一种全光纤可重构多模模式转换器及模式均衡系统

本发明涉及光纤通信，具体地，涉及一种全光纤可重构多模模式转换器及模式均衡系统。

背景技术：

1、光纤通信系统因其较大的可用带宽以及极低的传输损耗而可以承载大量的数据流量，从而能够很容易实现大容量和长距离通信传输。但是由于核心网络等业务的增加，互联网流量爆炸增长。近年来，爆发的流量需求已达到单模光纤通信的容量极限。对光纤的空间维度进行探索是克服容量不足的潜在方案，因此研究人员受无线通信相关概念的启发，在此基础上对基于光纤的空分复用技术进行了研究，在空分复用中，基于少模光纤和多模光纤的模分复用技术备受关注，而在模分复用技术中，模式转换器是其中的关键器件。

2、模式转换器作为未来光通信和光互连技术中的基础元件之一，在集成光子芯片设计中具有重要地位。模式复用可以利用不同本征模来增加单个波导信道内的带宽密度和频谱效率，用于将一个本征模转换为其他本征模的模式转换器在模式复用中起着非常重要的作用。

3、掺铒光纤放大器作为功率放大器、中继放大器和前置放大器，具有在通信窗口对信号高效放大的优越性，已经被广泛应用于长距离的光纤通信系统中。掺铒光纤放大器的增益谱能覆盖1530-1625nm的通信窗口，但是对每个模式的增益效果不一致，很难缩小差分模式增益。目前市面上主要采用两种缩小差分模式增益的方法：一、优化光纤的设计，在光放大的过程中实现缩小差分模式增益；二、在外部插入调控元件，衰减增益过高的模式，实现缩小差分模式增益。研究表明通过插入光学器件的方法能有效地实现更低的差分模式增益，然而，现有的器件存在插入损耗大、器件结构复杂、操控波长范围有限等挑战。

技术实现思路

1、为解决现有技术模式转换器件存在插入损耗大、器件结构复杂、差分模式增益大以及不具重构性的技术问题，本发明提供了一种全光纤可重构多模模式转换器及模式均衡系统，本发明采用的技术方案是：

2、本发明第一方面提供了一种全光纤可重构多模模式转换器，包括波导以及与外部通电装置连接的电热丝，所述电热丝设置若干条；所述波导设有非导热区以及导热区，所述导热区设置若干个，且所述导热区在所述波导上按预设间隔沿波导轴向分布；任意一个所述导热区上绕设有一条所述电热丝。

3、作为一种优选方案，所述电热丝的数量设置为四条，所述导热区的数量设置为四个。

4、作为一种优选方案，所述电热丝为铬线电热丝。

5、作为一种优选方案，所述导热区的材质为金属铬。

6、作为一种优选方案，所述全光纤可重构多模模式转换器还包括亚克力板，所述亚克力板设于所述波导下方，且所述波导垂直于所述亚克力板的一组对边，所述亚克力板用于支撑所述波导。

7、作为一种优选方案，所述亚克力板的另一组对边上设有相对的限位凹槽，任意一条所述电热丝的两端分别设于所述相对的限位凹槽中，所述相对的限位凹槽设置为若干对。

8、作为一种优选方案，所述相对的限位凹槽设置为四对。

9、本发明第二方面提供一种模式均衡系统，采用前述的全光纤可重构多模模式转换器，还包括：复用端、传输光纤、光放大器以及解复用端；所述复用端、所述传输光纤、所述光放大器、所述全光纤可重构多模模式转换器以及解复用端依次连接；

10、所述复用端用于将多路基模信号转换成不同模式并行传输的光信号；

11、所述传输光纤用于传输不同模式并行传输的光信号；

12、所述光放大器用于对经过所述传输光纤传输的光信号中的不同模式进行放大，不同模式得到不同程度的增益，因此不同模式的能量将产生差异；

13、所述全光纤可重构多模模式转换器用于通过热光效应对增益后的光信号中不同模式的能量进行均衡，使不同模式的能量归于相同值；

14、所述解复用端用于将均衡后承载着不同模式的光信号统一转换成多路基模信号输出，实现不同模式的放大均衡。

15、作为一种优选方案，所述全光纤可重构多模模式转换器用于通过热光效应对增益后的光信号中不同模式的能量进行均衡，使不同模式的能量归于相同值的方法包括：

16、通过所述若干条电热丝对所述若干个导热区进行加热，使得所述若干个导热区和非导热区对应的波导区域形成周期性温度差异；由于波导的热光效应，波导的有效折射率会随温度的变化而发生改变，因此所述波导产生周期性折射率变化；

17、通过改变所述外部通电装置施加在所述若干条电热丝的电功率大小，可再次改变所述若干个导热区对应的波导区域的温度，温度改变后的折射率可由得到，其中n0为波导材料在特定温度下的折射率，为热光系数，t为热力学温度；

18、通过模耦合理论和传输矩阵最后可以求解出交流耦合系数，根据热光效应，通过改变所述外部通电装置施加在所述若干条电热丝的电功率大小，就可以控制波导的耦合系数，由波导光栅特性λ＝(n1-n2)∧和耦合系数就可以实现基模和高阶模的转换，从而减小差分模式增益，进而实现模式放大均衡；其中，λ表示中心波长，n1、n2分别为两个模式的有效折射率，∧表示光栅周期。

19、作为一种优选方案，当所述外部通电装置停止对所述若干条电热丝施加电功率时，则将光信号中的高阶模转换为基模，从而实现光信号的重构。

20、相较于现有技术，本发明具有的有益效果是：

21、1.本发明通过电热线对波导上周期性分布的导热区加热，实现了基模和高阶模的转换；通过控制施加电功率的大小来实现衰减可调，从而控制模式能量强度，进而灵活减少差分模式增益，而且插入损耗小、器件结构简单。

22、2.本发明通过将外部通电装置停止对所述若干条电热丝施加电功率，则将光信号中的高阶模转换为基模，从而实现光信号的重构。

技术特征：

1.一种全光纤可重构多模模式转换器，其特征在于，包括波导(1)以及与外部通电装置连接的电热丝(2)，所述电热丝(2)设置若干条；所述波导(1)设有非导热区以及导热区(11)，所述导热区(11)设置若干个，且所述导热区(11)在所述波导(1)上按预设间隔沿波导轴向分布；任意一个所述导热区(11)上绕设有一条所述电热丝(2)。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤可重构多模模式转换器，其特征在于，所述电热丝(2)的数量设置为四条，所述导热区(11)的数量设置为四个。

3.根据权利要求1所述的一种全光纤可重构多模模式转换器，其特征在于，所述电热丝(2)为铬线电热丝。

4.根据权利要求1所述的一种全光纤可重构多模模式转换器，其特征在于，所述导热区(11)的材质为金属铬。

5.根据权利要求1所述的一种全光纤可重构多模模式转换器，其特征在于，所述全光纤可重构多模模式转换器还包括亚克力板(3)，所述亚克力板(3)设于所述波导(1)下方，且所述波导(1)垂直于所述亚克力板(3)的一组对边，所述亚克力板(3)用于支撑所述波导(1)。

6.根据权利要求5所述的一种全光纤可重构多模模式转换器，其特征在于，所述亚克力板(3)的另一组对边上设有相对的限位凹槽(31)，任意一条所述电热丝(2)的两端分别设于所述相对的限位凹槽(31)中，所述相对的限位凹槽(31)设置为若干对。

7.根据权利要求6所述的一种全光纤可重构多模模式转换器，其特征在于，所述相对的限位凹槽(31)设置为四对。

8.一种模式均衡系统，采用权利要求1至7任一项所述的全光纤可重构多模模式转换器，其特征在于，还包括：复用端、传输光纤、光放大器以及解复用端；所述复用端、所述传输光纤、所述光放大器、所述全光纤可重构多模模式转换器以及解复用端依次连接；

9.根据权利要求8所述的一种模式均衡系统，其特征在于，所述全光纤可重构多模模式转换器用于通过热光效应对增益后的光信号中不同模式的能量进行均衡，使不同模式的能量归于相同值的方法包括：

10.根据权利要求9所述的一种模式均衡系统，其特征在于，当所述外部通电装置停止对所述若干条电热丝(2)施加电功率时，则将光信号中的高阶模转换为基模，从而实现光信号的重构。

技术总结
本发明公开了一种全光纤可重构多模模式转换器及模式均衡系统，所述全光纤可重构多模模式转换器包括：波导以及与外部通电装置连接的电热丝，所述电热丝设置若干条；所述波导设有非导热区以及导热区，所述导热区设置若干个，且所述导热区在所述波导上按预设间隔沿波导轴向分布；任意一个所述导热区上绕设有一条所述电热丝。本发明装置通过电热线对波导上周期性分布的导热区加热，实现了基模和高阶模的转换，本发明装置具有插入损耗小、器件结构简单、差分模式增益小以及可重构的特点。

技术研发人员：黄权东,冉嘉琪,彭科迪
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24