CN112564804A - 一种全光纤在线模式转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤在线模式转换装置，包括光信号预处理单元、模式转换单元、信号整形单元和功率反馈单元；模式转换单元分别与光信号预处理单元、信号整形单元和功率反馈单元通信连接；输入光信号首先进入光信号预处理单元，经过滤波和固定功率操作之后传输至模式转换单元；光信号在模式转换单元内进行模式转换操作，并被分为两路光信号后传输；一路光信号传输至功率反馈单元，功率反馈单元在指定模式将光信号转变为基模光信号，测得基模光信号的功率并反馈给模式转换单元；另一路光信号传输至信号整形单元，经能量补偿和滤波后，作为模式转换信号输出；本发明克服了传统模式转换方案成本高、设计复杂、与大规模空间模式交换不匹配的问题。

Description

一种全光纤在线模式转换装置

技术领域

本发明涉及光通信领域，特别涉及一种全光纤在线模式转换装置。

背景技术

近年来，随着单模光纤传输***逐渐逼近香农极限，空分复用及其相关传输技术受到国内外科研团队的广泛研究，以期望利用其多种空间模式同时传输独立信息流的特点，实现光纤通信***传输容量方面的突破。同时，随着该方面研究的不断深入，科研人员提出了模式交换的概念，旨在提升光网络传输容量的同时，将空间信道类比于传统的时分、频分信道，实现空间模式信道在光网络中灵活与智能交换的目的。目前主要的模式转换技术包括：利用模式解复用器将高阶模信号从少模光纤中转变为基模信号，再利用模式复用器将基模信号转变为指定的高阶模信号；以及利用长周期光栅改变光纤中的有效折射率从而实现模式之间的转换等。前一种方法在实现时***组成较为复杂，成本高，不适合大规模的空间模式交换场景。同时该方法仅能够支持基模与高阶模之间的模式转换，而无法实现高阶模与高阶模之间的模式转换，不满足模式交换***需求。基于长周期光栅的模式转换方案中进行简并模之间的转换时，不同的运行环境(温度、偏振态和光纤弯曲程度等)会产生不同的转换效率；同时光栅类或者波导类转换方案存在附加光场耦合损耗的问题，损失了信号功率，因此不适于在线***应用。因此，在灵活光交换网络中，必须针对不同模式光之间的任意模式转换，提出一种更便捷且稳定的模式转换方案，在提高转换效率的同时，保证光网络的平稳运行。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种全光纤在线模式转换装置解决了传统模式转换方案成本高、设计复杂、与大规模空间模式交换不匹配的问题，满足了高阶模之间模式自由转换的同时；同时通过进行反馈控制，降低***工作环境对模式转换效率的影响，保证其在不同应用场景下的可靠性和稳定性。

为了达到上述发明目的，本发明用的技术方案为：

一种全光纤在线模式转换装置，包括：光信号预处理单元、模式转换单元、功率反馈单元和信号整形单元；模式转换单元分别与光信号预处理单元、信号整形单元和功率反馈单元连接；

光信号预处理单元，用于接收输入光信号，并对输入光信号进行指定波长范围的滤波，将功率为固定值的光信号传输模式转换单元；

模式转换单元，用于接收光信号预处理单元传输的光信号，根据功率反馈单元发送的反馈信号作出动态调整，对光信号进行模式转换，将光信号分成两路，分别传输至信号整形单元和功率反馈单元；

功率反馈单元，用于接收模式转换单元传输的光信号，并在指定模式下将光信号转变为基模光信号；将测得的基模光信号实时功率作为反馈信号发送给模式转换单元；

信号整形单元，用于接收模式转换单元传输的光信号，对光信号进行功率补偿和噪声滤波处理，最后输出模式转换信号。

本发明的有益效果为：本发明利用光纤膨胀器的不同径向膨胀距离对少模光纤的不同机械应力影响，同时引入功率反馈机制，实时调节光纤膨胀器的径向位移，始终保证模式转换处于高效且稳定的状态。与现有的芯片或光栅型模式转换装置相比，本发明直接在传输用少模光纤内实现全光纤型模式转换，减少了光场在不同工作介质之间传输引起的耦合损耗。该装置还实现了在降低成本的同时，增加工作的稳定性，保证了在不同应用场景下的在线模式转换稳定性，为未来大规模部署空间模式交换网络提供了可行的解决方案。

进一步地，光信号预处理单元包括指定波长的第一光滤波器和额定输出功率的第一少模光放大器；

第一光滤波器，用于接收外部输入的光信号并对光信号进行指定波长范围的滤波处理，将滤波过后的光信号传输至第一少模光放大器；

第一少模光放大器，用于将第一光滤波器传滤波后的光信号进行放大处理，并放大后具有固定功率的光信号输出至模式转换单元。

该进一步方案的有益效果为：光滤波器的使用可以在频率维度上产生更加纯净的信号光，增加模式转换过程的效率以及功率反馈单元的可靠性。滤波后的光信号通过额定输出功率的少模光放大器，使得该单元的光信号输出功率始终保持相同，保证了后续由功率反馈单元产生的反馈信号的参考价值。

进一步地，模式转换单元包括缠绕有少模光纤的光纤膨胀器、可调压电控制器、光隔离器和少模分光器；

光纤膨胀器的凹槽内缠绕指定长度的少模光纤，用于承载所述第一少模光放大器传输的光信号，根据所述功率反馈单元发送的反馈信号对光信号进行动态模式转换，并将光信号传输至所述光隔离器；

可调压电控制器用于根据功率反馈单元发送的反馈信号来动态地调整输出电压，通过电线改变附在光纤膨胀器凹槽内的少模光纤的径向膨胀距离；

光隔离器用于接收光纤膨胀器发送的光信号，隔离后向的反射光，并将光信号传输至少模分光器；

少模分光器用于将光隔离器传输的光信号分为两路光信号，分别注入功率反馈单元和信号整形单元。

该进一步方案的有益效果为：可调压电控制器根据功率反馈单元中光功率计的数值动态地调整输出电压，通过电线连接光纤膨胀器，并控制其径向膨胀距离，从而改变附在凹槽内少模光纤的模式转换效果，并以此保证模式之间进行高效且稳定的模式转换。经过模式转换的光信号通过光隔离器后可以防止反射光对模式耦合产生功率串扰，保证模式转换的高可靠性。

进一步地，功率反馈单元包括模式解复用器和光功率计；

模式解复用器用于接收少模分光器传输的一路光信号，并在指定模式下将输入的光信号转换为基模光信号，将转换的基模光信号通过单模光纤传输至光功率计；

光功率计，用于测量模式解复用器传输的基模光信号的实时功率，并将所测得数据作为反馈信息发送至可调压电控制器。

该进一步方案的有益效果为：由于不同的温度、信号偏振态和光纤的弯曲程度对光信号模场的空间分布有严重的影响，为了使模式转换装置在更加复杂，更加多样的场景下依旧保持良好的性能，引入了功率反馈单元对可调压电控制器的输出电压进行调节。将光功率计的数值作为反馈信息发送给模式转换单元的可调压电控制器，实现其输出电压的动态调整，使模式转换效率保持在高效、稳定的状态。由于在光信号整形单元中保证了输出光功率为固定值，因此观察光功率计数值的大小就可以分析出注入到模式解复用器的光信号模式与模式解复用器指定的模式(即光信号需要被转换成为的模式)之间的匹配程度，进而由此调控压电控制器的输出电压。

进一步地，信号整形单元包括通过少模尾纤互相连接的第二少模光放大器和指定波长的第二光滤波器；

第二少模光放大器用于接收少模分光器传输的另一路光信号，对光信号进行功率补偿处理，将进行补偿过后的光信号至传输至第二光滤波器；

第二光滤波器用于对第二少模光放大器传输的补偿过后的光信号进行噪声滤波处理，最后输出模式转换信号。

该进一步方案的有益效果为：由少模分光器分光后的光信号输入少模光放大器，该放大器可对光信号模式转换、隔离和分路等过程中产生的能量损伤进行补偿。补偿后的信号进入指定波长的光滤波器，滤除上述过程中产生的多余频率分量，保证输出光信号的频谱纯净度，以适应在线通信需求。

进一步地，第一光滤波器、第一少模光放大器、光隔离器、少模分光器、模式解复用器、第二少模光放大器和第二光滤波器的输入端和输出端均通过有相同参数的少模光纤连接。

该进一步方案的有益效果为：采用相同参数的少模光纤来传输光信号，以维持输入光信号的模场分部形态，从而保证模式转换装置的稳定性。

附图说明

图1为本发明的全光纤在线模式转换装置结构示意图；

图2为本发明中光纤膨胀器径向膨胀距离与功率计数值关系曲线示意图；

图3为本发明中模式转换前后光信号模场分布结果对比示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种全光纤在线模式转换装置，包括：光信号预处理单元、模式转换单元、功率反馈单元和信号整形单元；模式转换单元分别与光信号预处理单元、信号整形单元和功率反馈单元连接；

光信号预处理单元，用于接收输入光信号，并对输入光信号进行指定波长范围的滤波，滤除掉其他波长光所产生的干扰，随后使输出的光信号功率为固定值；将处理完成的输入光信号输出到所述模式转换单元；

模式转换单元，用于接收光信号预处理单元传输的光信号，根据功率反馈单元发送的反馈信号作出动态调整，对光信号进行模式转换，将光信号分成两路，分别传输至信号整形单元和功率反馈单元；

功率反馈单元，用于接收模式转换单元传输的光信号，并在指定模式下将光信号转变为基模光信号；将测得的基模光信号实时功率作为反馈信号发送给模式转换单元；

信号整形单元，用于接收模式转换单元传输的光信号，对光信号进行功率补偿和噪声滤波处理，使光信号转换成具有稳定光功率和模场分布的指定信号模式，最后输出模式转换信号。

光信号预处理单元通过少模光纤接收输入光信号，通过对输入信号进行指定波长范围的滤波，滤除掉其他波长光所产生的干扰，通过少模光纤将光信号发送给第一少模光放大器，并通过指定输出功率的第一少模光放大器，使该单元的输出光信号功率为固定值。之后将经过预处理的输入光信号注入到模式转换单元，通过功率反馈和可调压电控制器调节输出电压，从而控制光纤膨胀器完成光信号模式之间的平稳转换。经过模式转换单元的光信号同时进入功率反馈单元和信号整形单元。其中，功率反馈单元利用模式解复用器在指定模式下将模式转换后的光信号转变为基模光信号，模式转换单元以该基模光信号的实时功率作为反馈信号，动态地调整可调压电控制器的输出电压，实现少模光纤中光信号的平稳模式转换。此外，进入到信号整形单元的光信号，在经过功率、频率等维度的补偿和整形后，在输出端得到经过模式转换后具有稳定光功率和模场分布的指定模式信号。

本发明实施例中，光信号预处理单元包括指定波长的第一光滤波器和额定输出功率的第一少模光放大器；

第一光滤波器，用于接收外部输入的光信号并对光信号进行指定波长范围的滤波处理，将滤波过后的光信号传输至第一少模光放大器；光滤波器的使用可以在频率维度上产生更加纯净的信号光，增加模式转换过程的效率以及功率反馈单元的可靠性。

第一少模光放大器，用于将第一光滤波器传滤波后的光信号进行放大处理，并将放大后具有固定功率的光信号输出至模式转换单元。滤波后的光信号通过额定输出功率的少模光放大器，使得该单元的光信号输出功率始终保持相同，保证了后续由功率反馈单元产生的反馈信号的参考价值。

外部输入的光信号先经过第一光滤波器进行指定波长范围的滤波处理，在频率维度上产生更加纯净的信号光，增加模式转换过程的效率以及功率反馈单元的可靠性，随后滤波后的光信号通过额定输出功率的少模光放大器，使得该单元的光信号输出功率始终保持相同为固定值，保证了后续由功率反馈单元产生的反馈信号的参考价值，最后第一少模光放大器通过少模光纤将光信号传输至模式转换单元。

本发明实施例中，模式转换单元包括缠绕有少模光纤的光纤膨胀器、可调压电控制器、光隔离器和50:50的少模分光器；

光纤膨胀器的凹槽内缠绕指定长度的少模光纤，用于承载第一少模光放大器传输的经过滤波和放大处理的光信号，并将光信号传输至光隔离器；

可调压电控制器用于根据功率反馈单元发送的反馈信号来动态地调整输出电压，通过电线改变附在光纤膨胀器凹槽内的少模光纤的径向膨胀距离；可调压电控制器根据功率反馈单元中光功率计的数值动态地调整输出电压，通过电线连接光纤膨胀器，并控制其径向膨胀距离，从而改变附在凹槽内少模光纤的模式转换效果，并以此保证模式之间进行高效且稳定的模式转换。

光隔离器用于接收光纤膨胀器发送的光信号，隔离后向的反射光，并将光信号传输至少模分光器；光隔离器的输入端连接在光纤膨胀器内少模光纤的输出端，其少模尾纤参数与光纤膨胀器内少模光纤相同。经过模式转换的光信号通过光隔离器后可以防止反射光对模式耦合产生功率串扰，保证模式转换的高可靠性。

少模分光器用于将光隔离器传输的光信号分为两路光信号，通过相同参数的少模尾纤将两路光信号分别注入功率反馈单元和信号整形单元。

滤波后的光信号由少模光纤承载并注入到模式转换单元，由于承载着上述光信号的一定长度的少模裸纤缠绕在光纤膨胀器周围的凹槽内，因此光纤膨胀器在径向产生的不同位移会对少模光纤产生不同的机械应力，从而产生不同的模式转换效果，可调压电控制器根据功率反馈单元中光功率计的数值动态地调整输出电压，通过电线连接光纤膨胀器，并控制其径向膨胀距离，从而改变附在凹槽内少模光纤的模式转换效果，并以此保证模式之间进行高效且稳定的模式转换。光隔离器的输入端连接在光纤膨胀器内少模光纤的输出端，其少模尾纤参数与光纤膨胀器内少模光纤相同。经过模式转换的光信号通过光隔离器后可以防止反射光对模式耦合产生功率串扰，保证模式转换的高可靠性。光隔离器的输出光信号通过少模光纤注入少模分光器后，所产生的两路光信号通过相同参数的少模尾纤分别注入功率反馈单元和信号整形单元。

本发明实施例中，功率反馈单元包括模式解复用器和光功率计；

由于不同的温度、信号偏振态和光纤的弯曲程度对光信号模场的空间分布有严重的影响。因此，为了使模式转换装置在更加复杂，更加多样的场景下依旧保持良好的性能，引入了功率反馈单元对可调压电控制器的输出电压进行调节。

模式解复用器用于接收少模分光器传输的一路光信号，并在指定模式下将输入的光信号转换为基模光信号，将转换的基模光信号通过单模光纤传输至光功率计；模式解复用器的输入端通过少模尾纤与模式转换单元中分光器的输出端之一相连接，将分光器分出的信号注入模式解复用器中；模式解复用器在指定模式下将输入光信号转换为基模光信号，并用光功率计来测量该基模光信号。

光功率计，用于测量模式解复用器传输的基模光信号的实时功率，并将所测得数据作为反馈信息发送至可调压电控制器；当模式转换单元转换后的光信号模式与模式解复用器指定的模式(即需要模式转换成为的模式)不匹配时，光功率计的数值会低于判决阈值，而当二者匹配程度增加时光功率会接近判决阈值。因此根据上述规律，可将光功率计的数值作为反馈信息发送给模式转换单元的可调压电控制器，实现其输出电压的动态调整，使模式转换效率保持在高效、稳定的状态。

通过模式转换单元的光信号，一条支路注入到模式解复用器中。接着由模式解复用器将上述光信号在指定模式下转换到基模，并由光功率计测量基模信号的光功率。由于在光信号整形单元中保证了输出光功率为固定值，因此观察光功率计数值的大小就可以分析出注入到模式解复用器的光信号模式与模式解复用器指定的模式(即光信号需要被转换成为的模式)之间的匹配程度，进而由此调控压电控制器的输出电压。通过测试发现，光纤膨胀器的径向位移与功率反馈单元的光功率计之间大致呈现如图2所示的关系，证明了该装置实现模转换的可行性。

本发明实施例中，信号整形单元包括通过少模尾纤互相连接的第二少模光放大器和指定波长的第二光滤波器；且上述器件之间通过与前述少模光纤参数相同的少模尾纤互联。

第二少模光放大器用于接收少模分光器传输的另一路光信号，对光信号在模式转换、隔离等过程产生的损耗进行功率补偿，将进行补偿过后的光信号至传输至第二光滤波器；

第二光滤波器用于对第二少模光放大器传输的补偿过后的光信号进行噪声滤波处理，最后输出模式转换信号。功率补偿后的光信号再次进入指定波长的光滤波器，过滤掉模式转换单元和信号整形单元运行过程中产生的其他波长的噪声，保证输出光信号频谱的纯净度，以适应在线通信需求。

经过模式转换单元的光信号，除进入功率反馈单元的一路光信号之外，另一路输出光信号按照先后顺序依次进入第二少模光放大器和第二光滤波器，分别对经过模式转换、分路和后向隔离等操作的光信号进行功率补偿和频谱滤波，使得输出信号光满足继续通信的质量要求。图3所示为红外相机观察到的，模式转换前后信号整形单元输出光信号的模场分布图，图中模式转换后的模场分布与模式转换前的模场分布正交，说明本发明所提装置具有良好的模式转换效果。

本发明实施例中，第一光滤波器、第一少模光放大器、光隔离器、少模分光器、模式解复用器、第二少模光放大器和第二光滤波器的输入端和输出端均通过相同参数的少模光纤连接。采用相同参数的少模光纤来传输光信号，以维持输入光信号的模场分部形态，从而保证模式转换装置的稳定性。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种全光纤在线模式转换装置，其特征在于，包括：光信号预处理单元、模式转换单元、功率反馈单元和信号整形单元；所述模式转换单元分别与所述光信号预处理单元、所述信号整形单元和所述功率反馈单元连接；

所述光信号预处理单元，用于接收输入光信号，并对输入光信号进行指定波长范围的滤波，将固定功率的光信号传输至所述模式转换单元；

所述模式转换单元，用于接收所述光信号预处理单元传输的光信号，根据所述功率反馈单元发送的反馈信号作出动态调整，对光信号进行模式转换，将光信号分成两路，分别传输至所述信号整形单元和所述功率反馈单元；

所述功率反馈单元，用于接收所述模式转换单元传输的光信号，并在指定模式下将光信号转变为基模光信号；将测得的基模光信号实时功率作为反馈信号发送给所述模式转换单元；

所述信号整形单元，用于接收所述模式转换单元传输的光信号，对光信号进行功率补偿和噪声滤波处理，最后输出模式转换信号。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤在线模式转换装置，其特征在于，所述光信号预处理单元包括第一光滤波器和额定输出功率的第一少模光放大器；

所述第一光滤波器，用于接收外部输入的光信号并对光信号进行指定波长范围的滤波处理，将滤波过后的光信号传输至所述第一少模光放大器；

所述第一少模光放大器，用于将所述第一光滤波器传滤波后的光信号进行放大处理，并将放大后具有固定功率的光信号输出至所述模式转换单元。

3.根据权利要求2所述的一种全光纤在线模式转换装置，其特征在于，所述模式转换单元包括光纤膨胀器、可调压电控制器、光隔离器和少模分光器；

所述光纤膨胀器的凹槽内缠绕指定长度的少模光纤，用于承载所述第一少模光放大器传输的光信号，根据所述功率反馈单元发送的反馈信号对光信号进行动态模式转换，并将光信号传输至所述光隔离器；

所述可调压电控制器用于根据所述功率反馈单元发送的反馈信号来动态地调整输出电压，改变附在所述光纤膨胀器凹槽内的少模光纤的径向膨胀距离；

所述光隔离器用于接收所述光纤膨胀器发送的光信号，隔离后向的反射光，并将光信号传输至所述少模分光器；

所述少模分光器用于将所述光隔离器传输的光信号分为两路光信号，分别注入所述功率反馈单元和所述信号整形单元。

4.根据权利要求3所述的一种全光纤在线模式转换装置，其特征在于，所述功率反馈单元包括模式解复用器和光功率计；

所述模式解复用器用于接收所述少模分光器传输的一路光信号，并在指定模式下将输入的光信号转换为基模光信号，将转换的基模光信号通过单模光纤传输至所述光功率计；

所述光功率计，用于测量所述模式解复用器传输的基模光信号的实时功率，并将所测得数据作为反馈信息发送至所述可调压电控制器；。

5.根据权利要求4所述的一种全光纤在线模式转换装置，其特征在于，所述信号整形单元包括通过少模尾纤互相连接的第二少模光放大器和第二光滤波器；

所述第二少模光放大器用于接收所述少模分光器传输的另一路光信号，对光信号进行功率补偿处理，将进行补偿过后的光信号至传输至所述第二光滤波器；

所述第二光滤波器用于对所述第二少模光放大器传输的补偿过后的光信号进行噪声滤波处理，最后输出模式转换信号。

6.根据权利要求5所述的一种全光纤在线模式转换装置，其特征在于，所述第一光滤波器、所述第一少模光放大器、所述光隔离器、所述少模分光器、所述模式解复用器、所述第二少模光放大器和所述第二光滤波器的输入端和输出端均通过相同参数的少模光纤连接。

Images