CN103235360B

CN103235360B - 模式空间分离的新型光通讯波导

Info

Publication number: CN103235360B
Application number: CN201310026924.4A
Authority: CN
Inventors: 彭茹雯; 胡青; 王牧
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: CN103235360A

Abstract

本发明公开了一种模式空间分离的新型光通讯波导，具有1550纳米、1310纳米和850纳米三个低损耗传输窗口，包括芯层、包层，所述芯层为空气层，其特征在于所述包层由折射率、厚度按Thue-Morse迭代规则变化的介质多层膜构成。进一步地所述介质分别为硅和石英，硅和石英的厚度分别为70±4纳米和100±5纳米，硅和石英的排列顺序为Thue-Morse序列第3代重复8次，波导外直径为28.2±1.4微米。通过解析分析和数值计算发现，在这种波导中，光子带隙发生分裂，传播模式被光子带隙分隔开，使光信号在传输频段上可选。波导同时支持芯层模式与包层模式的传输，并且工作波段不同、模式不同的光波传播时在空间上分离。

Description

模式空间分离的新型光通讯波导

技术领域

本发明涉及光通讯和光波导设计领域，具体地说是涉及模式空间分离的新型光通讯波导。

背景技术

二十世纪后期发展起来的光通讯技术将人类社会推进到信息时代。在光通讯系统中，光波导对传输信号起着限制、传输、耦合、调控等作用，是最基本的构成单元之一。近年来提出的用光子作为信息载体，实现全光网络的远景目标,需要研制小型化、集成化的高效率低损耗光波导。

传统的介质光波导靠全反射机制来传导光波，要求光波导的纤芯折射率大于薄层折射率，传统多模波导芯层直径通常大于10微米，单模波导芯层直径约为7.5-9.5微米，由于波导外层需要包覆多个保护层和缓冲层，波导直径一般在100微米以上。这类光波导在光通信中起到了重要作用，但在小型化和集成化时却遇到了瓶颈，因此，设计新型光学波导仍然是一项重要的科技任务。

近年来，国内外在新型光波导的设计上开展了深入的研究，其中最大的成就是将光子晶体结构引入到光波导中来，设计出光子晶体波导，在波导中实现了光传播的导带和禁带，并且把光波导的尺寸缩小到微米量级。自1992年Russell等人提出并随后在实验上制出光子晶体光纤至今，光子晶体光纤已被人们发展运用于多个运用领域（P.St.J.Russell,J.C.Knight,T.A.Birks,B.J.Mangan and W.J.Wadsworth“Recent progress inphotonic crystal fibers”,Optical Fiber Communication Conference ThG1-1(2000)）。例如，光子带隙光纤（PBG-PCF）的导光机制可以实现光在空气芯中传播，避免了石英等芯层材料对光波的影响，能传输高能量的超短脉冲，可以应用于小型光子器件设计，微加工，生物医疗等领域；全内反射光纤（TIR-PCF）具有“不截止单模”的特点，实验证实在337nm-1550nm波段内只有单模传输（T.A.Birks,J.C.Knight,P.St.J.Russell,“Endlesslysingle-mode photonic crystal fiber”,Opt.Lett.22,961(1997)），并且传输模式面积较大（J.C.Knight,T.A.Birks,R.F.Cregan,P.St.J.Russell and J.P.de Sandro,“Large mode areaphotonic crystal fiber”,Electronics Letters.34,1347(1998)），在光纤激光器、光纤放大器等领域有着重要作用。

然而，目前的各种光波导中，光波仅在芯层中传输，包层只起到阻止光波能量泄露的作用，从利用率的角度上并不高效。对于多模波导，传输模式在空间上混合，给模式分离带来困难，不利于光波导与其他器件的集成。以上固有缺陷难以满足光子器件小型化、集成化的需求，因此，设计一种既具有光子晶体光纤的优良性能，又能在空间上分离模式的低损耗小型化光通讯波导颇有应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现模式空间分离传输的低损耗通讯光波导结构方案，结构简单高效，能用现有加工工艺实现。

本发明的技术方案是：

一种模式空间分离的新型光通讯波导，具有1550纳米、1310纳米和850纳米三个低损耗传输窗口，包括芯层、包层，所述芯层为空气层，其特征在于所述包层由折射率、厚度按Thue-Morse迭代规则变化的介质多层膜构成。

进一步地，所述介质分别为硅和石英，硅和石英的厚度分别为70±4纳米和100±5纳米，硅和石英的排列顺序为Thue-Morse序列第3代重复8次，波导外直径为28.2±1.4微米。

本发明的工作原理如下：

光子晶体波导的包层由折射率不同的材料按一定周期排列而成，周期结构能产生光子能带，对传播的光波具有调制作用，表现为频率在光子禁带中的光波不能通过包层，成为局域在芯层中的传播模；频率在光子导带中的光波能通过包层到达波导外部，成为泄露模。通过对包层周期结构的设计可以实现对传播模式和传播频率的调控。光子晶体波导对光波能量有很好的局域性，但是所有模式的能量均被局域在芯层，即传播模式在空间上不分离。

与周期结构不同，非周期自相似结构具有局部和整体相似，下一代与上一代相似的特点。Thue-Morse序列是自相似（准周期）序列中的一种，这种序列中包含两个结构单元A与B，通过迭代规则生成每一代。迭代规则为：从第一代开始，把每一代中用AB替换A，用BA替换B，以此类推。Thue-Morse序列中前几代分别为：S1={A}，S2={AB}，S3={ABBA}，S4={ABBABAAB}，S5={ABBABAABBAABABBA}，S6={ABBABAABBAABABBABAABABBAABBABAAB}……从以上迭代序列可看出，Thue-Morse序列中奇数带（除了第一代外）对称，偶数带反对称。有研究指出，按Thue-Morse序列排列成的1维光子晶体具有多个分裂的光子能带，且能带数目随着自相似迭代数目的增加而增加，能带数目具有规律性，满足数学关系（F.Qiu,R.W.Peng,X.Q.Huang,X.F.Hu,Mu Wang,A.Hu,S.S.Jiang and D.Feng,“Omnidirectional reflection ofelectromagnetic waves on Thue-Morse dielectric multilayers”,Europhys.Lett.68,658-663(2004)）。我们创新的把自相似Thue-Morse结构引入到波导中来，构造了包层材料按Thue-Morse序列排列的自相似全介质波导。文献（Q.Hu,J.Zhao,R.Peng,F.Gao,R.Zhang,and M.Wang,“’Rainbow’trapped in a self-similar coaxial optical waveguide”,Appl.Phys Lett.96,161101(2010)）对该波导的工作原理和传播特性进行了详尽的理论分析和理论验证。该文献中图1(b)给出了波导包层折射率随半径的分布（其中(b)为Thue-Morse第6代），由图看出，折射率分布具有非周期性，并呈现出沿径向的自相似性。这种自相似性体现在两方面：一方面，同一代中，局部分布与整体分布相似；另一方面，相邻代中的分布相似。自相似结构的引入，使波导的光子能带分裂成多个（如上述文献中图2），分裂的光子能带使传播模式也发生分裂，把原先连续的传播模式分隔在不同的光子带隙中，因此波导的传输具有频率选择性（如上述文献中图3）。更重要的，自相似结构具有多个特征长度的物理本质，给波导带来多个分布在不同包层中的微腔，不同的微腔对应不同的共振频率，因此，传播模式中不同频率的部分被局域在不同的包层，实现了模式的空间分离。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种空芯自相似介质同轴波导结构，这种波导的包层由折射率、厚度按Thue-Morse迭代规则变化的介质多层膜构成。通过解析分析和数值计算发现，在这种波导中，光子带隙发生分裂，传播模式被光子带隙分隔开，使光信号在传输频段上可选。波导同时支持芯层模式与包层模式的传输，并且工作波段不同、式不同的光波传播时在空间上分离。该波导被设计为具有1550纳米，1310纳米和850纳米三个低损耗传输窗口，可用于远距离多频段并行传输；传输模式空间分离的特点使该波导可以替代位于波导输出端口进行模式分离和选择的器件，有助于光通讯网络的小型化和集成化。

附图说明

图1是模式空间分离的用于光通讯波段的波导结构示意图。

图2是波导中的光子能带与线偏振传播模。

图3是最低阶横电波（TE₀₁）与最低阶横磁模（TM₀₁）的性能指标。

图4是最低阶横电波（TE₀₁）与最低阶横磁模（TM₀₁）在各自工作波段的电磁场分布。

图5是波导中的光子能带与混合传波模。

图6是1阶混合模（HE₁₁）与2阶混合模（HE₂₁）的性能指标。

图7是1阶混合模（HE11）与2阶混合模（HE21）在各自工作波段的电磁场分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步地说明。

以下以本发明中的波导结构为例，说明设计波导结构参数的基本流程。所述的波导以工作在通讯波段850纳米、1310纳米、1550纳米为基本前提，所用材料应满足在这几个波段吸收系数尽量小、折射率差尽量大的特点，因此最佳选择为单晶硅与石英。在进行光子能带和传播模式求解释，借鉴和利用了周期Bragg波导中的转移矩阵方法（P.Yeh,A.Yariv,and E.Marom,“Theory of Bragg fiber”,J.Opt.Soc.Am.68,1196(1978)），以自相似某一代的转移矩阵为单元矩阵，通过半径r=0处电场为有限制以及和r→∞处电场为零的边界条件建立光子带隙和模式方程。其中光子带隙方程可变形为光子带隙中心频率的带宽方程，通过对带隙中心频率和带宽的求解，可优化波导结构，得到满足要求的波导参数（包层中每层的厚度）。波导结构确定后，在工作波段内求解模式方程得到的根（ω，k）即传播模式。得到传播模式后再利用转移矩阵即可获得到波导每一层中电磁场能量大小，即波导模式能量的空间分布。

实施例1

如图1所示，该波导芯层设计为空气层，半径500纳米。构成包层的两种介质材料分别为A：硅（白色所示）和B：石英（深灰色所示），在通讯波段830-1550纳米的折射率可分别取为3.67+0.005i和1.56（参数来自Handbook of Optical Constants of Solids,edited by Edward D.Palik(1985)），厚度分别为d_A=70±4纳米和d_B=100±5纳米。波导包层中两种材料A、B的排列顺序为Thue-Morse序列第3代（ABBA）重复8次，即(|ABBA|ABBA|…ABBA|)8。波导外直径28.2±1.4微米（注：图1仅示意波导结构，与实际包层结构不完全一致）。

通过解析推导和数值计算，经过有限元时域差分验证，得到一套非周期波导中传播模式的计算方法（该方法的正确性已在文献Q.Hu,J.Zhao,R.Peng,F.Gao,R.Zhang,andM.Wang,“’Rainbow’trapped in a self-similar coaxial optical waveguide”,Appl.Phys Lett.96,161101(2010)中确认）。当信号源是线偏振光时，利用数值计算得到该波导中的光子能带与传播模式（参见图2）。图中浅灰色区域为自相似包层的光子导带，白色区域为光子禁带，在低频区出现的两个禁带的频率范围分别为1850-1250纳米（带隙1）和790-910纳米（带隙2），覆盖3个通讯波长：1550纳米，1310纳米和850纳米。空心圆点连线为最低阶线偏振横电模（TM₀₁），实心圆点连线为最低阶线偏振横电模（TE₀₁），黑色对角线是光锥线，模式在光锥线内，是可传输的波导模。横磁模（TM₀₁）在带隙1中，横电模（TE₀₁）在带隙2中，分别传播两个不同的通讯波段。图3(a)、(b)中分别给出两种模式的模式指数与波长的关系，图3(c)、(d)中分别给出两种模式的损耗系数与波长的关系，两种模式在各自的工作频段损耗均小于0.7dB/km，与现有通讯光纤损耗相当（目前远距离传输的标准单模光纤在1550nm的损耗系数为0.2dB/km），完全满足远距离传输要求。两种模式在波导中的分布如图4所示。TE₀₁模的工作波段在760-850纳米（高频通讯波段），能量分布主要集中在芯层和靠近芯层的几层包层中，TM₀₁模的工作波段在1400-1700纳米（低频通讯波段），能量分布主要集中在包层中靠外的几层，两种模式在空间上完全分开。此外，模式能量分布打破了传统的包层模形式，出现包层模，在保持低损耗传输的同时提高了波导的利用率。

这种工作在两个通讯波段、模式空间分离的波导可用于远距离多信号并行传输，同时取代用于光纤输出端进行模式分离和选择的器件，有助于提高通讯系统的集成化、小型化，在光纤通讯领域有着潜在的运用价值。

实施例2

对于同种波导结构，如图1所示，该波导芯层设计为空气层，半径500纳米。构成包层的两种介质材料分别为A：硅（白色所示）和B：石英（深灰色所示），在通讯波段830-1550纳米的折射率可分别取为3.67+0.005i和1.56（参数来自Handbook of OpticalConstants of Solids,edited by Edward D.Palik(1985)），厚度分别为d_A=70±4纳米和d_B=100±5纳米。波导包层中两种材料A、B的排列顺序为Thue-Morse序列第3代（ABBA）重复8次，即(|ABBA|ABBA|…ABBA|)₈。波导外直径28.2±1.4微米（注：图1仅示意波导结构，与实际包层结构不完全一致）。

当信号源为非偏振混合波时，利用数值计算得到该波导中的光子能带与传播模式（参见图5）。图中浅灰色区域为自相似包层的光子导带，白色区域为光子禁带，在低频区出现的两个禁带的频率范围分别为1850-1250纳米（带隙1）和790-910纳米（带隙2），覆盖3个通讯波长：1550纳米，1310纳米和850纳米。空心圆点连线为1阶线混合模（HE₁₁），实心圆点连线为2阶混合模（HE₂₁），黑色对角线是光锥线，模式在光锥线内，是可传输的波导模。1阶线混合模（HE₁₁）在带隙1中，2阶混合模（HE₂₁）在带隙2中，分别传播两个不同的通讯波段。图6(a)、(b)中分别给出两种模式的模式指数与波长的关系，图6(c)、(d)中分别给出两种模式的损耗系数与波长的关系，两种模式在各自的工作频段损耗均小于0.8dB/km，与现有通讯光纤损耗相当（目前远距离传输的标准单模光纤在1550nm的损耗系数为0.2dB/km），完全满足远距离传输要求。两种模式在波导中的分布如图7所示。HE₁₁模的工作波段在1260-1510纳米（低频通讯波段），能量分布主要集中在芯层和靠近芯层的几层包层中，HE₂₁模的工作波段在740-890纳米（高频通讯波段），能量分布主要集中在包层中靠外的几层，两种模式在空间上完全分开。此外，模式能量分布打破了传统的包层模形式，出现包层模，在保持低损耗传输的同时提高了波导的利用率。

Claims

1.一种模式空间分离的新型光通讯波导，具有1550纳米、1310纳米和850纳米三个低损耗传输窗口，包括芯层、包层，所述芯层为空气层，其特征在于所述包层由折射率、厚度按Thue-Morse迭代规则变化的介质多层膜构成；所述介质分别为硅和石英，硅和石英的厚度分别为70±4纳米和100±5纳米，硅和石英的排列顺序为Thue-Morse序列第3代重复8次，波导外直径为28.2±1.4微米。