CN110058353A - 一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器。该模分复用器，包括基底层及光波导层，光波导层由包层裹覆的3根并排放置的芯层而组成3根光波导。通过优化各光波导的结构参数芯层高度、宽度及间距，可以使中间光波导中的两个模式所携带的能量全部或最大化地分别转移到两边放置的另外两个光波导模式中，实现光波导三模式模分复用功能。

Description

一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器

技术领域

本发明涉及光背板互连技术领域，提出一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器。

背景技术

信息技术的广泛应用和各种新业务的不断涌现，导致网络流量迅速增长，未来数据中心、超级计算机等领域面临的最大挑战之一是大量的数据需要存储、传输和处理等操作。传统的电互连技术愈发显现出在带宽上的瓶颈，而光互连技术因具有高带宽、抗电磁干扰、强保密性、低传输损耗、低功耗等优势，将成为一种极具潜力的电互连补充或替代方案。

在信息容量扩充方面，模分复用技术是继波分复用技术后的另一种更先进的技术，它是一种利用光波的空间自由度来增加光通信容量的复用技术，它进一步拓宽了光互连技术的应用范畴，可实现高速、海量信息的传输。在光背板互连领域，基于光波导的模式复用技术，近年来得到广泛深入研究。常见的模分复用技术有基于波导光栅技术、非对称Y形波导耦合技术、模式定向耦合技术、多模干涉耦合技术等。文献“聚合物长周期波导光栅的模式转换器研究”提出的波导光栅技术，其模式转换只能在一根波导通道中进行，因此只能在同一输出端口输出，仅能完成对一个模式的转换；文献“Asymmetric Y junctions insilicon waveguides for on-chip mode-division multiplexing”介绍了非对称Y形波导的模式转换原理及其模式转换条件，它是多模干涉耦合器的一种特定状态，指的是在两根波导交叉区域，当波导宽度发生变化时导致其模式发生转换；文献“应用于模分复用的聚合物光波导非对称定向耦合器研究”研究了非对称定向耦合技术的模式转换条件、波导制备流程工艺等，指的是相邻的光波导在模式有效折射率相等的条件下，由于模式消逝场的作用而发生的不同模式间的能量相互转化，可以实现二维维度及三维维度的模式转换，目前在二维维度仅实现两个模式的转换；文献“基于多模干涉耦合器的InP基模分复用/解复用器结构”指出，多模干涉耦合技术是基于两个光波导的纵向耦合而导致仅对某一个模式的激发选择，仅需改变光波导的结构参数即可实现模分复用，但这种技术模式的转换效率不高，很容易造成其他模式的串扰。由于光波导结构及制备工艺简单、可大工业生产等优势，目前研究较多是基于定向耦合的光波导模分复用技术，但存在二维维度仅实现两个模式相互转换的缺点。

针对基于定向耦合的光波导模分复用技术在二维维度仅实现两个模式转换的局限，本发明提出一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器，相对于现有的技术，它可以在二维维度实现光波导三个模式的转换。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现状，提出一种基于模式定向耦合的三模式模分复用器，以解决目前仅实现光波导两个模式转换的缺点，进而扩大光信息数据容量，推动光背板互连技术的应用发展。

根据上述发明目的，本发明的构思为：

一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器，包括基底层及光波导层，光波导层的核心结构由三根不同宽度、相同高度、并排放置的芯层而组成，由于三根芯层被裹覆于相同材料的包层中，从而实际组成三根光波导；控制光波导芯层的结构参数，可以使不同光波导不同模式的有效折射率相等，从而激发模式之间所携带能量的相互转换，当有三个模式进行能量转换时，可实现光波导三模式模分复用器。

其技术原理如下：

在同一水平面内，并排放置3根芯层高度h相同、芯层宽度不同的光波导，分别为光波导1、光波导2及光波导3，其宽度分别为w₁、w₂及w₃，满足w₂>w₃>w₁关系，光波导1及光波导3分别处于光波导2的两边，光波导1与光波导2的有效间距为D₁，光波导3与光波导2的有效间距为D₂；光波导2可容纳及模式，光波导1可容纳模式，光波导3可容纳模式；控制w₁、w₂及w₃的大小，使光波导1中模式的有效折射率等于光波导2中模式的有效折射率，使光波导3中模式的有效折射率等于光波导2中模式的有效折射率；控制D₁及D₂的大小，当光波行进距离为(2n+1)×L₁(n＝1,2,3…)时(其中L₁为耦合长度)，光波导2中模式所携带的能量完全或者最大化的转移到光波导1中模式中，同理，当光波行进距离为(2n+1)×L₂(n＝1,2,3…)时(其中L₂为耦合长度)，光波导2中模式所携带的能量完全或者最大化的转移到光波导3中模式中；由此，可实现光波导2中模式及模式所携带的能量分别转移到另外两个光波导的模式中，实现光波导三模式模分复用功能。

工作原理

令两根光波导的在一个水平面上并排放置，光波导1中的模式1与光波导2中的模式2之间发生耦合，得到光波导1的耦合波方程

其中

同理，光波导2的耦合波方程

其中

其中，A₁、A₂分别表示光波导1、光波导2中模式的振幅；β₁、β₂分别表示光波导1、光波导2的传播常数；K₁₂(K₂₁)分别表示光波导1(2)中模式与光波导2(1)中模式的耦合系数，当K₁₂(K₂₁)大小为1时波导间模式发生完全转换；ε₀及μ为电磁场的介电常数和磁导率；E₁、E₂分别为光波导1、光波导2的电场强度，H₁、H₂分别为光波导1、光波导2的磁场强度。

两光波导间的耦合系数K₁₂、K₂₁只与x，y有关，与传播方向z无关。当光波导1与光波导2可以进行耦合时，A₁(z)与A₂(z)将随传输距离z变化而改变。而两光波导所产生的功率|A₁(z)|²与|A₂(z)|²也满足守恒原则，即

即满足

当光波导耦合区域范围为0≤z≤L，以A₁(0)＝0,A₂(0)＝1为初始条件时，可求取耦合波方程解为

其中，2Δ＝β₁-β₁，

定义当两个导模功率完全转换时传播的距离为耦合长度L_c，则根据式(7)可知，当时，A₁(z)的值最大，此时

此外，定义β₁＝β₂为导模相位匹配条件，在此条件下，有

根据上述发明构思，本发明采用以下技术方案：

一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器，包括基底层及光波导层，光波导层由包层裹覆的3根并排放置的芯层而组成3根光波导；各光波导的结构参数芯层高度、宽度及之间距离需要满足特定关系；控制各光波导的高度及宽度、光波导间距及耦合长度，使光波导1中模式的有效折射率与光波导2中模式的有效折射率相等，使光波导3中模式的有效折射率与光波导2中模式的有效折射率相等；当光波行进距离为(2n+1)×L₁(n＝1,2,3…)(L₁为耦合长度)大小时，光波导2中模式所携带的能量完全或者最大化地转移到光波导1中模式中，当光波行进距离为(2n+1)×L₂(n＝1,2,3…)(L₂为耦合长度)大小时，光波导2中模式所携带的能量完全或者最大化地转移到光波导3中模式中；光波导1和光波导3采用分区段S型弯曲结构，保证光波导1和光波导3先后与光波导2进行模式定向耦合。由此，可实现光波导三模式模分复用功能。

所述一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器，其结构主要包括基底层及光波导层，3根并排放置的芯层包覆于相同材质的包层中而形成3根光波导，分别为光波导1、光波导2、光波导3。

所述一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器，3根光波导的芯层高度h相同，但其宽度(w₁、w₂、w₃)不同，满足w₂>w₃>w₁关系，其排布规则是处于中间的光波导芯层宽度最大；在耦合作用区域，光波导之间的有效作用距离D₁及D₂要小于最大有效作用距离D_max1及D_max2。

所述一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器，通过控制h、w₁、w₂及w₃的大小，使光波导1中模式的有效折射率等于光波导2中模式的有效折射率，使光波导3中模式的有效折射率等于光波导2中模式的有效折射率。

所述一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器，控制D₁及D₂的大小，当光波行进距离为(2n+1)×L₁(n＝1,2,3…)时(其中L₁为耦合长度)，光波导2中模式所携带的能量完全或者最大化地转移到光波导1中模式中，当光波行进距离为(2n+1)×L₂(n＝1,2,3…)时(其中L₂为耦合长度)，光波导2中模式所携带的能量完全或者最大化地转移到光波导3中模式中。

所述一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器，光波导之间的定向耦合作用是分区段发生的，即在结构上光波导1及光波导3采取S型弯曲结构，总体上看，光波导由两根直波导和一根弯曲波导组成。假设光波导3先与光波导2发生模式定向耦合，首先，光波导3为直波导(长度为(2n+1)×L₂(n＝1,2,3…))，与光波导2之间的距离D₂(<D_max2)保持恒定，可使波导2中模式所携带的能量完全或者最大化的转移到光波导3中模式中；接着，光波导3变为S型弯曲波导，与光波导2的距离逐渐变大，直到D₂>>D_max2；然后，光波导3再变为直波导，从光波导2耦合来的光能量在直波导中输出。光波导1的S型弯曲结构与光波导3类似，其耦合区段是在光波导3变为S型弯曲波导之后。这种结构不会造成光波导1及光波导3的模式耦合串扰。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的、突出的实质性特点和显著的技术进步：

相对于在二维维度上、基于光波导定向耦合的模分复用结构只能复用两个模式，通过本发明的实施，在二维维度上可实现光波导三个模式的模分复用，进一步提升了光通信信息传输容量。

附图说明

图1为光波导三模式模分复用器结构模型图。

图2为光波导模式有效折射率随光波导宽度变化的关系图。

图3为光波导模式定向耦合相位匹配条件与模式关系对应图。

图4为模式端面激发光波导2时各光波导的能量行进图。

图5为模式端面激发光波导2时各光波导的能量行进图。

图6为模式端面激发光波导2时各光波导的能量行进图。

图7为三维维度上的光波导六模式模分复用器结构模型图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例一

参见图1，光波导三模式模分复用器，包括基底层及光波导层，光波导层由包层及3根并排放置的芯层组成，芯层包覆于相同材质的包层中而形成3根光波导；光波导芯层高度h相同，但其宽度(w₁、w₂、w₃)不同，满足w₂>w₃>w₁关系，光波导之间的有效耦合距离D₁及D₂；控制w₁、w₂及w₃的大小，可使光波导1中模式的有效折射率与光波导2中模式的有效折射率相等，同时使光波导3中模式的有效折射率与光波导2中模式的有效折射率相等；控制光波导之间的有效耦合距离D₁及D₂的大小，当光波行进距离为(2n+1)×L₁(n＝1,2,3…)(L₁为耦合长度)大小时，光波导2中模式所携带的能量完全转移到光波导1中模式上去，同理，当光波行进距离为(2n+1)×L₂(n＝1,2,3…)(L₂为耦合长度)大小时，光波导2中模式所携带的能量完全转移到光波导1中模式上去。在具体结构上，光波导1和光波导3采用S型弯曲结构，可使与光波导2模式定向耦合在不同区段进行，避免彼此的模式干扰问题。由此，可实现光波导三模式模分复用功能。

实施例二

参见图2、图3、图4、图5及图6，本实施例是对实施例一更为详细地进一步说明。

首先要确定各光波导的结构尺寸，图2给出了当光波导高度为h＝8μm时，光波导模式(m、n为x、y方向的模式序数)有效折射率随光波导宽度的变化情况，光波导宽度越大，所包含的模式越多。

如图3所示，仅考虑光波导的模式间的耦合情况。当光波导的芯层宽度w₁、w₂、w₃分别为5.2μm、20μm、8.9μm，光波导1中模式有效折射率等于光波导2中模式有效折射率为1.572212，光波导3中模式有效折射率等于光波导2中模式有效折射率为1.573582，因此，光波导1中模式与光波导2中模式及光波导3中模式与光波导2中模式上能够进行耦合。根据模场的叠加积分可确定，当D₁及D₂分别小于4.5μm时，光波导模式之间的耦合效率大于90％，计算中D₁及D₂取值分别为3μm，可计算得到L₁及L₂取值分别为4200μm、14731μm。

如图4所示，模式端面激发光波导2时各光波导的能量行进图，图中得知光能基本上仅在光波导2中传输，没有耦合进光波导1及光波导3中。如图5所示，模式端面激发光波导2时各光波导的能量行进图，图中得知光波导2中的99.7％的能量耦合进光波导3中传输。如图6所示，模式端面激发光波导2时各光波导的能量行进图，图中得知光波导2中的95.2％的能量耦合进光波导1中传输。假如模式及同时在光波导2端面激发时，光波导2中模式能量可转移到光波导3中模式中，光波导2中模式能量可转移到光波导1中模式中。如此，可实现光波导三模式模分复用功能。

实施例三

实施例一及实施例二都是在二维维度上(即在水平方向上)实现光波导三模式模分复用功能，本实施例是对实施例一及实施例二的扩展，即在三维维度(可看成水平方向及垂直方向两个维度的集成)上实现六模式的模分复用器。

参见图7，本实施例在平行方向及垂直方向上可实现共计六模式的光波导模分复用功能。在垂直方向上实现光波导三模式模分复用功能，与在水平方向实现光波导三模式模分复用功能的机理一致，只不过模式类别不同，在水平方向上，光波导具有模式类，在垂直方向上，光波导具有模式类。

具体地，在水平方向上可实现，光波导1中模式与光波导2中模式进行耦合，光波导3中模式与光波导2中模式上进行耦合；在垂直方向上可实现，光波导4中模式与光波导2中模式进行耦合，光波导5中模式与光波导2中模式上进行耦合。如此，在三维维度上可实现六模式的模分复用器。

以上所述是结合本发明的实施方式所作的进一步详细说明，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图所作的等效结构或等效思想，做出简单推演或替换，都应当属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器，包括基底层及光波导层，光波导层由包层裹覆的3根并排放置的芯层而组成3根光波导；各光波导的结构参数芯层高度、宽度及之间距离需要满足特定关系；控制各光波导的高度及宽度、光波导间距及耦合长度，使中间的光波导2中的两个模式有效折射率分别与两旁的光波导1及光波导3中的某个模式的有效折射率相等；当光波行进距离为(2n+1)×L₁(n＝1,2,3…)时，L₁为耦合长度，光波导2中模式携带的能量转移到光波导1中模式中，当光波行进距离为(2n+1)×L₂(n＝1,2,3…)时，L₂为耦合长度，光波导2中模式能量转移到光波导3中模式中；光波导1和光波导3采用分区段S型弯曲结构，保证光波导3和光波导1先后与光波导2进行模式定向耦合，之后实现模式分离；由此，可实现光波导三模式模分复用功能。

2.如权利要求1所述一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器，其特征在于所述3根芯层包覆于相同材质的包层中而形成3根光波导。

3.如权利要求1所述一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器，其特征在于所述光波导的结构参数需要满足特定关系为：各光波导的芯层高度h相同，但其宽度(w₁、w₂、w₃)不同，满足w₂>w₃>w₁关系，其排布规则是处于中间的光波导芯层宽度最大；在耦合作用区域，光波导之间的有效作用距离D₁及D₂要小于最大有效作用距离D_max1及D_max2。

4.如权利要求3所述一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器，其特征在于通过控制h、w₁、w₂及w₃的大小使波导2与波导1、波导2与波导3分别满足模式相位匹配条件，使光波导1中模式的有效折射率等于光波导2中模式的有效折射率，使光波导3中模式的有效折射率等于光波导2中模式的有效折射率。

5.如权利要求1所述一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器，其特征在于通过控制D₁及D₂的大小，当光波行进距离为(2n+1)×L₁(n＝1,2,3…)大小时，光波导2中模式所携带的能量完全或者最大化地转移到光波导1中模式中，当光波行进距离为(2n+1)×L₂(n＝1,2,3…)大小时，光波导2中模式所携带的能量完全或者最大化地转移到光波导1中模式中。

6.如权利要求1所述一种基于模式定向耦合的光波导三模式模分复用器，其特征在于3根光波导之间的定向耦合作用是分区段发生的，光波导1及光波导3采取S型弯曲结构，主要由两根直波导和一根弯曲波导组成；若光波导3与光波导2先发生模式定向耦合，在开始段，光波导3为直波导，其长度为(2n+1)×L₂，与光波导2之间的距离D₂保持恒定，使光波导2中模式所携带的能量完全或者最大化的转移到光波导3中模式上；接着，光波导3变为S型弯曲波导，与光波导2的距离逐渐变大，直到D₂>>D_max2，光波导2与光波导3不再发生耦合；然后，光波导3再变为直波导，从光波导2耦合的光能量在光波导3输出端直接输出；光波导1的S型结构与光波导3类似，但其发生耦合的区段是在光波导3变为S型弯曲波导之后；这种结构的优点是避免了光波导1及光波导3的模式耦合串扰。