CN103023600A

CN103023600A - 一种多通道集成光波导模式复用-解复用器

Info

Publication number: CN103023600A
Application number: CN2012103946868A
Authority: CN
Inventors: 戴道锌
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-10-17
Also published as: CN103023600B

Abstract

本发明公开了一种多通道集成光波导模式复用-解复用器。包括：N+1条输入单模光波导N>0；其中：第0输入光波导末端依次连接有第一锥形光波导、第一多模光波导、第n锥形光波导、第n多模光波导、…、第N锥形光波导、第N多模光波导、输出多模光波导；第n输入波导，n=1，…，N，各输入光波导末端均依次连接有各自的一个S形弯曲光波导结构、耦合区光波导和另一个S形弯曲光波导结构；第n多模光波导的第n阶高阶模是横电模，或是横磁模，n=1、…、N。本发明将多路信号分别加载至同一条多模波导的N个本征模上，形成模式复用，实现大容量的数据传输。作为适用于双偏振模式复用系统的关键功能器件，具有设计方便、结构紧凑、便于扩展。

Description

一种多通道集成光波导模式复用-解复用器

技术领域

本发明涉及一种复用-解复用器，尤其是涉及用于模式复用系统的一种多通道集成光波导模式复用-解复用器。

背景技术

众所周知，长距离光通信已经取得巨大成功。同样地，光互连作为一种新的互联方式，可克服传统电互联存在的瓶颈问题，引起了广泛关注。自1984年J. W. Goodman提出在VLSI中采用光互连方案以来，光互连研究已取得了巨大进展。当前光互连不断向超短距离互联推进，其通信容量需求日益增长。针对光互连系统数据传输量大的特点，最直接的方法是借用长距离光纤通信系统中常用的波分复用（WDM）技术。

然而，波分复用系统需要多路激光器或可调谐激光器等价格昂贵的元件或模块，因而成本很高，很大程度上将限制它在光互联系统中的广泛应用。因此，亟需发展新的复用技术，从而降低波分复用系统的成本。模式复用技术在多模光纤通信中很早就被提出，但由于光纤模式控制（如转化、激发）技术的难题使之进展缓慢。我们注意到，在片上光互连系统中数据传输所采用的是平面光波导链路，因而具有非常好的偏振保持/控制能力。这为模式复用技术在光互连系统中的应用提供了一个极好的先决条件，其核心器件是模式（解）复用器。文献【Maxim Greenberg等，“Simultaneous dual mode add/drop multiplexers for optical interconnects buses，”Optics Communications 266 (2006) 527–531】设计了一种基于功率渐变（adiabatic power transfer）原理的双模插分复用器，同时上传/下载两个模式，但其设计复杂，不易于拓展，且仅工作于单个偏振。文献【S. Bagheri, and William M. J. Green “Silicon-on-insulator mode-selective add-drop unit for on-chip mode-division multiplexing,” 6th IEEE International Conference on Group IV Photonics, 2009 (GFP '09), Page(s): 166-168, 9-11 Sept. 2009】给出了一种基于多级模式耦合的双模插分复用器，但仅实现了基模和第一高阶模的复用，其结构复杂、设计不便、器件尺寸大、且不易于扩展至更多通道的模式复用。总之，目前模式（解）复用技术相关研究仍然很少，尤其用于片上光互连系统的集成光波导模式复用-解复用器更是鲜见，且已有少量报道的模式（解）复用器仅工作于单个偏振，通道少、扩展性差，难以满足大容量多通道的需求。因此，亟需发展一种适合于模式复用系统的多通道集成光波导模式复用-解复用器。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种多通道集成光波导模式复用-解复用器，从而实现将多路信号分别加载至同一条多模波导的N个本征模上，形成模式复用，实现大容量的数据传输。进一步的结合偏振复用技术，进一步地扩大容量。

本发明采用的技术方案是，它包括：

本发明的N+1条输入光波导是单模光波导，用于接收所述光，N>0；其中：

第0输入光波导末端依次连接有第一锥形光波导、第一多模光波导、第二锥形光波导、第二多模光波导、…、第n锥形光波导、第n多模光波导、…、第N锥形光波导、第N多模光波导、输出多模光波导；

第n输入波导，n=1，…，N，各输入光波导末端均依次连接有各自的一个S形弯曲光波导结构、耦合区光波导和另一个S形弯曲光波导结构；耦合区光波导与第n多模光波导相靠近以发生倏逝波耦合，耦合器光波导的长度满足如下条件：使耦合区光波导的基模完全耦合到第n多模光波导的第n阶高阶模；

第n多模光波导的第n阶高阶模是横电模，或是横磁模，n=1、…、N。

第一多模光波导、第二多模光波导、…、第N多模光波导的宽度依次增大，并各自支持至少2、3、…、N+1个本征模式；输出多模光波导宽度大于或等于第N多模光波导的宽度。

第一锥形光波导、第二锥形光波导、…、第N锥形光波导首尾两端的宽度分别等于与之相连的多模波导宽度，此N个锥形光波导的锥度均满足绝热条件，即光场经过锥形光波导之后不激发新的模式。

耦合区光波导和第n多模光波导的宽度的设计条件是，使耦合区光波导的基模与第n多模光波导的第n+1个高阶模满足位相匹配条件；耦合区光波导的长度选取规则是，使得耦合区光波导的基模完全耦合到第n多模光波导的第n阶高阶模。

第0输入光波导的输入端还连有一个具有两个输入端口并将横电基模和横磁基模合在一起的偏振合束器，偏振合束器的输出端与第0输入光波导的输入端相连接。

本发明具有的有益效果是：

本发明结构紧凑，实现了将多路信号分别加载至同一条多模波导的N个本征模上，形成模式复用，实现大容量的数据传输，且通过结合偏振复用技术，进一步地扩大容量，适用于模式复用系统，且具有设计方便、结构紧凑、便于扩展等突出优点。

附图说明

图 1是本发明的实施例示意图。

图 2是本发明的具有偏振合束器的实施例2示意图。

图中：10、第0输入光波导，11、第一输入光波导，12、第二输入光波导，13、第三输入光波导，…，1n、第n输入光波导，…，1N、第N输入光波导，21、第一锥形光波导，22、第二锥形光波导，…，2n、第n锥形光波导，…，2N、第N锥形光波导，31、第一多模光波导，32、第二多模光波导，…，3n、第n多模光波导，…，3N、第N多模光波导，41、第一前S型弯曲光波导，42、第二前S型弯曲光波导，…，4n、第n前S型弯曲光波导，…，4N、第N前S型弯曲光波导，61、第一后S型弯曲光波导，62、第二后S型弯曲光波导，…，6n、第n后S型弯曲光波导，…，6N、第N后S型弯曲光波导，51、第一耦合区光波导，52、第二耦合区光波导，…，5n、第n多模光波导，…，5N、第N耦合区光波导，7、输出多模光波导。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，N+1条输入光波导10、11、12、…、1n、…、1N是单模光波导，用于接收所述光，N>0；其中：

第0输入光波导10末端依次连接有第一锥形光波导21、第一多模光波导31、第二锥形光波导22、第二多模光波导32、…、第n锥形光波导2n、第n多模光波导3n、…、第N锥形光波导2N、第N多模光波导3N、输出多模光波导7；

第n输入波导1n，n=1，…，N，各输入光波导末端均依次连接有各自的一个S形弯曲光波导结构4n、耦合区光波导5n和另一个S形弯曲光波导结构6n；耦合区光波导5n与第n多模光波导3n相靠近以发生倏逝波耦合，耦合器光波导5n的长度满足如下条件：使耦合区光波导5n的基模完全耦合到第n多模光波导3n的第n阶高阶模；图1中：第一前S型弯曲光波导41，第二前S型弯曲光波导42，…，第n前S型弯曲光波导4n，…，第N前S型弯曲光波导4N，第一后S型弯曲光波导61，第二后S型弯曲光波导62，…，第n后S型弯曲光波导6n，…，第N后S型弯曲光波导6N。

第n多模光波导3n的第n阶高阶模是横电模，或是横磁模，n=1、…、N。

第一多模光波导31、第二多模光波导32、…、第N多模光波导3N的宽度依次增大，并各自支持至少2、3、…、N+1个本征模式；输出多模光波导7宽度大于或等于第N多模光波导3N的宽度。

第一锥形光波导21、第二锥形光波导22、…、第N锥形光波导2N首尾两端的宽度分别等于与之相连的多模波导宽度，此N个锥形光波导的锥度均满足绝热条件，即光场经过锥形光波导之后不激发新的模式。

第n耦合区光波导（5n）和第n多模光波导3n的宽度的设计条件是，使第n耦合区光波导5n的基模与第n多模光波导3n的第n+1个高阶模满足位相匹配条件：第n耦合区光波导5n的基模的有效折射率与第n多模光波导3n的第n+1个高阶模的有效折射率相等；第n耦合区光波导5n的长度选取规则是，使得耦合区光波导5n的基模完全耦合到第n多模光波导3n的第n阶高阶模，第n多模光波导3n的长度大于第n耦合区光波导5n的长度。

如图2所示，第0输入光波导10的输入端还连有一个具有两个输入端口8a、8b并将横电基模和横磁基模合在一起的偏振合束器9，偏振合束器9的输出端与第0输入光波导10的输入端相连接。

下面以本发明作为多通道集成光波导模式复用器时的工作过程：

N+1条输入光波导10、11、12、…、1n、…、1N是单模光波导，其基模各自加载有一路光信号，可以是横电基模，也可以是横磁基模。

第0输入波导10，所加载的第0路光信号依次经过其中第一锥形光波导21、第一多模光波导31、第二锥形光波导22、第二多模光波导32、…、第n锥形光波导2n、第n多模光波导3n、…、第N锥形光波导2N、第N多模光波导3N，最后输出的是加载到输出多模光波导7的基模的光信号。在此传输过程中，光信号始终加载在光波导的基模上，且保持偏振态不变。第一锥形光波导21、第二锥形光波导22、…、第n锥形光波导2n、…、第N锥形光波导2N等均为缓变结构，其锥度满足绝热条件。

第n输入波导1n，n=1，…，N，其基模所加载的第n路光信号进入到由所连接的一个S形弯曲光波导结构4n、耦合区光波导5n、另一个S形弯曲光波导结构6n、以及第n多模光波导3n组成的耦合结构。通过设计第n耦合区光波导5n和第n多模光波导3n的宽度和长度，该光信号以倏逝波耦合的方式从第n耦合区光波导5n耦合到第n多模光波导3n的第n个高阶模。然后依次经过与第n多模光波导3n相连的第n+1锥形光波导2 n+1、第n+1多模光波导3 n+1、…、第N锥形光波导2N、第N多模光波导3N，最后输出的是加载到输出多模光波导7的第n阶高阶模的光信号，且保持与第n输入波导1n所加载的第n路光信号偏振态相同，n=1，…，N。

为了能同时利用两个偏振态的基模，即横电（TE）基模、横磁（TM）基模，在第0输入波导10前端插入一个2×1偏振合束器9。将两路不同的光信号分别加载至偏振合束器的两个输入波导8a、8b的TE基模、TM基模。这两路光信号经过偏振合束器9之后，均耦合到第0输入波导10，并各自保持偏振态不变。随后，依次经过其中第一锥形光波导21、第一多模光波导31、第二锥形光波导22、第二多模光波导32、…、第n锥形光波导2n、第n多模光波导3n、…、第N锥形光波导2N、第N多模光波导3N，最后输出的是加载到输出多模光波导7的TE基模、TM基模的光信号，且具有输入光信号相同的偏振态。

下面给出一个用于模式复用系统的多通道集成光波导模式复用器具体实施例，反之可实现模式解复用器功能。

选用基于硅绝缘体（SOI）材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层、上包层材料均为SiO₂，厚度为2μm、折射率为1.4404。考虑中心波长为1550nm，通道数N+1=4。在此实施例中，考虑TM偏振模式复用。

选取四条输入光波导宽度均为400nm，保证单模传输。根据相位匹配原理，选取第一多模光波导31、第二多模光波导32、第三多模光波导33的宽度分别为：1.14μm、1.92μm、2.64μm；根据耦合模理论，第一耦合区光波导51、第二耦合区光波导52、第三耦合区光波导53的长度分别取为：15.0μm、21.0μm、26.0μm。第一多模光波导31、第二多模光波导32、第三多模光波导33的长度分别取为：45.0μm、51.0μm、56.0μm，S形弯曲波导参数为：横向偏移1μm、纵向偏移15μm；根据绝热条件，选取第一锥形光波导21、第二锥形光波导22、第三锥形光波导23的锥度为1/20弧度。

对于所设计的4×1模式复用器，根据光路可逆的原理，若将其反过来使用，则为1×4模式解复用器，可实现解复用的功能。将一个4×1模式复用器和一个1×4模式解复用器通过一段多模波导连接起来，构成了一个多通道传输链路。分别将光从1×4模式复用器的第0输入波导、第一输入波导、第二输入波导、第三输入波导输入，经过4×1模式复用器后，分别耦合到多模波导7的各阶本征模，实现了模式复用的功能；沿着多模波导7传输一段距离之后，经过1×4模式解复用器，多模波导7的各阶本征模又各自耦合到相应的输出波导的基模中，实现了模式解复用的功能。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种多通道集成光波导模式复用-解复用器，其特征在于包括：N+1条输入光波导（10、11、12、…、1n、…、1N）是单模光波导，用于接收所述光，N>0；其中：

第0输入光波导（10）末端依次连接有第一锥形光波导（21）、第一多模光波导（31）、第二锥形光波导（22）、第二多模光波导（32）、…、第n锥形光波导（2n）、第n多模光波导（3n）、…、第N锥形光波导（2N）、第N多模光波导（3N）、输出多模光波导（7）；

第n输入波导（1n），n=1，…，N，各输入光波导末端均依次连接有各自的一个S形弯曲光波导结构（4n）、耦合区光波导（5n）和另一个S形弯曲光波导结构（6n）；耦合区光波导（5n）与第n多模光波导（3n）相靠近以发生倏逝波耦合，耦合器光波导（5n）的长度满足如下条件：使耦合区光波导（5n）的基模完全耦合到第n多模光波导（3n）的第n阶高阶模；

第n多模光波导（3n）的第n阶高阶模是横电模，或是横磁模，n=1、…、N。

2.根据权利要求1所述的一种多通道集成光波导模式复用-解复用器，其特征在于：第一多模光波导（31）、第二多模光波导（32）、…、第N多模光波导（3N）的宽度依次增大，并各自支持至少2、3、…、N+1个本征模式；输出多模光波导（7）宽度大于或等于第N多模光波导（3N）的宽度。

3.根据权利要求1所述的一种多通道集成光波导模式复用-解复用器，其特征在于：第一锥形光波导（21）、第二锥形光波导（22）、…、第N锥形光波导（2N）首尾两端的宽度分别等于与之相连的多模波导宽度，此N个锥形光波导的锥度均满足绝热条件，即光场经过锥形光波导之后不激发新的模式。

4.根据权利要求1所述的一种多通道集成光波导模式复用-解复用器，其特征在于：耦合区光波导（5n）和第n多模光波导（3n）的宽度的设计条件是，使耦合区光波导（5n）的基模与第n多模光波导（3n）的第n+1个高阶模满足位相匹配条件；耦合区光波导（5n）的长度选取规则是，使得耦合区光波导（5n）的基模完全耦合到第n多模光波导（3n）的第n阶高阶模。

5.根据权利要求1所述的一种多通道集成光波导模式复用-解复用器，其特征在于：第0输入光波导（10）的输入端还连有一个具有两个输入端口（8a、8b）并将横电基模和横磁基模合在一起的偏振合束器（9），偏振合束器（9）的输出端与第0输入光波导（10）的输入端相连接。