CN207424295U - 一种采用双锥组合结构的模式变换器 - Google Patents

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申东娅
万昌慧
张秀普
袁洪
马川
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Abstract

本实用新型公开了一种采用双锥组合结构的模式变换器，具体实现光模式复用技术中基阶LP01模向高阶LP0m模的变换，属于光通信领域。本实用新型包括：波导芯包层（1）、锥形波导芯（2、3）、环形分布的双锥波导芯组合结构（4）。其中，波导芯包层（1）均匀覆盖锥形波导芯（2、3）；锥形波导芯（2、3）从锥形过渡到柱形；双锥波导芯组合结构（4）由八个相同的双锥结构组成，均匀内嵌于锥形波导芯（2、3）中半径为S的圆环上，每一个双锥组合结构由两个圆锥体的底部相接形成。本实用新型是应用于光通信领域的模式复用技术，具体实现模式变换器，能高效地实现基阶模式LP01模到高阶模式LP0m模的变换。

Description

一种采用双锥组合结构的模式变换器
技术领域
本实用新型涉及光通信中模式复用技术领域，特别是一种采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式变换器。
背景技术
光纤模式复用（MDM）是实现光纤多输入多输出（MIMO）通信的主要方法，是增加光纤传输链路容量的最直接的方法。
光纤模式复用使用少模光纤（FMF）和多模光纤中不同阶的模式进行MIMO信号的传输，每一个传输模式被视为是一个独立的单模光纤通道。在使用光纤模式复用时，在发射端需要把基阶模式变换成某些高阶模式，同理，在接收端，也需要把搭载信息的高阶模式变换成基阶模式。
2002年以后，国内外开始对模式变换器的研究工作。目前报道的模式变换器有几何光学模式变换器，基于光纤光栅和光纤耦合的模式变换器，基于硅耦合器的模式变换器；基于二氧化硅（silica）耦合器、光锥形波导、晶体光纤、平面光波导电路、Y-交叉波导的模式变换器。这些研究大部分用于金属波导，不能直接应用到使用光纤波导的模式复用MIMO通信系统中，且带宽较窄，损耗大，尺寸大，结构复杂。
本实用新型设计的模式变换器，经文献检索，未见与本实用新型相同的公开报道。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种采用双锥组合结构的模式变换器。
本实用新型所采用的技术方案是：在锥形波导芯中内嵌双锥组合结构实现基阶模式变换为高阶模式。
本实用新型采用一种双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式变换器，包括：波导芯包层（1）、锥形波导芯（2、3）、双锥波导芯组合结构（4），其中：
a. 波导芯包层AE段（1）均匀覆盖锥形波导芯（2、3）, 半径为r3，长度为L1+L2+L3+L4。
b. 锥形波导芯（2、3）从锥形过渡到柱形，半径从A点处的r1指数增长到C点处的r2; 锥形波导芯AC段长度为L1+L2，柱形波导芯CE段长度为L3+L4。
c. 双锥波导芯组合结构（4）均匀地内嵌于锥形波导芯（2、3）中半径为S的圆环上；双锥波导芯组合结构（4）由多个相同的双锥波导芯结构组成；双锥波导芯组合结构（4）的起始端B点到模式变换器的输入端A点距离为L1。
d. 每一个双锥波导芯结构由两个圆锥体波导芯结构（5、6）的底部相接形成；左边的圆锥体波导芯结构（5）半径从B点处的0指数增长到D点处的r4，右边的圆锥体波导芯结构（6）半径从D点处的r4指数减小到E点处的0。
e. 波导芯包层（1）的折射率为n1，锥形波导芯（2、3）的折射率为n2，双锥波导芯组合结构（4）的折射率为n3，且n3<n1<n2。
f. 改变双锥结构的个数, 将得到不同的变换性能。
g. 光波导结构可以是圆的，也可以是矩形的; 当使用矩形波导时，模式是准LP0m，而不是严格的LP0m模式。
h. 锥形波导芯（2、3）的顶部（A点）半径r1取值在(2um~5um)时，随着r1的增加，消光比ER21和消光比ER23先增加后减小，消光比ER24缓慢增加，插入损耗IL02逐渐减小，插入损耗IL03先增加后减小，插入损耗IL04缓慢增加；双锥波导芯结构的底部（D点）半径r4取值在(1.5um~4.5um)时，随着r4的增加，消光比ER21和消光比ER23先增加后减小，消光比ER24单调递减，插入损耗IL02缓慢增加，插入损耗IL03先增加后减小，插入损耗IL04单调递减；左边的圆锥体波导芯结构（5）长度（L2+L3）取值在（1250um~1700um）时，随着（L2+L3）的增加，消光比ER21先增加后减小，消光比ER23和消光比ER24缓慢增加，插入损耗IL02几乎保持不变，插入损耗IL03和插入损耗IL04缓慢增加；右边的圆锥体波导芯结构（6）长度L4取值在（350um~600um）时，随着L4的增加，消光比ER21先增加后减小，消光比ER23缓慢减小，消光比ER24缓慢增加，插入损耗IL02几乎保持不变，插入损耗IL03缓慢减小，插入损耗IL04缓慢增加。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式变换器能高效地实现基阶模式LP01到高阶模式LP0m的变换，模式变换对波长的依赖性低，具有很宽的变换带宽，适于制作宽带模式变换器，对未来光纤模式复用通信会有巨大的应用前景。
附图说明
图1为模式变换器结构图；
图2为双锥结构图；
图3 为LP01到LP02变换的归一化功率；
图4 为LP01到LP02变换的消光比。
具体实施方式
本实用新型采用一种双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式变换器，包括：波导芯包层（1）、锥形波导芯（2、3）、双锥波导芯组合结构（4），其中：
a. 波导芯包层AE段（1）均匀覆盖锥形波导芯（2、3）。
b. 锥形波导芯（2、3）从锥形过渡到柱形，半径从A点处的r1指数增长到C点处的r2。
c. 双锥波导芯组合结构（4）均匀地内嵌于锥形波导芯（2、3）中半径为S的圆环上；双锥波导芯组合结构（4）由多个相同的双锥波导芯结构组成。
d. 每一个双锥波导芯结构由两个圆锥体波导芯结构（5、6）的底部相接形成；左边的圆锥体波导芯结构（5）半径从B点处的0指数增长到D点处的r4，右边的圆锥体波导芯结构（6）半径从D点处的r4指数减小到E点处的0。
e. 波导芯包层（1）的折射率为n1，锥形波导芯（2、3）的折射率为n2，双锥波导芯组合结构（4）的折射率为n3，且n3<n1<n2。
f. 改变双锥结构的个数, 将得到不同的变换性能。
g. 光波导结构可以是圆的，也可以是矩形的; 当使用矩形波导时，模式是准LP0m，而不是严格的LP0m模式。
h. 锥形波导芯（2、3）的顶部（A点）半径r1取值在(2um~5um)时，随着r1的增加，消光比ER21和消光比ER23先增加后减小，消光比ER24缓慢增加，插入损耗IL02逐渐减小，插入损耗IL03先增加后减小，插入损耗IL04缓慢增加；双锥波导芯结构的底部（D点）半径r4取值在(1.5um~4.5um)时，随着r4的增加，消光比ER21和消光比ER23先增加后减小，消光比ER24单调递减，插入损耗IL02缓慢增加，插入损耗IL03先增加后减小，插入损耗IL04单调递减；左边的圆锥体波导芯结构（5）长度（L2+L3）取值在（1250um~1700um）时，随着（L2+L3）的增加，消光比ER21先增加后减小，消光比ER23和消光比ER24缓慢增加，插入损耗IL02几乎保持不变，插入损耗IL03和插入损耗IL04缓慢增加；右边的圆锥体波导芯结构（6）长度L4取值在（350um~600um）时，随着L4的增加，消光比ER21先增加后减小，消光比ER23缓慢减小，消光比ER24缓慢增加，插入损耗IL02几乎保持不变，插入损耗IL03缓慢减小，插入损耗IL04缓慢增加。
本实用新型为模式变换器，是应用于光通信领域中光模式复用技术。本模式变换器可以在二氧化硅（silica）平面光波导电路技术上实现。
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
本实用新型的技术方案是这样实现的：基阶模式（LP01）的光从最左边的锥形波导芯（如图1所示(2)处）注入，锥形波导芯会给不同的模式引入不同的传播相位，通过调整锥形波导芯的长度，从而使绝大部分光从LP01模变换到所需要的LP0m模，但仍会有部分非期望的高阶模式（特别是LP0m，k≠m）产生，所以需要通过双锥波导芯组合结构（4）来进一步加强期望LP0m模式的变换，抑制非期望模式的变换。
下面以基阶模式从（2）处注入为例，进一步来说明上述模式变换器。当LP01模(基阶模式)从（2）处注入到模式变换器时，通过分别调整双锥组合结构的相对位置L1、双锥长度L4和L5、半径r4、折射率n3，LP0m(m=2，3，4等)模式的功率会随着AB段长度L1的变化而改变。只考虑长度L1的变化，并且保持其他参数不变，可以看出L1长度的变化对模式变换效率的影响。例如，对一个LP01变换到LP02的模式变换器，L1的最佳长度在495纳米附近，r4的最佳长度在2.06纳米附近，L4的最佳长度在1430纳米附近，L5的最佳长度在479纳米附近。
图3和图4所示为在很宽波段上（1350-1700nm），LP01到LP02变换的归一化功率（变换比率或者效率）以及消光比（ERmk）。可以看出，三个模式变换器在整个1350-1700nm波段上的变换效率都超过了90%，同时，模式变换器输出的LP0m模式与其他非期望的高阶LP0k模式之间的消光比也几乎都超过了15分贝。
在这里，只是展示了最开始的三个LP0m模。但是实际上，通过调整其各部分的尺寸规模，并改变双锥组合结构中双锥的分布情况，同样可以用来实现1350-1700nm波段上LP01模到其他高阶LP0m（m>4）模式的变换。

Claims (4)

1.一种采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式变换器，其特征在于，采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式变换器，包括：波导芯包层（1）、锥形波导芯（2、3）、双锥波导芯组合结构（4），其中：
a. 波导芯包层（1）AE段均匀覆盖锥形波导芯（2、3）, 半径为r3，长度为L1+L2+L3+L4;
b. 锥形波导芯（2、3）从锥形过渡到柱形，半径从A点处的r1指数增长到C点处的r2; 锥形波导芯AC段长度为L1+L2，柱形波导芯CE段长度为L3+L4;
c. 双锥波导芯组合结构（4）均匀地内嵌于锥形波导芯（2、3）中半径为S的圆环上；双锥波导芯组合结构（4）由多个相同的双锥波导芯结构组成；双锥波导芯组合结构（4）的起始端B点到模式变换器的输入端A点距离为L1;
d. 每一个双锥波导芯结构由两个圆锥体波导芯结构（5、6）的底部相接形成；左边的圆锥体波导芯结构（5）半径从B点处的0指数增长到D点处的r4，右边的圆锥体波导芯结构（6）半径从D点处的r4指数减小到E点处的0。
2.根据权利要求1所述的一种采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式变换器，其特征在于：波导芯包层（1）折射率为n1，锥形波导芯（2、3）的折射率为n2，双锥波导芯组合结构（4）的折射率为n3, 且n3<n1<n2。
3.根据权利要求1所述的采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式变换器，其特征在于：改变双锥结构的个数, 将得到不同的变换性能。
4.根据权利要求1所述的一种采用双锥组合结构的锥形渐变光波导实现的模式变换器，其特征在于：光波导结构可以是圆的，也可以是矩形的; 当使用矩形波导时，模式是准LP0m，而不是严格的LP0m模式。
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