高效的多模式变换器的制作方法

本发明涉及高效的多模式变换器，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式的变换，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，需要把发送端的基阶模式（lp01）变换成高阶模式（lpmn），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（lpmn）变换成基阶模式（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式的转换。

本发明设计的高效的多模式变换器，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，把基阶模式（lp01）变换为多种高阶模式（lpmn），变换效率高。本发明高效的多模式变换器，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式的变换，同样的，也能实现高阶模式（lpmn）向基阶模式（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，实现基阶模式（lp01）变换为高阶模式（lpmn）的多模式变换器。

本发明高效的多模式变换器，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）从输入端口（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式，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）”起始处（p1）和结束处（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）”的起始处（p3）和结束处（p4）的半径r4和r5，可以实现基阶模式（lp01）向更高阶模式变换；

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，而不是严格的lpmn模式；

i．本模式变换器是在二氧化硅（silica）平面光波导电路技术上实现。

本发明高效的多模式变换器，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式的变换，同样的，也能实现高阶模式（lpmn）向基阶模式（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（lp01）和高阶模（lp11）的有效折射率随传输距离的变化。

图3为基模（lp01）和高阶模（lp11）的归一化功率随传输距离的变化。

图4为基模（lp01）和高阶模（lp21）的归一化功率随传输距离的变化。

图5为基模（lp01）和高阶模（lp31）的归一化功率随传输距离的变化。

图6为基模（lp01）和高阶模（lp12）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，提出把基阶模式（lp01）变换为高阶模式（lpmn）的高效的多模式变换器。本发明提出的高效的多模式变换器，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式的变换，同样的，也能实现高阶模式（lpmn）向基阶模式（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，实现基阶模式（lp01）变换为不同的高阶模式（lpmn）的多模式变换器。

本发明高效的多模式变换器，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）从输入端口（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式，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）”起始处（p1）和结束处（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）”的起始处（p3）和结束处（p4）的半径r4和r5，可以实现基阶模式（lp01）向更高阶模式变换；

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，而不是严格的lpmn模式；

i．本模式变换器是在二氧化硅（silica）平面光波导电路技术上实现。

本发明为高效的多模式变换器，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变换到lp11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（lp01）和“半径增长型拉锥纤芯（3）”中的高阶模（lp11）的有效折射率随传输距离的变化。当lp01模（基阶模式）从输入端注入时，随着纤芯半径缓慢拉锥减小，lp01模的有效折射率（图2中实线表示，neff01）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模的有效折射率（图2中虚线表示，neff11）则随着缓慢增大。在传输距离约为5000微米的时候，lp01模的有效折射率和lp11模的有效折射率相等，此时即使耦合最快速剧烈的时候，lp01模的功率将大幅度变换到lp11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模功率几乎全部耦合到lp11模中，以高阶模的形式传输，实现了光纤基模到高阶模式的变换。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模功率急剧减少，而lp11模功率急剧增大。最终，lp11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）”起始处（p1）和结束处（p2）的半径r2和r3，增大“半径增长型拉锥纤芯（3）”的起始处（p3）和结束处（p4）的半径r4和r5，同时增大它们的中心轴线的间距d，可以实现基阶模式（lp01）向较高阶模式（相对于当前实现的变换得到的lp11模式）变换。图4、图5和图6分别展示了基模（lp01）和三个不同的高阶模（依次为lp21、lp31和lp12）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、lp31和lp12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到lp11、lp21、lp31和lp12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模到其他高阶模式（lp41、lp22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。