一体化全光纤模分多路复用器件

本发明属于微纳光子学与光纤通信，具体涉及一种一体化全光纤模分多路复用器件。

背景技术：

1、全球一体化的发展带来了信息量的极大增加，数据流量的快速增长推动了光通信技术的发展。在过去的几十年里，人们设法提高数据传输能力以增加数据的传输容量，光的多种维度复用技术也由此得到极大发展。

2、然而传统的多路复用技术的数据速率正在迅速接近香农极限，我们进而需要使数据能够在最后一个物理维度即空间维度上进行多路复用。通讯设备也对于元件的集成化、精密化有着越来越高的要求。然而目前模分多路复用的研究技术存在一个较为显著的问题：在不使用偏振分束器件、空间光元件等相关设备的前提下，无法同时将传输光束的两个正交偏振转换为两个单独的模式，这极大影响器件的小型化、高度集成化发展。

3、为了解决上述问题，发明人期望设计一种一体化全光纤模分多路复用器件，利用超构表面对局部光场的相位、振幅和偏振独特的调控能力，将超构原子集成在微光纤侧壁，从而实现多种偏振模式的模分复用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种一体化全光纤模分多路复用器件，基于模分复用技术，使得数据能够在物理维度即空间维度上进行复用的同时，又能够实现设备集成化、精密化。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、本发明提供一种一体化全光纤模分多路复用器件，包括微光纤结构和一组由超构原子组成的阵列结构；

4、所述微光纤结构的腰区直径为3μm，腰区长度≥100μm，所述微光纤结构支持he11模、te01模与tm01模传输；

5、所述阵列结构包括71个超构原子，所述阵列结构集成在微光纤结构的腰区侧壁。

6、进一步地，上述一体化全光纤模分多路复用器件中，每个所述超构原子为大小相同的四分之一弧结构，宽度为0.12μm，高度h为0.4μm。

7、进一步地，上述一体化全光纤模分多路复用器件中，每个所述超构原子沿微光纤结构腰区侧壁的排布，依据耦合至自由空间的导波模式的有效折射率与焦点来设计。

8、进一步地，上述一体化全光纤模分多路复用器件中，当he11模、te01模与tm01模中的某种导波模式在微光纤波导内部单独传输时，所述导波模式与超构原子阵列接触部分的模式矢量成切向时，导波模式被超构原子阵列辐射至自由空间中并聚焦；导波模式与超构原子阵列接触部分的模式矢量成径向时，导波模式绝大部分能够保留在光纤内部；通过人为调节光纤模式的偏振方向改变模式，进而改变模式与超构原子阵列接触部分的模式矢量分布，实现可选择性地将导波模式耦合至自由空间中聚焦或保留在微光纤结构内部继续传输，形成两个模式输出通道。

9、进一步地，上述一体化全光纤模分多路复用器件中，当两组不同模式同时传输时，通过人为调节两个模式的偏振方向改变模式矢量分布，将其中一种模式与超构原子阵列接触部分的模式矢量调节成径向保留在光纤内部，将另一种模式与超构原子阵列接触部分的模式矢量调节成切向耦合至自由空间中并聚焦，从而将两个不同模式分离至空间中的不同位置，实现模分多路复用。

10、进一步地，上述一体化全光纤模分多路复用器件中，当导波模式tm01与te01同时在微光纤波导中传输时，所述导波模式tm01与超构原子阵列接触部分的模式矢量成径向，较多能量的tm01模被保留在微光纤波导内部，微光纤波导输出端的模式纯度为90％；导波模式te01与超构原子阵列接触部分的模式矢量成切向，te01模被超构原子阵列耦合至自由空间中并聚焦；将tm01模和te01模分离至不同位置，实现tm01模与te01模的模分多路复用。

11、进一步地，上述一体化全光纤模分多路复用器件中，当导波模式he11与te01同时在微光纤波导中传输时，所述导波模式he11被人为旋转90°后，与超构原子阵列接触部分的模式矢量从切向分布变为径向分布，较多能量的he11模被保留在微光纤波导内部，微光纤波导输出端的模式纯度为85％；导波模式te01与超构原子阵列接触部分的模式矢量成切向，te01模被超构原子阵列耦合至自由空间中并聚焦；将he11模和te01模分离至不同位置，实现he11模与te01模的模分多路复用。

12、进一步地，上述一体化全光纤模分多路复用器件中，当两个偏振方向垂直的导波模式he11同时在微光纤波导中传输时，与超构原子阵列接触部分的模式矢量为径向分布的he11模，较多能量被保留在微光纤波导内部继续传输，微光纤波导输出端的模式纯度为90％；与超构原子阵列接触部分的模式矢量成切向的he11模被超构原子阵列耦合至自由空间中并聚焦；将两个偏振方向垂直的he11模分离至不同位置，实现两个偏振方向垂直的he11模的模分多路复用。

13、本发明的有益效果是：

14、1、相比较于普通光纤模式复用器，本发明产品具有空间尺寸更小、高度集成的优点。

15、2、通过改变模式的偏振方向，可以有选择性的将所需要的模式保留在光纤内部进行多路复用，可控性强。

16、3、无需借助额外的空间光学元件进行光束准直，对于外源器件依赖性低。

17、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。

技术特征：

1.一体化全光纤模分多路复用器件，其特征在于，包括微光纤结构和一组由超构原子组成的阵列结构；

2.根据权利要求1所述的一体化全光纤模分多路复用器件，其特征在于，每个所述超构原子为大小相同的四分之一弧结构，宽度为0.12μm，高度h为0.4μm。

3.根据权利要求2所述的一体化全光纤模分多路复用器件，其特征在于，每个所述超构原子沿微光纤结构腰区侧壁的排布，依据耦合至自由空间的导波模式的有效折射率与焦点来设计。

4.根据权利要求3所述的一体化全光纤模分多路复用器件，其特征在于，当he11模、te01模与tm01模中的某种导波模式在微光纤波导内部单独传输时，所述导波模式与超构原子阵列接触部分的模式矢量成切向时，导波模式被超构原子阵列辐射至自由空间中并聚焦；导波模式与超构原子阵列接触部分的模式矢量成径向时，导波模式绝大部分能够保留在光纤内部；通过人为调节光纤模式的偏振方向改变模式，进而改变模式与超构原子阵列接触部分的模式矢量分布，实现可选择性地将导波模式耦合至自由空间中聚焦或保留在微光纤结构内部继续传输，形成两个模式输出通道。

5.根据权利要求4所述的一体化全光纤模分多路复用器件，其特征在于，当两组不同模式同时传输时，通过人为调节两个模式的偏振方向改变模式矢量分布，将其中一种模式与超构原子阵列接触部分的模式矢量调节成径向保留在光纤内部，将另一种模式与超构原子阵列接触部分的模式矢量调节成切向耦合至自由空间中并聚焦，从而将两个不同模式分离至空间中的不同位置，实现模分多路复用。

6.根据权利要求5所述的一体化全光纤模分多路复用器件，其特征在于，当导波模式tm01与te01同时在微光纤波导中传输时，所述导波模式tm01与超构原子阵列接触部分的模式矢量成径向，较多能量的tm01模被保留在微光纤波导内部，微光纤波导输出端的模式纯度为90％；导波模式te01与超构原子阵列接触部分的模式矢量成切向，te01模被超构原子阵列耦合至自由空间中并聚焦；将tm01模和te01模分离至不同位置，实现tm01模与te01模的模分多路复用。

7.根据权利要求6所述的一体化全光纤模分多路复用器件，其特征在于，当导波模式he11与te01同时在微光纤波导中传输时，所述导波模式he11被人为旋转90°后，与超构原子阵列接触部分的模式矢量从切向分布变为径向分布，较多能量的he11模被保留在微光纤波导内部，微光纤波导输出端的模式纯度为85％；导波模式te01与超构原子阵列接触部分的模式矢量成切向，te01模被超构原子阵列耦合至自由空间中并聚焦；将he11模和te01模分离至不同位置，实现he11模与te01模的模分多路复用。

8.根据权利要求7所述的一体化全光纤模分多路复用器件，其特征在于，当两个偏振方向垂直的导波模式he11同时在微光纤波导中传输时，与超构原子阵列接触部分的模式矢量为径向分布的he11模，较多能量被保留在微光纤波导内部继续传输，微光纤波导输出端的模式纯度为90％；与超构原子阵列接触部分的模式矢量成切向的he11模被超构原子阵列耦合至自由空间中并聚焦；将两个偏振方向垂直的he11模分离至不同位置，实现两个偏振方向垂直的he11模的模分多路复用。

技术总结
本发明属于微纳光子学与光纤通信技术领域，具体涉及一种一体化全光纤模分多路复用器件，包括微光纤结构和由大小为四分之一弧的硅材料超构原子组成的阵列结构，超构原子组成的阵列结构集成在微光纤结构侧壁。相较于普通模式复用器，本发明提供的一体化全光纤模分多路复用器件具有空间尺寸更小、集成度高、无需借助额外的空间光学元件进行光束准直，对于外源器件依赖性低的优点；除此之外，本发明能够通过改变模式的偏振方向，可以有选择性的将所需要的模式保留在光纤内部或辐射至自由空间中聚焦，从而实现模式的多路复用，可控性强。

技术研发人员：雷雨,李世豪,高一菲,郭锐,方烨,朱盈盈
受保护的技术使用者：安徽工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11