CN104749707A - 一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-解复用器 - Google Patents

一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-解复用器 Download PDF

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CN104749707A CN201510043870.1A CN201510043870A CN104749707A CN 104749707 A CN104749707 A CN 104749707A CN 201510043870 A CN201510043870 A CN 201510043870A CN 104749707 A CN104749707 A CN 104749707A
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Abstract

本发明公开了一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-解复用器。每个偏振合束器的两个输入端均接有两条输入光波导，任一偏振合束器的输出端与总线波导连接，其余偏振合束器的输出端依次经连接波导、前S形弯曲光波导、耦合区光波导与后S形弯曲光波导连接；总线波导包含有依次连接的N个多模光波导，耦合区光波导与各个多模光波导耦合连接，位于末端的多模光波导与输出多模光波导连接；光信号从输入光波导或者输出多模光波导输入。本发明结构紧凑，实现了模式复用，可用于大容量的数据传输；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，便于与少模光纤相耦合；具有设计方便、结构紧凑、便于扩展等突出优点。

Description

一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-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基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-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。最近，人们提出采用少模光纤技术，可将通信容量提升数倍，并有效克服模间串扰，因而成为当前的研究热点。对于基于少模光纤的模式复用系统，其核心器件是模式(解)复用器，用于实现各阶模式的合/分。文献【MaximGreenberg等，“Simultaneous dual mode add/drop multiplexers for opticalinterconnects 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 foron-chip mode-division multiplexing,”6th IEEE International Conference on GroupIV Photonics,2009(GFP'09),Page(s):166-168,9-11Sept.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。文献【Daoxin Dai,Jian Wang,and Yaocheng Shi,"Silicon mode(de)multiplexerenabling high capacity photonic networks-on-chip with a single-wavelength-carrierlight,"Opt.Lett.38,1422-1424,2013】给出了一种基于级联非对称耦合器的多通道集成光波导模式复用-解复用器，易于扩展，可实现多通道。在此基础上，文献【Jian Wang,Sailing He,and Daoxin Dai.On-chip silicon 8-channel hybrid(de)multiplexer enabling simultaneous mode-and polarization-division-multiplexing.Laser&Photonics Reviews.8(2):L18–L22,2014】给出了一种实现双偏振模式复用器，可实现两组正交偏振态的基模及高阶模的合/分。其原理是：对于两个正交偏振态基模的合/分，采用一个常规偏振复用器来实现；然后依次针对各偏振态的各个高阶模，分别利用一个优化设计的非对称耦合器将耦合合到总线波导上。这种设计要求非对称耦合器具有显著的偏振敏感性，通常需采用超高折射率差光波导方可实现，因而比较适合于片上光互连系统，但与少模光纤耦合则存在一定困难。因此，现有技术缺少一种适合于便于与少模光纤耦合的多通道集成光波导双偏振模式复用-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了一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-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如下：
本发明包括总线波导、2N+2条输入光波导、N+1个偏振合束器、N条连接波导和N个非对称方向耦合器，N>0；每个偏振合束器的两个输入端均分别连接有两条输入光波导，所有偏振合束器中任一偏振合束器的输出端与总线波导连接，其余偏振合束器的输出端依次经连接波导、前S形弯曲光波导后与耦合区光波导的一端连接，耦合区光波导的另一端与后S形弯曲光波导连接；总线波导包含有依次连接的N个多模光波导，耦合区光波导分别与总线波导的各个多模光波导耦合连接，位于末端的第N个多模光波导与输出多模光波导连接；作为复用器，光信号从输入光波导输入并从输出多模光波导输出；作为解复用器，光信号从输出多模光波导输入并从输入光波导输出。
所述的总线波导包括总线连接波导、N个锥形光波导、输出多模光波导和依次连接且宽度依次递增的N个多模光波导，相邻的两个多模光波导之间通过锥形光波导连接，宽度最小的多模光波导输入端经锥形光波导、总线连接波导后与任一偏振合束器的输出端连接，宽度最大的多模光波导作为末端，其输出端与输出多模光波导连接。
所述的弱限制大截面光波导的截面尺寸为微米量级，且偏振不敏感，即波导双折射小于10-4。
所述的与第n个多模光波导对应的耦合区光波导的长度满足：耦合区光波导的横电基模完全耦合到第n个多模光波导的第n阶横电高阶模，并且该耦合区光波导的横磁基模完全耦合到第n个多模光波导的第n阶横磁高阶模，n＝1、…、N。
所述的第n个多模光波导及与其对应的耦合区光波导的高度满足：第n个多模光波导与耦合区光波导高度不相等，并且耦合区光波导的基模耦合至第n个多模光波导中模场在高度方向上有两个或两个以上峰的高阶模。
所述的第n个多模光波导及与其对应的耦合区光波导的宽度满足：耦合区光波导的基模与第n个多模光波导的第n+1个横电高阶模的位相匹配。
所述的输出多模光波导宽度大于或等于位于末端的第N个多模光波导的宽度。
所述的第n个多模光波导支持至少n+1个本征模式。
所述的各个锥形光波导两端的宽度分别等于与其相连的多模光波导的宽度，所有锥形光波导的锥度均满足绝热条件。
所述的偏振合束器由非对称耦合器构成，具有两个输入端口、一个输出端口。
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2N个双偏振本征模上，形成模式复用，实现大容量的数据传输，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，便于与少模光纤相耦合，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SiO2掩埋型光波导的膜层结构，包含下薄层、芯层、上薄层。
图3是基于非对称耦合器结构的偏振合束器结构示意图。
图4是偏振合束器耦合区的截面示意图。
图5是第一多模波导对应的耦合区截面示意图。
图6是第二多模波导对应的耦合区截面示意图。
图中：10、总线连接波导，11、第一连接波导，12、第二连接波导，13、第三连接波导，…，1n、第n连接波导，…，1N、第N连接波导，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，90、总线输入偏振合束器，91、第一偏振合束器，…，9n、第n偏振合束器，…，9N、第N偏振合束器；101、下包层，102、芯层，103、上包层，104、金属区，201、硅基SiO2掩埋型光波导，102-1、硅基SiO2掩埋型光波导的芯区，202、金属表面等离子体光波导，102-2、金属表面等离子体光波导的SiO2芯区。
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，本发明包括：总线波导、2N+2条输入光波导80a、80b、…、8na、8nb、…、8Na、8Nb、N+1个偏振合束器90、…、9n、…、9N、N+1条连接波导11、…、1n、…、1N、N个非对称方向耦合器51、…、5n、…、5N，N>0。
如图1所示，偏振合束器的两个输入端均连接有两条输入光波导8na、8nb，所有偏振合束器中任一偏振合束器9n的输出端与总线波导连接，其余偏振合束器以第n个偏振合束器为例，第n个偏振合束器9n的输出端依次经连接波导1n、前S形弯曲光波导4n后与耦合区光波导5n的一端连接，耦合区光波导5n的另一端与后S形弯曲光波导6n连接；总线波导包含有依次连接的N个多模光波导31、32、…、3n、…、3N，与各偏振合束器输出端相连的耦合区光波导5n分别与总线波导的各个多模光波导3n耦合连接，耦合区光波导5n与多模光波导3n相靠近以发生倏逝波耦合，位于末端的第N个多模光波导3N与输出多模光波导7连接。
当作为复用器时，光信号从输入光波导8na、8nb输入并从输出多模光波导7输出；当作为解复用器时，光信号从输出多模光波导7输入并从输入光波导8na、8nb输出。
如图1所示，2(N+1)条输入光波导80a、80b、…、8na、8nb、…、8Na、8Nb是单模光波导，用于接收光信号或者输出光信号；其中以两条输入光波导8na、8nb组成第n对输入光波导，其末端分别与第n偏振合束器9n的两个输入端相连。
如图1所示，总线波导包括总线连接波导10、N个锥形光波导21、…、2n、…、2N、输出多模光波导7和依次连接且宽度依次递增的N个多模光波导31、32、…、3n、…、3N，相邻的两个多模光波导之间通过锥形光波导连接，宽度最小的多模光波导31输入端经锥形光波导21、总线连接波导10后与任一偏振合束器9n的输出端连接，宽度最大的多模光波导31作为末端，其输出端与输出多模光波导7连接。
以图中标记90的总线偏振合束器90为例，偏振合束器90的输出端与总线连接波导10的一端相连，总线连接波导10的另一端依次经第一锥形光波导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后与输出多模光波导7连接。
弱限制大截面光波导的截面尺寸为微米量级，且偏振不敏感，即波导双折射小于10-4。与第n个多模光波导3n对应耦合的耦合器光波导5n的长度满足：该耦合器光波导5n的横电基模完全耦合到第n个多模光波导3n的第n阶横电高阶模，并且该耦合区光波导5n的横磁基模完全耦合到第n个多模光波导3n的第n阶横磁高阶模，n＝1、…、N。
第n个多模光波导3n及与其对应耦合的耦合区光波导5n的高度满足：第n个多模光波导3n与耦合区光波导5n高度不相等，并且耦合区光波导5n的基模耦合至第n个多模光波导3n中模场在高度方向上有两个或两个以上峰的高阶模。
第n个多模光波导3n及与其对应耦合的耦合区光波导5n的宽度满足：耦合区光波导5n的基模与第n个多模光波导3n的第n+1个横电高阶模的位相匹配。
输出多模光波导7宽度大于或等于位于末端的第N个多模光波导3N的宽度。
第n个多模光波导3n支持至少n+1个本征模式，即第1个多模光波导31、第2个多模光波导32、…、第N个多模光波导3N各自支持至少2、3、…、N+1个本征模式。
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其相连的多模光波导的宽度，所有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。
偏振合束器9n由非对称耦合器构成。
下面是本发明作为多通道集成光波导模式复用器时的工作过程：
2(N+1)条输入光波导80a、80b、…、8na、8nb、…、8Na、8Nb是单模光波导，各自加载有一路光信号，其中输入光波导80a、…、8na、…、8Na输入的是横电基模，输入光波导80b、…、8nb、…、8Nb输入的是横磁基模。
第n对输入光波导8na、8nb所加载的两路光信号经过第n偏振合束器9n合在一起，从第n偏振合束器9n的输出端输出，并进入第n连接波导1n，n＝0,…,N。
第0连接波导10中所加载的两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，两路光信号始终分别加载在光波导的横电基模和横磁基模上，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连接波导1n，n＝1，…，N中横电基模和横磁基模所加载的两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的基模耦合到第n多模光波导3n的第n个高阶模，且保持偏振态不变。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2n+1、第n+1多模光波导3n+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阶横电高阶模和第n阶横磁高阶模的两路光信号，且保持与第n对输入波导8na、8nb所加载的两路光信号偏振态相同，n＝1，…，N。
下面给出一个本发明用于模式复用系统的多通道集成光波导模式复用器的具体实施例，反之可实现模式解复用器功能。
选取工作波段中心波长为1550nm。考虑模式通道数2(N+1)＝6的情形，涉及的模式为TE、TM两组偏振模式，每组模式均各自包含3个模式，分别为TE00、TE01、TE10以及TM00、TM01、TM10。在此，下标00表示基模(其模场在横向、高度方向上均仅有一个峰)，下标01表示模场在横向上仅有一个峰、而高度方向上有两个峰的高阶模，下标10表示模场在横向上有两个峰、而高度方向上仅有一个峰的高阶模。
选用硅基SiO2掩埋型光波导，其横截面如图2所示：其芯层102是掺锗SiO2材料，厚度为10μm、折射率为1.455；其下包层101、上包层103材料均为纯SiO2，厚度为10μm、折射率为1.445。其芯层、包层折射率差仅为0.01、其截面尺寸为微米量级，是典型的弱限制光波导。根据模式计算，当波导宽度从2μm增加至10μm，其双折射均小于10-4，其变化范围为3.3×10-5～5.8×10-6，满足偏振不敏感条件。
前S型弯曲光波导、后S型弯曲光波导参数均选为：横向偏移10μm、长度150μm；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。
对于偏振合束器，采用由宽的硅基SiO2掩埋型光波导201、金属表面等离子体光波导202组成非对称耦合器结构，如图3所示。图4为其耦合区的横截面图，包含了硅基SiO2掩埋型光波导、金属表面等离子体光波导的横截面。硅基SiO2掩埋型光波导201的芯区102-1的宽度和厚度分别为6μm、5μm；金属表面等离子体光波导202的SiO2芯区102-2宽度和厚度分别为3.6μm、5μm，其金属区104宽度和厚度分别为3.6μm、100nm，使得金属表面等离子体光波导202的TE偏振基模TE00与硅基SiO2掩埋型光波导201的TE偏振基模TE00相匹配。并将耦合区长度选为496μm，从而使得金属表面等离子体光波导202的TE偏振基模TE00完全耦合到硅基SiO2掩埋型光波导201的TE偏振基模TE00。与此同时，对于TM偏振，由于模式相位失配，使得金属表面等离子体光波导202的TM偏振基模TM00与硅基SiO2掩埋型光波导201的TM偏振基模TM00几乎不发生耦合。对于该优化设计，当TE基模、TM基模分别从该偏振合束器的两个输入端口输入时，两者都将从其输出端口输出，即实现了偏振合束的功能。
下面根据相位匹配原理，依次对第一多模光波导31、第二多模光波导32对应的耦合器进行设计。
1.第一多模光波导31对应的耦合器。
根据相位匹配原理合理选取第一多模光波导31及相应的耦合区光波导的宽度、高度，使得耦合区光波导的基模TE00与第一多模光波导31的高阶模TE01相匹配。与此同时，由于弱限制光波导偏振不敏感，该耦合结构也是偏振不敏感，因此耦合区光波导的基模TM00与第一多模光波导31的高阶模TM01也自动相匹配。根据计算，选取第一多模光波导31的芯区宽度、高度分别为5μm、10μm，而对应耦合区光波导的芯区宽度、高度分别为3.4μm、5μm，如图5所示。耦合区光波导的优化长度为912μm，使得耦合区光波导的基模TM00与第一多模光波导31的高阶模TM01完全耦合、耦合区光波导的基模TE00与第一多模光波导31的高阶模TE01也完全耦合。
2.第二多模光波导32对应的耦合器。
根据相位匹配原理合理选取第二多模光波导32及相应的耦合区光波导的宽度、高度，使得耦合区光波导的基模TE00与第二多模光波导32的高阶模TE10相匹配。与此同时，由于弱限制光波导偏振不敏感，该耦合结构也是偏振不敏感，因此耦合区光波导的基模TM00与第二多模光波导32的高阶模TM10也自动相匹配。根据计算，选取第二多模光波导32的芯区宽度、高度分别为7.4μm、10μm，而对应耦合区光波导的芯区宽度、高度分别为2.3μm、10μm，如图6所示。耦合区光波导的优化长度为318.8μm，使得耦合区光波导的基模TM00与第二多模光波导32的高阶模TM10完全耦合、耦合区光波导的基模TE00与第二多模光波导32的高阶模TE10也完全耦合。
将第一多模光波导31、第二多模光波导32的长度取为相应耦合区光波导、前S型弯曲光波导和后S型弯曲光波导的长度之和。根据耦合区光波导长度、以及前S型弯曲光波导和后S型弯曲光波导的长度，第一多模光波导31、第二多模光波导32的长度分别取为：1212μm、618.8μm。
对于所设计的6×1模式复用器，根据光路可逆的原理，若将其反过来使用，则为1×6模式解复用器，可实现解复用的功能。将一个6×1模式复用器和一个1×6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1×6模式复用器的输入波导80a、80b、81a、81b、82a、82b输入，经过6×1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1×6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，由此本发明实现了模式解复用的功能，可实现大容量的数据传输，通过结合偏振复用技术进一步地扩大容量，具有设计方便、结构紧凑、便于扩展等突出的技术效果。
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 (10)

1. 一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-解复用器，其特征在于：包括总线波导、2N+2条输入光波导（80a、80b、…、8na、8nb、…、8Na、8Nb）、N+1个偏振合束器（90、…、9n、…、9N）、N条连接波导（11、…、1n、…、1N）和N个非对称方向耦合器（51、…、5n、…、5N），N>0；
每个偏振合束器的两个输入端均分别连接有两条输入光波导，所有偏振合束器中任一偏振合束器的输出端与总线波导连接，其余偏振合束器的输出端依次经连接波导、前S形弯曲光波导后与耦合区光波导的一端连接，耦合区光波导的另一端与后S形弯曲光波导连接；总线波导包含有依次连接的N个多模光波导（31、32、…、3n、…、3N），耦合区光波导分别与总线波导的各个多模光波导耦合连接，位于末端的第N个多模光波导与输出多模光波导（7）连接；作为复用器，光信号从输入光波导输入并从输出多模光波导（7）输出；作为解复用器，光信号从输出多模光波导（7）输入并从输入光波导输出。
2. 根据权利要求1所述的一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-解复用器，其特征在于：所述的总线波导包括总线连接波导、N个锥形光波导（21、…、2n、…、2N）、输出多模光波导（7）和依次连接且宽度依次递增的N个多模光波导（31、32、…、3n、…、3N），相邻的两个多模光波导之间通过锥形光波导连接，宽度最小的多模光波导输入端经锥形光波导、总线连接波导后与任一偏振合束器的输出端连接，宽度最大的多模光波导作为末端，其输出端与输出多模光波导（7）连接。
3. 根据权利要求1所述的一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-解复用器，其特征在于：所述的弱限制大截面光波导的截面尺寸为微米量级，且偏振不敏感，即波导双折射小于10-4。
4. 根据权利要求1所述的一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-解复用器，其特征在于：所述的与第n个多模光波导（3n）对应的耦合区光波导（5n）的长度满足：耦合区光波导（5n）的横电基模完全耦合到第n个多模光波导（3n）的第n阶横电高阶模，并且该耦合区光波导（5n）的横磁基模完全耦合到第n个多模光波导（3n）的第n阶横磁高阶模，n=1、…、N。
5. 根据权利要求1所述的一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-解复用器，其特征在于：所述的第n个多模光波导（3n）及与其对应的耦合区光波导（5n）的高度满足：第n个多模光波导（3n）与耦合区光波导（5n）高度不相等，并且耦合区光波导（5n）的基模耦合至第n个多模光波导（3n）中模场在高度方向上有两个或两个以上峰的高阶模。
6. 根据权利要求1所述的一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-解复用器，其特征在于：所述的第n个多模光波导（3n）及与其对应的耦合区光波导（5n）的宽度满足：耦合区光波导（5n）的基模与第n个多模光波导（3n）的第n+1个横电高阶模的位相匹配。
7. 根据权利要求1所述的一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-解复用器，其特征在于：所述的输出多模光波导（7）宽度大于或等于位于末端的第N个多模光波导（3N）的宽度。
8. 根据权利要求1所述的一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-解复用器，其特征在于：所述的第n个多模光波导（3n）支持至少n+1个本征模式。
9. 根据权利要求1所述的一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-解复用器，其特征在于：所述的各个锥形光波导两端的宽度分别等于与其相连的多模光波导的宽度，所有锥形光波导的锥度均满足绝热条件。
10. 根据权利要求1所述的一种基于弱限制大截面光波导的双偏振模式复用-解复用器，其特征在于：所述的偏振合束器（9n）由非对称耦合器构成，具有两个输入端口、一个输出端口。
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