CN106249355B - 基于硅基光波导模式匹配的模式复用解复用器 - Google Patents

基于硅基光波导模式匹配的模式复用解复用器 Download PDF

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Abstract

一种基于硅基光波导模式匹配的模式复用解复用器，当该模式复用解复用器用作复用器时，包括：n个宽度不同的条形波导为输入光波导，其中，第0输入光波导(10)为单模光波导，末端依次连接有锥形光波导(20)、多模光波导(30)、复用器输出端(40)，第n输入光波导(1n)末端依次连接有一个S形弯曲光波导结构(2n)、耦合区光波导(3n)、另一个S形弯曲光波导结构(4n)、一小段直波导(5n)、锥形波导(6n)，n>0；当该模式复用解复用器用作解复用器时，根据光路的可逆性，将复用器的输出端与输入端相互调换，即能够实现模式解复用，该模式复用解复用器成为解复用器。本发明结构简单，模式转换效率高，且能满足TE模式和TM模式的复用及解复用。

Description

基于硅基光波导模式匹配的模式复用解复用器
技术领域
本发明涉及光通信模式复用技术，尤其涉及模式复用解复用器。
背景技术
随着网络事业的发展，人们对光纤通信容量的需求越来越大，增加长距离通信容量的一个有效办法就是使用波分复用(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，因此成本很高，很大程度上限制它在光通信系统中的广泛应用。并且，由于单模光纤自身固有的非线性效应限制，单模光纤的传输容量已接近极限，无法满足人们对信息日益增长的需求。因此，模式复用技术被提出，利用多模光纤中的不同模式传输不同的信息。
模式复用中所使用的为少模光纤，少模光纤支持的模式数大于单模光纤，但小于传统的多模光纤，这样既能提供多个稳定信道又不至于引起大的模式色散。
目前，国内外对模式复用解决方案主要归纳为基于光纤结构、空间光学元件或者硅基波导的模式复用。由于空间光学元件无法实现全光纤通信，在光纤中实现模式控制又较为困难，由于人们对高容量、大带宽和集成化的光互联技术的需求，在同一芯片上实现光电集成是最佳途径，而硅基平面波导既能实现全光互联的集成并且对于偏振具有较好的保持能力。
模式复用技术的核心器件是模式复用解复用器，其作用与波分复用系统中的波分复用解复用器的作用相似。在模式复用系统中，主要是将基模转换到其它高阶模并且将多个模式耦合进入一根波导中传输，或者将高阶模转换到基模并且将这些基模分开进入不同的波导传输。由于高阶模的产生需要由基模转化，这转化过程不会是完全转换的，会残留一些基模，这就会产生模式间的串扰。文献[Dai D,Wang J,Shi Y,“Silicon mode(de)multiplexer enabling high capacity photonic networks-on-chip with a single-wavelength-carrier light”，Optics Letters(2013)1422-1424]给出了一种基于多级模式耦合的模式复用器，但是其结构中涉及到多个锥形光波导并且需要严格控制锥形波导的前后宽度，结构较为复杂。
因此，设计一种模式转换效率高、结构简单的模式复用解复用器是今后发展集成光互联的一项重要而有意义的工作
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明之目的在于提供一种结构简单、模式转换效率高的模式复用解复用器。
由此，本发明提供一种基于硅基光波导模式匹配的模式复用解复用器，
当该模式复用解复用器用作复用器时，该模式复用解复用器包括：n个宽度不同的条形波导为输入光波导，其中，第0输入光波导10为单模光波导，末端依次连接有锥形光波导20、多模光波导30、复用器输出端40，第n输入光波导1n末端依次连接有一个S形弯曲光波导结构2n、耦合区光波导3n、另一个S形弯曲光波导结构4n、一小段直波导5n、锥形波导6n，在上述说明中，n>0；
当该模式复用解复用器用作解复用器时，根据光路的可逆性，将上述复用器的输出端与输入端相互调换，即能够实现模式解复用，该模式复用解复用器成为解复用器。
作为优选方式，所述多模光波导30的宽度w0为固定值，能够支持TE0、TE1、…、TEn多个本征模式。
作为优选方式，所述锥形光波导20首尾两端的宽度分别为所述单模光波导的宽度、后面相连的所述多模光波导30宽度，所述锥形光波导20的锥度满足绝热条件，即光场经过所述锥形光波导之后不激发新的模式。
作为优选方式，所述第n输入光波导1n的宽度wn由所述第0输入光波导10的宽度w0决定，所述第n输入光波导1n的宽度wn满足：所述第0输入光波导10中传输的TE1、…、TEn模式场的有效折射率分别与所述第n输入光波导1n中传输的TE0模式场的有效折射率相等。
作为优选方式，当该模式复用解复用器用作复用器时，复用器耦合区域的长度满足如下条件：所述耦合区光波导3n的基模TE0完全耦合到所述多模光波导30的高阶TE模式；而当该模式复用解复用器用作解复用器时，解复用器耦合区域的长度满足如下条件：所述多模光波导30的高阶TE模式完全耦合到所述耦合区光波导3n的基模TE0。
作为优选方式，各个耦合区域之间相互错开一段距离，使得模式耦合时不会存在相互的串扰，提高模式转换效率。
作为优选方式，耦合区域之后依次的所述另一个S形弯曲光波导结构4n、一小段直波导5n、锥形波导6n，可以防止耦合区域末端的光散射出去影响耦合效率。
作为优选方式，所述锥形波导6n满足绝热条件，将剩余的光辐射出去而不影响消光比。
作为优选方式，所述模式复用解复用器，能够满足TM模式的匹配条件，以实现TM模式的复用及解复用。
作为优选方式，所述模式复用解复用器采用顶硅为340nm的全刻蚀结构。
本发明相比现有技术具有如下优点：
在模式复用解复用器耦合区的耦合较弱，使得模式转换效率更高；
本发明在结构上更为简单，实现了将多路信号分别加载在同一条多模波导的TE0、TE1、…、TEn多个模式上，实现n倍容量的数据传输，而且，也可以实现TM模式的复用及解复用，将偏振复用与模式复用结合在一起，进一步扩展数据的传输容量，即，本发明不仅能够实现TE0与高阶横模(TE，TM)的复用与解复用，还能够实现TM0与高阶横模(TE，TM)的复用与解复用。
附图说明
图1为本发明的模式复用器结构图。
图2为本发明的模式解复用器结构图。
图3为顶硅340nm的条形波导有效折射率与波导宽度的关系曲线。
图4为以三个模式为例的解复用器输入端输入TE0模式场后的模式传输图。
图5为以三个模式为例的解复用器输入端输入TE1模式场后的模式传输图。
图6为以三个模式为例的解复用器输入端输入TE2模式场后的模式传输图。
图7为以三个模式为例的解复用器在输入端分别输入TE0、TE1、TE2模式场后在输出端各端口能量分布图。
图8为以三个模式为例的复用器在输入波导10输入TE0模式场后的模式传输图。
图9为以三个模式为例的复用器在输入波导11输入TE0模式场后的模式传输图。
图10为以三个模式为例的复用器在输入波导12输入TE0模式场后的模式传输图。
图11为以三个模式为例的复用器分别在输入波导10、11、12输入TE0模式场后在输出端能量分布图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的模式复用解复用器的实施例。
在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间不一定按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。
参照图1至图9对本发明的模式复用解复用器的实施例进行说明。
图1为本发明的模式复用器结构图，图2为本发明的模式解复用器结构图。
如附图1所示，能够实现n倍容量传输的模式复用器结构，多个宽度不同的条形波导为输入光波导，其中：
第0输入光波导10为单模光波导，末端依次连接有锥形光波导20、多模光波导30、复用器输出端；
第n输入光波导1n末端依次连接有一个S形弯曲光波导结构2n、耦合区光波导3n、另一个S形弯曲光波导结构4n、一小段直波导5n、锥形波导6n。
以三个模式的复用解复用为例，详细介绍该设计的设计思路。
根据图3中的顶硅340nm的条形波导有效折射率与波导宽度的关系曲线，设置多模光波导30的宽度w0为固定值，使其能够支持TE0、TE1、TE2三个本征模式。根据曲线，由多模波导的宽度可以确定另外两个输入波导11、12的宽度w1、w2。其宽度的设计条件是：使波导10中传输的TE1、TE2模式场分别与波导11、12中传输的TE0模式场满足相位匹配条件，即有效折射率与传播常数相等。
由于复用器输入端是与光纤光栅相连，多模波导中能够传输的模式较多，为了确保输入端只有TE0模式输入，因此在第0输入波导与多模波导之间加入锥形光波导20，其首尾两端的宽度分别为单模光波导的宽度、后面相连的多模光波导30宽度，其锥度满足绝热条件，即光场经过锥形光波导之后不激发新的模式。
通过计算复用器耦合区域(31，32)的长度满足如下条件：耦合区光波导(31，32)的基模TE0完全耦合到多模光波导的TE1、TE2模式。
以图4、5、6为例，为复用器各输入波导分别输入TE0模式场后沿复用器结构传输的光场图。从图中能够看出光场在耦合区域完全由耦合区波导(31，32)耦合进入多模30中。
图7为复用器各输入波导分别输入TE0模式场后在输出端口的能量分布图。由此，也能看出三个输入波导输入TE0模式后经过复用在相应端口转换为TE0、TE1、TE2模式输出。
按照上述的设计思路，同样的可以设计TE0、TM0与高阶横模的复用与解复用器。
如图1中所示各个耦合区域之间相互错开一段距离，使得模式耦合时不会存在相互的串扰，提高模式转换效率。而且，耦合区域之后依次连接一段S形弯曲光波导结构4n、一小段直波导5n、锥形波导6n，可以防止耦合区域末端的光散射出去影响耦合效率。锥形波导6n满足绝热条件，将剩余的光辐射出去而不影响消光比。
根据光路的可逆性，将复用器的输出端与输入端相互调换，即可实现模式解复用。
解复用器耦合区域的长度满足如下条件：多模光波导的TE1、TE2模式完全耦合到耦合区光波导(31，32)的基模TE0。
以图8、9、10为例，为解复用器输入端分别输入TE0、TE1、TE2模式场后沿解复用器结构传输的光场图。从图中能够看出光场在耦合区域完全由多模光波导30耦合进入耦合区波导(31，32)中。
图11为解复用器输入端分别输入TE0、TE1、TE2模式场后在输出端三个端口的能量分布图。由此，也能看出TE0、TE1、TE2模式在经过解复用后在相应端口转换为基模TE0输出。
以上对本发明的模式复用解复用器的实施方式进行了说明。对于本发明的模式复用解复用器的具体特征如形状、尺寸和位置可以上述披露的特征的作用进行具体设计，这些设计均是本领域技术人员能够实现的。而且，上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据发明之目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。

Claims (9)

1.一种基于硅基光波导模式匹配的模式复用解复用器，
当该模式复用解复用器用作复用器时，该模式复用解复用器包括：n个宽度不同的条形波导为输入光波导，其中，第0输入光波导(10)为单模光波导，末端依次连接有锥形光波导(20)、多模光波导(30)、复用器输出端(40)，第n输入光波导(1n)末端依次连接有一个S形弯曲光波导结构(2n)、耦合区光波导(3n)、另一个S形弯曲光波导结构(4n)、一小段直波导(5n)、锥形波导(6n)，在上述说明中，n>0；
当该模式复用解复用器用作解复用器时，根据光路的可逆性，将上述复用器的输出端与输入端相互调换，即能够实现模式解复用，该模式复用解复用器成为解复用器；
所述多模光波导(30)的宽度(w0)为固定值，能够支持TE0、TE1、…、TEn多个本征模式。
2.根据权利要求1所述的模式复用解复用器，其中，所述锥形光波导(20)首尾两端的宽度分别为所述单模光波导的宽度、后面相连的所述多模光波导(30)宽度，所述锥形光波导(20)的锥度满足绝热条件，即光场经过所述锥形光波导之后不激发新的模式。
3.根据权利要求1所述的模式复用解复用器，其中，所述第n输入光波导(1n)的宽度(wn)由所述第0输入光波导(10)的宽度(w0)决定，所述第n输入光波导(1n)的宽度(wn)满足：所述第0输入光波导(10)中传输的TE1、…、TEn模式场的有效折射率分别与所述第n输入光波导(1n)中传输的TE0模式场的有效折射率相等。
4.根据权利要求1所述的模式复用解复用器，其中，
当该模式复用解复用器用作复用器时，复用器耦合区域的长度满足如下条件：所述耦合区光波导(3n)的基模TE0完全耦合到所述多模光波导(30)的高阶TE模式；
当该模式复用解复用器用作解复用器时，解复用器耦合区域的长度满足如下条件：所述多模光波导(30)的高阶TE模式完全耦合到所述耦合区光波导(3n)的基模TE0。
5.根据权利要求1所述的模式复用解复用器，其中，各个耦合区域之间相互错开一段距离，使得模式耦合时不会存在相互的串扰，提高模式转换效率。
6.根据权利要求1所述的模式复用解复用器，其中，耦合区域之后依次的所述另一个S形弯曲光波导结构(4n)、一小段直波导(5n)、锥形波导(6n)，可以防止耦合区域末端的光散射出去影响耦合效率。
7.根据权利要求1所述的模式复用解复用器，其中，所述锥形波导(6n)满足绝热条件，将剩余的光辐射出去而不影响消光比。
8.根据权利要求1所述的模式复用解复用器，能够满足TM模式的匹配条件，以实现TM模式的复用及解复用。
9.根据权利要求1所述的模式复用解复用器，采用顶硅为340nm的全刻蚀结构。
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