CN116381867A - 一种光学模式选择开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学模式选择开关，包括平台，所述平台表面固接空间光调制器、光学处理器件及相位调制模块，所述空间光调制器、光学处理器件及相位调制模块相互平行，所述光学处理器件位于空间光调制器与相位调制模块之间位置，所述相位调制模块上均匀固接多个相位单元，所述相位调制模块为模式解复用元件阵列模块，所述相位单元为同一坐标变换或多平面光场转换的模式解复用器件单元。本发明可以进行N种模式输入，N种模式输出，并且能够自由选择、分离、分组传播的方式，提高了模式选择的自由度，并且不局限于光纤输入或空间光输入，光纤或空间光输出，使得模分复用不局限于在光波导内进行。

Description

一种光学模式选择开关

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体为一种光学模式选择开关。

背景技术

光通信是以光波为载波的通信方式，其中光学模式开关为光通信中常用器件，光学模式开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口、可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件，光开关基本的形式是2×2，即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态：平行连接和交叉连接，其基本原理在于光纤传播；光在光波导的传播当中，满足一定条件能够稳定传播的模式称作此光纤/光波导的光模式，能够传播单一模式的光纤称作单模光纤，能够传播多个模式的光纤称作多模光纤；而涡旋光是一种带有不同阶数l(拓扑荷)轨道角动量的结构光，其携带角向相位因子eilθ使得其波前成螺旋状分布，不同阶数的涡旋光之间相互正交，这些正交的涡旋光能构成光在波导或自由空间传播的不同模式，光学模式开关即利用了涡旋光的光传导传播进行，而目前的光学模式开关有以下缺陷：

在光通讯系统当中，不同的模式(例如多模光纤中不同的电磁场模式、涡旋光的不同拓扑荷数等)能够携带不同的信息，从而提高光通讯所承载的信息量，而目前的光学模式开关输入输出模式数量有限，不能自由选择、分离、分组传播的方式，传导模式选择的自由度较低，进而导致携带的信息量较低。

为此我们提出一种光学模式选择开关用于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学模式选择开关，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种光学模式选择开关，包括平台，所述平台表面固接空间光调制器、光学处理器件及相位调制模块，所述空间光调制器、光学处理器件及相位调制模块相互平行，所述光学处理器件位于空间光调制器与相位调制模块之间位置。

所述相位调制模块上均匀固接多个相位单元，所述相位调制模块为模式解复用元件阵列模块。

所述相位单元为同一坐标变换或多平面光场转换的模式解复用器件单元，所述同一坐标变换为对数极坐标变换方式或螺旋变换解复用方式，多个所述相位单元朝向一致。

所述光学处理器件为透镜或超透镜。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以进行N种模式输入，N种模式输出，并且能够自由选择、分离、分组传播的方式，提高了模式选择的自由度，并且不局限于光纤输入或空间光输入，光纤或空间光输出，使得模分复用不局限于在光波导内进行。

附图说明

图1为本发明第一、二个实施例中主体结构示意图；

图2为本发明第四个实施例中截取为1mm的对数-极坐标变换相位板一侧示意图；

图3为本发明第四个实施例中截取为1mm的对数-极坐标变换相位板另一侧示意图。

图4为本发明第四个实施例中截取为1mm的螺旋变换相位板一侧示意图；

图5为本发明第四个实施例中截取为1mm的螺旋变换相位板另一侧示意图；

图6为本发明第四个实施例中对数-极坐标变换1阶解调光斑的两倍反向相位示意图；

图7为本发明第四个实施例中光栅相位示意图；

图8为本发明第四个实施例中两倍反向相位与光栅相位叠加，并且截取有效区域(覆盖解调光斑)的总调制相位示意图；

图9为本发明第四个实施例中反向经过相位调制模块后的光场强度示意图；

图10为本发明第四个实施例中最终环形光斑的相位示意图

图中：1、空间光调制器1；2、光学处理器件；3、相位调制模块；4、平台；31、相位单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种光学模式选择开关，包括平台4，平台4表面固接空间光调制器1、光学处理器件2及相位调制模块3，空间光调制器1、光学处理器件2及相位调制模块3相互平行，光学处理器件2位于空间光调制器1与相位调制模块3之间位置，在实际使用中，相位调制模块3与空间光调制器1应该防止在光学处理器件2的物平面和像平面上。

实施例2：

请参阅图1，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例，相位调制模块3上均匀固接多个相位单元31，相位调制模块3为模式解复用元件阵列模块。

相位单元31为同一坐标变换或多平面光场转换的模式解复用器件单元，同一坐标变换为对数极坐标变换方式或螺旋变换解复用方式，多个相位单元31朝向一致，朝向一致可以从同一个方向通过该单元，能实现同样的解复用效果。

光学处理器件2为透镜或超透镜，光学处理器件2配置为能令入射的解复用光平行入射到空间光调制器1上，令空间光调制器1上的反射光平行入射到相位调制模块3上。。

实施例3：

本发明的第三个实施例，该实施例基于上述两个实施例，本发明控制要求如下：

采用的输入复合光斑直径应不大于相位调制模块每个解复用单元的有效边长，其中复合光斑半径定义为圆心至光强衰减到

最大光强的长度，其中e为自然常数。

空间光调制器1上所截取的有效区域应该覆盖输入光斑产生的解调光斑的大小，即为条形区域。

在空间光调制器1上分区域分别对解调光斑加对应的两倍反向相位，并对需要调制偏转的解调光斑加上对应角度的光栅相位，使得反射光能够透过相位调制模块3的某一相位单元31中心。

实施例4：

请参与图1-10，为本发明第四个实施例，该实施例基于上述三个实施例，本实施例提供采用含有不同阶数的复合涡旋光输入本光学模式选择开关中的具体实施方式，本实施例本实施例输入光斑采用直径为0.9mm涡旋光，为了覆盖输入的涡旋光，解复用所用相位板只需要截取1mm即可(截取后的图案请参阅图2-3)；

本实施例采用的相位调制模块3为涡旋光对数-极坐标变换解复用元件阵列，即横向排列同一对数-极坐标解复用元件，具有坐标变换(参阅图2)和相位补偿(参阅图3)两个平面的相位结构，每个元件边长为1mm，间距为0.5mm，厚度为4.95mm。对数极坐标解复用器件可以将入射的-1～+1阶涡旋光解复用成竖直方向排列的3个光斑。输入光正向经过相位调制模块3的中心相位单元31，被解复用成不同阶数的涡旋光阵列向(参阅图6)空间光调制器1传播；本实施例采用的光学处理器件2是焦距为100mm的透镜，涡旋光阵列经过光学处理器件2，平行打在空间光调制器13上，涡旋光解复用元件阵列和空间光调制器13分别放置在距离透镜100mm的位置，即物面与像面上；

本实施例采用的空间光调制器1采用的是反射式的液晶空间光调制器1，这种空间光调制器1对入射光进行纯相位调制与反射，每个像素大小d为3.8μm空间光调制器1上分区域加载了每一阶光斑的两倍反向相位(参阅图8)和光栅相位(参阅图9)复合而成的总相位，值得注意的是，倘若使用对称的光栅，会在光栅的两侧都形成衍射光斑，会在大量损耗光能量的同时限制了光学模式选择开关进行正负角度两个方向偏转调制的自由度，因此，此处采用单方向的光栅；光栅的最大偏转角度设置方式为(0,

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),

最大的偏转角θmax取决于空间光调制器1的像素大小，但考虑到光学处理器件2有一定的大小与数值孔径，因此在进行偏转角度设置时应该考虑空间光调制器1中光学调制元件的限制参数；解调光斑经过空间光调制器1的相位调制与反射后再次经过光学处理器件2，这里以阶数为+1的涡旋光为例，此时若加在阶数为+1的涡旋光的解调光斑上的光栅偏转角度θ为0.86°(由于空间光调制器1是有源器件，因此可以在有限范围内自由选取所加光栅的角度)，则该解调光斑再次经过透镜时，与透镜中心偏移了距离f1tan(θ)为1.5mm，随后经过透镜的会聚，会打在了偏离中心单元一侧的第一个单元上，同理，当施加光栅偏转角度θ为-0.86°，则解调光斑偏离距离为-1.5mm，即打在偏离中心单元的另一侧第一个单元上；同理，对于0阶，-1阶也能进行相同的调制，由于解复用后的光斑相互分离到达空间光调制器1的不同位置，空间光调制器1分区域施加相位只会作用于该区域光斑，不会改变其它区域光斑的相位，因此各阶解调光斑之间调制相互独立；

由于对解调光斑除了进行光栅的相位调制，还进行了两倍反向相位调制使其相位共轭，因此反射回来的光逆向透过涡旋光解复用元件时，反射光相位得到与解复用时大小相同，调制顺序相反的相位调制，能够使得解调光斑得以反演回原本的涡旋光，因此可以从对应相位调制模块3中相位单元31处获取相应的涡旋光斑；

在本实施例中，通过增加涡旋光解复用阵列的单元数N，即可增加输出端口至N，通过在空间光调制器1的L阶涡旋光位置加入对应偏转相位，即可自由地挑选所需阶数的涡旋光束到任意窗口，从而达到模式选择效果。

实施例5：

本发明的第五个实施例，该实施例基于上述四个实施例，通过第四个实施例可见，多种模式的光输入到本发明所提供的光学模式选择开关中，会先经过相位调制模块3，其采用模式分离元件阵列模块，模式分离元件阵列模块使得多模式的输入光分离为多路径传输的空间光，再通过对这些多路径传输的空间光根据不同的偏转需求进行相位调制，所施加的相位调制为待调制光斑两倍反向相位(目的是使光斑相位共轭)和光栅相位(目的是使光斑发生偏转)复合而成的总相位，使得多模式光按照要求在光栅相位的作用下偏转从而被自由选择，最后反射回来的光再反向通过模式分离元件阵列的单元来对分离后的多路径传输空间光进行重新复用到新设置的路径(并不固定为单一路径)当中，达到多模式光能够自由选择、分离、分组传播的效果，因此，本发明可以进行N种模式输入，N种模式输出，并且能够自由选择、分离、分组传播的方式，提高了模式选择的自由度，并且不局限于光纤输入或空间光输入，光纤或空间光输出，使得模分复用不局限于在光波导内进行。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种光学模式选择开关，包括平台(4)，其特征在于：

所述平台(4)表面固接空间光调制器1、光学处理器件(2)及相位调制模块(3)，所述空间光调制器1、光学处理器件(2)及相位调制模块(3)相互平行，所述光学处理器件(2)位于空间光调制器1与相位调制模块(3)之间位置。

2.根据权利要求1所述的一种光学模式选择开关，其特征在于：所述相位调制模块(3)上均匀固接多个相位单元(31)，所述相位调制模块(3)为模式解复用元件阵列模块。

3.根据权利要求2所述的一种光学模式选择开关，其特征在于：所述相位单元(31)为同一坐标变换或多平面光场转换的模式解复用器件单元，所述同一坐标变换为对数极坐标变换方式或螺旋变换解复用方式，多个所述相位单元(31)朝向一致。

4.根据权利要求1所述的一种光学模式选择开关，其特征在于：所述光学处理器件(2)为透镜或超透镜。

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