CN106125201B - 一种混合模式复用器件的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合模式复用器件的设计方法，该方法把波长复用和模式复用结合起来以实现对信道容量的扩展，使用蚀刻衍射光栅来对波导中的多个波长以及纵向多个模式进行复用与解复用，并采用Rowland圆结构来设计该蚀刻衍射光栅中的光栅齿面、输入波导及输出波导位置，可以实现用单个蚀刻衍射光栅器件一次性对多个波长和多个模式进行复用或解复用，不需要堆叠器件。

Description

一种混合模式复用器件的设计方法
技术领域
本发明涉及光通信领域，更具体地，涉及一种混合模式复用器件的设计方法。
背景技术
光纤通信飞速发展，光通信网络成为现代通信网的基础平台。光纤通信系统经历了几个发展阶段，从80年波分复用代末的PDH系统，90年代中期的SDH系统，WDM系统，光纤通信系统快速地更新换代。当前研究的热点之一是DWDM，DWDM实验室水平可达到100×10Gbit/s，中继距离400km；30×40Gbit/s，中继距离85km；64×5Gbit/s，中继距离720km。密集波分复用DWDM商用水平为320Gbit/s，即一对光纤可传送400万话路。目前商用系统的传输能力仅是单根光纤可能传输容量为数十Tbit/s的1/100。
波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)是在同一根光纤中将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号的技术。
目前，波分复用遇到了很多问题，包括：(1)行业标准制定较粗，因此不同商家的WDM产品互通性极差，特别是在上层的网络管理方面。为了保证WDM系统在网络中大规模实施，需保证WDM系统间的互操作性以及WDM系统与传统系统间互连、互通，因此应加强光接口设备的研究。(2)WDM系统的网络管理，特别是具有复杂上/下通路需求的WDM网络管理不是很成熟。(3)一些重要光器件的不成熟将直接限制光传输网的发展，如可调谐激光器等。
光通信技术已经在几十年里迅速发展，支撑着我们日益信息化的社会和经济。当今信息的发展，对单根光纤的信息容量扩展有了急速膨胀。波分复用(WDM)或密集波分复用(DWDM)技术已经不能满足人们对光纤容量的需求。需要有新的技术来解决这个问题，这方面的进展一直在寻找创新的方式来增加一个单一的光纤的数据承载能力。为了实现这一点，研究人员已经探索，并试图优化复用的时间，波长，偏振和相位。商业系统现在利用所有四个维度来发送更多的信息通过一个单一的纤维。尽管有可能制造光纤支持数百个空间模式或包含多个内核，这可以被利用作为独立的信号的平行通道，但是单一光纤的空间维度仍然未被开发。所以，接下来研究人员进行了多方面的研究，模式复用就是其中一种。
WDM中对不同波长信号进行了复用和分离，使得单根光纤可以传输更多信息，而模式复用(MDM)在同一波长中有不同的模式，对不同模式进分复用和分离，可以在此基础上进一步增加信息量，于是就有了MDM这个技术来解决上述单根光纤容量问题。模分复用传输系统是在1根少模光纤中存在D个并行信道，这样就将传输的容量扩展了D倍。由于不同的信道属于不同模式，这样在同等传输容量的条件下，非线性效应的影响要小的多，这样就减小了由于非线性效应导致的信噪比恶化。
而传统的模式复用一般是横向模式复用，即对横向的多个模式进行复用与解复用，它支持的模式越多，波导的弯曲半径就越大，器件的尺寸也要越大。否则，信道间的串扰就会增大，器件的工艺要求也就很苛刻。此外，对于横向的多个模式，一般的模式复用通常只能一次分离出一个模式，要解复用三个以上的模式时需要通过堆叠器件的方式。而我们设计的器件是采用蚀刻衍射光栅(EDG)针对波导中的纵向多个模式进行复用与解复用，由于该纵向多模波导结构只在垂直于芯片表面的方向上是多模的，在横向即水平方向上是单模的，因而它的横向尺寸可以很小，纵向可以做得很厚，弯曲半径相比横向的多模波导可以做得很小，这样整个复用系统的尺寸就可以减小，而串扰也不会很大。EDG无法对横向多个模式进行复用或解复用，故传统的EDG一般只用作波分复用器件，只能在单模波导中使用，没有被应用在对横向多模波导结构的模式复用中。但是EDG可以针对纵向多模式工作，并且根据需要可以一次性分离多个模式(如几十个)，这是与传统的模式复用器件不同的地方。
更进一步的，我们把波分复用和模式复用结合起来，利用同一个EDG同时对多个波长以及多个模式进行复用与解复用，更进一步提高了信道的传输容量。
发明内容
为了解决传统模式复用器件难以实现仅用单个复用器件对三个以上的多个模式一次性实现复用或解复用，并且无法仅使用单个器件同时实现集合了波分复用以及模式复用的混合复用功能，本发明提供一种混合复用器件的设计方法，该方法针对波导中多个波长下的纵向多个模式进行复用与解复用，并采用Rowland圆来设计混合复用器件的光栅齿面、输入波导及输出波导，可以仅使用单个蚀刻衍射光栅器件来实现一次性对多个模式进行复用或解复用,不需要堆叠器件。同时，本设计中采用的纵向多模波导相比传统的横向多模波导的弯曲半径大幅减小(通常可相差一到两个数量级)，从而大幅提高整个片上传输系统的集成度。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种混合模式复用器件的设计方法，包括以下步骤：
S1：采用纵向的模式复用，设计的纵向多模波导层结构在每一个工作波长下在纵向(垂直于芯片表面方向)上均能够支持三个或三个以上的多个模式。
传统的模式复用可以对M个模式进行复用，传统的波分复用可以对N个波长进行复用。如果对波长和模式进行混合复用，假设有N(2个或者2个以上)个波长，一个波长有M(3个或者3个以上)个模式，那么共N*M个信道可以利用，信道的容量就增加了N*M倍。本设计能一次性对N*M个信道同时进行复用或解复用。
S2：采用Rowland圆结构设计蚀刻衍射光栅以实现波长及模式的混合复用：
该纵向波导结构，以二氧化硅为衬底，以硅为波导芯层，覆盖层为空气或者二氧化硅，波导芯层高度大于0.5um，计算出选定的各个波长对应的多个纵向模式的有效折射率。
根据设计出来的波导结构，设计厚度相匹配的蚀刻衍射光栅来实现模式的复用与解复用。
所述步骤S2的具体过程如下：
S21：确定多个工作波长和衍射级次m；
S22：确定入射角θi为30～45°；
S23：确定中心波长下基模的衍射角θk为30～45°；
S24：根据光栅方程：
neffd(sinθi+sinθk)＝mλ (1)
对波导中存在的多个波长以及各波长对应的多个模式，根据各个波长对应的各模式的等效折射率分别计算出各个波长下各模式对应的衍射角；
S25：根据以上参数设计光栅齿面。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明针对波导中多个波长下的纵向多个模式进行复用与解复用，并采用Rowland圆来设计混合复用器件的光栅齿面、输入波导及输出波导，可以仅使用单个蚀刻衍射光栅器件来实现一次性对多个模式进行复用或解复用,不需要堆叠器件。同时，本设计中采用的纵向多模波导相比传统的横向多模波导的弯曲半径大幅减小(通常可相差一到两个数量级)，从而大幅提高整个片上传输系统的集成度。
附图说明
图1为蚀刻衍射光栅集成平面波导模式复用器件的原理示意图；
图2为平面反射光栅示意图，其中rR为罗兰圆的半径；2rR为光栅曲面的半径，是罗兰圆半径的2倍；Pg为光栅槽面；θi为光线入射角，θk为光线的衍射角。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图2所示，选用波导结构以二氧化硅为衬底，以硅为波导芯层，覆盖层为空气或者二氧化硅，波导芯层高度为1um.选取1550nm，1555nm作为工作波长，计算出各波长下波导所支持的3个纵向模式和它们对应的有效折射率n11,n12,n13,n21,n22,n23,。选取衍射级次为15，入射角θi为35°，中心波长(1550nm)下基模(即最低的一个模式)的衍射角θk为40°。
然后根据光栅方程：
neffd(sinθi+sinθk)＝mλ (1)
对波导中存在的多个波长下的多个模式，根据各模式的等效折射率分别计算出其余各模式对应的衍射角θk，此处除预先选定的中心波长下基模的衍射角外，还存在与其余5个模式对应的衍射角。根据光栅方程可以知道，对于不同的模式，由于有效折射率neff不同，故各模式分别对应于不同的衍射角，而衍射角决定了输出波导的位置。
EDG的工作原理为：将位于Rowland圆上对应于入射角的一点放置输入波导，则波导中传播的多个模式各自的光场进入EDG并被反射后，将根据有效折射率的不同汇聚成像于同一Rowland圆上对应于不同衍射角度的位置处，因而可以将输出波导放置于这些位置处，从而将不同的模式导出以实现多个模式的解复用。反之，反向应用该器件，将多个输出波导作为输入，将输入波导作为输出，则可以实现多个模式的复用。
确定了输入波导及输出波导在Rowland圆上对应的角度之后，即可选择合适的Rowland圆半径，本例中设为600微米，以使输出波导之间的间距足够大从而避免串扰，本例中其间距大于3微米。然后，以输入波导位置以及中心波长下基模对应的输出波导位置为基准，并利用以下关系：(1)光线从输入波导处到光栅第i个齿再回到中心波长下基模输出波导处的光程比光线从输入波导处到光栅第i+1个齿再回到中心波长下基模输出波导处的光程减少了中心波长的m倍。(2)所有光栅齿面中心位于与Rowland圆相切且半径为Rowland圆半径的2倍的大圆上，从而可以计算出所有光栅齿面的位置，完成EDG的设计。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种混合模式复用器件的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用纵向的模式复用，设计的纵向多模波导层结构在纵向即垂直于芯片表面方向上支持三个或三个以上的多个模式。
S2：设计蚀刻衍射光栅来实现多个波长与模式的混合复用：
该纵向波导结构，以二氧化硅为衬底，以硅为波导芯层，覆盖层为空气或者二氧化硅，波导芯层高度大于0.5um，计算出对应各个工作波长下可支持的多个模式的有效折射率。
根据设计出来的波导结构，设计厚度相匹配的蚀刻衍射光栅来实现模式的复用与解复用；
所述步骤S2的具体过程如下：
S21：确定二个或以上的工作波长和衍射级次m；
S22：确定入射角θi为30～45°；
S23：确定中心波长下基模的衍射角θk为30～45°；
S24：根据光栅方程：
neffd(sinθi+sinθk)＝mλ(1)
其中，neff为有效折射率，d为光栅常数，λ为工作波长，对波导中存在的多个波长以及各个波长对应的多个模式，根据各个波长对应的其余各模式的等效折射率分别计算出其余各模式对应的衍射角；
S25：根据以上参数设计光栅齿面。
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