CN103345022A - 一种基于少模光纤的非对称平面光波导模式复用/解复用器 - Google Patents

Abstract

一种基于少模光纤的非对称平面光波导模式复用/解复用器，属于通信技术领域，具体涉及一种用于模式分集复用通信的便于互联的平面光波导模式复用/解复用器。为Y型结构，由1个波导主臂和多个波导分支臂组成，波导分支臂的数量与少模光纤中传输的模式数量相同；波导主臂和波导分支臂均由芯层和包层构成，波导主臂和波导分支臂芯层和包层的折射率与少模光纤纤芯和包层的折射率相同。本发明所设计的非对称平面光波导模式复用/解复用器结构，具有结构简单、低损耗、易于集成、性能稳定和高宽带的特性，是一种简单、高效的模式复用/解复用器。

Description

一种基于少模光纤的非对称平面光波导模式复用/解复用器

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种用于模式分集复用通信的便于互联的平面光波导模式复用/解复用器。

背景技术

随着互联网业务、物联网、IPTV及应用云计算的新一代大型数据中心等带宽消耗型业务的不断增多，网络带宽的需求达到了前所未有的高度，为了解决不断出现的“带宽消耗”型业务对光传送网带来的巨大压力，人们通过各种办法提高现有的光传输容量。然而，由于单模光纤自身固有的非线性效应的限制，在未来不远的时间可能达到可以预见的“带宽耗尽”。因此寻求一种能够从根本上解决单模光纤自身“带宽极限”的光传送技术成为重中之重，基于少模光纤的模式复用技术就是在这种大背景下应运而生的。

基于少模光纤的模式复用就是采用少模光纤作为通信媒质，利用光纤模式这一新的自由度，通过模式复用技术实现多路信号在同一根光纤中的同时传输，极大提高光纤通信系统的传输容量。同时，少模光纤具有比较大的模场面积，其非线性容限也很高，能很好规避非线性效应对系统的不利影响。

在基于少模光纤的模式复用系统中，模式复用器是最关键的部分，模式复用器主要作用是将不同的空间模式复用进一根少模光纤。对应的模式解复用器则是将少模光纤中的混合空间模式进行分离，得到不同的空间模式并进行探测和处理。与波分复用系统中的波分复用器/解复用器的地位类似，模式复用器/解复用器是模式复用系统的关键器件，因此成为模式复用技术的研究重点。

现有的模式复用器主要有：基于光纤熔融型的模式复用器（对模式具有选择耦合和分离的作用，故又将其称为模式选择耦合器）；基于自由空间光学的模式复用/解复用器（一是采用相位盘作为模式转换的结构；另一种是利用硅基液晶技术的空间光调制器作为模式转换的结构）等等。现有模式复用器多在实验室环境中用于模式复用通信实验系统的模式复用和解复用，其特点各异，或制作工艺复杂，或难于集成，或难于互联，或插入损耗大，难于实现产品化。因此，设计一种简单、高效的模式复用/解复用器成为模式复用系统中的研究重点。

发明内容

本发明的目的是针对现有模式复用器的不足，设计一种便于互联，适合与光纤相对接的基于少模光纤的平面光波导模式复用/解复用器，采用一种新型的非对称几何波导结构，这种波导结构可以起到良好的模式复用和解复用作用。

本发明设计的原理是有效折射率匹配效应。本发明设计的非对称平面光波导结构，利用几何形状的不同，产生折射率匹配效应进行模式复用与解复用。

设计工作的第一步，确定波导的结构。波导的结构主要由波导主臂和波导分支臂两部分组成，根据少模光纤中传输的模式数量，确定波导的分支数，本发明以波导中仅有两种模式为例，即基模和一阶模，确定波导的分支数为2。基于少模光纤的非对称平面光波导的模式复用/解复用器结构示意图，如图1所示，为Y型结构，由1个波导主臂和2个波导分支臂构成。波导主臂和波导分支臂均由芯层和包层构成。

设计工作的第二步，确定波导材料及芯层折射率和包层折射率。本发明采用掺杂微量三氧化二硼的二氧化硅作为波导的包层材料，采用掺锗的具有较高折射率的二氧化硅作为波导的芯层材料。波导芯层材料的折射率和包层材料的折射率是根据不同少模光纤的芯径和折射率（纤芯折射率和包层折射率）来确定，且主臂与分支臂的材料相同。例如：在一定工作波长λ下，少模光纤的纤芯半径为a，纤芯的折射率为n_core，包层的折射率为n_cladding，从而确定波导纤芯材料的折射率和包层材料的折射率分别为n′_core=n_core，n′_cladding=n_cladding，即本发明所述的一种便于互联的平面光波导模式复用/解复用器的材料选用与少模光纤相同的材料。

设计工作的第三步，设计波导主臂芯层的顶面和底面宽度、波导各分支臂芯层的顶面和底面宽度。本发明的特点是波导主臂芯层的顶面宽度和底面宽度相同，每个波导分支臂芯层的顶面宽度与波导主臂芯层的底面宽度相同，同时使波导主臂芯层的底面宽度与少模光纤芯层的直径相等，这样便于光纤与波导互联。假定光纤的芯层半径为a，则波导主臂A的底面宽度widthA为2a，波导分支臂的顶面宽度width1、width2均为2a。

设计工作的第四步，确定每个波导分支臂芯层的底面宽度。波导介质中的麦克斯韦方程组为：

$\▿\×\stackrel{\→}{E}=\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_0\stackrel{\→}{H}---\left(1\right)$

$\▿\×\stackrel{\→}{H}=-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\ϵ}}_0{n}^2\stackrel{\→}{E}---\left(2\right)$

式中，

为电场强度矢量；

为磁场强度矢量；μ₀为光波导介质的导磁率；ε₀为光波导介质的介电常数；n为介质的折射率。

波导中的本征模式设为：E_i=E_i(x,y)exp(jβz),H_i=H_i(x,y)exp(jβz)。其中β为传播常数，因此波导横向电场分量的本征方程为：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{1}{n^2}\frac{\∂\left(n^2{E}_x\right)}{\∂x}\right)+\frac{\∂E_x}{y^2}+{k_0}^2{n}^2{E}_x-{\mathrm{\β}}^2{E}_x+\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{1}{n^2}\frac{\∂\left(n^2\right)}{\∂x}{E}_y\right)=0---\left(3\right)$

$\frac{{\∂}^2{E}_y}{\∂x^2}+\frac{\∂}{\∂y}\left(\frac{1}{n^2}\frac{\∂\left(n^2{E}_y\right)}{\∂y}\right)+{k_0}^2{n}^2{E}_y-{\mathrm{\β}}^2{E}_y+\frac{\∂}{\∂y}\left(\frac{1}{n^2}\frac{\∂\left(n^2\right)}{\∂x}{E}_x\right)=0---\left(4\right)$

式中，k₀=2π/λ是真空中的波数；λ是真空中的光波波长；方程（3）（4）是三维平面光波导的本征方程全矢量形式。

在实际应用中，一般波导的结构多为三维结构，但在设计过程中，一般通过有效折射率法，将三维结构等效到二维平面上而得到二维平面光波导结构，如图2所示。在本发明中，n₁=n_c′_ore，n₂=n₃=n′_cladding。n₁为波导上包层的折射率；n₂为波导芯层的折折射率，n₃为波导下包层的折射率。对于TE模E_x=0，则可知相应的H_x=0,E_y=0。此时，方程（3）变为

$\frac{{\∂}^2{E}_x}{\∂y^2}(k^2{n}^2-{\mathrm{\β}}^2)E_x=0---\left(5\right)$

同时由方程（2）得：

$H_y=\frac{1}{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_0}\left(\mathrm{j\β}{E}_x\right),H_x=\frac{1}{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_0}(-\frac{\∂E_x}{\∂y})---\left(6\right)$

由方程（5）（6）可以推导出传输常数β的方程为：

$\sqrt{k_0^2{n}_{\mathrm{core}}^{\′2}-{\mathrm{\β}}^2}L-{2\mathrm{tg}}^{-1}\frac{\sqrt{{\mathrm{\β}}^{\text{2}}-k_0^2{n}_{\mathrm{cladding}}^{\′2}}}{\sqrt{k_0^2{n}_{\mathrm{core}}^{\′2}-{\mathrm{\β}}^2}}=\mathrm{m\π}---\left(7\right)$

式中m为常数；当m=0时对应的是基模的传播常数，当m=1时对应的是一阶模传播常数。对于不同的波导宽度，基模和一阶模的传播常数也不同。

将m=0和m=1以及β_2基模=n_2基模·k₀,β_A一阶模=n_A一阶模·k₀，式中n_2基模为分支臂2中的基模有效折射率；n_A一阶模为主臂A中一阶模的有效折射率；其代入方程（7）中得：

根据有效折射率匹配效应，为了保证波导主臂中基模在分支臂1中传输，一阶模在分支臂2中传输，必须满足：

n_A一阶模=n_2基模            （10）

n_A基模=n_1基模             （11）

同时满足条件：

widthA₁+widthA₂=widthA           (12)

当给出n′_core，n_′′_cladding和波导宽度widthA，联合方程（8）—（12），通过数值求解即可求得widthA₁，widthA₂，从而确定波导各分支臂芯层的底面宽度。

设计工作的第四步，确定波导总长度。波导总长度为分支臂波导长度与波导主臂长度之和。对于波导分支臂长度length2，只要保证光场在传输过程中是缓变即可，一般在500μm～1000μm。波导主臂长度可以根据自身的需要，规定其长度。

在这里，选取一组特定参数，在工作波长为1550nm时，少模光纤的纤芯半径为4μm，纤芯和包层的折射率分别为n_core=1.4716，n_cladding=1.4619。此时在少模光纤中只有两种模式，即基模和一阶模。确定波导纤芯的折射率为n_′′_core=1.4716，包层的折射率为n_′′_cladding=1.4619，波导主臂底面宽度widthA为8μm，以及各波导分支臂的顶面宽度width1、width2均为8μm。波导总长度Length1为900μm，波导分支臂的长度Length2为640μm。根据波导设计步骤四，将上述参数代入方程（8）—（12）中联立通过数值求解，将结果精确到0.1μm，确定参数为：波导分支臂1的底面宽度为widthA₁≈6.6μm，波导分支臂2的底面宽度为widthA₂≈1.4μm。

由于波导尺寸的原因，基模在主臂A中的有效折射率n_A基模与基模在分支臂1中的有效折射率n_1基模相匹配，一阶模在主臂A中的有效折射率n_A一阶模与基模在分支臂2中的有效折射率n_2基模相匹配，这种有效折射率的匹配就导致了主臂A中传输的基模向分支臂1方向传播，主臂A中的一阶模向分支臂2方向传播，且转换为基模形式，从而起到了模式解复用的作用，同时还起到了模式转换的作用。由于光路具有可逆性，因此，该器件反向传输时也可以作为模式复用器。

本发明所设计的非对称平面光波导模式复用/解复用器结构，具有结构简单、低损耗、易于集成、性能稳定和高宽带的特性，是一种简单、高效的模式复用/解复用器。

附图说明

图1：基于少模光纤的非对称平面光波导的模式复用/解复用器结构示意图；

图2：二维平面波导结构示意图；

图3：实施例1中基模注入波导主臂A时光场能量在波导中的流动过程示意图；

图4：实施例1中基模注入波导主臂A时二维光场能量在波导中的流动过程示意图；

图5：实施例1中基模注入波导主臂A时三维光场能量在波导中的流动过程示意图；

图6：实施例2中一阶模注入波导主臂A时光场能量在波导中的流动过程示意图；

图7：实施例2中一阶模注入波导主臂A时二维光场能量在波导中的流动过程示意图；

图8：实施例2中一阶模注入波导主臂A时三维光场能量在波导中的流动过程示意图；

图9：左图为实施例2中一阶模注入波导主臂A时，光场能量在波导中的流动过程示意图；右图为波导主臂A和分支臂2中的基模功率变化情况示意图；

图10：实施例3中基模和一阶模同时注入波导主臂A时，光场能量在波导中的流动过程示意图；

图11：实施例3中基模和一阶模同时注入波导主臂A时，二维光场能量在波导中的流动过程示意图；

图12：实施例3中基模和一阶模同时注入波导主臂A时，三维光场能量在波导中的流动过程示意图；

图13：左图为实施例3中基模和一阶模同时注入波导主臂A时，光场能量在波导中的流动过程示意图；右图为分支臂1和分支臂2中的基模功率变化情况示意图；

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1：单模输入基模时，基模在波导中传输过程。

在本实施例中，在波导的输入端控制输入波导的光，选择入射光中仅有基模。基模注入波导主臂A时光场能量在波导中的流动过程示意图，如图3所示。由图可以清晰的看到，基模在进入主臂以后，向前传输，当传输到分叉口时，分支臂1中的基模功率基本保持不变，光波中的大部分能量沿分支臂1传播。分支臂2中的基模功率从分叉口处开始急速下降，大约传播至600μm左右时，下降至最低值，并保持稳定到最后。最终分支臂1中基模的输出功率大约占输入功率的97%左右。

这是因为有效折射率匹配原理，主臂A中的基模有效折射率与分支臂1中的基模有效折射率相接近，因此光沿着分支臂1向前传输。

图4、5表示的则是基模注入波导主臂A时二维和三维光场能量在波导中的流动过程示意图，由图可知，光波的能量大部分沿着分支臂1向前流动，只有很少一部分功率从分支臂2泄露。

实施例2：单模输入一阶模时，一阶模在波导中传输过程。

在波导的输入端控制输入波导的光，通过模式转换方式，将基模转换为一阶模，然后将其入射波导主臂A中。一阶模注入波导主臂A时光场能量在波导中的流动过程示意图，如图6所示。由图可以发现，在一阶模进入波导后，在主臂范围内正常传输，但经过分支点之后，一阶模的能量流向分支臂2，并在分支臂2的传输的过程中转化为基模，分支臂2中的基模功率逐步上升，在大约700μm处基本达到稳定，最后稳定输出，最终其基模所占的功率比大约是90%左右；而分支臂1中基本没有基模输出。

这是因为当在主臂波导中输入一阶模时，由于分支臂2的尺寸限制，一阶模的有效折射率与分支臂2中的基模有效折射率相匹配，由折射率匹配原理，所以一阶模沿分支臂2方向传输并转换为低阶模。

图7、8表示的则是一阶模注入波导主臂A时二维和三维光场能量在波导中的流动过程示意图，由图可知，光波的大部分能量沿着分支臂2流动，同时起到了模式转换的作用，而只有很少一部分功率从分支臂1泄露。

为验证分支臂2中输出为基模，监测波导主臂A和分支臂2中的基模功率变化情况确定其模式转换的效果。如图9右所示，即为波导主臂A和分支臂2中的基模功率变化情况示意图。▲曲线表示波导主臂A中的基模功率，●曲线表示分支臂2中的基模功率，由图中的曲线可以看出，随着光波在波导中的能量流动，最终波导主臂A中的基模模功率为0，分支臂2中的基模功率接近于1，说明一阶模已经转换为基模，成功实现了模式转换。

实施例3：同时输入基模和一阶模时，基模和一阶模在波导中传输过程。

当在波导主臂A中同时注入基模和一阶模时，观察此时波导内光模式的传播情况。由于波导A中基模有效折射率与分支臂1中基模有效折射率近似，匹配后基模沿分支臂1输出；波导A中一阶模有效折射率与分支臂2中基模有效折射率近似，因此匹配后，一阶模转换为基模形式沿分支臂2输出。

基模和一阶模同时注入波导主臂A时，光场能量在波导中的流动过程示意图，如图10所示。在主臂范围内正常传输，经过分叉口处后，光波能量分成两部分分别向分支臂1和分支臂2传播，最后两个输出臂中的光均以基模的形式输出。

图11、12表示的则是基模和一阶模同时注入波导主臂A时二维和三维光场能量在波导中的流动过程示意图。由图可知，当光传播到分叉口后，光波的能量分成两部分沿着分支臂1和2向前传输，并且最终分支臂1和分支臂2中的能量均以基模的形式传输。

为验证分支臂1和分支臂2中输出为基模，监测分支臂1和分支臂2中的基模功率变化情况。如图13右所示，即为分支臂1和分支臂2中的基模功率变化情况示意图。▲曲线表示分支臂1中的基模功率，●曲线表示分支臂2中的基模功率，由图中的曲线可以看出，在传播过程中，分支臂1和分支臂2的基模模功率由0不断上升，最后达到稳定，说明主臂A中的基模向分支臂1传输，一阶模转换为基模向分支臂2传输，成功实现了模式转换。

与实施例1和2相比，实施例3，该非对称平面波导的模式解复用器不仅起到了模式解复用的作用，并且由光路可逆原理，同样可以实现模式复用的作用。不仅如此，还起到了模式转换的作用。

以上对本发明所述的非对称平面光波导模式复用/解复用器进行了详细的介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下，对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于少模光纤的非对称平面光波导模式复用/解复用器，其特征在于：为Y型结构，由1个波导主臂和多个波导分支臂组成，波导分支臂的数量与少模光纤中传输的模式数量相同；波导主臂和波导分支臂均由芯层和包层构成，波导主臂和波导分支臂芯层和包层的折射率与少模光纤纤芯和包层的折射率相同。

2.如权利要求1所述的一种基于少模光纤的非对称平面光波导模式复用/解复用器，其特征在于：少模光纤中传输的模式数量为2，从而波导分支臂的数量为2。

3.如权利要求2所述的一种基于少模光纤的非对称平面光波导模式复用/解复用器，其特征在于：波导主臂芯层的顶面和底面宽度与少模光纤的纤芯直径相同；波导分支臂芯层的顶面宽度和少模光纤的纤芯直径相同；波导分支臂芯层的底面宽度满足如下条件，

n_A一阶模=_n2基模             （10）

n_A基模=n_1基模          （11）

widthA₁+widthA₂=widthA          (12)

当给出n_′′_core，n′_cladding和波导宽度widthA，联合方程（8）—（12），通过数值求解即可求得widthA₁，widthA₂，从而确定波导各分支臂芯层的底面宽度；其中，k₀=2π/λ是真空中的波数。

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