CN107144918B - 基于正弦空间调制的阵列波导 - Google Patents

基于正弦空间调制的阵列波导 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于正弦空间调制的阵列波导，包括：至少两条并行传输的波导；其中，至少两条并行传输的波导在空间上沿着传输方向经由正弦波调制。在波导间隔很小的情况下，通过将阵列波导在空间上进行正弦调制，并选择调制参数，保证了相邻的两条波导并行无耦合传输，既实现了高密度、低串扰，又显著减小了阵列波导的占地面积，并且还能通过优化设置调制参数以减小传输损耗。

Description

基于正弦空间调制的阵列波导
技术领域
本公开属于光通讯领域，涉及一种基于正弦空间调制的阵列波导。
背景技术
阵列波导是实现光器件如波分复用器、光学相控阵列等的基本结构，高密度的阵列波导有助于波分复用器波长分辨率和光学相控阵列性能的提高。另一方面，空分复用可以进一步提高光通信和光互连的通信容量，其需要高密度无串扰的多模波导或者阵列波导。因而实现阵列波导的高密度、低串扰是提高光器件性能的关键。
传统的阵列波导的波导宽度和波导间隔都相等，一般为了保证相邻波导之间没有耦合，将其间隔设置的较大，那么导致阵列波导需要占用很大的面积，不利于集成。之后有研究提出了一种改进的波导超晶格结构，使波导的宽度彼此不同，可以在较小波导间隔下实现阵列波导的高密度低串扰传输，但是这种结构的每个波导宽度都需要特殊的设计，不利于工程化、成本较高。另外也有研究提出利用弯曲波导来实现小间隔，并且降低各个波导之间的串扰，从而减小其占用面积，但是该结构对波导的弯曲半径有限制，使得能够高密度低串扰传输的波导数目有限。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于正弦空间调制的阵列波导，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种基于正弦空间调制的阵列波导，包括：至少两条并行传输的波导；其中，至少两条并行传输的波导在空间上沿着传输方向经由正弦波调制。
在本公开的一些实施例中，至少两条并行传输的波导的调制参数满足：至少两条并行传输的波导的对称耦合模式和反对称耦合模式的有效传播常数差等于零，使相邻波导间无耦合。
在本公开的一些实施例中，调制参数包括：波导宽度，相邻波导间隔，正弦空间调制振幅以及正弦空间调制周期。
在本公开的一些实施例中，至少两条并行传输的波导的调制参数满足：
其中，Δβeff为对称耦合模式和反对称耦合模式的有效传播常数差；βeven为对称耦合模式的传播常数；βodd为反对称耦合模式的传播常数；J0为零阶贝塞尔函数；neff为单独一根波导存在的模式的有效折射率；W为波导宽度；D为波导间隔；A为正弦空间调制振幅；T为正弦空间调制周期。
在本公开的一些实施例中，至少两条并行传输的波导的调制参数还满足：最小曲率半径的值为最大，使波导的传输损耗最小，其中，最小曲率半径满足：
Rmin＝T2/4π2A
其中，Rmin为最小曲率半径。
在本公开的一些实施例中，至少两条并行传输的波导具有相同的尺寸。
在本公开的一些实施例中，所有波导在空间上由相同的调制参数进行调制。
在本公开的一些实施例中，至少两条并行传输的波导中，相邻两个波导之间的间隔相等。
在本公开的一些实施例中，波导为平面波导或非平面波导。
在本公开的一些实施例中，平面波导为以下波导类型中的一种：条波导、脊波导、圆波导、椭圆波导以及狭缝波导；或非平面波导包括光纤。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明提供的基于正弦空间调制的阵列波导，至少具有以下有益效果之一：
1、在两条相邻的波导间隔很小的情况下，它们之间会存在对称以及非对称的耦合，通过将阵列波导在空间上进行正弦调制，可以保证两条波导并行无耦合传输，显著减小了阵列波导的占地面积，同时还保证了高密度、无串扰；
2、相邻波导的波导尺寸和波导间隔都相等，波导尺寸选择自由，易于设计，且阵列波导的数目可以无限扩展；
3、通过选择正弦空间调制的参数，可以使最小弯曲半径尽可能的大，从而降低传输损耗。
附图说明
图1为根据本公开第一实施例包括2个正弦空间调制周期，16条并行传输波导的阵列波导结构示意图。
图2为根据本公开一些实施例采用有限时域差分方法模拟的阵列波导光谱输出曲线，其中，该波导阵列为图1所示的阵列波导结构，光分别从16条波导输入。
图3为根据本公开第二实施例包括1个正弦空间调制周期，2条并行传输波导的阵列波导结构示意图。
图4为根据本公开一些实施例采用有限时域差分方法模拟的阵列波导光谱输出曲线，其中，该波导阵列为图3所示的阵列波导结构，光从其中的一个波导输入。
【符号说明】
101～116：第一实施例中第1根到第16根并行传输的波导；
201：第二实施例中第一根并行传输的波导；
202：第二实施例中第二根并行传输的波导；
310：第一个正弦空间调制周期；
320：第二个正弦空间调制周期；
T：正弦空间调制周期；
A：正弦空间调制振幅；
W：波导宽度；
G：波导间隔。
具体实施方式
本公开提供了一种基于正弦空间调制的阵列波导，在波导间隔很小的情况下，通过将阵列波导在空间上进行正弦调制，并选择调制参数，保证了相邻的两条波导并行无耦合传输，既实现了高密度、低串扰，又显著减小了阵列波导的占地面积，并且还能通过优化设置调制参数以减小传输损耗。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于正弦空间调制的阵列波导。
图1为根据本公开第一实施例包括2个正弦空间调制周期，16条并行传输波导的阵列波导结构示意图。如图1所示，本公开提出了一种基于正弦空间调制的阵列波导包括：至少两条并行传输的波导；且所有波导在空间上沿着传输方向经由正弦波调制。
下面对本实施例的基于正弦空间调制的阵列波导进行详细介绍。
本公开中并行传输的波导数目不做限制，可以无限扩展，在实际实施过程中，优选2～100条之间的任何正整数，包括2条和100条；在本实施例中，并行传输的波导数目为16个，且该波导为条波导；而本公开的波导涵盖平面波导或非平面波导，其中，平面波导包括：条波导、脊波导、圆波导、椭圆波导和狭缝波导等，非平面波导可以是光纤；
正弦波在空间上调制所有波导的周期这里称作正弦空间调制周期T，正弦波在空间上调制所有波导的振幅这里称作正弦空间调制振幅A，正弦空间调制周期T为正整数，小于相同参数下两条直波导耦合周期，实现对阵列波导的1个或多个周期调制，在本实施例中，正弦空间调制周期为2个；
本实施例中选用的16条并行传输波导的尺寸和相邻两个波导之间的间隔都相等，且16条并行传输波导经过相同的空间调制，即具有相同的正弦空间调制周期T和正弦空间调制振幅A，如图1中呈现的其他波导在空间上等价于某一条波导平移的状态；
此外，本实施例的基于正弦空间调制的阵列波导基于绝缘体上硅(SOI)材料，顶硅层的厚度为220nm。
该基于正弦空间调制的阵列波导的调制参数的设计原则为：高密度、低串扰，因此要求相邻两个并行传输的波导之间的波导间隔尽可能的小，而且相邻波导之间没有耦合，并且使波导的最小弯曲半径尽可能的大，以减小传输损耗。
根据耦合模理论，当两条具有相同尺寸的波导间隔较小时，波导内原有的模式会相互耦合形成对称模式和反对称模式，这两个模式具有不同的传播常数，在传输时会相互干涉。当存在正弦空间调制时，对称模式和反对称模式的有效传播常数差可以用贝塞尔函数表示，取适当的调制参数，可以使得对称模式和反对称模式的有效传播常数差等于零，即对称模式和反对称模式之间没有干涉，此时可以保证两条波导无耦合传输。
依据耦合模理论获得相邻波导之间没有耦合的调制参数，具体方法如下：
当两条具有相同的尺寸的直波导间隔较小时，两条波导内原有的模式会相互耦合，并形成对称和反对称两个新的耦合模式，这两个耦合模式的传播常数可以分别表示为βeven和βodd，当存在正弦空间调制时，这两个模式的有效传播常数差可以表示为如下表达式：
其中，Δβeff为对称耦合模式和反对称耦合模式的有效传播常数差；βeven为对称耦合模式的传播常数；βodd为反对称耦合模式的传播常数；J0为零阶贝塞尔函数；neff为单独一根波导存在的模式的有效折射率；W为波导宽度；D为波导间隔；A为正弦空间调制振幅；T为正弦空间调制周期；
取对称耦合模式和反对称耦合模式的有效传播常数差等于零的调制参数值，即为满足相邻波导之间没有耦合的调制参数。
更进一步，在保证两条波导无耦合传输的正弦调制参数下，波导的最小曲率半径可以计算为Rmin＝T2/4π2A，选取适当的调制周期和调制振幅使最小弯曲半径尽可能的大，从而可以获得较小的传输损耗。
依据上面的设计方法，本实施例中波导宽度为500nm，波导间隔为400nm，调制周期为15μm，调制振幅为624nm；以上调制参数的设置使得相邻的两个波导之间没有耦合；而非相邻波导之间的间隔大于等于1.3μm，再加上正弦空间调制的抑制耦合作用，可以认为非相邻波导之间也无耦合，因此，该实施例的基于正弦空间调制的阵列波导实现了高密度、无串扰，此外，此时波导传输的最小弯曲半径约为9μm，波导的传输损耗较小。
图2为根据本公开一些实施例采用有限时域差分方法模拟的阵列波导光谱输出曲线，其中，该波导阵列为图1所示的阵列波导结构，光分别从16条波导输入。由图2可知，从不同波导输入的情况下，有限时域差分仿真结果表明波导之间的耦合在-30dB以下，且插入损耗很小。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种基于正弦空间调制的阵列波导。在此实施例中，区别于第一实施例，只采用两根并行传输的条波导，在一个正弦空间调制周期下进行结构设计。图3为根据本公开第二实施例包括1个正弦空间调制周期，2条并行传输波导的阵列波导结构示意图。如图3所示，该阵列波导的波导为条波导，波导宽度500nm，波导间隔400nm，调制周期为15μm，按照公式(1)计算，使对称模式和反对称模式的有效传播常数差为0的调制振幅为644nm，结合有限时域差分方法，选择调制振幅为624nm，此时两波导之间的串扰最小。图4为根据本公开一些实施例采用有限时域差分方法模拟的阵列波导光谱输出曲线，其中，该波导阵列为图3所示的阵列波导结构，光从其中的一个波导输入。当光从波导201输入时，两根波导光谱输出曲线如图4所示，在1500nm～1600nm波长范围内，串扰小于-38dB。
本实施例中该阵列波导也是基于绝缘体上硅(SOI)材料，顶层硅的厚度为220nm。
需要强调的是，以上实施例中提到的阵列波导的波导数目以及正弦空间调制周期是可变的，随着实际情况进行选择；承载波导的SOI材料也是作为一个例子进行说明，实际应用中可以采用本领域常见的技术手段；此外，作为较佳实施例，以上将相邻波导的波导尺寸和波导间隔都设置为相等，是出于波导尺寸选择自由，易于设计的角度，实际应用中可以做相应变化，只要其调制参数满足相邻波导之间没有耦合的条件即可。
综上所述，本公开提供了一种基于正弦空间调制的阵列波导，在波导间隔很小的情况下，通过将阵列波导在空间上进行正弦调制，并选择调制参数，保证了相邻的两条波导并行无耦合传输，既实现了高密度、低串扰，又显著减小了阵列波导的占地面积，并且还能通过优化设置调制参数以减小传输损耗。
应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在上述描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本公开有任何限制，而只是本公开实施例的示例。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
应该注意的是上述实施例对本公开进行说明而不是对本公开进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于正弦空间调制的阵列波导，包括：
至少两条并行传输的波导；
其中，所述至少两条并行传输的波导在空间上沿着传输方向经由正弦波调制；
其中，所述至少两条并行传输的波导的调制参数满足：所述至少两条并行传输的波导的对称耦合模式和反对称耦合模式的有效传播常数差等于零，使相邻波导间无耦合；
所述调制参数包括：波导宽度，相邻波导间隔，正弦空间调制振幅以及正弦空间调制周期。
2.根据权利要求1所述的阵列波导，其中，所述至少两条并行传输的波导的调制参数满足：
其中，Δβeff为对称耦合模式和反对称耦合模式的有效传播常数差；βeven为对称耦合模式的传播常数；βodd为反对称耦合模式的传播常数；J0为零阶贝塞尔函数；neff为单独一根波导存在的模式的有效折射率；W为波导宽度；D为波导间隔；A为正弦空间调制振幅；T为正弦空间调制周期。
3.根据权利要求1所述的阵列波导，其中，所述至少两条并行传输的波导的调制参数还满足：最小曲率半径的值为最大，使波导的传输损耗最小，其中，最小曲率半径满足：
Rmin＝T2/4π2A
其中，Rmin为最小曲率半径。
4.根据权利要求1所述的阵列波导，其中，所述至少两条并行传输的波导具有相同的尺寸。
5.根据权利要求1所述的阵列波导，其中，所有波导在空间上由相同的调制参数进行调制。
6.根据权利要求1所述的阵列波导，其中，所述至少两条并行传输的波导中，相邻两个波导之间的间隔相等。
7.根据权利要求1至5任一项所述的阵列波导，其中，所述波导为平面波导或非平面波导。
8.根据权利要求7所述的阵列波导，其中，
所述平面波导为以下波导类型中的一种：条波导、脊波导、圆波导、椭圆波导以及狭缝波导；或
所述非平面波导包括光纤。
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