一种新型的高效率多模式变换器论文和设计-马川

全文摘要

本实用新型一种新型的高效率多模式变换器,具体实现模式复用技术的基模信号(LP01)向多个高阶模(LPmn)的高效率变换,属于光通信领域。本实用新型包括:纤芯包层(1)、“半径减小型拉锥纤芯(2)”、“半径增长型拉锥纤芯(3)”。其中,“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”构成反向拉锥双芯结构光波导实现的多模式变换器。通过从“半径减小型拉锥纤芯(2)”注入基模信号(LP01),从“半径增长型拉锥纤芯(3)”耦合输出高阶模(LPmn)。本实用新型是应用于光通信模式复用技术,具体实现多模式变换器,能实现基模信号(LP01)向多个高阶模(LPmn)的高效率变换;同样的,也能实现高阶模(LPmn)向基模信号(LP01)变换。

主设计要求

1.一种新型的高效率多模式变换器,其特征在于:采用反向拉锥双芯结构光波导构成模式变换器,包括:纤芯包层(1)、“半径减小型拉锥纤芯(2)”、“半径增长型拉锥纤芯(3)”,其中:a.纤芯包层(1)均匀覆盖纤芯,半径为R1,长度为L;b.“半径减小型拉锥纤芯(2)”长度为L,纤芯半径从R2缓慢减小到R3;“半径增长型拉锥纤芯(3)”长度为L,半径从R4缓慢增长到R5;c.“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”的中心轴线平行,且中心轴线的间距为D;d.纤芯包层(1)的折射率为n1,“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”的折射率均为n2,且n1<n2。

设计方案

1.一种新型的高效率多模式变换器,其特征在于:采用反向拉锥双芯结构光波导构成模式变换器,包括:纤芯包层(1)、“半径减小型拉锥纤芯(2)”、“半径增长型拉锥纤芯(3)”,其中:

a.纤芯包层(1)均匀覆盖纤芯,半径为R1,长度为L;

b.“半径减小型拉锥纤芯(2)”长度为L,纤芯半径从R2缓慢减小到R3;“半径增长型拉锥纤芯(3)”长度为L,半径从R4缓慢增长到R5;

c.“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”的中心轴线平行,且中心轴线的间距为D;

d.纤芯包层(1)的折射率为n1,“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”的折射率均为n2,且n1<n2。

2.根据权利要求1所述的一种新型的高效率多模式变换器,其特征在于:基模信号(LP01<\/sub>)从基模输入端口(P1)输入到“半径减小型拉锥纤芯(2)”,通过“半径增长型拉锥纤芯(3)”的耦合,输入模式变换为高阶模,从耦合输出端口(P4)输出。

3.根据权利要求1所述的一种新型的高效率多模式变换器,其特征在于:随着信号的传输,“半径减小型拉锥纤芯(2)”中基模的有效折射率逐渐减小,耦合输出端的“半径增长型拉锥纤芯(3)”中耦合输出的高阶模的有效折射率增加,当某一模式的有效折射率与基模的有效折射率相等时,基模功率将耦合到该高阶模上,实现高效率的模式变换。

4.根据权利要求1所述的一种新型的高效率多模式变换器,其特征在于:调整长度L和“半径减小型拉锥纤芯(2)”的基模输入端口(P1)和基模输出端口(P2)的半径R2和R3,增大中心轴线的间距D以及“半径增长型拉锥纤芯(3)”的耦合输入端口(P3)和耦合输出端口(P4)的半径R4和R5,可以实现基模信号(LP01<\/sub>)向更高阶模变换。

5.根据权利要求1所述的一种新型的高效率多模式变换器,其特征在于:光波导结构是圆的,或矩形的;当使用矩形波导时,模式变换得到的是准LPmn<\/sub>,而不是严格的LPmn<\/sub>模式。

6.根据权利要求1所述的一种新型的高效率多模式变换器,其特征在于:本模式变换器是在二氧化硅平面光波导电路技术上实现。

设计说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的高效率多模式变换器,通过调整结构参数值,可以在1550纳米波长上高效地实现四个高阶模的变换,属于光纤模式复用通信技术领域。

背景技术

光纤模式复用技术(MDM)是实现光纤多输入多输出(MIMO) 通信的主要方法,是增加光纤链路传输容量的最直接有效的方法。

光纤模式复用通信系统通过使用少模光纤(FMF)中不同的传输模式进行信号的传输,每一个传输模式作为一个独立的信道,单独携带一路传输信号。在使用模式复用通信技术时,需要把发送端的基模信号(LP01)变换成高阶模(LPmn<\/sub>),并将它们复用在少模光纤中进行传输;同理,也需要把接收端的携带信息的高阶模(LPmn<\/sub>)变换成基模信号(LP01),再进行信号处理。

到目前为止,应用于模式复用技术中的模式变换器主要有以下几种类型:几何光学模式变换器,基于平面光波导的模式复用\/解复用器,长周期光纤光栅型模式变换器,基于光子晶体光纤的模式变换器,双芯光纤的耦合器。这些研究要么尺寸过大,不利于系统集成;要么转换效率低;或者是仅实现一个高阶模的转换。

本发明设计的一种新型的高效率多模式变换器,经文献检索,未见与本发明相同的公开报道。

发明内容

本发明针对现有模式变换技术的缺点,采用反向拉锥双芯结构光波导构成模式变换器,把基模信号(LP01)变换为多种高阶模(LPmn<\/sub>),变换效率高。本发明一种新型的高效率多模式变换器,通过调整结构参数值,可以在1550纳米波长上高效地实现四个高阶模的变换,同样的,也能实现高阶模(LPmn<\/sub>)向基模信号(LP01)变换。且结构简单,尺寸较小,利于系统集成。

本发明通过将“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”平行布置且两端对齐,形成反向拉锥双芯结构光波导构成的模式变换器,实现基模信号(LP01)变换为高阶模(LPmn<\/sub>)的多模式变换器。

本发明一种新型的高效率多模式变换器,包括:纤芯包层(1)、“半径减小型拉锥纤芯(2)”、“半径增长型拉锥纤芯(3)”,其中:

a.纤芯包层(1)均匀覆盖纤芯,半径为R1,长度为L;

b.“半径减小型拉锥纤芯(2)”长度为L,纤芯半径从R2缓慢减小到R3;“半径增长型拉锥纤芯(3)”长度为L,半径从R4缓慢增长到R5;

c.“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”的中心轴线平行,且中心轴线的间距为D;

d.纤芯包层(1)的折射率为n1,“半径减小型拉锥纤芯(2)”和“半径增长型拉锥纤芯(3)”的折射率均为n2,且n1<n2;

e.基模信号(LP01<\/sub>)从基模输入端口(P1)输入到“半径减小型拉锥纤芯(2)”,通过“半径增长型拉锥纤芯(3)”的耦合,输入模式变换为高阶模,从耦合输出端口(P4)输出;

f.随着信号的传输,“半径减小型拉锥纤芯(2)”中的基模的有效折射率逐渐减小,耦合输出端的“半径增长型拉锥纤芯(3)”中耦合输出的高阶模的有效折射率增加,当某一模式的有效折射率与基模的有效折射率相等时,基模功率将大幅度地耦合到该高阶模上,实现高效率的模式变换。

g.调整长度L和“半径减小型拉锥纤芯(2)”基模输入端口(P1) 和基模输出端口(P2)的半径R2和R3,增大中心轴线的间距D以及“半径增长型拉锥纤芯(3)”的耦合输入端口(P3)和耦合输出端口(P4)的半径R4和R5,可以实现基模信号(LP01)向更高阶模变换;

h.光波导结构是圆的,或矩形的;当使用矩形波导时,模式变换得到的是准LPmn<\/sub>,而不是严格的LPmn<\/sub>模式;

i.本模式变换器是在二氧化硅平面光波导电路技术上实现。

本发明一种新型的高效率多模式变换器,通过调整结构参数值,可以在1550纳米波长上高效地实现四个高阶模的变换,同样的,也能实现高阶模(LPmn<\/sub>)向基模信号(LP01)变换。且结构简单,尺寸较小,利于系统集成,对未来光纤模式复用通信系统有巨大的应用前景。

附图说明

图1为模式变换器结构图。

图2为基模信号(LP01)和高阶模(LP11<\/sub>)的有效折射率随传输距离的变化。

图3为基模信号(LP01)和高阶模(LP11<\/sub>)的归一化功率随传输距离的变化。

图4为基模信号(LP01)和高阶模(LP21<\/sub>)的归一化功率随传输距离的变化。

图5为基模信号(LP01)和高阶模(LP31<\/sub>)的归一化功率随传输距离的变化。

图6为基模信号(LP01)和高阶模(LP12<\/sub>)的归一化功率随传输距离的变化。

具体实施方式

本发明针对现有的主流的模式变换技术的缺点,提出把基模信号LP01变换为高阶模LPmn<\/sub>的一种新型的高效率多模式变换器。本发明提出的一种新型的高效率多模式变换器,通过调整结构参数值,可以在1550纳米波长上高效地实现四个高阶模的变换,同样的,也能实现高阶模LPmn<\/sub>向基模信号LP01变换。且结构简单,尺寸较小,利于系统集成。

本发明通过将“半径减小型拉锥纤芯2”和“半径增长型拉锥纤芯3”平行布置且两端对齐,形成反向拉锥双芯结构光波导构成的模式变换器,实现基模信号(LP01)变换为不同的高阶模LPmn<\/sub>的多模式变换器。

本发明一种新型的高效率多模式变换器,包括:纤芯包层1、“半径减小型拉锥纤芯2”、“半径增长型拉锥纤芯3”,其中:

a.纤芯包层1均匀覆盖纤芯,半径为R1,长度为L;

b.“半径减小型拉锥纤芯2”长度为L,纤芯半径从R2缓慢减小到R3;“半径增长型拉锥纤芯3”长度为L,半径从R4缓慢增长到R5;

c.“半径减小型拉锥纤芯2”和“半径增长型拉锥纤芯3”的中心轴线平行,且中心轴线的间距为D;

d.纤芯包层1的折射率为n1,“半径减小型拉锥纤芯2”和“半径增长型拉锥纤芯3”的折射率均为n2,且n1<n2;

e.基模信号LP01<\/sub>从基模输入端口P1输入到“半径减小型拉锥纤芯2”,通过“半径增长型拉锥纤芯3”的耦合,输入模式变换为高阶模,从耦合输出端口P4输出;

f.随着信号的传输,“半径减小型拉锥纤芯2”中的基模的有效折射率逐渐减小,耦合输出端的“半径增长型拉锥纤芯3”中耦合输出的高阶模的有效折射率增加,当某一模式的有效折射率与基模的有效折射率相等时,基模功率将大幅度地耦合到该高阶模上,实现高效率的模式变换。

g.调整长度L和“半径减小型拉锥纤芯2”基模输入端口P1 和基模输出端口P2的半径R2和R3,增大中心轴线的间距D以及“半径增长型拉锥纤芯3”的耦合输入端口P3和耦合输出端口P4的半径R4和R5,可以实现基模信号LP01向更高阶模

h.光波导结构是圆的,或矩形的;当使用矩形波导时,模式变换得到的是准LPmn<\/sub>,而不是严格的LPmn<\/sub>模式;

i.本模式变换器是在二氧化硅平面光波导电路技术上实现。

本发明为一种新型的高效率多模式变换器,是应用于光通信领域中模式复用技术。其结构如图1所示。

本发明的技术方案是这样实现的:光纤中的传输模式的传输常数完全表征了该模式,而传输常数则由该模式的有效折射率确定,因此,通过合理地设计双芯结构,随着信号的传输,“半径减小型拉锥纤芯2”中的基模的有效折射率逐渐减小,耦合输出端的“半径增长型拉锥纤芯3”中耦合输出的高阶模的有效折射率增加,当某一模式的有效折射率与基模的有效折射率相等时,基模功率将大幅度地耦合到该高阶模上,实现高效率的模式变换。

下面以一个LP01<\/sub>变换到LP11<\/sub>的模式变换器为例,结合图2和图3,进一步来说明上述模式变换器。图2所示为“半径减小型拉锥纤芯2”中的基模信号LP01和“半径增长型拉锥纤芯3”中的高阶模LP11<\/sub>的有效折射率随传输距离的变化。当LP01<\/sub>模(基模) 从输入端注入时,随着纤芯半径缓慢拉锥减小,LP 01<\/sub>模的有效折射率(图2中实线表示,Neff01<\/sub>)也随着缓慢减小,而在“半径增长型拉锥纤芯3”中,随着其半径缓慢拉锥增大,LP11<\/sub>模的有效折射率(图 2中虚线表示,Neff 11<\/sub>)则随着缓慢增大。在传输距离约为5000微米的时候,LP01<\/sub>模的有效折射率和LP11<\/sub>模的有效折射率相等,此时即使耦合最快速剧烈的时候,LP01<\/sub>模的功率将大幅度变换到LP11<\/sub>模中。随后两模式的有效折射率逐渐不一致,耦合作用趋于缓和,最终LP01<\/sub>模功率几乎全部耦合到LP11<\/sub>模中,以高阶模的形式传输,实现了光纤基模到高阶模的变换。结合图3中模式的归一化功率的变化,在传输距离达到5000微米的时候,LP01<\/sub>模功率急剧减少,而LP11<\/sub>模功率急剧增大。最终,LP11<\/sub>模的功率达到0.99,几乎完全实现了模式变换。

调整长度L和“半径减小型拉锥纤芯2”基模输入端口P1 和基模输出端口P2的半径R2和R3,增大“半径增长型拉锥纤芯3”的耦合输入端口P3和耦合输出端口P4的半径R4和R5,同时增大它们的中心轴线的间距D,可以实现基模信号LP01 向较高阶模(相对于当前实现的变换得到的LP 11<\/sub>模式)变换。图4、图5和图6分别展示了基模信号(LP01)和三个不同的高阶模(依次为LP21<\/sub>、LP31<\/sub>和LP12<\/sub>)的归一化功率随传输距离的变化。由图4、图5和图6可以看到,最终,在输出端,高阶模LP21<\/sub>、LP31<\/sub>和LP12<\/sub>的归一化功率分别为~0.96、~0.92和~0.93,即分别达到了~96%、~92%和~93%的高变换效率。

在这里,展示了LP01<\/sub>到LP11<\/sub>、LP21<\/sub>、LP31<\/sub>和LP12<\/sub>模式的变换;但是实际上,按前述调整结构参数值,还可以用来实现在1550波长上LP01<\/sub>模到其他高阶模LP41<\/sub>、LP22<\/sub>等的变换。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

设计图

一种新型的高效率多模式变换器论文和设计

相关信息详情

申请码:申请号:CN201920022493.7

申请日:2019-01-07

公开号:公开日:国家:CN

国家/省市:53(云南)

授权编号:CN209746179U

授权时间:20191206

主分类号:G02B6/14

专利分类号:G02B6/14

范畴分类:30A;

申请人:云南大学

第一申请人:云南大学

申请人地址:650091 云南省昆明市五华区翠湖北路2号云南大学

发明人:马川;李小志;申东娅;张秀普;孟德超

第一发明人:马川

当前权利人:云南大学

代理人:代理机构:代理机构编号:优先权:关键词:当前状态:审核中

类型名称:外观设计

标签:;  

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