一種基于空間頻譜濾波的模式轉(zhuǎn)換中頻譜模場半徑匹配方法
【專利摘要】模式轉(zhuǎn)換是模分復用光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，目前任意模式間的轉(zhuǎn)換方法尚處于研究中。本發(fā)明提出一種實現(xiàn)任意模式轉(zhuǎn)換的方法。本方法首先從空間域、空間頻率域和變換平面空間域分析了待轉(zhuǎn)換模式和目標模式的模場分布特征，進而從理論上建立了基于空間頻譜濾波的任意模式間轉(zhuǎn)換的傳遞函數(shù)模型，最終利用相位型空間光調(diào)制器構(gòu)建了模式轉(zhuǎn)換光學系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，通過變換平面空間域的模場束腰半徑自適應(yīng)不同模式模場半徑，得到變換平面空間域模場分布匹配原理，提出了變換平面空間域的模場束腰半徑與不同模式的模場分布間的匹配條件及待轉(zhuǎn)換模式和目標模式的模場半徑匹配解析方法。
【專利說明】一種基于空間頻譜濾波的模式轉(zhuǎn)換中頻譜模場半徑匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空分復用光纖通信系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體的說，涉及一種適用于模分復用光纖通信系統(tǒng)的任意模式轉(zhuǎn)換方法。
【背景技術(shù)】
[0002]模分復用技術(shù)，作為一種空分復用技術(shù)，是基于模式之間的正交性，將不同的模式作為獨立的信道承載不同的信息，并復用在同一根光纖中傳輸?shù)募夹g(shù)。從傳輸容量的角度來講，模分復用技術(shù)與WDM技術(shù)一樣，是在單根光纖中存在M個并行信道，將傳輸?shù)娜萘繑U展M倍，極大提高頻譜利用率，有可能滿足未來網(wǎng)絡(luò)容量的需求。因此通過增加了空間這一新的物理維度，模分復用技術(shù)成為大幅增加光通信容量的最有前景的方法之一，被認為是光纖通信領(lǐng)域中的第二次革命，是目前國際上光通信領(lǐng)域的前沿研究熱點。
[0003]模式轉(zhuǎn)換將廣泛應(yīng)用于模分復用光纖通信系統(tǒng)，如模式復用前基模到高階模的轉(zhuǎn)換、解復用后高階模到基模的轉(zhuǎn)換及模分復用光網(wǎng)絡(luò)核心交換節(jié)點等。在模分復用的光網(wǎng)絡(luò)中，不同的模式作為獨立信道承載不同的信息，因此，在光網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點進行路由交換時，需要進行不同模式間的數(shù)據(jù)交換，任意模式之間轉(zhuǎn)換的方法必不可少。
[0004]目前模式轉(zhuǎn)換主要有空間光路型和光纖波導型兩種實現(xiàn)方式，但主要集中在從基模到高階模和從高階模到基模的模式轉(zhuǎn)換方法，而任意模式間的轉(zhuǎn)換方法尚處在研究中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對模分復用光纖通信系統(tǒng)，基于空間頻譜濾波的原理，提出一種支持任意模式轉(zhuǎn)換的方法。本發(fā)明利用相位型空間光調(diào)制器構(gòu)建了模式轉(zhuǎn)換光學系統(tǒng)，基于空間頻譜濾波的原理分析了兩個模式間能轉(zhuǎn)換的條件，從理論上建立了基于空間頻譜濾波的任意模式間轉(zhuǎn)換的傳遞函數(shù)模型，提出了變換平面空間域的模場束腰半徑與不同模式的模場分布間的匹配條件，得到了 一種任意模式轉(zhuǎn)換方法。
[0006]本發(fā)明通過理論上分析模式傳遞函數(shù)，在4f系統(tǒng)中精心設(shè)計空間光調(diào)制器的傳遞函數(shù)以及兩個透鏡的焦距關(guān)系，實現(xiàn)輸入為任意模式情況下的模式轉(zhuǎn)換。
[0007]本發(fā)明在實現(xiàn)過程中，具體包括:
[0008]根據(jù)本發(fā)明，關(guān)鍵是求解輸入為任意模式情況下的模式轉(zhuǎn)換傳遞函數(shù)。本方法首先從空間域、空間頻率域和變換平面空間域分析了待轉(zhuǎn)換模式和目標模式的模場分布特征，進而通過變換平面空間域的模場束腰半徑自適應(yīng)不同模式模場半徑，從而得到變換平面空間域模場分布匹配原理，提出了變換平面空間域的模場束腰半徑與不同模式的模場分布間的匹配條件及待轉(zhuǎn)換模式和目標模式的模場半徑匹配解析方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]通過下面結(jié)合附圖進行的對實施例的描述，本發(fā)明的上述和/或其他目的和優(yōu)點將會變得更加清楚，其中:
[0010]圖1示出空間頻譜濾波系統(tǒng)框圖；
[0011]圖2示出基于空間濾波的模式轉(zhuǎn)換三個域關(guān)系；
[0012]圖3示出4f系統(tǒng)的傅里葉變換分析圖；
[0013]圖4示出(a)待轉(zhuǎn)換模式與目標模式頻譜帶寬匹配間關(guān)系原理(b)轉(zhuǎn)換結(jié)果影響實例；
[0014]圖5示出模場頻譜帶寬匹配后的轉(zhuǎn)換結(jié)果圖；
[0015]圖6示出基模轉(zhuǎn)換為高階模歸一化相關(guān)系數(shù)；
[0016]圖7示出高階模轉(zhuǎn)換為基模歸一化相關(guān)系數(shù)；
[0017]圖8示出任意模式轉(zhuǎn)換歸一化相關(guān)系數(shù)。
【具體實施方式】
[0018]通過參照下面對示例性的非限定性的實施例和附圖的詳細描述，本發(fā)明的優(yōu)點和特征以及實現(xiàn)本發(fā)明的方法可更易于理解。然而，本發(fā)明可以以多種不同的形式來實施，而不應(yīng)被解釋為受限于在此闡釋的實施例。此外，提供這些實施例從而該公開將是徹底的和完全的，并將完整地將本發(fā)明的構(gòu)思傳達給本領(lǐng)域技術(shù)人員，本發(fā)明將僅由所附權(quán)利要求定義。在說明書中，相同的標號始終指示相同的部件。
[0019]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細描述。
[0020]圖1示意性示出了空間頻譜濾波系統(tǒng)框圖。本發(fā)明基于空間頻譜濾波的方法，設(shè)計模式轉(zhuǎn)換空間濾波器，實現(xiàn)待轉(zhuǎn)換模式到目標模式的轉(zhuǎn)換?？臻g頻譜濾波系統(tǒng)將待轉(zhuǎn)換模式Ui輸入，經(jīng)過焦距為Cl1的透鏡實現(xiàn)第一次傅立葉變換，得到其空間頻譜Ui:
[0021]Ui (fx, fy) = F[Ui(x, y)], (I)
[0022]設(shè)空間濾波器的傳遞函數(shù)為H(fx，fy) ,Ui經(jīng)過空間濾波器后，能夠改變待轉(zhuǎn)換模式的頻譜，得到新的頻譜U。:
[0023]U0 (fx, fy) = U1 (fx, fy) H (fx, fy)，(2)
[0024]U。通過焦距為d2的透鏡做第二次傅立葉變換后得到系統(tǒng)的輸出，即目標模式的頻譜U。:
[0025]U0 (X，y) = F [U。(fx, fy) ]，(3)
[0026]圖2示意性給出了基于空間濾波的模式轉(zhuǎn)換三個域關(guān)系，本發(fā)明分別從空間域、空間頻率域和變換平面空間域三個域進行模式轉(zhuǎn)換空間的濾波分析。
[0027]已知在空間域中的待轉(zhuǎn)換模式為Ui (X，y)，空間濾波器的脈沖響應(yīng)為h (X，y)。經(jīng)過線性系統(tǒng)空間濾波，輸出的目標模式U。(x，y)為待轉(zhuǎn)換模式Ui(x，y)和脈沖響應(yīng)h(x，y)的卷積。
[0028]U0 (X，y) = Ui (x, y) *h (x, y)，(4)
[0029]空間頻率域是由空間域做傅立葉變換得到的。因此從空間頻率域分析，目標模式的頻譜Utj(Gfy)為4和11(1，7)頻譜的乘積，如式(2)。空間頻率域經(jīng)過坐標變換得到變換平面空間域。因此從變換平面空間域分析，可知待轉(zhuǎn)換模式和目標模式同樣滿足乘積關(guān)系O
[0030]uf0 (xf, yf) = Ufi (xf, yf).hf (xf, yf)，(5)[0031]由此可知，變換平面線坐標(Xf，yf)和空間頻率域坐標(fx，fy)的關(guān)系。
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種基于空間頻譜濾波的模式轉(zhuǎn)換中頻譜模場半徑匹配方法，其特征在于包括以下內(nèi)容: 模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的頻譜模場半徑匹配方法以及兩個透鏡的焦距設(shè)置； 模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的模式傳遞函數(shù)的理論推導和空間光調(diào)制器設(shè)置； 模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的仿真結(jié)果和結(jié)論。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間頻譜濾波的模式轉(zhuǎn)換中頻譜模場半徑匹配方法，其特征在于頻譜模場半徑匹配方法以及兩個透鏡的焦距設(shè)置；本方法首先從空間域、空間頻率域和變換平面空間域分析了待轉(zhuǎn)換模式和目標模式的模場分布特征；待轉(zhuǎn)換模式LPrq在空間域和變換平面空間域的模場分布分別為式(I)和式(2):

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間頻譜濾波的模式轉(zhuǎn)換中頻譜模場半徑匹配方法，其特征在于模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的模式傳遞函數(shù)的理論推導和空間光調(diào)制器設(shè)置；在變換平面空間域上，根據(jù)待轉(zhuǎn)換模式和目標模式的信息，可求得空間光調(diào)制器的透過率函數(shù)hf，即為模式轉(zhuǎn)換傳遞函數(shù)，用極坐標表示為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間頻譜濾波的模式轉(zhuǎn)換中頻譜模場半徑匹配方法，其特征在于模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的仿真結(jié)果和結(jié)論，具體包括: 模場頻譜帶寬匹配后的轉(zhuǎn)換結(jié)果； 基模轉(zhuǎn)換為高階模歸一化相關(guān)系數(shù)、高階模轉(zhuǎn)換為基模歸一化相關(guān)系數(shù)和任意模式轉(zhuǎn)換歸一化相關(guān)系數(shù)。
【文檔編號】H04J14/04GK103812598SQ201410072440
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】蘭名滎, 喻松, 高立, 聶松, 蔡善勇, 馬晨星, 齊曉莉, 杜智超, 顧畹儀 申請人:北京郵電大學