CN111722320B - 模分复用器、模分复用系统、解复用系统及通信系统 - Google Patents

模分复用器、模分复用系统、解复用系统及通信系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种模分复用器，以及包括模分复用器的模分复用系统、解复用系统，以及包括模分复用系统、解复用系统的通信系统。模分复用器包括具有多个呈阵列设置的亚波长的电磁共振单元的超表面。电磁共振单元用于将传输至其的光束进行相位调制，以将光束的空间模式阶次进行转换。由于电磁共振单元的尺寸为亚波长，其尺寸相较于现有技术的空间光调制器的像素尺寸更小，使得经所述模分复用器相位调制后的各个不同空间模式的串扰较低，使得将不同空间模式的光束复用至少模/多模光纤中时串扰较小。同时，相比于现有技术中空间光调制器的偏振依赖性问题，本申请所述的模分复用器可以实现偏振无关的相位调制。

Description

模分复用器、模分复用系统、解复用系统及通信系统
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种模分复用器、模分复用系统、解复用系统以及通信系统。
背景技术
近年来，随着高清视频、物联网以及云计算等新兴业务的快速发展，人们对带宽的需求不断增加。目前而言，单模光纤已经逼近其理论传输的极限，而空分复用技术利用其新的空间复用维度有望极大地提升光纤通信的容量，进而突破单模光纤的理论传输极限。模分复用作为空分复用技术的一类近年来受到了人们的广泛关注，其利用少模/多模光纤中独立的正交模式作为信号传输的信道以提升光纤通信的容量。
模分复用器是模分复用(mode division multiplexing，MDM)系统中极为关键的一类器件，其作用是将单模光纤阵列或者多芯光纤中独立的信号复用至少模/多模光纤对应的模式中以实现模式的复用功能，或者将少模/多模光纤中传输的不同模式的信号解复用至单模光纤或者多芯光纤中独立传输。截至目前，已经报道的模分复用器包括使用二进制相位片、长周期光纤光栅、光纤耦合器、光子灯笼以及多平面光转换器等。其中，多平面光转换为被视为一种最具潜在价值的应用技术，但现有的多平面光转换器件中，一般通过在多个离散的平面处设置相位片或空间光调制器以实现空间光传输波前的连续转换，但由于空间光调制器以及相位片的像素尺寸较大，使得波前变换过程(即光束的空间模式转换的过程)中存在分辨率低、串扰较大等问题。
发明内容
本申请提供一种模分复用器，旨在提供一种能够实现高分辨率、低串扰、低插损的模分复用器。本申请还提供一种模分复用系统、解复用系统以及光纤通信系统。
第一方面，本申请提供一种模分复用器。所述模分复用器包括第一准直器、第二准直器以及位于所述第一准直器与所述第二准直器之间的模分复用模块，经所述第一准直器入射的多个独立光束经所述模分复用模块进行多次相位调制以实现模式转化与合束，经所述模分复用模块输出的光束入射至所述第二准直器。
所述模分复用模块包括超表面，所述超表面具有多个呈阵列设置的亚波长的电磁共振单元，所述电磁共振单元用于对传输至所述电磁共振单元的光束进行相位调制，以将传输至所述电磁共振单元的光束的空间模式进行模式转换。本申请中，所述电磁共振单元的周期约为光束的半波长，能够抑制光束在所述超表面上的高阶级次衍射，从而提高光束经所述超表面进行波前变换的转换效率。
本申请中，所述模分复用模块包括超表面，所述超表面上设有阵列设置的电磁共振单元，所述电磁共振单元能够改变经所述波束的相位、振幅以及偏振态等。通过超表面的多次相位调制能够使得传输至其上的光束进行空间模式转换。本申请中，光束的相位调制是基于电共振与磁共振引起的等效折射率的改变。具体的，当光束经过电磁共振单元时会与电磁共振单元产生电共振与磁共振，使得光束经所述电磁共振单元传输时，所述电磁共振单元的等效折射率发生改变，从而使得经所述电磁共振单元出射后的光束的相位发生改变。所述第一准直器与第二准直器均可实现光束的准直。通过所述第一准直器对光束的准直作用以调整光束传输至所述超表面上的光斑面积的大小，并通过控制光束的入射方向以使得光束传输至超表面上的对应位置，通过对应位置电磁共振单元结构的设计控制所述相位调制的相位变化量，进而实现对应的空间模式转换。通过所述第二准直器对光束的准直作用将经所述模分复用模块进行波前变换以后的光束耦合至模分复用系统中的输出端光纤，从而实现将模分复用系统中的输入端光纤独立的信号复用至模分复用系统中的输出端光纤对应的模式中，以实现模式的复用。
进一步的，由于所述电磁共振单元的尺寸为亚波长，即所述电磁共振单元的特征尺寸与工作波长相比更小，其尺寸相较于现有技术的所述空间光调制器或者相位片的像素尺寸更小，从而避免了波前变换过程中分辨率低的问题，使得各个不同模式之间的串扰较小，实现较好的信号传输效果。并且，本实施例中，通过超表面实现光束的波前变换相较于现有技术中通过相位片或空间光调制器进行光束的波前变换来说，插损更小、光束的能量损耗更低。
进一步的，相比于现有技术中的空间光调制器，本申请的所述超表面可以利用光刻、纳米压印等技术实现大规模、低成本的制备，能够降低模分复用器的使用成本。同时，现有技术中的空间光调制器，尤其是液晶式空间光调制器，光束经其进行波前变换与光束的偏振方向相关，存在偏振依赖性问题，而本申请的模分复用模块相比于现有技术的空间光调制器来说不存在偏振依赖性问题，即本申请所述的超表面可以实现偏振无关的相位调制。
本申请中，所述超表面的所述电磁共振单元的尺寸与光束经所述超表面进行相位调制前后的相位变化值相匹配；不同尺寸的所述电磁共振单元的分布与光束在所述超表面的光场分布相匹配。
每个所述超表面的所述电磁共振单元的尺寸与经所述超表面对光束的相位调制前后的相位变化值相匹配，即能够经所述超表面对光束的相位调制前后所需要相位变化值设计所述超表面上的电磁共振单元的尺寸。例如在一些实施例中，当需要调整光束的相位变化值增大，如使光束能够从基态转换至更高阶的空间模式时，可以适当增大光束入射至所述超表面上对应位置的所述电磁共振单元的尺寸。不同尺寸的电磁共振单元的分布与光束在所述超表面的光场分布相匹配，即与光束入射至所述超表面上的入射位置相匹配，以使得所述入射位置不同的光束的相位变化量不同。本申请中，根据光束在所述超表面的不同位置的光场分布以及照射至超表面不同位置的光束所需的相位变化量，而设计所述超表面的不同位置的电磁共振单元的尺寸，从而使得通过不同信道传输的光束能够产生所需的模式变换，以实现信号的复用以及解复用。
本申请一些实施例中，模式转换满足公式：
O＝FL2·Tn a×b·FΔxn·Tn-1 a×b·…FΔx2·T2 a×b·FΔx1·T1 a×b·FL1·I
其中，I为输入光场分布矩阵(即第一准直器输出的光场分布矩阵)，O为输出光场分布矩阵(即第二准直器前端的光场分布矩阵)；L1为光束从第一准直器传输至所述模分复用模块的距离，L2为光束从所述模分复用模块传输至所述第二准直器的距离，FL1、FL2分别表示传输距离L1和L2对应的菲涅尔衍射矩阵；FΔxi表示传输距离Δxi对应的菲涅尔衍射矩阵，其中，距离Δxi为光束经第i次相位调制后至经第i+1次相位调制前传输的距离,i＝1，2，……，n，n为大于1的自然数；Ti a×b为经超表面第i次相位调制对应的酉矩阵，其中，a×b表示每次相位调制由a×b个像素点完成，每个所述像素点具有一个或多个阵列设置的电磁共振单元，每个所述像素点内的电磁共振单元结构相同，即每个所述像素点内的电磁共振单元的材质、形状及尺寸均相同。a×b个像素点组成的超表面的面积大于传输过程中光斑的有效面积，使得光束能够完全入射至所述超表面上。
通过确定的I、O、FL1、FL2及FΔxi，得到每次所述超表面相位调制对应的酉矩阵Tia×b，以得到所述超表面的电磁共振单元的尺寸及其分布。
本申请中，通过模式转换公式得到每次所述超表面相位调制对应的酉矩阵Ti a×b，从而得到每个像素点对应的相位调制的大小，进而确定每个像素点的电磁共振单元的尺寸大小及超表面上电磁共振单元的分布，使其满足所述模分复用器模式转换的需求。
本申请一些实施例中，所述模分复用器为线偏振模式复用器，所述线偏振模分复用器的复用模式数量N与超表面相位调制的次数(m+1)满足公式：m＝2N，从而通过合适次数的相位调制，以实现良好的相位调制效果。
本申请另一些实施例中，所述模分复用器为非线偏振模式复用器，所述非线偏振模式复用器的复用模式数量与超表面相位调制的次数呈正相关，即复用模式的数量越多，超表面相位调制的次数越多，以得到良好的相位调制效果。例如，如所述模分复用器可以为厄米-高斯模式(HG模式)等其他非线偏振模式复用器。
本申请一些实施例中，所述第一准直器与所述第二准直器均为超表面。通过设计所述超表面的电磁共振单元的尺寸及分布，使得所述超表面具备光束准直的功能，以调整经所述第一准直器入射至所述模分复用模块中超表面上的光斑的大小，并使得所述模分复用模块输出的光束经所述第二准直器进行准直后能够耦合至输出端光纤。本申请的其它一些实施例中，所述第一准直器与所述第二准直器可以为准直透镜，以实现光束的准直功能。
进一步的，本申请中，所述电磁共振单元使得将传输至所述电磁共振单元的光束产生相位变化值的调节范围在0～2π，以保证所述超表面对光束相位的有效调控，能够调整光束相位至任意需要的值。
本申请一些实施例中，模分复用模块包括多个所述超表面，多个所述超表面平行且间隔相对设置，光束依次经过多个所述超表面，且光束经过每个所述超表面时会产生一次相位调制，从而通过多次的相位调制实现模式的转化与复用，降低每次相位调制后的相位变化梯度，从而降低对每个所述超表面的要求。这些实施例中，每个所述超表面具有a×b个像素点，使得每次相位调制由a×b个像素点完成，a×b个像素点组成的超表面的面积大于传输过程中光斑的有效面积，距离Δxi为第i个超表面与第i+1个超表面之间的距离。
这些实施例中，超表面相位调制的次数与超表面的数量相同，均为(m+1)。当所述模分复用器为线偏振模分复用器时，所述超表面的数量(m+1)与所述模分复用器的复用模式数量N满足公式：m＝2N，从而通过合适次数的相位调制，以实现良好的相位调制效果。
一些实施例中，所述超表面包括衬底，所述电磁共振单元阵列设置于所述衬底的表面上，所述电磁共振单元的电介质材料的折射率大于2，即构成所述电磁共振单元的电介质材料的折射率大于2。由于高折射率电介质材料构成的电磁共振单元的电磁共振，使得光束经所述电磁共振单元易产生相位变化，进而能够容易的通过改变所述电磁共振单元的尺寸大小改变经所述电磁共振单元传输的光束的相位。
本申请一实施例中，所述衬底为二氧化硅衬底，所述电磁共振单元为硅纳米立方块。本实施例中，所述电磁共振单元为硅纳米立方块，所述硅纳米立方块具有较大的折射率以及较小的能量损耗，使得光束经所述电磁共振单元后损耗较小，也容易得到所需的相位变化。
本申请的其它一些实施例中，所述模分复用模块包括间隔并相对设置的两个反射体，光束在两个所述反射体之间经所述反射体的多次反射后出射，两个所述反射体中至少一个所述反射体为所述超表面，光束每在所述超表面上反射一次进行一次相位调制。这些实施例中，不需要间隔设置多个所述超表面即可实现波束的相位调制，能够简化模分复用模块结构，减小所述模分复用器占用的体积。
本申请一实施例中，两个所述反射体中的一个所述反射体为所述超表面，另一个所述反射体为反射镜，所述超表面的电磁共振单元与所述反射镜的反射面相向设置，光束每在所述超表面上反射一次时进行一次相位调制，使得光束经过所述超表面的多次相位调制实现光束的模式转换与复用。这些实施例中，所述超表面上的电磁共振单元包括沿光束的传输方向的多个子区，光束在所述超表面上的每次反射发生在一个所述子区上，使得相位调制的次数与所述子区的数量相同。一些实施例中，每个所述子区具有a×b个像素点，使得每次相位调制由a×b个像素点完成，每个子区的面积大于传输过程中光斑的有效面积。这些实施例中，由于超表面相位调制的次数与子区的数量相同，均为(m+1)。当所述模分复用器为线偏振模分复用器时，所述子区的数量(m+1)与所述模分复用器的复用模式数量N满足公式：m＝2N，从而通过合适次数的相位调制，以实现良好的相位调制效果。
本实施例中，所述超表面包括依次层叠设置的金属衬底、电介质层以及阵列层，所述阵列层包括阵列设置的多个金属块，所述金属衬底包括多个阵列设置的第一子区块，所述电介质层包括多个阵列设置的第二子区块，多个所述第一子区块与多个所述第二子区块一一对应，每个所述第二子区块上层叠有一个所述金属块，每个所述第一子区块、第二子区块以及设于所述第二子区块上的金属块构成所述电磁共振单元。并且，本实施例中，所述反射镜的反射面与所述金属块相向设置，即所述反射镜的反射面朝向所述超表面，所述超表面的金属块朝向所述反射镜。
另一实施例中，两个所述反射体均为所述超表面，光束在两个所述超表面中的任一个所述超表面上反射一次时均进行一次相位调制，使得光束通过两个所述超表面进行的多次的相位调制实现光束的模式转换与复用。本实施例中，在两个所述超表面上均能够进行相位调制，相较于包括反射镜与超表面的模分复用器来说，在单个超表面上需要进行相位调制的次数减少，从而使得超表面的面积可以进一步的减小，进而进一步减小模分复用器的占用面积。同样的，本实施例中，所述超表面上的电磁共振单元包括沿光束的传输方向的多个子区，光束的每次反射发生在一个所述子区上，使得相位调制的次数与两个所述超表面的所述子区的数量之和相同。一些实施例中，每个所述子区具有a×b个像素点，使得每次相位调制由a×b个像素点完成，每个子区的面积大于传输过程中光斑的有效面积。并且，由于超表面相位调制的次数与两个所述超表面的所述子区的数量之和相同，均为(m+1)。当所述模分复用器为线偏振模分复用器时，所述子区的数量(m+1)与所述模分复用器的复用模式数量N满足公式：m＝2N，从而通过合适次数的相位调制，以实现良好的相位调制效果。
本实施例中，所述超表面包括依次层叠设置的金属衬底、电介质层以及阵列层，所述阵列层包括阵列设置的多个金属块，所述金属衬底包括多个阵列设置的第一子区块，所述电介质层包括多个阵列设置的第二子区块，多个所述第一子区块与多个所述第二子区块一一对应，每个所述第二子区块上层叠有一个所述金属块，每个所述第一子区块、第二子区块以及设于所述第二子区块上的金属块构成所述电磁共振单元。并且，本实施例中，两个所述超表面上的金属块相向设置。
所述第一子区块、第二子区块以及层叠于所述第二子区块上的金属块构成所述电磁共振单元能够反射光束，且光束在所述电磁共振单元上进行反射时会激发电磁共振单元的电共振与磁共振，从而有效实现相位调制。
本申请一些实施例中，所述金属衬底为铝衬底，所述电介质层为二氧化硅层，所述金属块为金块。
本申请一些实施例中，所述模分复用器还包括封装件，所述第一准直器、所述第二准直器以及所述模分复用模块均封装于所述封装件内。封装件用于保护位于其内的所述第一准直器、所述第二准直器以及所述模分复用模块等结构。进一步的，一些实施例中，所述封装件的相对两侧分别设有第一光纤插口以及第二光纤插口，所述第一光纤插口位于靠近所述第一准直器的一侧，所述第二光纤插口位于靠近所述第二准直器的一侧，所述第一光纤插口用于连接输入端光纤，所述第二光纤插口用于连接输出端光纤。本实施例中，通过在所述封装件上设置第一光纤插口及第二光纤插口，以方便模分复用系统中的输入端光纤与输出端光纤与所述模分复用器的连接，便于所述模分复用器应用于模分复用系统中。
第二方面，本申请提供一种模分复用系统。所述模分复用系统包括输入端光纤、输出端光纤以及所述模分复用器，所述输入端光纤、所述输出端光纤分别连接于所述模分复用器相对的两侧，所述输入端光纤靠近所述模分复用器中第一准直器的一侧，所述输出端光纤靠近所述模分复用器中的第二准直器的一侧，光束依次从所述输入端光纤、所述模分复用器传输至所述输出端光纤；所述输入端光纤用于提供多个信道，每个所述信道传输一束独立的光束至所述模分复用器；所述输出端光纤包括多个不同的光纤模式，每个所述光纤模式用于传输对应的空间模式的光束；所述模分复用器用于将所述输入端光纤输入的多束独立的光束进行多次相位调制，使得多束光束的空间模式分别转换为与所述输出端光纤的不同光纤模式相匹配的空间模式，并将多束光束进行合束；其中，经不同的信道传输的光束经所述模分复用器转换为不同的空间模式。
其中，所述输入端光纤为标准单模光纤阵列或者多芯光纤；所述输出端光纤为少模光纤或者多模光纤。所述输入端光纤为标准单模光纤阵列或者多芯光纤，从而提供多个信道，以通过每个信道输出独立的光束。所述输出端光纤为少模光纤或者多模光纤，以提供多个不同的所述光纤模式，使得通过所述模式转换后的不同模式的光束复用至所述输出光纤中，实现光纤的空分复用，提高光纤通信的容量。
本申请中，经所述输入端光纤输入的从不同信道传输的独立光束传输至所述模分复用器的第一准直器，经所述第一准直器调整光束传输至所述模分复用器的超表面上的光斑面积的大小，并通过调节入射方向使得光束传输至超表面的对应位置。光束经所述模分复用模块进行模式变换以后经所述第二准直器耦合至所述输出端光纤，从而实现将输入端光纤中独立的信号复用至输出端光纤中对应的模式中以实现模式的复用功能。并且，由于所述模分复用器能够实现高分辨率、低串扰、低损耗的模式转换，使得包括所述模分复用器的所述模分复用系统具有高分辨率、低串扰、低损耗的模式转换，并使得复用至所述输出端光纤中的不同模式之间串扰小。
进一步的，本申请中，根据所述标准单模光纤阵列中单模光纤的数量或者多芯光纤的芯数选择支持特定模式的少模/多模光纤，以使得经所述输入端光纤传输的光束最终能够在所述输出端光纤的不同光纤模式中进行传输。
第三方面，本申请还提供一种模分解复用系统，所述模分解复用系统包括输入光纤、输出光纤以及所述模分复用器，所述输入光纤、所述输出光纤分别连接于所述模分复用器相对的两侧，所述输入光纤靠近所述模分复用器中第二准直器的一侧，所述输出光纤靠近所述模分复用器中的第一准直器的一侧，光束依次从所述输入光纤、所述模分复用器传输至所述输出光纤；所述输入光纤包括多个不同的光纤模式的少模或多模光纤；所述模分复用器用于将输入的不同的空间模式进行模式转换并进行分束，使得输入的不同的空间模式转换为与输出光纤的模场相匹配的空间模式；所述输出光纤用于接收并传输经所述模分复用器出射的各个分束，所述输出光纤包括多个信道，每个所述信道用于传输一束独立的所述分束。
其中，所述输入光纤为少模光纤或者多模光纤，具有多个不同的光纤模式；所述输出光纤为标准单模光纤阵列或者多芯光纤，以提供多个独立的并行设置的信道，以通过每个信道传输独立的信号。
本申请中，经所述输入光纤输入的光束传输至所述模分复用器的第二准直器，通过所述第二准直器传输至模分复用模块，经所述模分复用模块将光束分束成多个独立的分束，同时将各分束的空间模式转化为与输出光纤模场匹配的空间模式，从而能够便于在输出光纤进行传输。本申请一些实施例中，所述输出光纤均为标准单模光纤，能够用于传输位于基模状态下的信号。
第四方面，本申请还提供一种通信系统，所述通信系统包括所述模分复用系统以及所述模分解复用系统，所述模分复用系统的所述输出端光纤为所述解复用系统的所述输入光纤。通过所述模分复用系统将输入端光纤中独立的信号复用至输出端光纤对应的模式，通过所述输出端光纤进行信号传输，再通过所述解复用系统将所述输出端光纤传输的具有多个不同的光纤模式的信号解复用至所述输出光纤的各个标准单模光纤或者多芯光纤各个的纤芯中。
附图说明
图1为本申请一实施例的模分复用器的结构示意图；
图2为图1实施例的模分复用器的超表面的结构示意图；
图3为本申请另一实施例的模分复用器的结构示意图；
图4为本申请另一实施例的模分复用器的结构示意图；
图5为图4所述实施例的模分复用器的超表面的拆分结构示意图；
图6为图4所述实施例的模分复用器的单个电磁共振单元的结构示意图；
图7为本申请另一实施例的模分复用器的结构示意图；
图8为本申请另一实施例的模分复用器的结构示意图；
图9为本申请一实施例的模分复用系统的结构示意图；
图10为本申请一实施例的模分解复用系统的结构示意图；
图11为本申请一实施例的通信系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本申请提供一种模分复用器，所述模分复用器一般用于空分复用系统(包括模分复用系统、模分解复用系统等)，用于提升光通信容量。请参阅图1及图2，本申请提供一种模分复用器100。其中，图1中的箭头方向为本实施例中光束在所述模分复用器中100中的传输方向。本申请中，模分复用器的工作波段位于光纤通信波段。所述模分复用器100包括第一准直器20、第二准直器30以及位于所述第一准直器20与第二准直器30之间的模分复用模块10，经所述第一准直器20入射的多个独立光束经所述模分复用模块10进行模式转化并合束后入射至所述第二准直器30。
模分复用模块10包括一个或者多个平行间隔设置的超表面10a。其中，所述超表面10a是指一种厚度小于波长的层状结构，所述超表面10a具有阵列设置的亚波长的电磁共振单元11。所述电磁共振单元11能够改变经光束的相位、振幅以及偏振态等，通过模分复用模块10对光束的多次相位调制可以将光束的空间模式进行模式转换。例如，将光束由基模转换为高阶模或者将光束从高阶模转换为基模。其中，所述电磁共振单元11为亚波长结构，即所述电磁共振单元11的特征尺寸与工作波长相比更小，电磁共振单元的周期约为光波的半波长。本申请中，电磁共振单元的周期为相邻的两个电磁共振单元的中心之间的距离。其中，特征尺寸是指所述电磁共振单元11的尺寸中具有代表意义的尺寸。例如，当电磁共振单元11为圆柱结构时，特征尺寸实质为圆柱结构的高及其截面半径；当电磁共振单元11为四棱柱结构时，特征尺寸实质为四棱柱结构的高及其截面的长、宽。本实施例中，所述电磁共振单元11均为四棱柱结构。由于所述电磁共振单元11为亚波长结构，即所述电磁共振单元11的特征尺寸与工作波长相比更小，相较于现有技术中用于相位调制的空间光调制器或相位片的像素尺寸更小，从而避免了波前变换过程中分辨率低的问题，使得各个不同模式间的串扰较小，以实现较好的信号传输的效果。由于现有技术的空间光调制器中的液晶分子具有一定的偏振方向，使得现有技术中空间光调制器存在偏振依赖性问题，而本申请所述的超表面10a则可以实现偏振无关的相位调制。并且，本实施例中，通过超表面10a实现光束的波前变换相较于现有技术中通过空间光调制器进行光束的波前变换来说，插损更小、光束的能量损耗更低。
进一步的，相比于现有技术中的空间光调制器，本申请的所述超表面10a可以利用光刻、纳米压印等技术实现大规模、低成本的制备，能够降低模分复用器100的制作成本。
本申请中，每个所述超表面10a内的所述电磁共振单元11的尺寸与经所述超表面10a对光束的相位调制前后的相位变化值相匹配，即能够根据光束所需要相位变化值设计所述电磁共振单元11的尺寸以实现对应的相位调制。例如在一些实施例中，当需要调整光束的相位变化值增大，如使光束从基态转换至更高阶的空间模式时，可以适当增大所述电磁共振单元11的尺寸。并且，不同尺寸的电磁共振单元11的分布与光束在所述超表面10a的光场分布相匹配，即与光束入射至所述超表面10a上的光斑位置相匹配，以使得入射至所述超表面10a上光斑位置不同的光束的相位变化量不同，实现不同的相位调制。本申请中，根据光束在所述超表面10a的不同位置的光场分布确定所需的相位变化量，进而设计所述超表面10a上不同位置的电磁共振单元11的尺寸，从而使得通过不同信道传输的光束能够实现特定的模式变换，以实现信号的复用以及解复用。
本申请一些实施例中，模式转换满足公式：
O＝FL2·Tn a×b·FΔxn·Tn-1 a×b·…FΔx2·T2 a×b·FΔx1·T1 a×b·FL1·I
其中，I为输入光场分布矩阵(即光束经第一准直器20输出的光场分布矩阵)，O为输出光场分布矩阵(即光束输入至第二准直器30前的光场分布矩阵)；L1为光束从第一准直器20传输至所述模分复用模块10的距离，L2为光束从所述模分复用模块10传输至所述第二准直器30的距离，FL1、FL2分别表示通过距离L1和L2对应的菲涅尔衍射矩阵；FΔxi表示传输距离Δxi对应的菲涅尔衍射矩阵，其中，距离Δxi为光束经第i次相位调制后至经第i+1次相位调制前传输的距离,i＝1，2，……，n，n为大于1的自然数；Ti a×b为经超表面第i次相位调制对应的酉矩阵，其中，a×b表示每次相位调制由a×b个像素点完成，每个所述像素点具有一个或多个阵列设置的电磁共振单元11，每个所述像素点内的电磁共振单元11结构相同，即每个所述像素点内的电磁共振单元11的材质、形状及尺寸均相同。a×b个像素点组成的超表面的面积大于传输过程中光斑的有效面积。
Ti a×b与第i次相位调制对应的所述超表面10a的电磁共振单元11相匹配，即电磁共振单元11提供对应像素点的相位调制；FΔxi表示通过距离Δxi对应的菲涅尔衍射矩阵，其中，距离Δxi为第i个超表面10a与第i+1个超表面10a之间的距离。
通过确定的I、O、FL1、FL2及FΔxi，得到每次所述超表面10a相位调制对应的酉矩阵Ti a×b，酉矩阵Ti a×b上的每个数值点的数值为超表面上对应位置的像素点的相位变化量。例如，酉矩阵Ti a×b第i行第j列的数值为p,则光束传输至超表面10a上第i行第j列的一个像素点需要产生的相位变化量为p。因此，根据模式转换公式得到酉矩阵Ti a×b后，从而获知光束在a×b个像素点中每个像素点进行相位调制需产生的相位变化量，进而能够设计所述超表面10a的各个像素的分布及各个像素点中的电磁共振单元11的尺寸及其分布，以设计得到符合实际需求的超表面10a。即本申请中，通过模式转换公式容易设计得到符合实际需求的超表面10a，简单方便。
进一步的，本申请中，所述电磁共振单元11使得将传输至所述电磁共振单元11的光束产生相位变化值的范围在0～2π，以保证所述超表面10a对光束相位的有效调控，能够调整光束相位至任意需要的值。
本申请中，所述超表面10a对光束进行相位调制的次数与模分复用器100的复用模式数量呈一定的线性关系设置，从而使得能够通过合适次数的相位调制，实现良好的相位调制效果。本申请一些实施例中，所述模分复用器100为线偏振模分复用器，所述线偏振模分复用器100的复用模式数量N与超表面10a相位调制的次数(m+1)满足公式：m＝2N。本申请另一些实施例中，所述模分复用器100为非线偏振模式复用器，所述非线偏振模式复用器的复用模式数量与超表面10a相位调制的次数呈正相关，即复用模式的数量越多，超表面10a相位调制的次数越多，以得到良好的相位调制效果。本申请中，所述模分复用器100可以为厄米-高斯模式(HG模式)等其他非线偏振模式复用器。
本申请中，所述模分复用模块10可以为透射式或者反射式结构。
本实施例中，所述模分复用模块10为透射式，光束透过所述超表面10a以实现对应的相位调制。所述模分复用模块10包括多个所述超表面10a，多个所述超表面10a平行相对设置。其中，光束经过每个所述超表面10a时会产生一次相位调制，从而通过多次的相位调制实现光束的模式转换，使得光束经过单个所述超表面10a的相位调制梯度较小，从而能够降低对每个所述超表面10a的要求。本实施例中，每个所述超表面10a可以划分为a×b个像素点，使得每次相位调制由a×b个像素点完成，a×b个像素点组成的超表面的面积大于传输过程中光斑的有效面积。本实施例中，所述第一准直器20的中心轴及第二准直器30的中心轴均垂直于超表面10a所在平面，光束的传输方向与所述超表面10a所在平面垂直。本实施例中，第i个超表面与第i+1个超表面之间的距离为模式转换公式中的距离Δxi。各个所述超表面10a能够等间隔排列或者非等间隔排列。本实施例中，各所述超表面10a为等间隔排列，即Δx1＝Δx2……＝Δxn。
本实施例中，由于光束经过每个所述超表面10a时会产生一次相位调制，因此超表面相位调制的次数与超表面10a的数量相同。因此，当所述模分复用器为线偏振模分复用器时，所述超表面10a的数量(m+1)与所述模分复用器100的复用模式数量N满足公式：m＝2N，从而通过合适次数的相位调制，以实现良好的相位调制效果。
本实施例中，所述超表面10a还包括衬底12，所述电磁共振单元11设于所述衬底12的一个表面上。并且，本实施例中，衬底12包括相对的第一表面以及第二表面，每个所述超表面10a的第一表面均朝向同一侧。所述电磁共振单元11能够位于第一表面或者第二表面上。本实施例中，每个所述超表面10a均位于第一表面上。
本实施例中，构建电磁共振单元11的材料为具有较大折射率的电介质材料，且光束穿过所述电磁共振单元11后的能量损耗较小。并且，本实施例中，构成电磁共振单元11的电介质材料的折射率大于2。由于所述高折射率电介质材料构成的电磁共振单元11的电磁共振，使得光束经所述电磁共振单元11易产生相位变化，也使得能够容易的通过改变所述电磁共振单元11的尺寸大小改变经所述电磁共振单元11传输的光束的相位。
本实施例中，所述衬底12可以为二氧化硅衬底，所述电磁共振单元11可以为硅纳米立方块。其中，所述硅纳米立方块为四棱柱状，且所述硅纳米立方块与所述衬底12平行的截面为边长为W的正方形。可以理解的是，本申请的其它实施例中，所述电磁共振单元11还可以为其它的块状结构，如圆柱状，多棱柱状等。本实施例中，各个所述电磁共振单元11的高度H均相同，通过控制所述硅纳米立方块的截面的边长W来控制穿过所述超表面10a的光束的相位变化的大小。可以理解的是，本申请的其它实施例中，所述衬底12及所述电磁共振单元11还可以为其它材料形成，例如所述电磁共振单元11可以为氮化硅等材料形成的块状。
本申请一些实施例中，所述模分复用器100还包括封装件，所述第一准直器20、所述第二准直器30以及所述模分复用模块10均封装于所述封装件内以保护位于其内的所述第一准直器20、所述第二准直器30以及所述模分复用模块10等结构。
进一步的，一些实施例中，所述封装件的相对两侧分别设有第一光纤插口以及第二光纤插口，所述第一光纤插口位于靠近所述第一准直器20的一侧，所述第二光纤插口位于靠近所述第二准直器30的一侧，所述第一光纤插口用于连接输入端光纤，所述第二光纤插口用于连接输出端光纤。本实施例中，通过在所述封装件上设置第一光纤插口及第二光纤插口，以方便模分复用系统中的输入端光纤与输出端光纤与所述模分复用器100的连接，便于所述模分复用器100应用于模分复用系统中。
所述第一准直器20用于控制光束传输至所述超表面10a上的光斑面积的大小。所述第二准直器30用于将经所述模分复用模块10出射的光束耦合至输出端光纤中进行传输。本实施例中，所述第一准直器20及第二准直器30均包括微透镜21，且所述第一准直器20及第二准直器30均可以包括单个微透镜21，也可以包括多个微透镜21组成的透镜阵列。本实施例中，所述第一准直器20包括多个微透镜21组成的透镜阵列，且每个微透镜21与一束入射光束对应，每束光束能够通过对应的微透镜传输至模分复用模块10，从而对光束进行更精确的调整，得到满足需求的输入光场分布矩阵。所述第二准直器30为微透镜21。
在本申请的其它实施例中，如图3所示的实施例中，所述第一准直器20与所述第二准直器30均可以为超表面。通过设计所述超表面的电磁共振单元的尺寸及分布，使得所述第一准直器20的超表面具有光束准直的功能。通过所述第一准直器20对波束的准直作用调整经所述第一准直器20入射至所述超表面上的光斑的大小。通过所述第二准直器30的准直作用，使得所述第二准直器30能够将经所述模分复用模块10输出的光束耦合至输出端光纤内。
请参阅图4，图4提供本申请的另一种模分复用器200，所述模分复用器200的模分复用模块10为反射式结构，即光束传输至所述模分复用模块10的超表面10a时产生反射。具体的，所述模分复用器200与所述模分复用器100的差别在于：所述模分复用模块10包括间隔并相对设置的两个反射体，光束在两个所述反射体之间经所述反射体的多次反射后出射，两个所述反射体中至少一个所述反射体为所述超表面10a，光束每在所述超表面10a上反射一次进行一次相位调制。这些实施例中，相对于模分复用模块100来说，不需要间隔设置多个所述超表面10a即可实现光束的相位调制，能够简化所述模分复用器200的模分复用模块10结构，减小所述模分复用器200占用的体积。
具体的，本实施例中，两个所述反射体中的一个所述反射体为所述超表面10a，另一个所述反射体为反射镜40。所述反射镜40包括能够反射光束的反射面41，所述反射镜40的反射面41朝向所述超表面10a，使得光束经反射镜40的反射后传输至超表面10a。光束每在所述超表面10a上反射一次时进行一次相位调制。并且，所述第一准直器20的中心轴及第二准直器30的中心轴与超表面10a呈θ角，使得光束能够入射至所述超表面11并向第二准直器30的一侧进行传输。光束在所述反射镜40与所述超表面10a之间经多次反射后出射。光束每在所述超表面10a上反射一次，即会产生一次相位调制，通过多次的相位调制后实现光束的模式转换与复用。本实施例中，不需要间隔设置多个所述超表面10a，简化模分复用器200中的模分复用模块10的结构，进而减小所述模分复用器200占用的体积。所述超表面10a具有多个相邻设置的子区，所述子区在光束的传输方向依次设置，且光束的每次反射发生在一个所述子区上。每个所述子区包含a×b个像素点，使得每次相位调制由a×b个像素点完成，每个子区的面积大于传输过程中光斑的有效面积。本实施例中，所述超表面10a与反射面41平行设置，且超表面10a设有电磁共振单元11的表面与反射面41之间的距离为D1。使得光束在超表面10a上相邻两次反射发生的位置均相同，且相邻的两次反射发生的位置之间的距离为D2，且D2＝2D1/tanθ。本实施例中，模式转换公式中距离Δxi＝2D1/sinθ。
本实施例中，由于光束的每次反射发生在一个所述子区上，且光束每在所述超表面10a上反射一次，即会产生一次相位调制，因此超表面相位调制的次数与超表面10a的子区的数量相同。因此，当所述模分复用器为线偏振模分复用器时，所述子区的数量(m+1)与所述模分复用器的复用模式数量N满足公式：m＝2N，从而通过合适次数的相位调制，以实现良好的相位调制效果。
请参阅图5及图6，本实施例中，所述模分复用器200的超表面10a包括依次层叠设置的金属衬底113、电介质层114以及阵列层，所述阵列层包括阵列设置的多个金属块115。所述金属衬底113包括多个阵列设置的第一子区块113a，所述电介质层114包括多个阵列设置的第二子区块114a，多个所述第一子区块113a与多个所述第二子区块114a一一对应，即每个所述第二子区块114a在所述金属衬底113上的正投影与一个所述第一子区块113a重合。并且，每个所述第二子区块114a上层叠有一个所述金属块115，每个所述第一子区块113a、第二子区块114a以及设于所述第二子区块114a上的金属块115构成所述电磁共振单元11。本实施例中，所述电磁共振单元11的周期与所述第一子区块113a或第二子区块114a的边长相同。所述第一子区块113a、第二子区块114a以及设于所述第二子区块114a上的金属块115构成的所述电磁共振单元11能够反射光束，且光束入射至所述电磁共振单元11上会激发对应的电共振与磁共振，从而产生相位变化。本实施例中，所述反射面41与所述金属块115相向设置，即所述反射面41朝向所述超表面10a，所述超表面10a的金属块115朝向所述反射镜40。本申请一实施例中，所述金属衬底113为铝衬底，所述电介质层114为二氧化硅层，所述金属块115为金块。可以理解的是，本申请中，所述金属衬底113、电介质层114及金属块115也可以为其它材料制成，如所述金属块115也可以由铝、银等材料构成。
可以理解的是，所述模分复用器200的第一准直器20与第二准直器30与模分复用器100的第一准直器20与第二准直器30的结构相同，可以为微透镜21组成的结构，也可以为超表面形成的结构。如图7所示的实施例，其第一准直器20与第二准直器30均为超表面形成的结构。
请参阅图8，本申请另一实施例提供一种模分复用器300，所述模分复用器300与模分复用器200的差别在于：模分复用器300的两个所述反射体均为所述超表面10a，光束在两个所述超表面10a中的任一个所述超表面10a上反射一次时均进行一次相位调制，使得光束通过两个所述超表面10a进行的多次的相位调制实现光束的模式转换与复用。并且，本实施例中，在两个所述超表面10a上均能够进行相位调制，相较于模分复用器200来说，在单个超表面10a上需要进行相位调制的次数减少，从而使得本实施例的模分复用器300的超表面10a的面积可以进一步的减小，进而减小模分复用器300的占用面积。同样的，本实施例中，所述超表面10a上的电磁共振单元11包括沿光束的传输方向的多个子区，光束的每次反射发生在一个所述子区上，使得相位调制的次数与两个所述超表面10a的所述子区的数量之和相同。一些实施例中，每个所述子区具有a×b个像素点，使得每次相位调制由a×b个像素点完成，每个子区的面积大于传输过程中光斑的有效面积。并且，由于超表面相位调制的次数与两个所述超表面10a的所述子区的数量之和相同，均为(m+1)。当所述模分复用器300为线偏振模分复用器时，所述子区的数量(m+1)与所述模分复用器300的复用模式数量N满足公式：m＝2N，从而通过合适次数的相位调制，以实现良好的相位调制效果。
本实施例中，所述两个超表面10a平行设置，且两个超表面10a之间的距离为D1，同一超表面上相邻的两次反射发生的位置之间的距离为D2，且D2＝2D1/tanθ。本实施例中，模式转换公式中距离Δxi＝D1/sinθ。
进一步的，本实施例中，所述模分复用器300的超表面10a与所述模分复用器200的超表面10a的结构相同，且模分复用器300的两个超表面10a的金属块115相向设置，从而保证所述超表面10a实现反射效果的同时，具有相位调制作用。
请参阅图9，本申请提供一种模分复用系统1000，所述模分复用系统1000用于将单模光纤阵列或者多芯光纤中传输的模式进行模式变换与复用，以使得各信道中的信号复用至同一少模光纤或者多模光纤中。所述模分复用系统1000包括输入端光纤110、输出端光纤120以及模分复用器100。可以理解的是，在本申请的其它实施例中，所述模分复用器也可以为模分复用器200、模分复用器300或者本申请的其它实施例中的模分复用器。所述输入端光纤110、所述模分复用器100及所述输出端光纤120依次位于光束的传播路径上，所述输入端光纤、所述输出端光纤分别连接于所述模分复用器100相对的两侧，所述输入端光纤靠近所述模分复用器100中第一准直器20的一侧，所述输出端光纤靠近所述模分复用器100中的第二准直器30的一侧，光束依次从所述输入端光纤、所述模分复用器100传输至所述输出端光纤。
所述输入端光纤110用于提供多个信道。本实施例中，所述输入端光纤110为标准单模光纤阵列或者多芯光纤，每个所述单模光纤或者每个纤芯提供一个信道用于进行信号的传输。每个所述信道经第一准直器20传输一束独立的光束至所述模分复用模块10。所述第一准直器20控制光束传输至所述超表面10a上的光斑面积的大小。本申请中，通过所述第一准直器20调整光束传输至所述超表面10a的光斑的大小，所述输入端光纤110中的光纤或者纤芯的排列方式会影响准直器20输出的光场分布矩阵I。
所述输出端光纤120为少模光纤或者多模光纤，能够提供多个不同的所述光纤模式。通过所述模式转换后的不同模式复用至所述输出光纤中，实现信号的空分复用，提高光纤通信的容量。并且，通过固定了输出端光纤120与模分复用器之间的位置，使得输出端光纤120与超表面10a的位置固定，从而能够确定输出光场分布矩阵O。
所述模分复用器100用于将所述输入端光纤110输入的多束独立的光束进行多次相位调制，使得多束光束的空间模式分别转换为与所述输出端光纤120的不同光纤模式相匹配的空间模式，并将多束光束进行合束；其中，经不同的信道传输的光束经所述模分复用器100转换为不同的空间模式。例如，一实施例中，经所述输入端光纤110传输的光束均为基本线性偏振(linearly polarized，LP)模式(即LP01模式)，所述输出端光纤120支持LP11、LP02、LP12等光纤模式，其中，下标为模式的角向阶次和径向阶次。因此，经所述模分复用器100将处于LP01模式的多个光束转化为LP11、LP02、LP12等模式，并将多个光束合束后耦合至输出端光纤120中。
本申请中，经所述输入端光纤110输入的从不同信道传输的独立光束传输至所述第一准直器20，经所述第一准直器20调整光束传输至所述模分复用器100的超表面10a上的光斑面积的大小。经所述第一准直器20输入的多束光束经所述模分复用器100进行模式转换与合束后经所述第二准直器30耦合至所述输出端光纤120，从而实现将输入端光纤110中独立的信号复用至输出端光纤120中对应的模式中以实现模式的复用功能。并且，由于所述模分复用器100能够实现高分辨率、低串扰、低损耗的波前转换，使得包括所述模分复用器100的所述模分复用系统具有高分辨率、低串扰、低损耗的特性，并使得复用至所述输出端光纤120中的光纤模式之间串扰小。
本申请中，根据所述标准单模光纤阵列中单模光纤的数量或者多芯光纤的芯数选择支持特定模式的少模/多模光纤，以使得经所述输入端光纤110传输的多个信号最终能够在所述输出端光纤120的不同光纤模式下进行传输。请参阅图10，本申请还提供一种模分解复用系统2000，所述模分解复用系统2000用于将在同一光纤中传输的不同的模式进行模式转化与分束，并将分束后的各光束分别通过单独的光纤进行传输。本申请中，所述模分解复用系统2000的结构与所述模分复用系统1000的结构相同，且模分解复用系统2000的结构与所述模分复用系统1000的区别在于，模分解复用系统2000中光束的传输方向与所述模分复用系统1000中光束的传输方向相反。
具体的，所述模分解复用系统2000包括输入光纤210、输出光纤220以及所述模分复用器100，所述输入光纤210、所述输出光纤220分别连接于所述模分复用器100相对的两侧。所述输入光纤210靠近所述模分复用器100中第二准直器30的一侧，所述输出光纤220靠近所述模分复用器100中的第一准直器20的一侧，光束依次从所述输入光纤210、所述模分复用器100传输至所述输出光纤220。在本申请的其它实施例中，所述模分解复用器也可以为模分复用器200、模分复用器300或者本申请的其它实施例中的模分解复用器。所述输入光纤210用于传输不同光纤模式的信号，以提升光纤的通信容量。所述输入光纤210支持多个不同的光纤模式，每种光纤模式对应于一种特定的光场分布。所述模分复用器100将经所述输入光纤210输入的光束分成多个独立的分束并进行相应的模式转换，使得转化后各个分束的空间模式的光场分布与输出光纤220的模场相匹配。
其中，所述输入光纤210为少模光纤或者多模光纤，具有多个不同的光纤模式；所述输出光纤220为标准单模光纤阵列或者多芯光纤，以提供多个独立的并行设置的信道，以通过每个信道传输独立的信号。
本实施例中，经所述输入光纤210输入的光束传输至所述模分复用器100的第二准直器30，通过所述第二准直器30传输至模分复用模块10，经所述模分复用模块10将光束分束成多个独立的分束，同时将各分束的空间模式转化为与输出光纤220模场匹配的空间模式，从而能够便于在输出光纤中进行传输。本申请一些实施例中，所述输出光纤220支持的模式均为基本线性偏振模式(即LP01模式)，用于传输位于基模状态下的信号。
请参阅图11，本申请还提供一种通信系统，所述通信系统包括所述模分复用系统1000以及所述解复用系统2000，所述模分复用系统1000的所述输出端光纤120为所述模分解复用系统2000的所述输入光纤210，即所述输出端光纤120与所述输入光纤210为同一光纤。通过所述模分复用系统1000将输入端光纤110中独立的信号复用至输出端光纤120对应的模式中，通过所述输出端光纤120进行信号传输，在通过所述解复用系统2000将所述输出端光纤120传输的具有多个不同的光纤模式的信号解复用至所述输出光纤220的各个标准单模光纤或者各个纤芯中。
以上所述为本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。

Claims (17)

1.一种模分复用器，其特征在于，所述模分复用器用于将多个独立传输的光束进行空间模式转换及合束后，再传输至同一根光纤的多个信道中，所述模分复用器包括第一准直器、第二准直器以及位于所述第一准直器与所述第二准直器之间的模分复用模块，经所述第一准直器入射的多个独立的光束经所述模分复用模块分别进行多次相位调制以实现模式转换与合束，经所述模分复用模块输出的光束入射至所述第二准直器；
所述模分复用模块包括超表面，所述超表面具有多个呈阵列设置的亚波长的电磁共振单元，所述电磁共振单元用于对传输至所述电磁共振单元的光束进行相位调制，以将传输至所述电磁共振单元的光束的空间模式进行模式转换；
所述模分复用器为线偏振模式复用器，所述模分复用器为线偏振模式复用器时，光束经所述模分复用模块进行相位调制的次数为m+1次，所述线偏振模式复用器的复用模式数量为N，m与N满足公式：m=2N。
2.如权利要求1所述的模分复用器，其特征在于，所述模分复用模块包括相对设置的两个反射体，光束在两个所述反射体之间经所述反射体的多次反射后出射，两个所述反射体中至少一个所述反射体为所述超表面，光束每在所述超表面上反射一次进行一次相位调制。
3.如权利要求2所述的模分复用器，其特征在于，两个所述反射体中的一个所述反射体为所述超表面，另一个所述反射体为反射镜，所述反射镜的反射面朝向所述超表面，光束在所述超表面上反射一次，进行一次相位调制。
4.如权利要求2所述的模分复用器，其特征在于，两个所述反射体均为所述超表面，光束在两个所述超表面中的任一个所述超表面上反射一次时均进行一次相位调制。
5.如权利要求3或4所述的模分复用器，其特征在于，所述超表面包括依次层叠设置的金属衬底、电介质层以及阵列层，所述阵列层包括阵列设置的多个金属块，所述金属衬底包括多个阵列设置的第一子区块，所述电介质层包括多个阵列设置的第二子区块，多个所述第一子区块与多个所述第二子区块一一对应，每个所述第二子区块上层叠有一个所述金属块，每个所述第一子区块、第二子区块以及层叠于所述第二子区块上的金属块构成所述电磁共振单元。
6.如权利要求5所述的模分复用器，其特征在于，所述金属衬底为铝衬底，所述电介质层为二氧化硅层，所述金属块为金块。
7.如权利要求1所述的模分复用器，其特征在于，所述模分复用模块包括多个所述超表面，多个所述超表面平行且间隔相对设置，光束依次穿过多个所述超表面，且光束每经过一个所述超表面时进行一次相位调制。
8.如权利要求7所述的模分复用器，其特征在于，所述超表面包括衬底，所述电磁共振单元阵列设置于所述衬底的表面上，构成所述电磁共振单元的电介质材料折射率大于2。
9.如权利要求8所述的模分复用器，其特征在于，所述衬底为二氧化硅衬底，所述电磁共振单元为硅纳米立方块。
10.如权利要求1所述的模分复用器，其特征在于，所述超表面的所述电磁共振单元的尺寸与光束经所述电磁共振单元进行相位调制前后的相位变化值相匹配；不同尺寸的所述电磁共振单元的分布与光束在所述超表面的光场分布相匹配。
11.如权利要求10所述的模分复用器，其特征在于，模式转换满足公式：
O=FL2 ▪Tn a×b▪FΔxn▪Tn-1 a×b▪…FΔx2▪T2 a×b▪FΔx1▪T1 a×b▪FL1 ▪I
其中，I为输入光场分布矩阵，O为输出光场分布矩阵；L1为光束从第一准直器传输至所述模分复用模块的距离，L2为光束从所述模分复用模块传输至所述第二准直器的距离，FL1、FL2分别表示传输距离L1和L2对应的菲涅尔衍射矩阵；FΔxi表示传输距离Δxi对应的菲涅尔衍射矩阵，其中，距离Δxi为光束经第i次相位调制后至经第i+1次相位调制前传输的距离,i=1，2，……，n，n为大于1的自然数；Ti a×b为经超表面第i次相位调制对应的酉矩阵，其中，a×b表示每次相位调制由a×b个像素点完成，每个所述像素点具有一个或多个阵列设置的电磁共振单元，a×b个像素点组成的超表面的面积大于光束传输至所述超表面上的光斑的有效面积；
通过确定的I、O、FL1、FL2及FΔxi，得到每次所述超表面相位调制对应的酉矩阵Ti a×b，以得到所述超表面的电磁共振单元的尺寸及其分布。
12.如权利要求1所述的模分复用器，其特征在于，所述第一准直器与所述第二准直器均为所述超表面。
13.如权利要求1所述的模分复用器，其特征在于，所述电磁共振单元使得将传输至所述电磁共振单元的光束产生相位变化值的调节范围在0～2π。
14.如权利要求1所述的模分复用器，其特征在于，还包括封装件，所述第一准直器、所述第二准直器以及所述模分复用模块均封装于所述封装件内。
15.一种模分复用系统，其特征在于，包括输入端光纤、输出端光纤以及权利要求1-14任一项所述的模分复用器，所述输入端光纤、所述输出端光纤分别连接于所述模分复用器相对的两侧，所述输入端光纤靠近所述模分复用器中第一准直器的一侧，所述输出端光纤靠近所述模分复用器中的第二准直器的一侧，光束依次经所述输入端光纤、所述模分复用器传输至所述输出端光纤；
所述输入端光纤用于提供多个信道，每个所述信道传输一束独立的光束至所述模分复用器；所述模分复用器用于将所述输入端光纤输入的多束独立的光束进行多次相位调制，使得多束光束的空间模式分别转换为与所述输出端光纤的不同光纤模式相匹配的空间模式，并将多束光束进行合束；其中，经不同的信道传输的光束经所述模分复用器转换为不同的空间模式。
16.一种模分解复用系统，其特征在于，包括输入光纤、输出光纤以及权利要求1-14任一项所述的模分复用器，所述输入光纤、所述输出光纤分别连接于所述模分复用器相对的两侧，所述输入光纤靠近所述模分复用器中第二准直器的一侧，所述输出光纤靠近所述模分复用器中的第一准直器的一侧，光束依次从所述输入光纤、所述模分复用器传输至所述输出光纤；
所述输入光纤包括多个不同的光纤模式，不同的光纤模式用于承载不同的信号并入射至所述模分复用器；所述模分复用器用于将各不同的空间模式的光束进行模式转换并进行分束，使得光束的不同空间模式转换为与输出光纤模式相匹配的空间模式，并将所述输入光纤出射的光束进行分束；所述输出光纤用于接收并传输经所述模分复用器出射的各个分束，所述输出光纤包括多个信道，每个所述信道用于传输一束独立的所述分束。
17.一种通信系统，其特征在于，包括权利要求15所述的模分复用系统以及权利要求16所述的模分解复用系统，所述模分复用系统的所述输出端光纤为所述模分解复用系统的所述输入光纤，光束在所述模分复用系统以及所述模分解复用系统之间进行传输。
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