一种基于空间频谱滤波的模式转换中频谱模场半径匹配方法
【专利摘要】模式转换是模分复用光纤通信系统的关键技术，目前任意模式间的转换方法尚处于研究中。本发明提出一种实现任意模式转换的方法。本方法首先从空间域、空间频率域和变换平面空间域分析了待转换模式和目标模式的模场分布特征，进而从理论上建立了基于空间频谱滤波的任意模式间转换的传递函数模型，最终利用相位型空间光调制器构建了模式转换光学系统。在此系统中，通过变换平面空间域的模场束腰半径自适应不同模式模场半径，得到变换平面空间域模场分布匹配原理，提出了变换平面空间域的模场束腰半径与不同模式的模场分布间的匹配条件及待转换模式和目标模式的模场半径匹配解析方法。
【专利说明】一种基于空间频谱滤波的模式转换中频谱模场半径匹配方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空分复用光纤通信系统领域，更具体的说，涉及一种适用于模分复用光纤通信系统的任意模式转换方法。
【背景技术】
[0002]模分复用技术，作为一种空分复用技术，是基于模式之间的正交性，将不同的模式作为独立的信道承载不同的信息，并复用在同一根光纤中传输的技术。从传输容量的角度来讲，模分复用技术与WDM技术一样，是在单根光纤中存在M个并行信道，将传输的容量扩展M倍，极大提高频谱利用率，有可能满足未来网络容量的需求。因此通过增加了空间这一新的物理维度，模分复用技术成为大幅增加光通信容量的最有前景的方法之一，被认为是光纤通信领域中的第二次革命，是目前国际上光通信领域的前沿研究热点。
[0003]模式转换将广泛应用于模分复用光纤通信系统，如模式复用前基模到高阶模的转换、解复用后高阶模到基模的转换及模分复用光网络核心交换节点等。在模分复用的光网络中，不同的模式作为独立信道承载不同的信息，因此，在光网络核心节点进行路由交换时，需要进行不同模式间的数据交换，任意模式之间转换的方法必不可少。
[0004]目前模式转换主要有空间光路型和光纤波导型两种实现方式，但主要集中在从基模到高阶模和从高阶模到基模的模式转换方法，而任意模式间的转换方法尚处在研究中。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对模分复用光纤通信系统，基于空间频谱滤波的原理，提出一种支持任意模式转换的方法。本发明利用相位型空间光调制器构建了模式转换光学系统，基于空间频谱滤波的原理分析了两个模式间能转换的条件，从理论上建立了基于空间频谱滤波的任意模式间转换的传递函数模型，提出了变换平面空间域的模场束腰半径与不同模式的模场分布间的匹配条件，得到了 一种任意模式转换方法。
[0006]本发明通过理论上分析模式传递函数，在4f系统中精心设计空间光调制器的传递函数以及两个透镜的焦距关系，实现输入为任意模式情况下的模式转换。
[0007]本发明在实现过程中，具体包括:
[0008]根据本发明，关键是求解输入为任意模式情况下的模式转换传递函数。本方法首先从空间域、空间频率域和变换平面空间域分析了待转换模式和目标模式的模场分布特征，进而通过变换平面空间域的模场束腰半径自适应不同模式模场半径，从而得到变换平面空间域模场分布匹配原理，提出了变换平面空间域的模场束腰半径与不同模式的模场分布间的匹配条件及待转换模式和目标模式的模场半径匹配解析方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明的上述和/或其他目的和优点将会变得更加清楚，其中:
[0010]图1示出空间频谱滤波系统框图；
[0011]图2示出基于空间滤波的模式转换三个域关系；
[0012]图3示出4f系统的傅里叶变换分析图；
[0013]图4示出(a)待转换模式与目标模式频谱带宽匹配间关系原理(b)转换结果影响实例；
[0014]图5示出模场频谱带宽匹配后的转换结果图；
[0015]图6示出基模转换为高阶模归一化相关系数；
[0016]图7示出高阶模转换为基模归一化相关系数；
[0017]图8示出任意模式转换归一化相关系数。
【具体实施方式】
[0018]通过参照下面对示例性的非限定性的实施例和附图的详细描述，本发明的优点和特征以及实现本发明的方法可更易于理解。然而，本发明可以以多种不同的形式来实施，而不应被解释为受限于在此阐释的实施例。此外，提供这些实施例从而该公开将是彻底的和完全的，并将完整地将本发明的构思传达给本领域技术人员，本发明将仅由所附权利要求定义。在说明书中，相同的标号始终指示相同的部件。
[0019]下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
[0020]图1示意性示出了空间频谱滤波系统框图。本发明基于空间频谱滤波的方法，设计模式转换空间滤波器，实现待转换模式到目标模式的转换。空间频谱滤波系统将待转换模式Ui输入，经过焦距为Cl1的透镜实现第一次傅立叶变换，得到其空间频谱Ui:
[0021]Ui (fx, fy) = F[Ui(x, y)], (I)
[0022]设空间滤波器的传递函数为H(fx，fy) ,Ui经过空间滤波器后，能够改变待转换模式的频谱，得到新的频谱U。:
[0023]U0 (fx, fy) = U1 (fx, fy) H (fx, fy)，(2)
[0024]U。通过焦距为d2的透镜做第二次傅立叶变换后得到系统的输出，即目标模式的频谱U。:
[0025]U0 (X，y) = F [U。(fx, fy) ]，(3)
[0026]图2示意性给出了基于空间滤波的模式转换三个域关系，本发明分别从空间域、空间频率域和变换平面空间域三个域进行模式转换空间的滤波分析。
[0027]已知在空间域中的待转换模式为Ui (X，y)，空间滤波器的脉冲响应为h (X，y)。经过线性系统空间滤波，输出的目标模式U。(x，y)为待转换模式Ui(x，y)和脉冲响应h(x，y)的卷积。
[0028]U0 (X，y) = Ui (x, y) *h (x, y)，(4)
[0029]空间频率域是由空间域做傅立叶变换得到的。因此从空间频率域分析，目标模式的频谱Utj(Gfy)为4和11(1，7)频谱的乘积，如式(2)。空间频率域经过坐标变换得到变换平面空间域。因此从变换平面空间域分析，可知待转换模式和目标模式同样满足乘积关系O
[0030]uf0 (xf, yf) = Ufi (xf, yf).hf (xf, yf)，(5)[0031]由此可知，变换平面线坐标(Xf，yf)和空间频率域坐标(fx，fy)的关系。
[0032]
【权利要求】
1.一种基于空间频谱滤波的模式转换中频谱模场半径匹配方法，其特征在于包括以下内容: 模式转换系统的频谱模场半径匹配方法以及两个透镜的焦距设置； 模式转换系统中的模式传递函数的理论推导和空间光调制器设置； 模式转换系统中的仿真结果和结论。
2.根据权利要求1所述的基于空间频谱滤波的模式转换中频谱模场半径匹配方法，其特征在于频谱模场半径匹配方法以及两个透镜的焦距设置；本方法首先从空间域、空间频率域和变换平面空间域分析了待转换模式和目标模式的模场分布特征；待转换模式LPrq在空间域和变换平面空间域的模场分布分别为式(I)和式(2):
3.根据权利要求1所述的基于空间频谱滤波的模式转换中频谱模场半径匹配方法，其特征在于模式转换系统中的模式传递函数的理论推导和空间光调制器设置；在变换平面空间域上，根据待转换模式和目标模式的信息，可求得空间光调制器的透过率函数hf，即为模式转换传递函数，用极坐标表示为
4.根据权利要求1所述的基于空间频谱滤波的模式转换中频谱模场半径匹配方法，其特征在于模式转换系统中的仿真结果和结论，具体包括: 模场频谱带宽匹配后的转换结果； 基模转换为高阶模归一化相关系数、高阶模转换为基模归一化相关系数和任意模式转换归一化相关系数。
【文档编号】H04J14/04GK103812598SQ201410072440
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】兰名荥, 喻松, 高立, 聂松, 蔡善勇, 马晨星, 齐晓莉, 杜智超, 顾畹仪 申请人:北京邮电大学