CN108196339B - 一种片上模式复用解复用器件 - Google Patents

一种片上模式复用解复用器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种片上模式复用解复用器件。本发明的片上模式解复用器件包括若干解复用单元，每一解复用单元包括一桥型耦合器和一模式转换器；桥型耦合器包括并排放置的三根多模波导A、B、C；模式m为第i个解复用单元的桥型耦合器中的最高阶模式，模式m在该第i个解复用单元的桥型耦合器的波导A、B、C中形成三个有效折射率成等差数列的超模，该第i个解复用单元的所述桥型耦合器的长度满足只耦合输出该模式m；桥型耦合器的波导C作为模式输出端与模式转换器连接，模式转换器用于将输入的模式转换到基模耦合输出；相邻解复用单元通过波导A连接。复用器件与解复用结构完全对称，使用方法上反过来。本发明大大提高了模式复用器件的性能。

Description

一种片上模式复用解复用器件
技术领域
本发明属于光通信传输领域，涉及一种片上模式复用解复用器件，涉及基于超模理论的桥型耦合结构，以及基于椭圆或半椭圆型器件的模式转换器。
背景技术
随着对光通信容量的需求不断增加，传统的偏振复用、波分复用已经难以满足持续增长的需求，近年来，模式复用正在得到越来越多的重视。模式复用通过利用多模波导或者光纤中的若干正交本征模作为传播信息的载体，增加了更多的维度，从而增大通信容量。
片上模式复用器已在多篇文献中有所论述。通常地，片上模式复用器采用非对称定向耦合器作为模式复用解复用结构。然而非对称定向耦合器具有较小的加工容差，会降低器件的性能，增大模式的损耗。为了解决这一问题，本发明提出一种新型的模式复用解复用结构。
发明内容
本发明提供一种片上模式复用解复用器件方案，以及实现该结构的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种片上模式解复用器件，其特征在于，包括若干解复用单元，每一解复用单元包括一桥型耦合器和一模式转换器；所述桥型耦合器包括并排放置的三根多模波导，分别依次记为波导A、B、C；模式m为波导A、B、C都支持的且当前输入到第i个解复用单元的所述桥型耦合器中的最高阶模式，模式m在该第i个解复用单元的所述桥型耦合器的波导A、B、C中形成三个有效折射率成等差数列的超模，该第i个解复用单元的所述桥型耦合器的长度满足只耦合输出该模式m；所述桥型耦合器的波导C作为模式输出端与所述模式转换器连接，所述模式转换器用于将输入的模式转换到基模耦合输出；第i个解复用单元的所述桥型耦合器中的波导A与相邻的解复用单元的所述桥型耦合器中的波导A连接。
进一步的，所述模式转换器包括用于将偶阶模转基模的模式转换器，用于将奇阶模转基模的模式转换器。
进一步的，所述用于将偶阶模转基模的模式转换器为左右对称波导结构，用于将奇阶模转基模的模式转换器为非左右对称波导结构。
进一步的，所述用于将偶阶模转基模的模式转换器为椭圆型模式转换器，其由两个半椭圆型波导结构的半短轴相贴对接组成，两个半椭圆分别所属的椭圆具有相同的半短轴；所述用于将奇阶模转基模的模式转换器为半椭圆形模式转换器，其由两个四分之一椭圆型波导结构的半短轴相贴对接组成，两个四分之一椭圆分别所属的椭圆具有相同的半短轴。
进一步的，沿模式信号的传输方向，输入到第i个解复用单元的所述桥型耦合器中的最高阶模式m的阶数高于后续相邻的解复用单元的所述桥型耦合器中的最高阶模式的阶数。
一种片上模式复用器件，其特征在于，包括若干复用单元，每一复用单元包括一桥型耦合器和一模式转换器；所述桥型耦合器包括并排放置的三根多模波导，分别依次记为波导A、B、C；模式m为波导A、B、C都支持的且当前输入到第i个复用单元的所述桥型耦合器中的最高阶模式，模式m在该第i个复用单元的所述桥型耦合器的波导A、B、C中形成三个有效折射率成等差数列的超模，该第i个复用单元的所述桥型耦合器的长度满足只耦合输出该模式m；所述桥型耦合器的模式输入端与所述模式转换器连接，第i个复用单元的所述模式转换器用于将输入的基模转换到高价模式m耦合输出到所述桥型耦合器；第i个解复用单元的所述桥型耦合器中的波导A与相邻的解复用单元的所述桥型耦合器中的波导A连接。
进一步的，所述模式转换器包括用于将基模转偶阶模的模式转换器，用于将基模转奇阶模的模式转换器。
进一步的，所述用于将基模转偶阶模的模式转换器为左右对称结构，用于将基模转奇阶模的模式转换器为非左右对称结构。
进一步的，所述用于将基模转偶阶模的模式转换器为椭圆型模式转换器，其由两个半椭圆型波导结构的半短轴相贴对接组成，两个半椭圆分别所属的椭圆具有相同的半短轴；所述用于将基模转奇阶模的模式转换器为半椭圆形模式转换器，其由两个四分之一椭圆型波导结构的半短轴相贴对接组成，两个四分之一椭圆分别所属的椭圆具有相同的半短轴。
一种片上模式复用解复用器，其特征在于，包括片上模式解复用器件和片上模式复用器件，所述片上模式解复用器件通过总线波导与所述片上模式复用器件连接。
下面以基于超模理论的桥型耦合结构的模式解复用器为例，对本发明的原理进行描述：
第一步：桥型耦合结构由三根完全一样的多模波导并排放置组成，可以根据加工工艺的所能达到的最小特征尺寸确定相邻波导之间的间距；(对于该间距，原则上没有最小间距要求，只要加工技术能够达到，目前加工工艺能达到的最小间距大约在50nm左右(使用电子束曝光工艺)。越小的间距会使得所需要的桥型耦合结构长度D越短，对于器件的紧凑是有利的。)
第二步：每一个单独的多模波导能够支持多个本征模式；对于这些模式中的每一个模式来说(以模式m作为其中一个的指代)，桥型耦合结构能够支持三个对应的超模。具体来说，桥型耦合结构由三根多模波导组成，由上而下分别记为波导A、B、C。波导A、B、C中都能够支持模式m，分别记为m1，m2，m3，这三个模式属于同一种模式，各自处于不同的波导内。模式m1，m2，m3互相耦合，形成三个超模，记为M1，M2，M3。超模也就多根波导同时存在时，作为一个整体所支持的本征模式。对于每一个模式m，都存在对应的三个超模M。三个超模包括两个对称模和一个反对称模(或者两个反对称模和一个对称模，由原模式的对称性决定)。根据超模理论可以知道，这三个超模(M1，M2，M3)的有效折射率(n1，n2，n3)成等差数列。因此当该模式从一根侧边的多模波导的输入(例如m模式从A波导输入)，经过一定长度D传播，该输入模式m从一个侧边波导A转移到另一侧边波导C。该长度D可以通过仿真及计算得到。给定桥型耦合器的结构(横截面，即三个波导的宽度，高度，间隔，波导的折射率和包层的折射率)，可以仿真得到M1,M2,M3的有效折射率，n1，n2，n3，取(n3-n1)/2作为相邻折射率差值的估计，则D＝λ/(n3-n1),λ是真空中光的波长，这里是1550nm。由于不同阶模式所需要的传播长度有着较大的差别，高阶模式所需要的长度要比低阶模式的长度短；因此桥型耦合结构的长度可以被设计，以使得只有当前对应的单根多模波导中所能支持的最高阶模式m能够被耦合，其他的较低阶模式则几乎不受影响继续传播(这个长度对于其他模式来说太短了)；这样当前波导A中最高阶模式就可以被分离开来。
第三步：从总线波导耦合到本地波导的高阶模，经过模式转换器，转换到基模耦合输出。具体来说，总线波导也就是传播多个模式，用以传输信号的波导；总线波导直接连接到桥型耦合器的一个侧边波导(例如波导A),本地波导则是另一边的侧边波导(例如波导C)，模式转换器一端连接波导C，另一端直接连接较窄单模波导作为输出波导。桥型耦合器并不去区分模式m是偶阶模还是奇阶模，而是只下载当前总线波导宽度下能存在的最高阶模，奇偶对于它来说并不会带来结构上本质的差异。沿着光传输的方向，偶阶模(TE2模，TE4模，…)转基模(TE0模)的模式转换器是左右对称的(比如椭圆形波导结构)，奇阶模(TE1模，TE3模，…)转基模(TE0模)的模式转换器是非左右对称的，(比如半椭圆形波导结构)。这里的偶阶模和奇阶模是指单根多模波导中存在的模式m，并不同于超模的奇对称模和偶对称模。模式转换器的原理在于，高阶模看作若干具有相位差的光束，模式转换器为这些光束提供恰当的相位差，使得在输出端，这些光束彼此相位相同，从而转换成基模。
进一步地，椭圆型模式转换器由两个半椭圆型波导结构的半短轴相贴对接组成，两个半椭圆分别所属的椭圆具有相同的半短轴，半长轴不必相同。
进一步地，半椭圆模式转换器由两个四分之一椭圆型波导结构的半短轴相贴对接组成，这两个四分之一椭圆分别所属的椭圆具有相同的半短轴，半长轴不必相同。
一种实现上述方法的片上模式复用/解复用结构(模式复用结构与解复用结构完全对称)，
所述解复用结构包括：
若系统复用的模式最高阶数为N，则解复用模块(或者复用模块)需要N个单元，每个单元分别包括一个对应的桥型耦合器和一个对应的模式转换器，以最高阶为TE4模式为例，解复用结构包括以下结构：
桥型耦合结构，用以将TE4模式从总线波导下载到本地波导；
TE4-TE0椭圆形模式转换器，用以TE4到TE0的模式转换；
桥型耦合结构，用以将TE3模式从总线波导下载到本地波导；
TE3-TE0半椭圆形模式转换器，用以TE3到TE0的模式转换；
桥型耦合结构，用以将TE2模式从总线波导下载到本地波导；
TE2-TE0椭圆形模式转换器，用以TE2到TE0的模式转换；
桥型耦合结构，用以将TE1模式从总线波导下载到本地波导；
TE1-TE0半椭圆形模式转换器，用以TE1到TE0的模式转换；
每一个转换后的基模都从对应的输出端口输出。
就连接方式来说，总线波导与第一个单元的桥型耦合器的某一侧边波导(例如波导A或者波导C)相连，第一单元的桥型耦合器中的另一侧边波导(例如波导C或者波导A)则与该单元中的模式转换器相连。相邻单元通过桥型耦合器的某一侧边波导连接；每一单元的桥型耦合器未与相邻单元连接的侧边波导作为本地波导与模式转换器相连。具体使用时,可以复用N+1个模式，也可以选择其中部分模式进行复用。
所述复用结构与所述解复用结构完全对称，二者结构完全相同，只是使用方法上反过来。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本发明所述方法将模式复用解复用过程拆分为两个步骤，分别由桥型耦合器和模式转换器完成。由仿真中可以得知，这两个部分的容差都较大，因此保证了整体结构的容差大的特性。
附图说明
图1是本发明实施例的模式复用解复用器整体结构图。
图2是本发明实施例的解复用部分结构图。
图3是本发明实施例的桥型耦合器和模式转换器结构图；
(a)桥型耦合结构，(b)偶阶模式转换器，(c)奇阶模式转换器。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
下面结合本实施例的整体结构图1对整体结构的实施进行具体说明，图1中包括三个部分：模式复用结构，总线波导(总线波导，传输多个模式信号的波导，是模分复用系统传递信号的载体)，模式解复用结构。总线波导可以是集成器件中的波导，也可以是光纤，由具体应用场景决定。
模式复用与解复用结构可以完全对称。模式解复用器的具体细节由图2说明。结构包括四个阶段，每个阶段都包括一个桥型耦合器和一个对应模式转换器(形状由当前处理的模式阶数决定)。多路模式——TE0、TE1、TE2、TE3、TE4——由总线波导输入到解复用结构，在第一个阶段——TE4阶段，TE4模式通过桥型耦合器下载到本地，并通过模式转换器转换成TE0模式，其余的低阶模式不受影响，进入接下来的阶段。以此类推，在每一个阶段，当前剩余模式中的最高阶模式得到了解复用，其余的低阶模式继续传播。经过四个阶段之后，TE1到TE4模式都得到了解复用，剩下的TE0模式不需要处理，直接输出即可。因此，五个模式都得到了解复用。
图3显示了桥型耦合器和模式转换器(包括椭圆型波导和半椭圆型波导)的结构图。桥型耦合器由三根完全相同的波导并排放置组成，可以完成对于当前最高阶模式的耦合。
椭圆型模式转换器由两个半椭圆波导对接组成，半椭圆型模式转换器由两个四分之一椭圆波导对接组成。每一个模式转换器都有三个参数可以调整，分别是半短轴B和两个半长轴A1、A2.经过优化以达到最佳的转换效率。
桥型耦合器(以TE2为例)，三根波导之间的间隔是180nm，每根波导的宽度都是1200nm，中间波导长度，TE2模式从下边波导输入，经过中间波导的过渡，最终完全进入到的上边波导。相比于传统由非对称定向耦合器组成的模式复用器，波导宽度偏离理想值正负20nm，本发明的结构的性能损失(模式解复用时能量转化率的降低)要少3dB。
TE1模式到TE0模式的转换器：具体参数为，A1是5000nm，A2是3000nm，B是1660nm，输入波导宽度850nm，输出波导宽度600nm，转换效率-0.166dB。
TE2模式到TE0模式的转换器：具体参数为，A1是4080nm，A2是1965nm，B是1348nm，输入波导宽度1200nm，输出波导宽度500nm，转换效率-0.19dB。
在TE2阶段，对于TE0、TE1、TE2三个模式输入，TE0和TE1模式会进入下一阶段，而TE2模式会被解复用到TE0模式。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种片上模式解复用器件，其特征在于，包括若干解复用单元，每一解复用单元包括一桥型耦合器和一模式转换器；所述桥型耦合器包括并排放置的三根多模波导，分别依次记为波导A、B、C；模式m为波导A、B、C都支持的且当前输入到第i个解复用单元的所述桥型耦合器中的最高阶模式，模式m在该第i个解复用单元的所述桥型耦合器的波导A、B、C中形成三个有效折射率成等差数列的超模，该第i个解复用单元的所述桥型耦合器的长度满足只耦合输出该模式m；所述桥型耦合器的波导C作为模式输出端与所述模式转换器连接，所述模式转换器用于将输入的模式转换到基模耦合输出；第i个解复用单元的所述桥型耦合器中的波导A与相邻的解复用单元的所述桥型耦合器中的波导A连接。
2.如权利要求1所述的片上模式解复用器件，其特征在于，所述模式转换器包括用于将偶阶模转基模的模式转换器，用于将奇阶模转基模的模式转换器。
3.如权利要求2所述的片上模式解复用器件，其特征在于，所述用于将偶阶模转基模的模式转换器为左右对称波导结构，用于将奇阶模转基模的模式转换器为非左右对称波导结构。
4.如权利要求2或3所述的片上模式解复用器件，其特征在于，所述用于将偶阶模转基模的模式转换器为椭圆型模式转换器，其由两个半椭圆型波导结构的半短轴相贴对接组成，两个半椭圆分别所属的椭圆具有相同的半短轴；所述用于将奇阶模转基模的模式转换器为半椭圆形模式转换器，其由两个四分之一椭圆型波导结构的半短轴相贴对接组成，两个四分之一椭圆分别所属的椭圆具有相同的半短轴。
5.如权利要求1所述的片上模式解复用器件，其特征在于，沿模式信号的传输方向，输入到第i个解复用单元的所述桥型耦合器中的最高阶模式m的阶数高于后续相邻的解复用单元的所述桥型耦合器中的最高阶模式的阶数。
6.一种片上模式复用器件，其特征在于，包括若干复用单元，每一复用单元包括一桥型耦合器和一模式转换器；所述桥型耦合器包括并排放置的三根多模波导，分别依次记为波导A、B、C；模式m为波导A、B、C都支持的且当前输入到第i个复用单元的所述桥型耦合器中的最高阶模式，模式m在该第i个复用单元的所述桥型耦合器的波导A、B、C中形成三个有效折射率成等差数列的超模，该第i个复用单元的所述桥型耦合器的长度满足只耦合转移该模式m；所述桥型耦合器的模式输入端与所述模式转换器连接，第i个复用单元的所述模式转换器用于将输入的基模转换到高阶模式m耦合输出到所述桥型耦合器；第i个复用单元的所述桥型耦合器中的波导A与相邻的复用单元的所述桥型耦合器中的波导A连接。
7.如权利要求6所述的片上模式复用器件，其特征在于，所述模式转换器包括用于将基模转偶阶模的模式转换器，用于将基模转奇阶模的模式转换器。
8.如权利要求7所述的片上模式复用器件，其特征在于，所述用于将基模转偶阶模的模式转换器为左右对称结构，用于将基模转奇阶模的模式转换器为非左右对称结构。
9.如权利要求7或8所述的片上模式复用器件，其特征在于，所述用于将基模转偶阶模的模式转换器为椭圆型模式转换器，其由两个半椭圆型波导结构的半短轴相贴对接组成，两个半椭圆分别所属的椭圆具有相同的半短轴；所述用于将基模转奇阶模的模式转换器为半椭圆形模式转换器，其由两个四分之一椭圆型波导结构的半短轴相贴对接组成，两个四分之一椭圆分别所属的椭圆具有相同的半短轴。
10.一种片上模式复用解复用器，其特征在于，包括如权利要求1所述的片上模式解复用器件和如权利要求6所述的片上模式复用器件，所述片上模式解复用器件通过总线波导与所述片上模式复用器件连接。
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