一种任意多模超宽带功率分配器、系统及方法

本发明涉及光纤通信，具体地，涉及一种任意多模超宽带功率分配器、系统及方法。

背景技术：

1、模分复用技术是一种光纤通信中的空分复用技术，通过同时利用光纤的不同光传导模式(或称为模式)来实现多信道的传输。传统的光纤通信主要利用了光的频率、波长和时间等维度进行复用，而模分复用则在光纤的空间维度上进行复用，将不同的光传播模式(例如，基本模式、高阶模式、螺旋模式等)分别用于不同的信道传输，从而成倍的提升传输容量，可以有效解决未来传输容量不足的问题。

2、但是在传统的模分复用技术中，少模光纤中的模式往往受到耦合和损耗的影响，导致模式间的能量分布不均匀，从而增加信道的串扰和光信号解调的复杂度。此外，传统的少模光纤功率分配器通常只能实现固定的功率分配比以及特定的几个模式，难以灵活地调整不同模式之间的功率分配关系，限制了系统的灵活性和适应性，并且增加了光学系统设计的复杂性，也提高了维护的成本。

3、综上所述，设计出一个允许任意模式并且能够多个模式同时进行超宽带功率分配的功率分配器是十分关键的，借助这一超宽带的多模功率分配器，光纤通信系统可以实现更高容量、更灵活的传输，并推动光纤通信技术的进一步发展，有望在未来的光纤通信系统中发挥重要作用。

4、而申请号为202211049048.2的中国发明专利：《一种用于平面光波导扇入扇出的复用器件和方法》，其采用的技术方案为：包括输入少模信号的少模波导1、输出高阶模的少模波导和能量传递的单模波导，单模波导设置在输入少模信号的少模波导和输出高阶模的少模波导之间，实现光波导的扇入和扇出。上述方案中，利用少模波导和单模波导构成定向耦合器，基于耦合模理论，模式的能量就在两者之间实现转移，控制多个模式在少模波导中的分离与组合；其技术方案旨在实现光波导的扇入和扇出。而本发明所设计的器件与其技术方案所提供的器件不同，且本发明旨在实现任意多模超宽带功率分配。

技术实现思路

1、为解决现有技术模分复用存在模式间的能量分布不均匀的技术问题，提供了一种任意多模超宽带功率分配器、系统及方法，本发明采用的技术方案是：

2、本发明第一方面提供了一种任意多模超宽带功率分配器，包括用于输入输出信号的第一少模波导、输出信号的第二少模波导以及用于传递能量的单模波导；所述单模波导设置在所述第一少模波导和所述第二少模波导之间，并通过绝热锥形区分别与所述第一少模波导和所述第二少模波导耦合连接。

3、相较于现有技术，本发明所提供的一种任意多模超宽带功率分配器，可以实现任意多模的功率分配，使得光纤通信系统可以实现更高容量、更灵活的传输，并推动光纤通信技术的进一步发展。

4、作为一种优选方案，所述单模波导的数量设置为若干，分别与所述第一少模波导和所述第二少模波导构成若干个定向耦合器。

5、作为一种优选方案，所述第一少模波导设有第一绝热锥形区，所述单模波导设有第二绝热锥形区以及第三绝热锥形区，所述第二少模波导设有第四绝热锥形区；

6、所述第一少模波导通过所述第一绝热锥形区将能量耦合到设于单模波导的第二绝热锥形区；所述单模波导通过所述第三绝热锥形区将能量耦合到设于第二少模波导的第四绝热锥形区；

7、所述单模波导分别与所述第一少模波导和所述第二少模波导形成绝热锥形定向耦合器。

8、作为一种优选方案，所述第二绝热锥形区连接有第一电极加热器，所述第三绝热锥形区连接有第二电极加热器；所述第一电极加热器用于通过控制所述第一少模波导与所述单模波导之间的耦合效率实现操控所述第一少模波导中目标模式的能量衰减；所述第二电极加热器用于通过控制所述单模波导与所述少第二模波导之间的耦合效率实现操控所述第二少模波导中所述目标模式的能量增加。

9、作为一种优选方案，在所述第一少模波导和所述第二少模波导之间可根据需要任意增加多个所述单模波导形成多个绝热锥形定向耦合器；通过多个所述第一电极加热器实现操控所述第一少模波导中不同模式的信号的能量衰减；通过多个所述第二电极加热器实现操控所述第二少模波导中所述不同模式的信号的能量增加。

10、作为一种优选方案，所述第一少模波导与所述第二少模波导之间互不接触；若干个所述单模波导之间互不接触。

11、本发明第二方面提供了一种任意多模超宽带功率分配系统，包括前述的一种任意多模超宽带功率分配器、若干个发送端、复用端、少模光纤、少模放大器、解复用端、滤波器以及相干接收机；所述个发送端、复用端、少模光纤、少模放大器、任意多模超宽带功率分配器、解复用端、滤波器以及相干接收机依次连接；其中，所述复用端包括模式转换器以及模式复用器，所述解复用端包括模式解复用器以及模式转换器；

12、所述若干个发送端用于发送多路基模信号到所述复用端；所述复用端用于将多路基模信号换成不同模式并行传输的少模信号，使得不同模式并行传输的少模信号在所述少模光纤中传输；所述少模放大器对经过少模光纤传输后的少模信号中的不同模式的信号进行放大，不同模式的信号得到不同程度的增益，因此不同模式的信号的能量将产生差异；所述任意多模超宽带功率分配器用于对增益后少模信号中任意多模的能量进行重新分配；对重新分配后承载着不同模式的少模信号通过所述解复用端统一转换成多路基模信号并通过所述滤波器滤波后，最终被所述相干接收机接收。

13、本发明第三方面提供了一种根据前述的任意多模超宽带功率分配系统的任意多模超宽带功率分配方法，包括以下步骤：

14、s1，所述若干个发送端发送多路基模信号到所述复用端；

15、s2，所述复用端将多路基模信号换成不同模式并行传输的少模信号，使得不同模式并行传输的少模信号在所述少模光纤中传输；

16、s3，所述少模放大器对经过少模光纤传输后的少模信号中的不同模式的信号进行放大，不同模式的信号得到不同程度的增益，因此不同模式的信号的能量将产生差异；

17、s4，所述任意多模超宽带功率分配器对增益后少模信号中任意多模的能量进行重新分配；

18、s5，对重新分配后承载着不同模式的少模信号通过所述解复用端统一转换成多路基模信号并通过所述滤波器滤波后，最终被所述相干接收机接收。

19、作为一种优选方案，所述步骤s4具体为：通过控制所述第一电极加热器/第二电极加热器的电功率来控制所述单模波导与所述第一少模波导/所述第二少模波导之间的耦合效率；当所述第一电极加热器/第二电极加热器工作时，通过施加不同的电功率使得第一少模波导/第二少模波导的温度发生变化进而导致第一少模波导/第二少模波导的折射率和传播常数发生变化，从而引起所述单模波导与第一少模波导/所述第二少模波导之间的耦合效率发生不同程度的变化，进而实现操控波导间能量的传递。

20、作为一种优选方案，在所述第一少模波导和所述第二少模波导之间可根据需要任意增加多个所述单模波导形成多个绝热锥形定向耦合器；通过多个所述第一电极加热器实现操控所述第一少模波导中不同模式的信号的能量衰减；通过多个所述第二电极加热器实现操控所述第二少模波导中所述不同模式的信号的能量增加；所述第一少模波导和单模波导的耦合区域中沿x方向上的电场变化分别表示为：

21、e1(x)＝e1(0)e(-xκ(x))；

22、e2(x)＝e2(0)e(-xκ(x))；

23、其中，e1(0)和e2(0)分别表示所述第一少模波导和单模波导在所述绝热锥形定向耦合器输入端处(x＝0处)的电场，κ(x)表示耦合系数，它随x位置的变化而变化，反映了光信号在耦合区域中的耦合强度；

24、所述第一少模波导和单模波导的耦合方程可以表示为：

25、

26、

27、其中i表是虚数单位，δβ＝β1-β2表示所述第一少模波导和单模波导中的传播常数差异，β1和β2分别表示第一少模波导和单模波导中的传播常数。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、根据需求通过增加对应模式的单模波导对即可拓展需要进行功率分配的模式，进而实现任意多模的功率分配，减少所需的光学器件和复杂的光学布局，从而简化系统结构，降低系统复杂度和维护成本。除此之外，本发明通过电极加热器实现模式耦合效率可调以及绝热锥形波导耦合的方式来增加工作带宽，从而实现模式的超宽带动态功率分配，并且在一定程度上减小损耗，进一步提高系统的灵活性。