一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器的制作方法

本发明涉及一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，适用于1.485-1.6微米的工作波长范围上，共115纳米带宽，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，需要把发送端的基阶模式（lp01）转换成高阶模式（lp0m），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式（lp0m）转换成基阶模式（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转换器主要有以下几种类型：几何光学模式转换器，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转换器，基于光子晶体光纤的模式转换器，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；要么加工过程需要精密控制，难以实现；或者是带宽较窄，损耗大。

本发明设计的宽带模式转换器，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

技术实现要素：

本发明针对现有的主流的模式转换技术的缺点，提出把基阶模式（lp01）转换为高阶模式（lp0m）的宽带模式转换器。本发明提出的宽带模式转换器，可以应用于1.485-1.6微米的工作波长范围上，共115纳米带宽；且结构简单，易于加工；尺寸很小，利于系统集成。同样的，该模式转换器具有可逆性，在相同的工作带宽上，也能实现将高阶模式（lp0m）向基阶模式（lp01）转换。

本发明通过级联共中心轴线的多级渐变纤芯，实现基阶模式（lp01）转换为高阶模式（lp0m）的宽带模式转换器。

本发明一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，包括：纤芯包层（1）、第一级渐变纤芯（2、3）、第二级渐变纤芯（4）和第三级渐变纤芯（5、6），其中：

a.纤芯包层（1）均匀覆盖每一级渐变纤芯,半径为r5，长度为l1+l2+l3+l4+l5（af段）；

b.第一级渐变纤芯（2、3）左端作为模式转换器输入端，包括渐变部分（2）和柱形部分（3），渐变部分（2）半径从r1（a点）以指数函数渐变增长到半径r2（b点），函数形式为，其中为渐变部分（2）的半径，以af方向为轴向，，和分别为a点和b点处的值，为当前值，渐变部分（3）长度为l1（ab段），柱形部分（4）的半径为r2，长度为l2（bc段）；

d.第二级渐变纤芯（4）半径从r2（c点）以二次函数渐变减小到半径r3（d点），函数形式为，其中为第二级渐变纤芯（5）的半径，，和分别为c点和d点处的值，为当前值，第二级渐变纤芯（4）长度为l3（cd段）；

e．第三级渐变纤芯（5、6）包括渐变部分（5）和柱形部分（6），半径从r3（d点）以另一二次函数渐变减小到半径r4（e点），函数形式为，其中为渐变部分（5）的半径，，和分别为d点和e点处的值，为当前值，渐变部分（5）长度为l4（de段），柱形部分（6）的半径为r4，长度为l5（ef段）；

f．纤芯包层（1）折射率为n1，第一级渐变纤芯（2、3）的折射率为n2，第二级渐变纤芯（4）和第三级渐变纤芯（5、6）的折射率为n3,且n1<n3<n2；

g．增大半径增长型锥形纤芯（3）和半径减小型锥形纤芯（5）结束处（c点）和（e点）的半径r2和r3，同时增大纤芯折射率n2和n3，可以实现基阶模式（lp01）向较高阶模式（相对于当前实现的转换得到的lp0m模式）转换；

h．光波导结构是圆的，或矩形的；

i．当使用矩形波导时，模式是准lp0m，而不是严格的lp0m模式。

本发明一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，能高效地实现基阶模式（lp01）到高阶模式（lp0m）的转换；同样的，该模式转换器具有可逆性，也能实现将高阶模式（lp0m）向基阶模式（lp01）转换。该宽带模式转换器具有很宽的工作带宽，在1.485-1.6微米的工作波长范围，共115纳米工作带宽，且模式转换对结构尺寸的轻微偏差不敏感，方便加工，尺寸很小，利于集成，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为模式转换器结构图。

图2为模式转换器输出端的模式的归一化功率。

图3为lp01到lp03转换的插入损耗。

具体实施方式

本发明一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，包括：纤芯包层（1）、第一级渐变纤芯（2、3）、第二级渐变纤芯（4）和第三级渐变纤芯（5、6），其中：

a.纤芯包层（1）均匀覆盖每一级渐变纤芯,半径为r5，长度为l1+l2+l3+l4+l5（af段）；

b.第一级渐变纤芯（2、3）左端作为模式转换器输入端，包括渐变部分（2）和柱形部分（3），渐变部分（2）半径从r1（a点）以指数函数渐变增长到半径r2（b点），函数形式为，其中为渐变部分（2）的半径，以af方向为轴向，，和分别为a点和b点处的值，为当前值，渐变部分（3）长度为l1（ab段），柱形部分（4）的半径为r2，长度为l2（bc段）；

d.第二级渐变纤芯（4）半径从r2（c点）以二次函数渐变减小到半径r3（d点），函数形式为，其中为第二级渐变纤芯（5）的半径，，和分别为c点和d点处的值，为当前值，第二级渐变纤芯（4）长度为l3（cd段）；

e．第三级渐变纤芯（5、6）包括渐变部分（5）和柱形部分（6），半径从r3（d点）以另一二次函数渐变减小到半径r4（e点），函数形式为，其中为渐变部分（5）的半径，，和分别为d点和e点处的值，为当前值，渐变部分（5）长度为l4（de段），柱形部分（6）的半径为r4，长度为l5（ef段）；

f．纤芯包层（1）折射率为n1，第一级渐变纤芯（2、3）的折射率为n2，第二级渐变纤芯（4）和第三级渐变纤芯（5、6）的折射率为n3,且n1<n3<n2；

g．增大半径增长型锥形纤芯（3）和半径减小型锥形纤芯（5）结束处（c点）和（e点）的半径r2和r3，同时增大纤芯折射率n2和n3，可以实现基阶模式（lp01）向较高阶模式（相对于当前实现的转换得到的lp0m模式）转换；

h．光波导结构是圆的，或矩形的；

i．当使用矩形波导时，模式是准lp0m，而不是严格的lp0m模式。

本发明为一种多级渐变纤芯级联的宽带模式转换器，是应用于光通信领域中模式复用技术，它的光波导结构是圆形的，或是矩形的。本宽带模式转换器可以在二氧化硅（silica）平面光波导电路技术上实现。其结构如图1所示。

本发明的技术方案是这样实现的：基阶模式（lp01）的光从最左边的单模纤芯（如图1所示(2)处）注入，第一级渐变纤芯（3、4）会给不同的模式引入不同的传播相位，经过第一级渐变纤芯后，会激发出期望的lp0m模式，但其模式功率并不占主导地位，且非期望的模式（特别是lp0k，k≠m）还以较大功率存在，所以需要通过第二级渐变纤芯（5）和第三级渐变纤芯（6、7）来进一步加强期望lp0m模式的转换，抑制非期望模式的转换。

下面以基阶模式从（2）处注入为例，结合图2，进一步来说明上述宽带模式转换器。当lp01模（基阶模式）从（2）处注入到模式转换器时，通过调整第一级渐变纤芯的半径（起始半径r1和终止半径r2）和长度l1，lp0m（m=1,2,3）模式的功率会逐渐激发。

例如，对一个lp01转换到lp03的宽带模式转换器，在第一级渐变纤芯输出处，lp03模式的功率虽然占最大的比重，但可以看到也仅仅有40%的转换效率。显然，只靠第一级渐变纤芯是无法获得所期望的模式转换性能的。因此，需要引入第二级和第三级渐变纤芯以改善模式转换器的性能，以实现光功率几乎转移到所需要的lp03模式上。

参见图2，在引入了第二级渐变纤芯后，期望的lp03模式的功率有了明显的提高，在经过第三级渐变纤芯后，进一步增强了lp03模式的功率，同时减小了lp01和lp02模式的功率；可以看出，lp03转换的归一化功率超过了80%。图3为在1.46-1.675微米的工作波长上，lp01到lp03的转换时的插入损耗（转换比率或者说效率）。在这里，插入损耗=plp01,in/plp03,out，其中plp01,in是模式转换器输入端的基模功率，plp03,out是模式转换器输出端的lp03模式的功率。可以清楚地看到，模式转换器在1.485-1.6微米的波长范围内的插入损耗都小于0.97分贝（转换效率大于80%）。

在这里，只是展示了lp01到lp03模式的转换；但是实际上，通过调整其各部分的尺寸规模，调节纤芯的折射率，同样可以用来实现在c波段上lp01模到其他高阶模式（lp04、lp05等）的转换。