的是少模波导中LP_pqa和LP_pqb的有效折射率等于单模波导中LP₀₁的有效折射率(不同粗细波导的有效折射率可以使用商用仿真软件计算)，才能使LP_pqa和LP_pqb尽可能多的耦合进单模波导，通常是调整少模波导的粗细来实现相位匹配(改变波导的粗细一般是由一段满足绝热近似条件的锥区波导来实现)，相位匹配条件是一个比较严苛的条件，对波导粗细的要求较高，在弱导中(弱导：波导芯和包层的折射率差远远小于1)一般来说差别不能大于0.2μm；同时，在合路的时候需要设计合适的两模波导参数，一般来说是给定折射率差，计算不同粗细的两模波导中的LP_11a和LP_11b模式的有效折射率，使其与单模波导中LP₀₁模式的有效折射率相等。

由于两路单模波导中的光信号携带相同的信号，因此两路单模波导的走向需要尽可能相似，来保证两路单模信号所经历的光程差尽量小，否则会引入较大的时延，不利于正确接收信号，设信号的速率为25Gbaud/s，光在波导中的速率约为2×10⁸m/s，因此光程差的要求并不高，几百微米的差别都能够正确接收。

合路的时候将两路单模信号耦合进一根两模波导的LP_11a和LP_11b，而不是一路耦合进LP₀₁、另一路耦合进LP_11a，抑或是更高阶的模式(如LP_21a和LP_21b)。原因如下：其一，LP_11a和LP_11b是正交的两个模式，它们的有效折射率一样，能够在波导中共存，不同点是耦合时单模波导的位置，但这样也便于同时耦合；其二，耦合进较低阶的模式，对结构的容忍性要求低，方便加工；其三，高速光电探测器接收光的面积较小，芯径较小的光纤耦合效率更高，更方便电信号的接收。

进一步的，对于接收端的混合模式信号，本发明需要将其分成两类。第一，对于模式LP_pq(p≠0)，使用本发明提出的简并模式分别解复用再合路的方法来接收；第二，对于模式LP_pq(p＝0)，使用常见的模式耦合器，即一根单模波导就能解复用该模式。最后，本发明可以将每个模式的解复用器级联起来，级联的顺序可以按照模式的有效折射率从小到大依次排列。如图2所示，本发明和常见的耦合器级联后可以接收到四路信号：一路信号在LP₀₂模式上，一路信号在LP₂₁模式组上(发射端只激励了LP_21a模式，但是由于光纤的非理想圆对称以及模式在光纤中的旋转等因素，导致接收端含有LP_21a和LP_21b，且LP_21a和LP_21b承载相同的信号)，一路信号在LP₁₁模式组上(LP_11a和LP_11b承载相同的信号)，还有一路信号在LP₀₁上。

与现有技术相比，本发明的积极效果：

本发明提出的方案将简并模式组分别解复用然后在波导内进行合路，避免了电信号合路时的数字信号处理，大大降低了实现成本，同时合路后仍然是正交的两个模式，不会产生干涉的影响；将简并模式组解复用至单模信号，然后再合路至LP_11a和LP_11b，也避免了高阶模式相互转化所要求的严苛条件，可以提高耦合效率。

附图说明

图1是简并模式组解复用器原理图。

图2是接收端解复用器级联的示意图。

图3是简并模式组LP₂₁的解复用器波导结构图。

图4是简并模式组LP₂₁解复用再合路的原理图；

(a)为LP_21a的模式转化过程，(b)为LP_21b的模式转化过程。

图5是简并模式组LP₂₁解复用器的插入损耗。

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，下面以简并模式组LP₂₁解复用器的制作方法为例并结合附图来对本发明进行详细的说明。应当理解，此处所描述的具体例子仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图3是简并模式组LP₂₁解复用的实例，本例的少模波导支持四个模式LP₀₁，LP₁₁，LP₂₁和LP₀₂。整个器件设计是在背景折射率为1.4877的硼硅酸盐玻璃内，少模波导的折射率为1.499，直径是12.18μm；单模波导a和b的折射率均为1.4928，直径均为8.2μm；两模波导的折射率为1.499，直径为8.18μm。在该参数下，少模波导中的LP_21a、LP_21b，单模波导中的LP₀₁，以及两模波导的LP_11a和LP_11b，这五个模式的有效折射率是相等的，也就是说满足定向耦合的相位匹配条件。本例中波导间距(这里指波导边缘与边缘的距离)均为5μm。

少模波导中混合模式信号从端口1注入，经过虚线框(1)，少模波导中的LP_21a和LP_21b分别耦合进单模a和b中的LP₀₁，耦合区长度为2000μm，这一步称为简并模式组分别解复用；两路单模信号分别经过不同的S型弯曲波导，调整波导的空间位置，为下一步做准备，S型弯曲波导的设计只需要保证弯曲损耗较小，一般来说需要曲率半径大于3cm，同时由于单模波导的空间路径是相似的，因此两路波导的长度自然近似相等；两路单模信号在虚线框(2)分别耦合进同一根两模波导的LP_11a和LP_11b中，耦合区长度为3045μm，这一步称为合路。合路光从端口2出来，少模波导中未能被解复用的其他模式从端口3出来。

因为LP_21a和LP_21b的模场分布如图4所示，LP_21a只能在水平或者竖直方向耦合进单模波导的LP₀₁，而LP_21b只能在其45°或135°方向耦合进单模波导的LP₀₁，同时为了降低两路单模波导之间的耦合，两路单模波导的距离要尽可能远，因此三根波导的圆心之间的连线只能是135°，波导的空间分布如图3中的虚线框(1)所示。同时受到LP_11a和LP_11b的模场限制，在合路的时候需要设计成如图3中的虚线框(2)所示。

本例中的器件设计在y方向长约17810μm，在x方向长约127μm，在z方向长约30μm，由于y方向的长度远远大于另外两个方向，因此S型弯曲波导的设计几乎不会影响两路单模波导的长度差别。

LP₂₁模式组的解复用器插入损耗随着波长的变化关系如图5所示。在波长为1.55μm时，插入损耗有最小值0.07dB；在波长为1.565μm时，插入损耗为1.89dB；在波长为1.53μm时候，插入损耗为3.84dB。总的来说，在光纤通信常用的C波段插入损耗不高于3.84dB，这表明器件有非常良好的解复用效率。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于空间三维波导的简并模式组的模式解复用器，其特征在于，包括一根少模波导和两根单模波导；第一单模波导的一端与该少模波导耦合，且耦合位置处第一单模波导的轴向与少模波导的轴向相同，第一单模波导另一端经一第一S型弯曲波导与一单模直波导一端连接；第二单模波导的一端与该少模波导耦合，且耦合位置处第二单模波导的轴向与少模波导的轴向相同，第二单模波导另一端经一第二S型弯曲波导与一单模直波导一端连接；两单模直波导的另一端与一两模波导一端耦合且耦合处轴向相同，两单模直波导的圆心分别与该两模波导的圆心连线形成的夹角为90°；该少模波导的一端记为端口1，用于接收混合模式的少模信号，两根单模波导用于将该少模信号中简并模式组所包含的模式LP_pqa和LP_pqb解复用；该两模波导的另一端记为端口2，用于将输入少模波导的模式LP_pqa和LP_pqb对应的耦合至两模波导的LP_11a和LP_11b后输出；该少模波导的另一端记为端口3，用于输出少模信号中除模式LP_pqa和LP_pqb之外的其他信号，其中，p≠0。

2.如权利要求1所述的模式解复用器，其特征在于，耦合位置处两根单模波导的圆心分别与该少模波导的圆心连线形成的夹角为β；β的取值由模式LP_pqa和LP_pqb的空间分布决定。

3.如权利要求2所述的模式解复用器，其特征在于，β的理论值为β＝(2m-1)π/(2p)，其中m为自然数。

4.如权利要求3所述的模式解复用器，其特征在于，β值不低于90°。

5.如权利要求3或4所述的模式解复用器，其特征在于，p＝1时，β＝90°；p＝2，β＝135°；p＝3，β＝90°。

6.如权利要求1所述的模式解复用器，其特征在于，第一S型弯曲波导的曲率与第二S型弯曲波导的曲率一致，曲率半径大于或等于3cm。

7.如权利要求1所述的模式解复用器，其特征在于，少模波导中LP_pqa和LP_pqb的有效折射率等于单模波导中LP₀₁的有效折射率。

8.如权利要求1所述的模式解复用器，其特征在于，两模波导中的LP_11a和LP_11b模式的有效折射率与单模波导中LP₀₁模式的有效折射率相等。

9.一种基于权利要求1所述模式解复用器的级联模式解复用器，其特征在于，包括第一模式耦合器、第二模式耦合器和多个所述模式解复用器，作为第一级的第一模式耦合器的少模波导一端作为少模信号输入端，另一端与下一级的所述模式解复用器的端口1连接，所述模式解复用器的端口3与下一级的所述模式解复用器的端口1连接，第二模式耦合器作为最后一级，第二模式耦合器的少模波导信号输入端与上一级的所述模式解复用器的端口3连接。

10.一种基于空间三维波导的简并模式组的模式解复用方法，其步骤为：

1)将混合模式的少模信号注入少模波导，使用两根单模波导分别将少模波导中的LP_pqa和LP_pqb解复用；

2)用两段S型弯曲波导将两路单模波导的出口和少模波导的出口分离开，输出两路单模信号；

3)将两路单模信号分别输入一段单模直波导，然后将两路单模直波导的输出信号分别耦合至一两模波导中的LP_11a和LP_11b后输出。