CN107884877A - 一种少模波导 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种少模波导，包括波导区和包层，包层包括基质材料、排布在矩形网格结点上的第一高折射率介质柱以及位于基质材料一侧的高折射率介质包层区；M×M个排布在矩形网格结点上的第二高折射率介质柱以及包围在第二高折射率介质柱中的基质材料组成波导区，所述波导区支持至少E21模的传输，所述高折射率介质包层区和所述波导区分别位于第一高折射率介质柱的两侧；本发明采用正方结构波导，使波导区基模更容易与包层模形成耦合，采用高折射率包层区破坏包层模的全内反射传输条件，形成大的泄露损耗，从而实现滤模的目的。同时，基于传统波导传输原理，使波导区高阶模被很好地束缚在波导区，可实现高阶模低损耗传输。

Description

一种少模波导
技术领域
本发明涉及通信传输领域，具体为一种具有选择性滤模特性的少模波导。
背景技术
单模光纤的通信容量随着时分复用、波分复用、偏振复用等技术的不断发展，已经接近于其理论极限，进一步提高单根光纤通信容量的方法，是空分复用技术。空分复用技术分为多芯光纤复用和模分复用技术。基于少模光纤的模分复用(MDM)技术可以将少模光纤中的每一个模式都做为单独的信息传输通道，从而使光纤的通信容量成倍增加。
模分复用的关键技术是模式转换器和模分复用器/解复用器。模式转换器是实现将光纤中的基模转换为高阶模或者相反过程的器件，特别是基模向高阶模转换时，容易出现基模未能完全转换等情况，导致剩余的基模能量与高阶模同时传输，成为影响光纤传输性能的串扰。在多芯光纤上刻长周期光纤光栅[Optics Letters,2015,40(2):292-5]，这种光纤间的模式转换效率很高，但是仍然存在模式转换不完全的情形。模分复用器/解复用器同样容易存在转换不完全，从而引起串扰的情形。有人采用不对称Y结设计[OpticsLetters,2014,39(8):2306-9]，相比于传统结构有效提高了复用器的转换效率，但依然存在模式串扰。
因此，研制能够有效滤除少模光纤中特定模式的器件可以提高器件的性能和效果
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种具有选择性滤模特性的少模波导。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种少模波导，包括波导区和包层，所述包层包括基质材料、排布在矩形网格结点上的第一高折射率介质柱以及位于所述基质材料一侧的高折射率介质包层区，所述高折射率介质包层区和基质材料组成矩形；
M×M个排布在矩形网格结点上的第二高折射率介质柱以及包围在第二高折射率介质柱中的基质材料组成波导区，所述波导区支持至少E21模的传输，所述高折射率介质包层区和所述波导区分别位于第一高折射率介质柱的两侧；
所述第一高折射率介质柱、第二高折射率介质柱以及高折射率介质包层区的折射率相等，均为nh，所述基质材料的折射率为nb，所述nh>nb；
所述第一高折射率介质柱的横截面积大于第二高折射率介质柱的横截面积，所述第一高折射率介质柱的周期为Λ1，所述第二高折射率介质柱周期为Λ2，Λ1>Λ2。
优选地，所述第一高折射率介质柱的列数为P，PΛ1>MΛ2。
优选地，所述第一高折射率介质柱和基质材料组成的微结构区域可传输的模式形成超模群，所述超模群中最低阶模式的有效折射率的和最高阶模式的有效折射率形成的区间为超模群区间，在工作波长范围内，至少有一个波导区模式的有效折射率位于超模群区间。
优选地，所述第一高折射率介质柱的基模有效折射率与波导基模有效折射率相等。
优选地，所述第一高折射率介质柱的周期Λ1的取值范围为：6～16μm，所述第一高折射率介质柱的周期Λ1、第一高折射率介质柱的边长d1之间的关系为：d1/Λ1＝0.3～0.5。
优选地，所述第一高折射率介质柱与基质材料的折射率差关系为：nh-nb＝0.005～0.03。
优选地，所述第一高折射率介质柱的列数P为2～5。
优选地，所述第二高折射率介质柱的周期Λ2的取值范围为：2～5μm，第二高折射率介质柱的周期Λ2、第二高折射率介质柱的边长d2之间的关系为：d2/Λ2＝0.4～0.6。
优选地，所述高折射率介质包层区与基质材料的边界与最接近的第一高折射率介质柱之间的距离d满足d＝0.4～1μm。
本发明的有益效果：
1)本发明采用矩形结构波导，使波导区基模更容易与包层模形成耦合，采用高折射率包层区破坏包层模的全内反射传输条件，形成大的泄露损耗，从而实现滤模的目的。同时，基于传统波导传输原理，使波导区的高阶模被很好地束缚在波导区，可实现高阶模低损耗传输。
2)本发明结构依据波导制备特点和要求，仅采用两种不同折射率材料组成，引入微结构波导概念、多层介质柱耦合机制和高折射率层滤模机制，实现了对波导区模式的有效滤除。
3)本发明在包层中的第一高折射率介质柱的一侧增加了一层折射率与第一高折射率介质柱相同的高折射率包层区，当高折射率包层区与第一高折射率介质柱的距离较近时，其就会破坏第一高折射率介质柱中模式的全内反射机制，从而实现滤除波导区内模式的目的。
附图说明
图1为本发明所述一种少模波导的横截面示意图。
图2为本发明所述少模波导包层模与波导基模色散特性。
图3为本发明所述包层中的单个缺陷模的模场分布图；
图4为图1中少模波导的基模(a)和高阶模(b)在波长为1550nm时的模场分布图；
图5为本发明所述少模波导的波导基模与高阶模的损耗随波长的变化曲线。
其中：1.基质材料；2.第一高折射率介质柱；3.第二高折射率介质柱；4.高折射率包层区。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的一种少模波导，包括波导和包层，该包层由基质材料1，周期性排布在基质材料1上的第一高折射率介质柱2组成，第一高折射率介质柱2位于矩形结构的网格节点上。波导区由M×M个排布在矩形网格结点上的第二高折射率介质柱3以及包围在第二高折射率介质柱3中的基质材料1组成。本实施例中，M取值为5，该波导区支持至少E21模的传输，高折射率介质包层区4和所述波导分别位于第一高折射率介质柱2的两侧。
第一高折射率介质柱2、第二高折射率介质柱3以及高折射率介质包层区4的折射率相等，均为nh，基质材料1的折射率为nb，nh>nb；第一高折射率介质柱2的横截面积大于第二高折射率介质柱3的横截面积，所述第一高折射率介质柱2的周期为Λ1，所述第二高折射率介质柱3周期为Λ2，Λ1>Λ2。同时，第一高折射率介质柱2的列数P与第一高折射率介质柱2的周期Λ1，第二高折射率介质柱3的列数M与第二高折射率介质柱3的周期Λ2之间满足：PΛ1>MΛ2。
进一步地，如图2所示，为本发明所述少模波导的包层模与波导区基模色散特性。第一高折射率介质柱2和基质材料1组成的微结构区域可传输的模式形成超模群，超模群中最低阶模式的有效折射率的和最高阶模式的有效折射率形成的区间为超模群区间。在工作波长范围内，波导区基模的有效折射率处于超模群区间，该模式与超模区间的某个模式发生耦合。超模的有效折射率位于以第一高折射率介质柱2基模有效折射率为中心的一个区间内。因而，在更为理想的情况下，波导区基模的有效折射率与第一高折射率介质柱2的基模相等。第一高折射率介质柱2的周期不宜过小，否则将等效成一个大的介质柱，可传输多个模式。第一高折射率介质柱2周期过大时，介质柱间的耦合效果将降低。因此，第一高折射率介质柱2的周期Λ1的取值范围为：6～16μm。为保证波导产品的质量，第一高折射率介质柱2与基质材料1的折射率差关系为：nh-nb＝0.005～0.03。第一高折射率介质柱2仅支持单模传输，同时其模式有效折射率与基质材料1的折射率需存在一定的差值，周期Λ1与边长d1之间的关系为：d1/Λ1＝0.3～0.5。
基质材料1和第二高折射率介质柱3组成的波导区结构不同于基质材料1和第一高折射率介质柱2组成的包层微结构，对于微结构波导，第二高折射率介质柱3与基质材料1组成一个等效的均匀折射率波导，其等效折射率低于第二高折射率介质柱3而高于基质材料1。而由包层中的第一高折射率介质柱2中传输的模式则是第一高折射率介质柱2之间由于模式耦合而形成的超模，超模的有效折射率分布在单个第一高折射率介质柱2的模式的有效折射率为中心的一个区域内。第二高折射率介质柱3的周期Λ2的取值范围为：2～5μm。第二高折射率介质柱3的周期Λ2、第二高折射率介质柱3的边长d2之间的关系为：d2/Λ2＝0.4～0.6。
由图3可见，单个包层模可传输基模。如图4所示，包层模与少模波导的波导区满足耦合理论，两者发生耦合。包层接近高折射率区，将导致波导区基模产生较大的泄露损耗。此外，该波导区可传输E12模。增加第一高折射率介质柱2的层数使得由包层介质柱与背景材料组成的微结构区域可传输的模式形成超模群内的相邻模式间的有效折射率更为接近，这为包层模与波导区基模间的耦合提供了更多的渠道。同时，考虑到加工工艺的难度，第一高折射率介质柱2的列数P为2～5。高折射率介质包层区4与基质材料1的边界与相邻最接近的第一高折射率介质柱2之间的距离d直接影响波导区E11模和E12模的损耗，为保证E11模的损耗高于5dB/cm，E12模的损耗低于0.05dB/cm，d满足d＝0.4～1μm。
由图5可见，波导的模式损耗与光波长直接相关。随着波长的增大，模式损耗呈增大趋势。
本发明在其包层区设置一具有强泄露特性的缺陷模，使波导区的特定模式与具有强泄露特性的缺陷模发生耦合，从而使波导区的特定模式被滤除，而其它模式与上述缺陷模不发生耦合，保持低损耗传输。根据耦合理论，若相邻两个波导区中的模式满足相位匹配条件，即其有效折射率相等，则这两个模式就可能发生耦合，即便两者有效折射率有些小的差异，也可能会发生部分耦合。缺陷模波导应为单模波导，即缺陷的基模与波导区的特定模式发生耦合。若缺陷模为少模传输，则其高阶模也极易与波导的高阶模发生耦合，从而影响波导区中高阶模的传输特性。
本发明考虑波导区基模的滤除，由于波导区的尺寸更大，在相同的折射率前提下，波导区的基模有效折射率必然大于缺陷波导的基模。为此，本发明提出以微结构的波导区，降低其等效折射率，从而使其基模能够与缺陷波导的基模有效折射率匹配。包层区仅存在单个模式并且波导区存在多种模式，因此第一高折射率介质柱2的周期Λ1，第二高折射率介质柱3周期Λ2之间满足：Λ1>Λ2。同时，考虑到波导制备工艺难度，波导列数M为：3～7。
即使波导区模式能够与第一高折射率介质柱2内的模式发生耦合，由于波导区和第一高折射率介质柱2的折射率均高于基质材料1，因而，本发明所述的少模波导中传输的所有模式仍然满足全内反射原理，因而，波导区基模仅是与第一高折射率介质柱2的模式发生耦合，而不会被衰减，为了使要波导区基模能够有效被去除，本发明在包层中的第一高折射率介质柱2的一侧增加了一层折射率与第一高折射率介质柱2相同的高折射率包层区4，当高折射率包层区4与第一高折射率介质柱2的距离较近时，其就会破坏第一高折射率介质柱2中模式的全内反射机制，从而实现滤除波导区基模的目的。
下面以聚合物波导，以工作波长为1055nm为例。
少模波导结构如图1所示，基质材料1折射率为1.559，第一高折射率介质柱2与基质材料1的折射率差为0.02，高折射率介质柱的边长为d1＝2.5μm，周期Λ1＝8μm。波导区由基质材料1和9～49个第二高折射率介质柱3组成。第二高折射率介质柱3与第一高折射率介质柱2的折射率相同，边长d2＝1.4μm，周期Λ2＝3.1μm。波导区基模损耗高于7dB/cm，高阶模E12模的损耗低于0.05dB/cm，有效实现了E12模低损耗传输和E11模滤除。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种少模波导，其特征在于，包括波导区和包层，所述包层包括基质材料(1)、排布在矩形网格结点上的第一高折射率介质柱(2)以及位于所述基质材料(1)一侧的高折射率介质包层区(4)，所述高折射率介质包层区(4)和基质材料(1)组成矩形；
M×M个排布在矩形网格结点上的第二高折射率介质柱(3)以及包围在第二高折射率介质柱(3)中的基质材料(1)组成波导区，所述波导区支持至少E21模的传输，所述高折射率介质包层区(4)和所述波导区分别位于第一高折射率介质柱(2)的两侧；
所述第一高折射率介质柱(2)、第二高折射率介质柱(3)以及高折射率介质包层区(4)的折射率相等，均为nh，所述基质材料(1)的折射率为nb，所述nh>nb；
所述第一高折射率介质柱(2)的横截面积大于第二高折射率介质柱(3)的横截面积，所述第一高折射率介质柱(2)的周期为Λ1，所述第二高折射率介质柱(3)周期为Λ2，Λ1>Λ2。
2.根据权利要求1所述的少模波导，其特征在于，所述第一高折射率介质柱(2)的列数为P，PΛ1>MΛ2。
3.根据权利要求1所述的少模波导，其特征在于，所述第一高折射率介质柱(2)和基质材料(1)组成的微结构区域可传输的模式形成超模群，所述超模群中最低阶模式的有效折射率的和最高阶模式的有效折射率形成的区间为超模群区间，在工作波长范围内，至少有一个波导区模式的有效折射率位于超模群区间。
4.根据权利要求1所述的少模波导，其特征在于，所述第一高折射率介质柱(2)的基模有效折射率与波导区基模有效折射率相等。
5.根据权利要求1所述的少模波导，其特征在于，所述第一高折射率介质柱(2)的周期Λ1的取值范围为：6～16μm，所述第一高折射率介质柱(2)的周期Λ1、第一高折射率介质柱(2)的边长d1之间的关系为：d1/Λ1＝0.3～0.5。
6.根据权利要求1所述的少模波导，其特征在于，所述第一高折射率介质柱(2)与基质材料(1)的折射率差关系为：nh-nb＝0.005～0.03。
7.根据权利要求1所述的少模波导，其特征在于，所述第一高折射率介质柱(2)的列数P为2～5。
8.根据权利要求1所述的少模波导，其特征在于，所述第二高折射率介质柱(3)的周期Λ2的取值范围为：2～5μm，第二高折射率介质柱(3)的周期Λ2、第二高折射率介质柱(3)的边长d2之间的关系为：d2/Λ2＝0.4～0.6。
9.根据权利要求1所述的少模波导，其特征在于，所述高折射率介质包层区(4)与基质材料(1)的边界与最接近的第一高折射率介质柱(2)之间的距离d满足d＝0.4～1μm。
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