基于多平面光转换的拉盖尔高斯模解复用混频器设计及仿真分析

为满足日益增长的通信容量需求,空分复用技术得到了快速发展,其中基于多平面光转换的模式复用及解复用混频器由于兼容模式多、插入损耗小等优点而成为了研究热点。为了简化相干通信接收端,本文提出了基于多平面光转换的拉盖尔高斯模解复用混频器,同时实现了模解复用和90°混频功能。本文首先提出拉盖尔高斯模解复用混频器的设计原理及参数定义,并采用基于角谱计算的波前匹配算法建立模解复用混频器模型。然后,基于模型仿真研究了正弦拉盖尔高斯模解复用混频器,仿真结果表明,所设计的混频器的插入损耗为-0.7020dB,信号光与本振光的耦合系数大于0.89,端口相位差小于10.1°。之后,进一步分析了相位板数量及像素尺寸、工作波长等对输出性能的影响,结果发现:在不考虑相位板反射等外部损耗时,随着相位板数量增加(≥8),插入损耗和模式相关损耗逐渐减小并趋于平稳;工作波长在1500~1600nm范围时,耦合系数、端口均一性、插入损耗和模式相关损耗变化较小;像素尺寸在3.2~19.2μm范围时,端口均一性和模式相关损耗变化较为平稳,耦合系数和插入损耗随着像素增大而恶化。最后,考虑到轨道角动量光束在空间光通信领域的广泛应用,在上述基础上进一步设计了轨道角动量光束的模解复用混频器,其性能满足应用要求。本研究结果表明:所提出的基于多平面光转换的拉盖尔高斯模及轨道角动量光束的模解解复用混频器可以同时实现模解复用和90°混频功能,性能较好,且具有较好的波长特性。本方案及仿真分析结果为空分复用技术中关键器件的设计提供了技术参考。