CN113126207A - 光纤信号模式转换装置、转换方法及光纤传输系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种光纤信号模式转换装置、光纤信号模式转换方法和光纤传输系统，涉及光通信技术领域。光纤信号模式转换装置包括非单模光纤和单模光纤，非单模光纤包括第一模式信道和第二模式信道；单模光纤，沿着所述非单模光纤内信号的传输方向，与所述非单模光纤形成第一耦合区和第二耦合区；其中，所述第一耦合区内所述单模光纤的基模信号的有效折射率与所述第一模式信号的有效折射率相等，且所述第一模式信号可耦合至所述单模光纤的基模信道；所述第二耦合区内所述单模光纤的基模信号的有效折射率与所述第二模式信号的有效折射率相等，且所述单模光纤的基模信号可耦合至所述第二模式信道。从而实现了模式转换，提高光长途传输能力。

Description

光纤信号模式转换装置、转换方法及光纤传输系统

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光纤信号模式转换装置、光纤信号模式转换方法和光纤传输系统。

背景技术

随着信息传输需求的爆炸式增长，传统单模光纤逐渐逼近传输极限，以少模复用和多模复用为代表的新方式得到广泛关注，例如，少模复用技术是利用少模光纤中独立的正交模式作为传输信道，能成倍提升光传输容量。

少模光纤通信的核心问题之一是模式转换，模式转换主要包含两类：一类是模式的复用和解复用，模式的复用即将多个单模光纤中的基模信号复用至少模光纤中以基模信号和高阶模信号传输(少模光纤中的基模信号和高阶模信号合成为少模复用信号)，模式的解复用即将少模复用信号解复用至多个单模光纤中的基模信号传输；另一类是将少模复用信号中的任意一个模式转换成另外一个模式传输，或者将少模复用信号中的多个模式转换成另外多个模式传输。其中，第二类模式转换在模式循环转换、模式分插复用等场景中具有重要应用。

发明内容

本申请的实施例提供一种光纤信号模式转换装置、光纤信号模式转换方法和光纤传输系统，主要目的是提供一种可实现一种模式转换为另一种模式的光纤信号模式转换装置。

为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本申请提供了光纤信号模式转换装置，用于将第一模式转换为第二模式，包括：非单模光纤，非单模光纤包括第一模式信道和第二模式信道，第一模式信道用于传输第一模式的信号，第二模式信道用于传输第二模式的信号；单模光纤，沿着非单模光纤内信号的传输方向，与非单模光纤形成第一耦合区和第二耦合区；其中，第一耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率与第一模式信号的有效折射率相等，且第一模式信号可耦合至单模光纤的基模信道；第二耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率与第二模式信号的有效折射率相等，且单模光纤的基模信号可耦合至第二模式信道。

本申请实施例提供的光纤信号模式转换装置，单模光纤和光纤形成有第一耦合区和第二耦合区，由于第一耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率与第一模式的信号的有效折射率相等，非单模光纤的第一模式的信号可耦合至单模光纤的基模信道；又因为第二耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率与第二模式的信号的有效折射率相等，单模光纤的基模信号可耦合至光纤的第二模式信道。所以，本申请实施例通过将单模光纤的第一耦合区和第二耦合区的基模信号的有效折射率设置不同，以使解耦至单模光纤的基模信号在传输至第二耦合区时，基模信号的有效折射率变化，最终将与第二模式相耦合的基模信号耦合至光纤的第二模式信道，实现第一模式转换为第二模式。

在第一方面可能的实现方式中，非单模光纤包括第一光纤，第一耦合区形成在单模光纤和第一光纤之间，第二耦合区形成在单模光纤和第一光纤之间。也就是说，可以在同一根光纤上将第一模式转换为第二模式。

在第一方面可能的实现方式中，非单模光纤包括第一光纤和第二光纤，第一耦合区形成在单模光纤和第一光纤之间，第二耦合区形成在单模光纤和第二光纤之间。也就是说，可以将转换的第二模式转换至另外一个光纤上，这样可使用于模式分插复用场景。

在第一方面可能的实现方式中，第一耦合区的长度等于第一模式的信号耦合至单模光纤的基模信道的耦合长度。由于第一耦合区的长度等于第一模式的信号耦合至单模光纤的基模信道的耦合长度，这样相比将第一耦合区的长度等于第一模式的信号耦合至单模光纤的基模信道的耦合长度的大于1的整数倍，会明显的减小光纤的长度，对于全光纤传输系统，也就会有效减小整个全光纤传输系统的长度。

在第一方面可能的实现方式中，第二耦合区的长度等于单模光纤的基模信号耦合至第二模式信道的耦合长度。由于第二耦合区的长度等于单模光纤的基模信号耦合至第二模式信道的耦合长度，这样相比将第二耦合区的长度等于单模光纤的基模信号耦合至第二模式信道的耦合长度的大于1的整数倍，会明显的减小光纤的长度，对于全光纤传输系统，也就会有效减小整个全光纤传输系统的长度。

在第一方面可能的实现方式中，第一耦合区内，非单模光纤和单模光纤相平行布设且光纤的包层与单模光纤的包层相熔接，第二耦合区内，非单模光纤和单模光纤相平行布设且光纤的包层与单模光纤的包层相熔接，非单模光纤的纤芯中心与单模光纤的纤芯中心之间的距离d的取值范围为：d∈[R_f1+R_s1,R_f2+R_s2]；其中：R_f1为非单模光纤的纤芯的半径；R_s1为单模光纤的纤芯的半径；R_f2为非单模光纤的包层的半径；R_s2为单模光纤的包层的半径。

在第一方面可能的实现方式中，第一耦合区内单模光纤的纤芯的折射率为第一折射率，第二耦合区内单模光纤的纤芯的折射率为第二折射率，单模光纤的位于第一耦合区和第二耦合区之间的非耦合区内的纤芯的折射率为第三折射率，第三折射率介于第一折射率和第二折射率之间。

由于第三折射率介于第一折射率和第二折射率之间，在加工制作单模光纤时，相比第三折射率时而超出第一折射率，时而超出第二折射率，会明显的降低单模光纤的加工难度。

在第一方面可能的实现方式中，第一模式和第二模式为简并模内的两个模式；第一耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率等于第二耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率；第一耦合区内，沿着非单模光纤的横截面，非单模光纤的纤芯中心与单模光纤的纤芯中心处于第一直线上，第二耦合区内，沿着非单模光纤的横截面，非单模光纤的纤芯中心与单模光纤的纤芯中心处于第二直线上，第一直线与第二直线的夹角等于第一模式和第二模式的相位差。

当第一模式和第二模式为简并模内的两个模式时，通过将第一耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率等于第二耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率，且第一直线与第二直线的夹角等于第一模式和第二模式的相位差，就可将为简并模的第一模式和第二模式进行转换，所以，本申请实施例实现了简并模内模式的转换，扩大了该光纤信号模式转换装置的应用场景。

在第一方面可能的实现方式中，第二模式为简并模，第二模式包括第一子模式和第二子模式；光纤信号模式转换装置用于将第一模式转换为第一子模式，第二耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率为n1，光纤信号模式转换装置还用于将第一模式转换为第二子模式，第二耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率为n2，且n1＝n2；光纤信号模式转换装置用于将第一模式转换为第一子模式，第二耦合区内沿着非单模光纤的横截面，非单模光纤的纤芯中心与单模光纤的纤芯中心处于第三直线上，光纤信号模式转换装置还用于将第一模式转换为第二子模式，第二耦合区内沿着非单模光纤的横截面，非单模光纤的纤芯中心与单模光纤的纤芯中心处于第四直线上，第三直线与第四直线的夹角等于第一子模式和第二子模式的相位差。

当第二模式包括为简并模的两个子模式时，通过在第二耦合区内，n1＝n2，且第三直线与第四直线的夹角等于第一子模式和第二子模式的相位差，这样就可将第一模式转换为简并模中的第一子模式或者将第一模式转换为第二子模式，以实现简并模内模式的区分。

在第一方面可能的实现方式中，光纤信号模式转换装置用于对N种模式进行转换，N为大于或者等于2的整数；非单模光纤包括N个模式信道，N个模式信道与N种模式一一对应；单模光纤具有N个，任一个单模光纤和非单模光纤均形成有第一耦合区和第二耦合区；非单模光纤耦合至任一单模光纤的模式为N种模式中的一种；任一个单模光纤耦合至非单模光纤的模式为N种模式中的一种，且非单模光纤耦合至任一单模光纤的模式与该单模光纤耦合至非单模光纤的模式不同。

当采用上述技术方案的光纤信号模式转换装置时，该光纤信号模式转换装置就可形成循环模式转换装置，适用于光纤传输系统时，就可实现信号模式的循环转换，若应用在模式循环转换时，可以实现差分模式群延时的补偿，还可降低信号串扰。

在第一方面可能的实现方式中，多个第一耦合区沿光纤的轴向依次布设，多个第二耦合区沿光纤的轴向依次布设。

第二方面，本申请还提供了一种光纤信号模式转换方法，应用于上述光纤信号模式转换装置，包括：所述非单模光纤内第一模式的信号传输至第一耦合区时，第一模式的信号解耦至单模光纤的基模信道，并在单模光纤内以基模信号传输；单模光纤内的基模信号传输至第二耦合区时，单模光纤的基模信号耦合至非单模光纤的第二模式信道，并在非单模光纤内以第二模式传输。

本申请实施例提供的光纤信号模式转换方法，由于第一耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率与第一模式的信号的有效折射率相等，当光纤内传输的第一模式的信号传输至第一耦合区内时，根据模式匹配条件，第一模式的信号解耦至单模光纤的基模信道，并在单模光纤内与基模信号传输，又由于第二耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率与第二模式的信号的有效折射率相等，单模光纤内的基模信号传输至第二耦合区时，根据模式匹配条件，单模光纤的基模信号耦合至光纤的第二模式信道，进而将第一模式转换为第二模式。

第三方面，本申请还提供了一种光纤传输系统，包括：传输光纤，传输光纤包括第一传输光纤和第二传输光纤，第一传输光纤和第二传输光纤均包括第一模式信道和第二模式信道；第一传输光纤和第二传输光纤之间的节点处设置有前述的光纤信号模式转换装置；非单模光纤的进光口与第一传输光纤的出光口相对，非单模光纤的出光口与第二传输光纤的进光口相对。

本申请实施例提供的光纤传输系统，由于包括上述任一技术方案的光纤信号模式转换装置，这样通过光纤信号模式转换装置就可将第一传输光纤上的第一模式的信号转换至第二传输光纤的第二模式信道，并在第二传输光纤内以第二模式传输，且本申请实施例提供的光纤传输系统与上述技术方案所述的光纤信号模式转换装置能够解决相同的技术问题，并达到相同的预期效果。

在第三方面可能的实现方式中，光纤传输系统用于传输N种模式的信号，N为大于或者等于2的整数；传输光纤具有N段，N段传输光纤的轴向长度均相等，每一段传输光纤具有N个模式信道，N个模式信道与N种模式一一对应；光纤信号模式转换装置包括N-1个，两段传输光纤之间的节点处设置有一个光纤信号模式转换装置。光纤传输系统可实现差分模式群延时的补偿。

附图说明

图1为本申请实施例光纤传输系统的结构框图；

图2为本申请实施例光纤信号模式转换装置的结构示意图；

图3a为本申请实施例光纤信号模式转换装置的结构示意图；

图3b为本申请实施例光纤信号模式转换装置的结构示意图；

图4a为本申请实施例单模光纤的折射率的分布示意图；

图4b为本申请实施例单模光纤的折射率的分布示意图；

图5a为本申请实施例光纤信号模式转换装置的局部示意图；

图5b为图5a的耦合区的横截面示意图；

图6a为本申请实施例光纤信号模式转换装置的结构示意图；

图6b为本申请实施例光纤信号模式转换装置的结构示意图；

图7a为本申请实施例光纤信号模式转换装置的结构示意图；

图7b为图7a的第一耦合区横截面示意图；

图7c为图7a的第二耦合区横截面示意图；

图8a为本申请实施例光纤信号模式转换装置的结构示意图；

图8b为图8a的第二耦合区横截面示意图；

图9a为本申请实施例光纤信号模式转换装置的结构示意图；

图9b为图9a的第二耦合区横截面示意图；

图10为本申请实施例光纤传输系统的结构框图；

图11为图10中光纤信号模式转换装置的结构示意图；

图12为本申请实施例光纤传输系统的结构框图；

图13为图12中光纤信号模式转换装置的结构示意图；

图14为本申请实施例光纤传输系统的结构框图；

图15a为图14中光纤信号模式转换装置的结构示意图；

图15b为图15a的耦合区横截面示意图；

图15c为图15a的耦合区横截面示意图；

图16为本申请实施例光纤传输系统的结构框图；

图17为图16中光纤信号模式转换装置的结构示意图；

图18为本申请实施例光纤信号模式转换装置的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例涉及光纤传输系统、光纤信号模式转换装置及光纤信号模式转换方法，下面结合附图对光纤传输系统、光纤信号模式转换装置及光纤信号模式转换方法进行详细描述。

本发明实施例中，非单模包括少模和多模。下面的实施例以少模光纤和少模信号传输为例。

本申请实施例提供了一种光纤传输系统，参照图1，光纤传输系统包括第一传输光纤21和第二传输光纤22，第一传输光纤21和第二传输光纤22均包括第一模式信道和第二模式信道，第一模式信道用于传输第一模式的信号，第二模式信道用于传输第二模式的信号，第一传输光纤21和第二传输光纤22之间的节点处设置有光纤信号模式转换装置1，光纤信号模式转换装置1用于将第一模式转换为第二模式。

本申请实施例提供了一种光纤信号模式转换装置，参照图2，光纤信号模式转换装置1包括：少模光纤11和单模光纤12，少模光纤11包括第一模式信道和第二模式信道，第一模式信道用于传输第一模式的信号，第二模式信道用于传输第二模式的信号；沿着少模光纤11内信号的传输方向，单模光纤12和少模光纤11形成有第一耦合区13和第二耦合区14，第一耦合区13内单模光纤12的基模信号的有效折射率与第一模式的信号的有效折射率相等，且第一模式的信号可耦合至单模光纤12的基模信道，第二耦合区14内单模光纤12的基模信号的有效折射率与第二模式的信号的有效折射率相等，且单模光纤12的基模信号可耦合至第二模式信道。

由于第一耦合区13内单模光纤12的基模信号的有效折射率与第一模式的信号的有效折射率相等，第一模式的信号可耦合至单模光纤12的基模信道，这样少模光纤11的第一模式和单模光纤12的基模在第一耦合区13内满足模式匹配条件，少模光纤11中的第一模式的信号就可解耦至单模光纤12，并在单模光纤12中以基模传输；又因为单模光纤12的第一耦合区13的基模信号的有效折射率与第二耦合区14内的基模信号的有效折射率不同，且第二耦合区14内单模光纤12的基模信号的有效折射率与第二模式的信号的有效折射率相等，这样单模光纤12的基模和少模光纤11的第二模式在第二耦合区14内满足模式匹配条件，进而单模光纤12中基模的信号耦合至少模光纤11的第二模式信道，并在少模光纤11中以第二模式传输，从而实现了将第一模式转换为第二模式。

本实施例提供的光纤信号模式转换装置应用在光纤传输系统中时，可实现全光纤传输(传输光纤和模式转换装置均为光纤)，且能够很好的兼容光纤传输系统，仅通过一根少模光纤11和一根单模光纤12就可将一种模式转换为另一种模式，结构简单，极大降低了传输系统成本。同时，一根少模光纤11和一根单模光纤12仅形成两个耦合区，插损少。

如图2所述的光纤信号模式转换装置用于将M₁模式转换为M₂模式(少模光纤11的进光口为M₁+M₃+···+M_n，少模光纤11的出光口为M₂+M₃+···+M_n)，则少模光纤11包括M₁模式信道、M₂模式信道、M₃模式信道、依次类推，直至Mn模式信道，第一耦合区13内单模光纤12的基模信号的有效折射率与M₁模式的信号的有效折射率n_M1相等，且M₁模式的信号可耦合至单模光纤12的基模信道，第二耦合区14内单模光纤12的基模信号的有效折射率与M₂模式的信号的有效折射率n_M2相等，且单模光纤12的基模信号可耦合至M₂模式信道。这样该光纤信号模式转换装置就可将M₁模式转换为M₂模式。

在一些场景中，需要将多种模式转换为多种模式。本申请实施例提供了一种光纤信号模式转换装置，如图3a所示。业务需求为将M₁、M₂和M₃模式转换为M₄、M₅和M₆模式(少模光纤11的进光口为M₁+M₂+M₃+M₇····+M_n，少模光纤11的出光口为M₄+M₅+M₆+M₇···+M_n)，则少模光纤11包括M₁、M₂、M₃，直至Mn模式信道。单模光纤包括单模光纤12a、单模光纤12b和单模光纤12c，单模光纤12a、单模光纤12b和单模光纤12c均与少模光纤11形成第一耦合区和第二耦合区，第一耦合区内单模光纤12a的基模信号的有效折射率与M₁模式的信号的有效折射率n_M1相等，且M₁模式的信号可耦合至单模光纤12a的基模信道，第二耦合区内单模光纤12a的基模信号的有效折射率与M₄模式的信号的有效折射率n_M4相等，且单模光纤12a的基模信号可耦合至M₄模式信道；第一耦合区内单模光纤12b的基模信号的有效折射率与M₂模式的信号的有效折射率n_M2相等，且M₂模式的信号可耦合至单模光纤12b的基模信道，第二耦合区内单模光纤12b的基模信号的有效折射率与M₅模式的信号的有效折射率n_M5相等，且单模光纤12b的基模信号可耦合至M₅模式信道；第一耦合区内单模光纤12c的基模信号的有效折射率与M₃模式的信号的有效折射率n_M3相等，且M₃模式的信号可耦合至单模光纤12c的基模信道，第二耦合区内单模光纤12c的基模信号的有效折射率与M₆模式的信号的有效折射率n_M6相等，且单模光纤12c的基模信号可耦合至M₆模式信道，这样该光纤信号模式转换装置就可将M₁模式、M₂模式和M₃模式转换为M₄模式、M₅模式和M₆模式。

需要说明的是：如图3a所示的光纤信号模式转换装置不限于上述转换方式，也可以是：第一耦合区内单模光纤12a、12b、12c的基模信号的有效折射率分别与M₁、M₂、M₃模式的信号的有效折射率相等，第二耦合区内单模光纤12a、12b、12c的基模信号的有效折射率分别与M₅、M₆、M₄模式的信号的有效折射率相等。

在一些场景中，需要实时或较高频次地动态将多种模式转换为多种模式，且前后次动态转换时，多种模式与多种模式的转换对应关系不同。本申请实施例提供了一种光纤信号模式转换装置，如图3b所示。业务需求为将M₁、M₂和M₃模式转换为M₄、M₅和M₆模式(少模光纤11的进光口为M₁+M₂+M₃+M₇····+M_n，少模光纤11的出光口为M₄+M₅+M₆+M₇···+M_n)，则少模光纤11包括M₁、M₂、M₃，直至M_n模式信道。单模光纤包括单模光纤12a、单模光纤12b、单模光纤12c、单模光纤12d、单模光纤12e和单模光纤12f，单模光纤12a、单模光纤12b和单模光纤12c均与少模光纤11形成第一耦合区，单模光纤12d、单模光纤12e和单模光纤12f均与少模光纤11形成第二耦合区。第一耦合区内单模光纤12a的基模信号的有效折射率与M₁模式的信号的有效折射率n_M1相等，且M₁模式的信号可耦合至单模光纤12a的基模信道；第一耦合区内单模光纤12b的基模信号的有效折射率与M₂模式的信号的有效折射率n_M2相等，且M₂模式的信号可耦合至单模光纤12b的基模信道；第一耦合区内单模光纤12c的基模信号的有效折射率与M₃模式的信号的有效折射率n_M3相等，且M₃模式的信号可耦合至单模光纤12c的基模信道。第二耦合区内单模光纤12d的基模信号的有效折射率与M₄模式的信号的有效折射率n_M4相等，且单模光纤12d的基模信号可耦合至M₄模式信道；第二耦合区内单模光纤12e的基模信号的有效折射率与M₅模式的信号的有效折射率n_M5相等，且单模光纤12e的基模信号可耦合至M₅模式信道；第二耦合区内单模光纤12f的基模信号的有效折射率与M₆模式的信号的有效折射率n_M6相等，且单模光纤12f的基模信号可耦合至M₆模式信道。在单模光纤12a、12b、12c和单模光纤12d、12e、12f之间为动态光交换装置31，其功能为将单模光纤12a、12b或12c中每根光纤内传输的光信号分别交换至单模光纤12d、12e或12f中，且其交换对应关系可以实时或较高频次地动态变化。这样该光纤信号模式转换装置就可将M₁模式、M₂模式或M₃模式分别转换为M₄模式、M₅模式或M₆模式，且模式的转换对应关系可以实时或较高频次地动态变化。例如，动态光交换装置31在工作状态1时，M₁模式转换为M₄模式、M₂模式转换为M₅模式、M₃模式转换为M₆模式；动态光交换装置31在动态切换到工作状态2后，M₁模式转换为M₅模式、M₂模式转换为M₆模式、M₃模式转换为M₄模式。需要说明的是：如图3b所示的光纤信号模式转换装置不限于同时进行上述3对模式之间的转换，也可以同时进行2对、4对或更多对模式之间的转换。

一般单模光纤12的非耦合区内纤芯的折射率介于两个耦合区内纤芯的折射率之间。设第一耦合区内单模光纤12的纤芯的折射率为第一折射率，第二耦合区内单模光纤12的纤芯的折射率为第二折射率，单模光纤12的位于第一耦合区和第二耦合区之间的非耦合区内的纤芯的折射率为第三折射率，第三折射率介于第一折射率和第二折射率之间。

第三折射率介于第一折射率和第二折射率之间，具有多种实施方式，参照图4a和图4b，当第一耦合区内单模光纤的纤芯的第一折射率大于第二耦合区内单模光纤的纤芯的第二折射率时，第三折射率呈渐变趋势，例如，可以是呈线性渐变(图4a直线1)，可以是非线性渐变(图4a曲线2和曲线3)，也可以是呈台阶式渐变如图4b。

为了缩短少模光纤11的长度尺寸以减小转换装置体积，参照图5a，第一耦合区13的长度L等于第一模式的信号耦合至单模光纤的基模信道的耦合长度，耦合长度指光信号能量第一次从少模光纤11完全转移至单模光纤12时的最短的耦合长度。通过将第一耦合区13的长度L控制等于第一模式的信号耦合至单模光纤的基模信道的耦合长度，而不是耦合长度的大于1的整数倍，这样就可缩短光纤的长度尺寸，尤其是具有多个第一耦合区时，缩短光纤的长度尺寸的效果更加明显。

第二耦合区14的长度L同样应控制等于单模光纤的基模信号耦合至第二模式信道的耦合长度，耦合长度为光信号能量第一次从单模光纤12完全转移至少模光纤11时的最短的耦合长度。

本申请实施例中，沿光纤的径向方向，涉及的单模光纤12和少模光纤11包括由内至外依次设置的纤芯、包层和涂覆层。纤芯完成光信号的传输，包层与纤芯的折射率不同，将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯的作用，涂覆层作为纤芯和包层的保护结构。

本发明实施例还提供耦合区的形成方式。第一耦合区内，少模光纤11和单模光纤12相平行布设且少模光纤11的包层与单模光纤12的包层相熔接，或者通过侧抛粘结；第二耦合区内，少模光纤11和单模光纤12也相平行布设且少模光纤11的包层与单模光纤12的包层相熔接，或者通过侧抛粘结。当然，少模光纤11和单模光纤12也可通过其他结构连接。

参照图5b，为耦合区的横截面示意图，少模光纤11的纤芯11-2的中心与单模光纤12的纤芯12-2的中心之间的距离为d，其取值范围通常为：d∈[R_f1+R_s1,R_f2+R_s2]；其中：R_f1为少模光纤11的纤芯11-2的半径；R_s1为单模光纤12的纤芯12-2的半径；R_f2为少模光纤11的包层11-1的半径；R_s2为单模光纤12的包层12-1的半径。

通常，根据需转换的第一模式确定在第一耦合区内解耦时的最大耦合效率，再根据最大耦合效率确定第一耦合区内，少模光纤的纤芯中心与单模光纤的纤芯中心之间的距离d，然后根据d值确定第一耦合区的耦合长度。同样，根据需转换成的第二模式确定在第二耦合区内解耦时的最大耦合效率，再根据最大耦合效率确定第二耦合区内光纤的纤芯中心与单模光纤的纤芯中心之间的距离d，然后根据d值确定第二耦合区的耦合长度。具体参数设计不再赘述。

本发明实施例还提供一种模式转换方式，参照图6a，少模光纤包括第一少模光纤111和第二少模光纤112，第一耦合区13形成在单模光纤12和第一少模光纤111之间，第二耦合区14形成在单模光纤12和第二少模光纤112之间。也就是说，可以将转换的第二模式转换至另外一根少模光纤上，这样可使用于模式分插复用场景。

一根少模光纤中2个以上的多个模式，也可以动态转换到另外2个以上多根少模光纤中的多个模式。例如，参照图6b，少模光纤包括第一少模光纤111、第二少模光纤112和第三少模光纤113，单模光纤包括单模光纤121、单模光纤122、单模光纤123和单模光纤124，在单模光纤121、122和单模光纤123、124之间为动态光交换装置31，其功能为将单模光纤121或122中每根光纤内传输的光信号分别交换至单模光纤123或124中，且其交换对应关系可以实时或较高频次地动态变化。这样该光纤信号模式转换装置就可将第一少模光纤111中的M₁模式或M₂模式分别转换为第二少模光纤112中的M₃模式或第三少模光纤113中的M₄模式，且模式的转换对应关系可以实时或较高频次地动态变化。也就是说，可以将一根少模光纤中的多个模式，动态转换到另外多根少模光纤中的多个模式，可使用于动态模式可调的模式分插复用场景。

当第一模式和第二模式为一组简并模式内的两个模式时，本申请实施例提供的光纤信号模式转换装置依然可以将第一模式转换为第二模式，第一耦合区13内单模光纤12的基模信号的有效折射率等于第二耦合区14内单模光纤12的基模信号的有效折射率，同时，第一耦合区13内沿着光纤的横截面，少模光纤11的纤芯中心与单模光纤12的纤芯中心处于第一直线上，第二耦合区14内沿着少模光纤11的横截面，少模光纤11的纤芯中心与单模光纤12的纤芯中心处于第二直线上，第一直线与第二直线的夹角等于第一模式和第二模式的相位差。从而，本申请实施例提供的光纤信号模式转换装置实现了简并模内模式的转换。

需要说明的是：第一直线与第二直线的夹角等于第一模式和第二模式的相位差不仅指第一直线与第二直线的夹角恰好等于第一模式和第二模式的相位差，第一直线与第二直线的夹角接近第一模式和第二模式的相位差也在本申请的保护范围之内。

参照图7a，光纤信号模式转换装置用于将M_1a模式转换为M_1b模式，M_1a模式和M_1b模式为简并模M₁内的两个模式，且M_1a模式和M_1b模式的相位差

为45°，第一耦合区13内单模光纤12的基模信号的有效折射率等于第二耦合区14内单模光纤12的基模信号的有效折射率，且均等于M₁模式的信号的有效折射率(n_M1a＝n_M1b)；第一耦合区13内沿着光纤的横截面，参照图7b，少模光纤11的纤芯11-2的中心与单模光纤12的纤芯12-2的中心处于第一直线L3上，第二耦合区14内沿着光纤的横截面，参照图7c，少模光纤11的纤芯11-2的中心与单模光纤12的纤芯12-2的中心处于第二直线L4上，第一直线L3与第二直线L4的夹角α2等于M_1a模式和M_1b模式的相位差

即α2＝45°。

对于第二模式为简并模，且第二模式包括第一子模式和第二子模式的情况，光纤信号模式转换装置用于将第一模式转换为第一子模式时，第二耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率为n₁，光纤信号模式转换装置用于将第一模式转换为第二子模式，第二耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率为n₂，且n₁＝n₂，光纤信号模式转换装置用于将第一模式转换为第一子模式时，第二耦合区内沿着光纤的横截面，光纤的纤芯的中心与单模光纤的纤芯的中心处于第三直线上，光纤信号模式转换装置用于将第一模式转换为第二子模式，第二耦合区内沿着光纤的横截面，光纤的纤芯的中心与单模光纤的纤芯的中心处于第四直线上，第三直线与第四直线的夹角等于第一子模式和第二子模式的相位差。所以，本申请实施例提供的光纤信号模式转换装置能够实现简并模内模式转换的区分。

需要说明的是：第三直线与第四直线的夹角等于第一子模式和第二子模式的相位差不仅指第三直线与第四直线的夹角恰好等于第一子模式和第二子模式的相位差，第三直线与第四直线的夹角接近第一子模式和第二子模式的相位差也在本申请的保护范围之内。

参照图8a，光纤信号模式转换装置用于将M₁模式转换为M_2a模式(M_2a模式和M_2b模式为简并模M₂内的两种模式，M_2a模式和M_2b模式的相位差

为90°)，第二耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率等于M_2a模式的信号的有效折射率n_M2a，参照图9a光纤信号模式转换装置用于将M₁模式转换为M_2b模式，第二耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率为n_M2b，n_M2a＝n_M2b。

参照图8b，图8a所示的第二耦合区内沿着光纤的横截面，光纤的纤芯11-2的中心与单模光纤的纤芯12-2的中心处于第三直线L1上，参照图9b，图9a所示的第二耦合区内沿着光纤的横截面，光纤的纤芯11-2的中心与单模光纤的纤芯12-2的中心处于第四直线L2上，第三直线L1与第四直线L2的夹角α1等于M_2a模式和M_2b模式的相位差

即α1＝90°。

本申请实施例提供的光纤信号模式转换装置还可实现模式循环转换应用，进而用于少模和多模光纤传输系统中。例如，传输系统传输N种模式的信号，N大于1，为了实现差分模式时延的补偿，传输系统中的传输光纤具有N段，N段传输光纤的轴向长度均相等，每一段传输光纤具有N个模式信道，N个模式信道与N种模式一一对应。传输系统中有N-1个光纤信号模式转换装置，两段传输光纤之间的节点处设置有一个光纤信号模式转换装置。每个光纤信号模式转换装置的少模光纤11包括N个模式信道，N个模式信道与N种模式一一对应；单模光纤12具有N个，任一个单模光纤和少模光纤11均形成有第一耦合区和第二耦合区；少模光纤11耦合至任一单模光纤的模式为N种模式中的一种，且光纤耦合至N个单模光纤的模式均不相同；任一个单模光纤耦合至光纤的模式为N种模式中的一种，且N个单模光纤耦合至光纤的模式均不相同，且少模光纤11耦合至任一单模光纤的模式与该单模光纤耦合至光纤的模式不同，从而形成循环转换。

下述通过例子对具有光纤信号模式转换装置的光纤传输系统进行说明。

如图10所示，光纤传输系统用于传输LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁和LP₀₂模式的信号，传输光纤包括第一传输光纤211、第二传输光纤212、第三传输光纤213和第二传输光纤214，且第一传输光纤211、第二传输光纤212、第三传输光纤213和第二传输光纤214的轴向长度均相等，光纤信号模式转换装置1具有三个，第一传输光纤211和第二传输光纤212的节点处设置一个光纤信号模式转换装置1，第二传输光纤212和第三传输光纤213的节点处设置一个光纤信号模式转换装置1，第三传输光纤213和第四传输光纤214的节点处设置一个光纤信号模式转换装置1，且三个光纤信号模式转换装置1的结构均相同。

如图11为其中一种结构的光纤信号模式转换装置，单模光纤包括单模光纤121、122、123和124，均与少模光纤11形成有第一耦合区和第二耦合区，第一耦合区内单模光纤121、122、123和124的基模信号的有效折射率分别与LP₀₁、LP₁₁、LP₂₁和LP₀₂模式的信号的有效折射率n_LP01、n_LP11、n_LP21和n_LP02相等，第二耦合区内单模光纤121、122、123和124的基模信号的有效折射率分别与LP₁₁模式的信号的有效折射率n_LP11、n_LP21、n_LP02和n_LP01相等，从而该光纤信号模式转换装置实现了LP₀₁模式→LP₁₁模式、LP₁₁模式→LP₂₁模式、LP₂₁模式→LP₀₂模式和LP₀₂模式→LP₀₁模式的转换，所以，采用如图11所示的光纤信号模式转换装置的光纤传输系统，经过三次循环模式的转换，每一个模式的信号均经过了LP₀₁模式、LP₁₁模式、LP₂₁模式和LP₀₂模式四个模式的等距传输，因此该光纤传输系统可实现差分模式群时延的补偿。

如图12所示，光纤传输系统实现了与图10顺序不同的模式循环。图13所示的光纤信号模式转换装置实现了LP₀₁模式→LP₂₁模式、LP₂₁模式→LP₀₂模式、LP₀₂模式→LP₁₁模式、和LP₁₁模式→LP₀₁模式的转换。同样，采用如图12和图13所示的光纤信号模式转换装置的光纤传输系统，经过三次循环模式的转换，每一个模式的信号均经过了LP₀₁模式、LP₁₁模式、LP₂₁模式和LP₀₂模式四个模式的等距传输，因此该光纤传输系统可实现差分模式群时延的补偿。

如图14所示，光纤传输系统用于传输LP₀₁模式的信号、LP_11a模式的信号和LP_11b模式的信号，LP_11a模式和LP_11b模式为简并模内的两种模式。传输光纤包括第五传输光纤215、第六传输光纤216和第七传输光纤217，且第五传输光纤215、第六传输光纤216和第七传输光纤217的轴向长度均相等，光纤信号模式转换装置1具有两个，第五传输光纤21和第六传输光纤216的节点处设置一个光纤信号模式转换装置1，第六传输光纤216和第七传输光纤217的节点处设置一个光纤信号模式转换装置1，且两个光纤信号模式转换装置1的结构均相同。

如图15a所示，本申请实施例提供了一种光纤信号模式转换装置，单模光纤包括单模光纤125、126和127，均与少模光纤11形成有第一耦合区和第二耦合区，第一耦合区内单模光纤125、126和127的基模信号的有效折射率分别与LP₀₁、LP_11a、LP_11b模式的信号的有效折射率n_LP01、n_LP11a和n_LP11b相等，第二耦合区内单模光纤125、126和127的基模信号的有效折射率分别与LP_11a、LP_11b、LP₀₁模式的信号的有效折射率n_LP11a、n_LP11b和n_LP01相等。该光纤信号模式转换装置实现了LP₀₁模式→LP_11a模式、LP_11a模式→LP_11b模式、LP_11b模式→LP₀₁模式的转换，所以，采用如图14和图15a所示的光纤信号模式转换装置的光纤传输系统，经过两次循环模式的转换，每一个模式的信号均经过了LP₀₁模式、LP_11a模式和LP_11b模式三个模式的等距传输，因此该光纤传输系统可实现差分模式群时延的补偿。

因为LP_11a模式和LP_11b模式为简并模的两种模式，LP_11a模式和LP_11b模式的相位差为

参照图15b和图15c，单模光纤126的第一耦合区内，沿着少模光纤11的横截面，少模光纤11的纤芯11-2的中心与单模光纤126的纤芯126-2的中心处于第五直线上，第二耦合区内，沿着少模光纤11的横截面，少模光纤11的纤芯11-2的中心与单模光纤126的纤芯126-2的中心处于第六直线上，第五直线与第六直线的夹角等于LP_11a模式和LP_11b模式的相位差。

如图16所示，光纤传输系统实现了与图14顺序不同的模式循环。图17所示的光纤信号模式转换装置实现了LP₀₁模式→LP_11b模式、LP_11b模式→LP_11a模式、LP_11a模式→LP₀₁模式的转换。同样，采用如图16和图17所示的光纤信号模式转换装置的光纤传输系统，经过两次循环模式的转换，每一个模式的信号均经过了LP₀₁模式、LP_11a模式和LP_11b模式三个模式的等距传输，因此该光纤传输系统可实现差分模式群时延的补偿。

本申请实施例提供的光纤信号模式转换装置还可用于模式分插复用的场景中，参照图18，少模光纤111传输的LP₀₁模式解耦至单模光纤121，最终转换为少模光纤112中的LP₁₁模式的信号传输，少模光纤111传输的LP₁₁模式解耦至单模光纤122，最终转换为少模光纤113中的LP₂₁模式的信号传输，即实现了不同光纤中的模式信号的交换，实现模式复用信号的分插复用。

本申请实施例还提供了一种光纤信号模式转换方法，该光纤信号模式转换方法应用于上述光纤信号模式转换装置，包括以下步骤：

S1：少模光纤11内第一模式的信号传输至第一耦合区13时，第一模式的信号解耦至单模光纤12的基模信道，并在单模光纤12内以基模信号传输；

S2：单模光纤12内的基模信号传输至第二耦合区14时，单模光纤12的基模信号耦合至少模光纤11的第二模式信道，并在少模光纤11内以第二模式传输。从而实现了将第一模式转换为第二模式。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种光纤信号模式转换装置，其特征在于，包括：

非单模光纤，所述非单模光纤包括第一模式信道和第二模式信道，所述第一模式信道用于传输第一模式的信号，所述第二模式信道用于传输第二模式的信号；

单模光纤，沿着所述非单模光纤内信号的传输方向，与所述非单模光纤形成第一耦合区和第二耦合区；其中，

所述第一耦合区内所述单模光纤的基模信号的有效折射率与所述第一模式信号的有效折射率相等，且所述第一模式信号可耦合至所述单模光纤的基模信道；

所述第二耦合区内所述单模光纤的基模信号的有效折射率与所述第二模式信号的有效折射率相等，且所述单模光纤的基模信号可耦合至所述第二模式信道。

2.根据权利要求1所述的光纤信号模式转换装置，其特征在于，所述非单模光纤包括第一光纤，所述第一耦合区形成在所述单模光纤和所述第一光纤之间，所述第二耦合区形成在所述单模光纤和所述第一光纤之间。

3.根据权利要求1所述的光纤信号模式转换装置，其特征在于，所述非单模光纤包括第一光纤和第二光纤，所述第一耦合区形成在所述单模光纤和所述第一光纤之间，所述第二耦合区形成在所述单模光纤和所述第二光纤之间。

4.根据权利要求3所述的光纤信号模式转换装置，其特征在于，所述光纤信号模式转换装置还包括动态光交换装置，所述第一光纤与M个所述单模光纤形成M个所述第一耦合区，并通过M个所述单模光纤连接到所述动态光交换装置的输入端；所述第二光纤包括M个，分别与M个所述单模光纤形成M个所述第二耦合区，并通过M个所述单模光纤连接到所述动态光交换装置的输出端；M为大于或等于2的整数。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的光纤信号模式转换装置，其特征在于，所述第一耦合区的长度等于所述第一模式的信号耦合至所述单模光纤的基模信道的耦合长度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的光纤信号模式转换装置，其特征在于，所述第二耦合区的长度等于所述单模光纤的基模信号耦合至所述第二模式信道的耦合长度。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的光纤信号模式转换装置，其特征在于，所述第一耦合区内，所述非单模光纤和所述单模光纤相平行布设且所述非单模光纤的包层与所述单模光纤的包层相熔接，在第二耦合区内，所述非单模光纤和所述单模光纤相平行布设且所述非单模光纤的包层与所述单模光纤的包层相熔接，所述非单模光纤的纤芯中心与所述单模光纤的纤芯中心之间的距离d的取值范围为：d∈[R_f1+R_s1,R_f2+R_s2]；

其中：R_f1为所述非单模光纤的纤芯的半径；R_s1为所述单模光纤的纤芯的半径；R_f2为所述非单模光纤的包层的半径；R_s2为所述单模光纤的包层的半径。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的光纤信号模式转换装置，其特征在于，所述第一耦合区内所述单模光纤的纤芯的折射率为第一折射率，所述第二耦合区内所述单模光纤的纤芯的折射率为第二折射率，所述单模光纤的位于所述第一耦合区和所述第二耦合区之间的非耦合区内的纤芯的折射率为第三折射率，所述第三折射率介于所述第一折射率和所述第二折射率之间。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的光纤信号模式转换装置，其特征在于，所述第一模式和所述第二模式为简并模内的两个模式；

所述第一耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率等于所述第二耦合区内单模光纤的基模信号的有效折射率；

所述第一耦合区内，沿着所述非单模光纤的横截面，所述非单模光纤的纤芯中心与所述单模光纤的纤芯中心处于第一直线上，所述第二耦合区内，沿着所述非单模光纤的横截面，所述非单模光纤的纤芯中心与所述单模光纤的纤芯中心处于第二直线上，所述第一直线与所述第二直线的夹角等于所述第一模式和所述第二模式的相位差。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的光纤信号模式转换装置，其特征在于，所述第二模式为简并模，所述第二模式包括第一子模式和第二子模式；

所述光纤信号模式转换装置用于将所述第一模式转换为所述第一子模式，所述第二耦合区内所述单模光纤的基模信号的有效折射率为n₁，所述光纤信号模式转换装置还用于将所述第一模式转换为所述第二子模式，所述第二耦合区内所述单模光纤的基模信号的有效折射率为n₂，且n₁＝n₂；

所述光纤信号模式转换装置用于将所述第一模式转换为所述第一子模式，所述第二耦合区内沿着所述非单模光纤的横截面，所述非单模光纤的纤芯中心与所述单模光纤的纤芯中心处于第三直线上，所述光纤信号模式转换装置还用于将所述第一模式转换为所述第二子模式，所述第二耦合区内沿着所述非单模光纤的横截面，所述非单模光纤的纤芯中心与所述单模光纤的纤芯中心处于第四直线上，所述第三直线与所述第四直线的夹角等于所述第一子模式和所述第二子模式的相位差。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的光纤信号模式转换装置，其特征在于，所述光纤信号模式转换装置用于对N种模式进行转换，N为大于或者等于2的整数；

所述非单模光纤包括N个模式信道，所述N个模式信道与所述N种模式一一对应；

所述单模光纤具有N个，任一个所述单模光纤和所述非单模光纤均形成有所述第一耦合区和所述第二耦合区；

所述非单模光纤耦合至任一所述单模光纤的模式为所述N种模式中的一种；

任一个所述单模光纤耦合至所述非单模光纤的模式为所述N种模式中的一种，且所述非单模光纤耦合至任一所述单模光纤的模式与该单模光纤耦合至所述非单模光纤的模式不同。

12.根据权利要求11所述的光纤信号模式转换装置，其特征在于，多个所述第一耦合区沿所述非单模光纤的轴向依次布设，多个所述第二耦合区沿所述非单模光纤的轴向依次布设。

13.根据权利要求11或12所述的光纤信号模式转换装置，其特征在于，所述光纤信号模式转换装置还包括动态光交换装置，所述动态光交换装置的N个输入端与N个所述第一耦合区通过N个所述单模光纤连接，所述动态光交换装置的N个输出端与N个所述第二耦合区通过N个所述单模光纤连接。

14.一种光纤信号模式转换方法，其特征在于，所述光纤信号模式转换方法应用于如权利要求1-13中任一项所述的光纤信号模式转换装置，包括：

所述非单模光纤内第一模式的信号传输至第一耦合区时，所述第一模式的信号解耦至单模光纤的基模信道，并在所述单模光纤内以基模信号传输；

所述单模光纤内的基模信号传输至第二耦合区时，所述单模光纤的基模信号耦合至所述非单模光纤的第二模式信道，并在所述非单模光纤内以第二模式传输。

15.一种光纤传输系统，其特征在于，包括：

传输光纤，所述传输光纤包括第一传输光纤和第二传输光纤，所述第一传输光纤和所述第二传输光纤均包括第一模式信道和第二模式信道；

所述第一传输光纤和所述第二传输光纤之间的节点处设置有如权利要求1～13中任一项所述的光纤信号模式转换装置；

所述非单模光纤的进光口与所述第一传输光纤的出光口相对，所述非单模光纤的出光口与所述第二传输光纤的进光口相对。

16.根据权利要求15所述的光纤传输系统，其特征在于，所述光纤传输系统用于传输N种模式的信号，N为大于或者等于2的整数；

所述传输光纤具有N段，N段所述传输光纤的轴向长度均相等，每一段所述传输光纤具有N个模式信道，所述N个模式信道与所述N种模式一一对应；

所述光纤信号模式转换装置包括N-1个，两段所述传输光纤之间的节点处设置有一个所述光纤信号模式转换装置。

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