本發(fā)明涉及一種采用雙錐組合結(jié)構(gòu)的錐形漸變光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的模式轉(zhuǎn)換器，屬于光通信中模式復(fù)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光纖模式復(fù)用（mdm）是實(shí)現(xiàn)光纖多輸入多輸出（mimo）通信的主要方法，是增加光纖傳輸鏈路容量的最直接的方法。

光纖模式復(fù)用使用少模光纖（fmf）和多模光纖中不同階的模式進(jìn)行mimo信號(hào)的傳輸，每一個(gè)傳輸模式被視為是一個(gè)獨(dú)立的單模光纖通道。在使用光纖模式復(fù)用時(shí)，在發(fā)射端需要把基階模式轉(zhuǎn)換成某些高階模式，同理，在接收端，也需要把搭載信息的高階模式轉(zhuǎn)換成基階模式。

2002年以后，國(guó)內(nèi)外開始對(duì)模式轉(zhuǎn)換器的研究工作。目前報(bào)道的模式轉(zhuǎn)換器有幾何光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器，基于光纖光柵和光纖耦合的模式轉(zhuǎn)換器，基于硅耦合器的模式轉(zhuǎn)換器；基于二氧化硅（silica）耦合器、光錐形波導(dǎo)、晶體光纖、平面光波導(dǎo)電路、y-交叉波導(dǎo)的模式轉(zhuǎn)換器。這些研究大部分用于金屬波導(dǎo)，不能直接應(yīng)用到使用光纖波導(dǎo)的模式復(fù)用mimo通信系統(tǒng)中，且?guī)捿^窄，損耗大，尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的模式轉(zhuǎn)換器，經(jīng)文獻(xiàn)檢索，未見與本發(fā)明相同的公開報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明在克服現(xiàn)有技術(shù)不足基礎(chǔ)上，提出把基階模式轉(zhuǎn)換為高階模式的模式轉(zhuǎn)換器。

本發(fā)明在錐形波導(dǎo)芯中內(nèi)嵌雙錐組合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基階模式轉(zhuǎn)換為高階模式的模式轉(zhuǎn)換器。

本發(fā)明一種采用雙錐組合結(jié)構(gòu)的錐形漸變光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的模式轉(zhuǎn)換器，包括：波導(dǎo)芯包層（1）、錐形波導(dǎo)芯（2、3）、雙錐波導(dǎo)芯組合結(jié)構(gòu)（4），其中：

a.波導(dǎo)芯包層（1）均勻覆蓋錐形波導(dǎo)芯（2、3）,半徑為r3，長(zhǎng)度為l1+l2+l3+l4(ae段)。

b.錐形波導(dǎo)芯（2、3）從錐形過渡到柱形，半徑從r1（a點(diǎn)）指數(shù)增長(zhǎng)到半徑r2(c點(diǎn));錐形波導(dǎo)芯長(zhǎng)度為l1+l2(ac段)，柱形波導(dǎo)芯長(zhǎng)度為l3+l4（bc段）。

c.雙錐波導(dǎo)芯組合結(jié)構(gòu)（4）均勻地內(nèi)嵌于錐形波導(dǎo)芯（2、3）中半徑為s的圓環(huán)上；雙錐波導(dǎo)芯組合結(jié)構(gòu)（4）由多個(gè)相同的雙錐波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)組成；雙錐波導(dǎo)芯組合結(jié)構(gòu)（4）的起始端（b點(diǎn)）到模式轉(zhuǎn)換器的輸入端（a點(diǎn)）距離為l1。

d.每一個(gè)雙錐波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)由兩個(gè)圓錐體波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)（5、6）的底部相接形成；左邊的圓錐體波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)（5）半徑從0（b點(diǎn)）指數(shù)增長(zhǎng)到r4（d點(diǎn)），右邊的圓錐體波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)（6）半徑從r4（d點(diǎn)）指數(shù)減小到0（e點(diǎn)）。

e.波導(dǎo)芯包層（1）的折射率為n1，錐形波導(dǎo)芯（2、3）的折射率為n2，雙錐波導(dǎo)芯組合結(jié)構(gòu)（4）的折射率為n3，且n3<n1<n2。

f.改變雙錐結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù),將得到不同的轉(zhuǎn)換性能。

g.光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以是圓的，也可以是矩形的;當(dāng)使用矩形波導(dǎo)時(shí)，模式是準(zhǔn)lp0m，而不是嚴(yán)格的lp0m模式。

h.錐形波導(dǎo)芯（2、3）的頂部（a點(diǎn)）半徑r1取值在(2um~5um)時(shí)，隨著r1的增加，消光比er21和消光比er23先增加后減小，消光比er24緩慢增加，插入損耗il02逐漸減小，插入損耗il03先增加后減小，插入損耗il04緩慢增加；雙錐波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)的底部（d點(diǎn)）半徑r4取值在(1.5um~4.5um)時(shí)，隨著r4的增加，消光比er21和消光比er23先增加后減小，消光比er24單調(diào)遞減，插入損耗il02緩慢增加，插入損耗il03先增加后減小，插入損耗il04單調(diào)遞減；左邊的圓錐體波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)（5）長(zhǎng)度（l2+l3）取值在（1250um~1700um）時(shí)，隨著（l2+l3）的增加，消光比er21先增加后減小，消光比er23和消光比er24緩慢增加，插入損耗il02幾乎保持不變，插入損耗il03和插入損耗il04緩慢增加；右邊的圓錐體波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)（6）長(zhǎng)度l4取值在（350um~600um）時(shí)，隨著l4的增加，消光比er21先增加后減小，消光比er23緩慢減小，消光比er24緩慢增加，插入損耗il02幾乎保持不變，插入損耗il03緩慢減小，插入損耗il04緩慢增加。

本發(fā)明采用雙錐組合結(jié)構(gòu)的錐形漸變光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的模式轉(zhuǎn)換器能高效地實(shí)現(xiàn)基階模式lp01到高階模式lp0m的轉(zhuǎn)換，模式轉(zhuǎn)換對(duì)波長(zhǎng)的依賴性低，具有很寬的轉(zhuǎn)換帶寬，適于制作寬帶模式轉(zhuǎn)換器，對(duì)未來光纖模式復(fù)用通信會(huì)有巨大的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖；

圖2為雙錐結(jié)構(gòu)圖；

圖3為lp01到lp02轉(zhuǎn)換的歸一化功率；

圖4為lp01到lp02轉(zhuǎn)換的消光比。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明一種采用雙錐組合結(jié)構(gòu)的錐形漸變光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的模式轉(zhuǎn)換器，包括：波導(dǎo)芯包層（1）、錐形波導(dǎo)芯（2、3）、雙錐波導(dǎo)芯組合結(jié)構(gòu)（4），其中：

a.波導(dǎo)芯包層（1）均勻覆蓋錐形波導(dǎo)芯（2、3）。

b.錐形波導(dǎo)芯（2、3）從錐形過渡到柱形，半徑從r1（a點(diǎn)）指數(shù)增長(zhǎng)到半徑r2(c點(diǎn))。

c.雙錐波導(dǎo)芯組合結(jié)構(gòu)（4）均勻地內(nèi)嵌于錐形波導(dǎo)芯（2、3）中半徑為s的圓環(huán)上；雙錐波導(dǎo)芯組合結(jié)構(gòu)（4）由多個(gè)相同的雙錐波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)組成。

d.每一個(gè)雙錐波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)由兩個(gè)圓錐體波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)（5、6）的底部相接形成；左邊的圓錐體波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)（5）半徑從0（b點(diǎn)）指數(shù)增長(zhǎng)到r4（d點(diǎn)），右邊的圓錐體波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)（6）半徑從r4（d點(diǎn)）指數(shù)減小到0（e點(diǎn)）。

e.波導(dǎo)芯包層（1）的折射率為n1，錐形波導(dǎo)芯（2、3）的折射率為n2，雙錐波導(dǎo)芯組合結(jié)構(gòu)（4）的折射率為n3，且n3<n1<n2。

f.改變雙錐結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù),將得到不同的轉(zhuǎn)換性能。

g.光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以是圓的，也可以是矩形的;當(dāng)使用矩形波導(dǎo)時(shí)，模式是準(zhǔn)lp0m，而不是嚴(yán)格的lp0m模式。

h.錐形波導(dǎo)芯（2、3）的頂部（a點(diǎn)）半徑r1取值在(2um~5um)時(shí)，隨著r1的增加，消光比er21和消光比er23先增加后減小，消光比er24緩慢增加，插入損耗il02逐漸減小，插入損耗il03先增加后減小，插入損耗il04緩慢增加；雙錐波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)的底部（d點(diǎn)）半徑r4取值在(1.5um~4.5um)時(shí)，隨著r4的增加，消光比er21和消光比er23先增加后減小，消光比er24單調(diào)遞減，插入損耗il02緩慢增加，插入損耗il03先增加后減小，插入損耗il04單調(diào)遞減；左邊的圓錐體波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)（5）長(zhǎng)度（l2+l3）取值在（1250um~1700um）時(shí)，隨著（l2+l3）的增加，消光比er21先增加后減小，消光比er23和消光比er24緩慢增加，插入損耗il02幾乎保持不變，插入損耗il03和插入損耗il04緩慢增加；右邊的圓錐體波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)（6）長(zhǎng)度l4取值在（350um~600um）時(shí)，隨著l4的增加，消光比er21先增加后減小，消光比er23緩慢減小，消光比er24緩慢增加，插入損耗il02幾乎保持不變，插入損耗il03緩慢減小，插入損耗il04緩慢增加。

本發(fā)明為模式轉(zhuǎn)換器，是應(yīng)用于光通信領(lǐng)域中光模式復(fù)用技術(shù)，它的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以是圓形的，也可以是矩形的。本模式轉(zhuǎn)換器可以在二氧化硅（silica）平面光波導(dǎo)電路技術(shù)上實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：基階模式（lp01）的光從最左邊的錐形波導(dǎo)芯（如圖1所示(2)處）注入，錐形波導(dǎo)芯會(huì)給不同的模式引入不同的傳播相位，通過調(diào)整錐形波導(dǎo)芯的長(zhǎng)度，從而使絕大部分光從lp01模轉(zhuǎn)換到所需要的lp0m模，但仍會(huì)有部分非期望的高階模式（特別是lp0m，k≠m）產(chǎn)生，所以需要通過雙錐波導(dǎo)芯組合結(jié)構(gòu)（4）來進(jìn)一步加強(qiáng)期望lp0m模式的轉(zhuǎn)換，抑制非期望模式的轉(zhuǎn)換。

下面以基階模式從（2）處注入為例，進(jìn)一步來說明上述模式轉(zhuǎn)換器。當(dāng)lp01模(基階模式)從（2）處注入到模式轉(zhuǎn)換器時(shí)，通過分別調(diào)整雙錐組合結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置l1、雙錐長(zhǎng)度l4和l5、半徑r4、折射率n3，lp0m(m=2，3，4等)模式的功率會(huì)隨著ab段長(zhǎng)度l1的變化而改變。只考慮長(zhǎng)度l1的變化，并且保持其他參數(shù)不變，可以看出l1長(zhǎng)度的變化對(duì)模式轉(zhuǎn)換效率的影響。例如，對(duì)一個(gè)lp01轉(zhuǎn)換到lp02的模式轉(zhuǎn)換器，l1的最佳長(zhǎng)度在495納米附近，r4的最佳長(zhǎng)度在2.06納米附近，l4的最佳長(zhǎng)度在1430納米附近，l5的最佳長(zhǎng)度在479納米附近。

圖3和圖4所示為在很寬波段上（1350-1700nm），lp01到lp02轉(zhuǎn)換的歸一化功率（轉(zhuǎn)換比率或者效率）以及消光比（ermk）?？梢钥闯觯齻€(gè)模式轉(zhuǎn)換器在整個(gè)1350-1700nm波段上的轉(zhuǎn)換效率都超過了90%，同時(shí)，模式轉(zhuǎn)換器輸出的lp0m模式與其他非期望的高階lp0k模式之間的消光比也幾乎都超過了15分貝。

在這里，只是展示了最開始的三個(gè)lp0m模。但是實(shí)際上，通過調(diào)整其各部分的尺寸規(guī)模，并改變雙錐組合結(jié)構(gòu)中雙錐的分布情況，同樣可以用來實(shí)現(xiàn)1350-1700nm波段上lp01模到其他高階lp0m（m>4）模式的轉(zhuǎn)換。