一种聚合物模式复用器、空分复用器件及空分复用方法与流程

1.本发明涉及光通信中光器件领域，具体涉及一种聚合物模式复用器、空分复用器件及空分复用方法。


背景技术：

2.为了提升光传输系统的传输容量，光的幅度、频率、相位和偏振已通过高阶调制格式、数字相干接收、偏振复用等光传输技术被利用并已接近极限。利用模式和纤芯作为新的复用维度的空分复用光传输技术也相继应用，被业界广泛认为是突破单模光纤传输容量极限，应对容量危机的主流技术趋势。目前空分复用光传输系统包括少模复用和多芯复用传输两种类型，光传输系统的传输介质有少模单芯光纤、单模多芯光纤。
3.少模多芯复用技术是将多芯复用技术和少模复用技术相结合。少模多芯光纤的包层内设置多个少模纤芯，每个纤芯可同时传输多个lp模式(linear polarization，线性极化)。其优点包括：1、将纤芯数与模式数相乘，可得到远远超过单纤传输容量的高频谱效率；2、能够对模式复用中高阶模式复用的串扰损伤和折射率设计难度、以及多芯复用中高密度纤芯复用对光纤设计与制造的难度进行折中；3、在相同空间复用信道下能够降低对接收机mimo-dsp(multiple input multiple output-digital signal processing，多进多出数字信号处理)均衡处理的要求。当模式复用、多芯复用、波分复用等多个维度相结合，将进一步刷新光传输系统的容量。
4.但少模多芯复用系统存在一些问题：1、模式复用器件与多芯扇入扇出器件的平台兼容性较差；2、模式复用器件与多芯扇入扇出器件导致了空分复用器件复杂度较高。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种聚合物模式复用器、空分复用器件及空分复用方法，提高模式复用和多芯复用的兼容性，将多芯扇入扇出的功能和模式复用器的功能合成在一起，降低整体器件的复杂度。
6.为达到以上目的，一方面，采取一种聚合物模式复用器，包括：
7.至少一个单模波导和一个少模波导，每个单模波导连接一个输入端口，所述少模波导两端分别连接一个输入端口和一个输出端口，所述单模波导和少模波导设置于聚合物包层内，所述聚合物包层为折射率在1.4～1.7之间的光电聚合物，单模波导和少模波导之间形成一段耦合区；
8.进入所述单模波导的光信号经过耦合区发生模式转换进入少模波导，残余光信号通过单模波导的尖端引出，进入所述少模波导的光信号不发生模式转换。
9.优选的，所述单模波导的宽度范围是1μm～12μm，所述少模波导的宽度范围是3μm～12μm；所述单模波导和少模波导的高度相同，高度范围是3μm～15μm；所述耦合区的长度范围是300μm～10mm；所述单模波导和少模波导的间距范围是200nm～2μm。
10.优选的，所述聚合物模式复用器的模式复用数量等于聚合物模式复用器的输入端
口个数。
11.另一方面，提出一种基于上述聚合物模式复用器的空分复用器件，包括单模光纤、聚合物模式复用器和一根多芯少模光纤，其中，单模光纤的数量
÷
聚合物模式复用器的模式复用数量＝多芯少模光纤的纤芯数量＝聚合物模式复用器的数量；
12.所述单模光纤用于分为多组，每组的光信号进入一个聚合物模式复用器的输入端口；聚合物模式复用器用于将单模光纤中的光信号通过模式复用后，耦合到所述多芯少模光纤中。
13.优选的，所述单模光纤的数量大于等于4，所述聚合物模式复用器的数量大于等于2，聚合物模式复用器的模式复用数量大于等于2。
14.优选的，所述聚合物模式复用器的模式复用数量为2，多芯少模光纤的纤芯数量为4时，所述单模光纤的数量为8，且8根单模光纤被分为4组，每组两根单模光纤，聚合物模式复用器的数量为4，每个聚合物模式复用器具有两个输入端口。
15.优选的，所述聚合物模式复用器的模式复用数量为3，多芯少模光纤的纤芯数量为7时，所述单模光纤的数量为21，且21根单模光纤被分为7组，每组3根单模光纤，聚合物模式复用器的数量为7，每个聚合物模式复用器具有3个输入端口。
16.优选的，所述聚合物模式复用器的模式复用数量为3，多芯少模光纤的纤芯数量为4时，所述单模光纤的数量为12，且12根单模光纤被分为4组，每组3根单模光纤，聚合物模式复用器的数量为4，每个聚合物模式复用器具有3个输入端口。
17.再一方面，提出一种基于上述空分复用器件的空分复用方法，包括步骤：
18.根据多芯少模光纤的纤芯数量和聚合物模式复用器的模式复用数量计算得到单模光纤的数量；
19.将多个根单模光纤等分为多组，且单模光纤的组数等于聚合物模式复用器的数量，每组单模光纤的光信号进入一个聚合物模式复用器的输入端口；
20.每个聚合物模式复用器将多个单模光纤中的基模转换成高阶模并进行模式复用，再通过输出端口输送到一根多芯少模光纤的一根纤芯中从而达到多芯复用。
21.优选的，每个聚合物模式复用器中，单模波导从输入端口接收到光信号，光信号通过耦合区发生模式转换，进入少模波导，残余光信号通过单模波导的尖端引出；少模波导从输入端口接收到的光信号不发生模式转换。
22.上述技术方案中的一个具有如下有益效果：
23.聚合物模式复用器的聚合物包层采用折射率在1.4～1.7之间的光电聚合物，因此可以作为实现模式复用和多芯复用的聚合物平台，基于该聚合物模式复用器的空分复用器件，可以将多芯扇入扇出的功能和模式复用器的功能合成在一起，实现密集的空分复用功能，降低了整体器件的复杂度。
24.并且，一个空分复用器件即可将多芯、模式、波长等多个维度进行融合，相对于现有技术中多芯复用需要多芯扇入扇出器件，模式复用需要模式复用器件来说，通过一个空分复用器件解决两种复用，器件结构更加紧凑，性能高效且成本低廉。
附图说明
25.图1为本发明一个实施例聚合物模式复用器的俯视示意图；
26.图2为图1的侧视示意图；
27.图3为本发明另一个实施例聚合物模式复用器的俯视示意图；
28.图4为图3的侧视示意图；
29.图5为本发明一个实施例的空分复用器件示意图；
30.图6为本发明另一个实施例的空分复用器件示意图。
31.附图标记：
32.1、聚合物模式复用器；10单模波导；12、少模波导；13、聚合物包层；11、第一单波导；11
′
、第二单波导；2、单模光纤；3、四芯少模光纤；4、七芯少模光纤。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
34.本发明提供一种聚合物模式复用器，包括至少一个单模波导和一个少模波导，每个单模波导的一端连接一个输入端口，另一端具有尖端，少模波导两端分别连接一个输入端口和一个输出端口。单模波导和少模波导设置于聚合物包层内，该聚合物包层为折射率在1.4～1.7之间的光电聚合物。每个单模波导和少模波导之间都形成一段耦合区。
35.进入单模波导的光信号经过耦合区发生模式转换进入少模波导，残余光信号通过单模波导的尖端引出，进入所述少模波导的光信号不发生模式转换。
36.其中，波导的数量(包括单模波导和少模波导)＝聚合物模式复用器的模式复用数量＝聚合物模式复用器输入端口的个数。模式复用数量表示该聚合物模式复用器支持多少个模式的复用。
37.由于聚合物相比于硅基、氮化硅等其他平台的折射率更接近光纤，因此更适合做多芯光纤的耦合。同时，聚合物材料的折射率可以在1.4～1.7之间调节，因此设计具有折射率差的波导和包层结构，通过设计波导结构和耦合区域来实现模式复用功能。并且，目前不少聚合物材料热稳定性、化学稳定性和安全性已获得国际认证，因此，聚合物模式复用器是实现模式复用和多芯复用的优选聚合物平台。
38.进一步的，聚合物模式复用器中，单模波导的宽度范围是1μm～12μm，少模波导的宽度范围是3μm～12μm；单模波导和少模波导的高度相同，高度范围是3μm～15μm；耦合区的长度范围是300μm～10mm；单模波导和少模波导的间距范围是200nm～2μm，该间距指的是耦合区位置的间距。
39.上述聚合物模式复用器具有将多个单模光纤中的基模转换成高阶模并进行模式复用的功能。在一些实施例中，聚合物模式复用器可以是定向耦合型的模式复用器。
40.如图1和图2所示，提供一个聚合物模式复用器1的实施例。本实施例中，模式复用数量为2，聚合物模式复用器1包括一个单模波导10、一个少模波导12和聚合物包层13。为了便于理解，图2中仅示意出了单模波导10和少模波导12的端部。其中，单模波导10和少模波导12的高度均为h，h的范围是3μm～15μm；单模波导10的宽度为wa，wa的范围是1μm～12μm；少模波导12的宽度为wb，wb的范围是3μm～12μm；单模波导10和少模波导12之间的间隔为gap，
gap的范围是200nm～2μm；单模波导10和少模波导12的耦合区域长度为l，l的范围是300μm～10mm。通过输入端口进入单模波导10的光信号经过耦合区发生模式转换进入少模波导2，残余的光信号通过波导尖端引出，而通过另外输入端口进入少模波导2的光信号不发生模式转换，只进行传输。
41.如图3和图4，提供另一个聚合物模式复用器1的实施例。本实施中，模式复用数量为3，聚合物模式复用器1包括两个单模波导(第一单波导11和第二单波导11
′
)、一个少模波导12和聚合物包层13。为了便于理解，图4中仅示意出了两个单模波导和少模波导的端部。第一单波导11、第二单波导11
′
和少模波导12的高度均为h，h的范围是3μm～15μm。第一单波导11的宽度为wa、第二单波导11
′
的宽度为wc，两个宽度的范围都是1μm～12μm，且wa和wc既可以相同，也可以不同。少模波导12的宽度为wb，wb的范围是3μm～12μm。第一单波导11和少模波导12之间的间隔为gap1，第二单波导11
′
和少模波导12之间的间隔为gap2，gap1和gap2的范围都是200nm～2μm，且gap1和gap2既可以相同，也可以不同。第一单波导11和少模波导12的耦合区域长度为l1，第二单波导11
′
和少模波导12的耦合区域长度为l2，l1和l2的范围都是300μm～10mm，且l1和l2既可以相同，也可以不同。输入第一单波导11和第二单波导11
′
的光信号分别经过对应的耦合区发生模式转换，再进入少模波导12，残余的光信号通过所在单模波导的尖端引出；输入少模波导2的光信号不发生模式转换，只进行传输。
42.基于上述聚合物模式复用器，本发明还提出一种空分复用器件，包括单模光纤、聚合物模式复用器和一根多芯少模光纤，其中，单模光纤的数量
÷
聚合物模式复用器的模式复用数量＝多芯少模光纤的纤芯数量＝聚合物模式复用器的数量。单模光纤用于分为多组，每组的光进入一个聚合物模式复用器的输入端口；聚合物模式复用器用于将单模光纤中的光信号通过模式复用，再耦合到多芯少模光纤中从而达到多芯复用。
43.具体的，上述单模光纤的数量大于等于4聚合物模式复用器的数量大于等于2，聚合物模式复用器的模式复用数量大于等于2。
44.如图5所示，为模式复用数量为2，多芯少模光纤为四芯少模光纤3(即纤芯数量为4)时，单模光纤2的数量为8。8根单模光纤分成4组，每组两根，为了清晰可见，图5中只示意出同一组的两根单模光纤2。此时，对应4个聚合物模式复用器1，每组两根单模光纤2对应一个聚合物模式复用器1，聚合物模式复用器1包括两个输入端口和一个输出端口。每组中，一根单模光纤2的光信号从一个输入端口传输到单模波导中，另一根单模光纤2的光信号从另外一个输入端口传输到少模波导中。进入单模波导的光信号经过耦合区发生模式转换，再进入少模波导，残余的光信号通过单模波导的尖端引出；进入输入少模波导的光信号不发生模式转换，只进行传输，少模波导中的所有光信号从输出端口中输出，与四芯少模光纤3的一根纤芯耦合。最终实现8根单模光纤的信号到单根多芯少模光纤的耦合，实现密集的空分复用功能。
45.如图6所示，为聚合物模式复用器1的模式复用数量为3，多芯少模光纤为七芯少模光纤4(多芯少模光纤的纤芯数量为7)时，单模光纤2的数量为21。21根单模光纤2分成7组，每组3根，为了清晰可见，图6中只示意出同一组的3根单模光纤2。对应7个聚合物模式复用器1，每个聚合物复用器1具有三个输入端口和一个输出端口。每组3根单模光纤2分别输入一个聚合物复用器1的三个输入端口，在聚合物复用器1中进行模式复用，再通过输出端口输出，与七芯少模光纤4的一根纤芯耦合。另外六组单模光纤2采用同样的方式分别经过不
同的聚合物复用器1进行模式复用，再通过输出口输出，与七芯少模光纤4的其他纤芯耦合从而达到多芯复用。最终实现21根单模光纤2的信号到单根七芯少模光纤4的耦合，实现密集的空分复用功能。
46.与上述实施例原理相同，当聚合物模式复用器1的模式复用数量为3，多芯少模光纤的纤芯数量为4时，单模光纤2的数量为12，且12根单模光纤2被分为4组，每组3根单模光纤2，聚合物模式复用器1的数量为4，每个聚合物模式复用器具有3个输入端口。每组3根单模光纤2分别输入一个聚合物复用器1的三个输入端口，在聚合物复用器1中进行模式复用，再通过输出端口输出，与四芯少模光纤3的一根纤芯耦合。另外三组单模光纤2采用同样的方式分别经过不同的聚合物复用器1进行模式复用，通过输出口输出，与四芯少模光纤3的其他纤芯耦合。最终实现12根单模光纤2的信号到单根四芯少模光纤3的耦合，实现密集的空分复用功能。
47.基于上述空分复用器件的各个实施例，本发明还提供一种空分复用方法，包括如下步骤：
48.s101.根据多芯少模光纤的纤芯数量和聚合物模式复用器的模式复用数量计算得到单模光纤的数量；
49.s102.将多个根单模光纤等分为多组，且单模光纤的组数等于聚合物模式复用器的数量，每组单模光纤的光信号进入一个聚合物模式复用器的输入端口；
50.s103.每个聚合物模式复用器将多个单模光纤中的基模转换成高阶模并进行复用，再通过输出端口输送到一根多芯少模光纤的一根纤芯中。
51.其中，每个聚合物模式复用器中，单模波导从输入端口接收到光信号，光信号通过耦合区发生模式转换，进入少模波导，残余光信号通过单模波导的尖端引出。少模波导从输入端口接收到的光信号不发生模式转换。
52.以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。