CN110068892A - 一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器，包括：包层和位于包层内部的两个输入单模波导，两个弯曲波导，两个单模直波导，以及，带沟槽的多模直波导。第一直波导与多模直波导组成第一耦合区，第一耦合区后是第一沟槽，第二直波导与多模直波导组成第二耦合区，第二耦合区后是第二沟槽。传输TE₀₀模的直波导经第一耦合区和两个沟槽后生成OAM_‑1输出，多模直波导中输入的TE₀₀从末端输出OAM₀，传输TE₀₀模的直波导经第二耦合区和第二沟槽后生成OAM₊₁输出，实现了OAM的产生及复用。本发明具有尺寸小、效率高，损耗低的优点，在光通信系统、光纤用户网等方面具有重要的应用价值。

Description

一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器

技术领域

本发明涉及一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器，属于光通信以及光信息处理技术领域。

背景技术

随着互联网的高速发展，各类移动通信业务层出不穷，当前社会对于通信容量的需求越来越大。目前，在光通信领域中，复用技术主要有时分复用，波分复用，偏振复用以及正交频分复用。这几种技术虽然在一定程度上提高了光通信容量，但是频谱利用率和系统容量趋近香浓极限，并不能满足现在日益增长的通信容量需求。空分复用技术为增加光通信系统容量提供了一种新的方法。

光子轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)复用是空分复用(Space-Division Multiplexing, SDM)的一种实现方式。OAM在理论上可以取无穷多个彼此正交的模式，采用OAM复用的优势在于可以同时传输任意数目的模式，因此基于OAM复用通信技术有重要的应用前景。

目前，也有一些对OAM的产生以及复用研究，主要有螺旋相位板、Q盘、超材料、衍射光栅等。但是利用这些方法产生OAM的器件，所占用体积较大，均不利于集成且成本较高。光波导器件是集成光电子芯片中的关键单元器件之一，由于其具有体积小, 结构紧凑，性能稳定，损耗小和易于集成等优点，受到广泛的重视和研究。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器，利用模式转换，将OAM的产生及复用集成在一个器件上。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器，适用于1.47-1.58μm的波长，包括：包层和位于包层内部的第一输入单模波导和第二输入单模波导，第一弯曲波导和第二弯曲波导，第一单模直波导和第二单模直波导，以及，带沟槽的多模直波导；

所述第一输入单模波导，第一弯曲波导和第一单模直波导依次连接，构成第一通道；

所述第二输入单模波导，第二弯曲波导和第二单模直波导依次连接，构成第二通道；

所述带沟槽的多模直波导位于所述第一通道和第二通道之间，且所述多模直波导与第一通道和第二通道均不相接触；

所述多模直波导上设有两个沟槽，分别为第一沟槽和第二沟槽；

所述第一直波导与所述多模直波导组成第一耦合区，所述第一耦合区后是第一沟槽；

所述第二直波导与多模直波导组成第二耦合区，所述第二耦合区后是第二沟槽。

前述的包层的材料为二氧化硅。

前述的包层内部的波导的材质为硅。

前述的第一弯曲波导和第二弯曲波导的长度均为2µm，高度均为1.5µm。

前述的第一沟槽靠近输入端，长度为30µm，所述第二沟槽长度为15µm；两个沟槽的高度均为0.34 µm，宽度均为0.12 µm。

前述的第一耦合区和第二耦合区中，上下两波导之间的耦合间距为0.03-0.05 µm。

前述的第一直波导和第二直波导的长度与所述耦合间距有关；所述耦合间距为0.03µm时，所述第一直波导和第二直波导的长度为12.7μm；所述耦合间距为0.04µm时，所述第一直波导和第二直波导的长度为18.6μm；所述耦合间距为0.05µm时，所述第一直波导和第二直波导的长度为20.8μm。

前述的第一直波导和第二直波导的高度在0.5372-0.5383µm之间。

前述的复用时，以下三个过程同时进行：

波长范围在1.47µm-1.58µm的TE₀₀从第一输入单模波导输入，经第一弯曲波导传入第一直波导，在第一耦合区耦合至带沟槽的多模直波导后模式转换为TE₁₀，经第一沟槽转换为TE₀₁模，经过第二耦合区域，模式不变，再经过第二沟槽后模式转换为OAM_-1，在多模直波导末端生成OAM_-1输出；

波长范围在1.47µm-1.58µm的TE₀₀从多模直波导输入，经过第一沟槽和第二沟槽后在多模直波导的末端生成OAM₀输出；

波长范围在1.47µm-1.58µm的TE₀₀从第二输入单模波导输入，经第二弯曲波导传入第二直波导，在第二耦合区耦合至带沟槽的多模直波导后模式转换为TE₁₀，经第二沟槽后TE₁₀模式转换为OAM₊₁，在多模直波导末端生成OAM₊₁输出。

本发明所达到的有益效果为：

本发明提出了一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器，该器件中的耦合区域由两条平行的直波导组成，通过调节单模直波导的高度，实现了基模（TE₀₀）到一阶模（TE₁₀）的转换，将OAM的产生及复用集成在一个器件中，减小了器件尺寸，降低了耦合损耗，可以提高通信系统的容量。

本发明的OAM 产生及复用集成器OAM₊₁模的插入损耗为0.12dB，OAM₀模的插入损耗为0.12dB，OAM_-1的插入损耗为0.36dB。各通道的串扰均小于-20dB。本发明具尺寸小、损耗低、可集成的优点，在光通信系统、光纤用户网等方面具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明基于硅基波导的OAM产生及复用集成器的结构示意图。

图２为本发明基于硅基波导OAM的产生及复用集成器中带沟槽波导的沟槽截面图。

图3(a)为1.47-1.58μm的TE₀₀光束从单模波导2输入后， 经OAM产生及复用器输出的OAM_-1场强分布图。

图3(b)为1.47-1.58μm的TE₀₀光束从单模波导2输入后，经OAM产生及复用器输出的OAM_-1相位分布图。

图4(a)为1.47-1.58μm的TE₀₀光束从单模波导8输入后，经OAM产生及复用器输出的OAM₊₁场强分布图。

图4(b)为1.47-1.58μm的TE₀₀光束从单模波导8输入后，经OAM产生及复用器输出的OAM₊₁相位分布图。

图5(a)为1.47-1.58μm的TE₀₀光束从单模波导2输入的稳态场强图。

图5(b)为1.47-1.58μm的TE₀₀光束从多模波导7输入的稳态场强图。

图5(c)为1.47-1.58μm的TE₀₀光束从单模波导8输入的稳态场强图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

为了满足日益增加的通信容量要求，本发明提出了一种基于硅基波导的OAM产生及复用集成器，具有实际应用价值。由横向耦合模理论可知，当传输TE₀₀模的直波导的有效折射率和传输TE₁₀模的波导有效折射率相等时，经过一定的耦合距离，可以使得在单模波导中传输的TE₀₀模耦合进入多模波导中并转换成TE₁₀模传输。本发明通过调节单模直波导的高度可以实现不同波长的TE₀₀模到TE₁₀模的模式转换。单模直波导和带沟槽的多模直波导组成的结构类似于不对称平行波导，通过调节不对称平行波导间的耦合间距及长度，可使模式转换效率达到最高。

单模直波导的高度是根据光在多模直波导中对应的有效折射率来调节，不同波长对应不同的有效折射率，当单模直波导中的TE₀₀与多模直波导中TE₁₀的有效折射率近似相同即可以发生模式耦合。波长λ=1.45μm，多模波导中有效折射率为3.176211，此时单模波导高度H=0.532μm最优；同理λ=1.47μm，H=0.5372μm最优；λ=1.58μm，H=0.5382μm最优；λ=1.65μm，H=0.542μm最优。为保证单模且符合相位匹配原理，本发明是以1.55μm的波长来计算有效折射率，在一定波段范围内，均可以发生模式耦合，本结构适用于1.47-1.58μm。

单模直波导和带沟槽的多模波导之间的耦合间距g是不固定的，不同耦合间距g对应着不同的耦合长度，g取值较小，其耦合长度也会较小。通过多次仿真，若g=0.03μm，耦合长度最优为12.7μm；g=0.04μm，耦合长度最优为18.6μm；g=0.05μm，耦合长度最优为20.8µm。但是g若过小，串扰会很大，g若过大，不会发生耦合。g可以取值在0.03-0.05μm。

利用沟槽来打破矩形波导中的旋转对称性。一阶模可以激发两个不同传播常数的本征模，当两个本征模传输一段距离时（即沟槽的长度），两个正交的本征模产生不同的相位差，当本征模发生简并时，可产生OAM₊₁，OAM_-1。

如图1所示，本发明提供一种基于硅基波导的OAM产生及复用集成器，包括：包层1和位于内部的第一输入单模波导2和第二输入单模波导8，第一弯曲波导3和第二弯曲波导9，第一单模直波导4和第二单模直波导10，以及，带沟槽的多模直波导7。

本发明中，包层1的材料为二氧化硅，所有的波导材质为硅。

本发明中，第一输入单模波导2，第一弯曲波导3和第一单模直波导4依次连接，构成第一通道。

第二输入单模波导8，第二弯曲波导9和第二单模直波导10依次连接，构成第二通道。

带沟槽的多模直波导7位于所述第一通道和第二通道之间，且所述多模直波导7与第一通道和第二通道均不相接触。

本发明中，多模直波导7上设有两个沟槽，靠近输入端的第一沟槽5的长度为30µm，第二沟槽6的长度为15µm。两个沟槽的高度均为0.34 µm，宽度均为0.12 µm。

本发明中，第一弯曲波导3和第二弯曲波导9的长度均为2µm，高度均为1.5µm；第一直波导4和第二直波导10的长度均为20.8µm，高度均为0.5372-0.5383µm之间。

本发明中，第一直波导4与多模直波导7组成第一耦合区11，第一耦合区11后是第一沟槽5，也就是说，第一通道在靠近第一沟槽5的位置处截止。

本发明中，第二直波导10与多模直波导7组成第二耦合区12，第二耦合区12后是第二沟槽6，也就是说，第二直波导10位于第一沟槽5和第二沟槽6之间，同时，第二通道在靠近第二沟槽6的位置处截止。

本发明中，第一耦合区11和第二耦合区12中，上下两波导之间的间距为0.03-0.05µm。

图２为带沟槽多模直波导７的沟槽截面图。

实施例

本发明实施例中，取耦合间距g=0.05μm，耦合长度为20.8µm，取第一直波导和第二直波导的高度为0.538µm。波长范围在1.47µm-1.58µm的TE₀₀从第一输入单模波导2输入，其场强分布参见图5（a），经第一弯曲波导3传入第一直波导4，在第一耦合区11耦合至带沟槽的多模直波导7后模式转换为TE₁₀，经第一沟槽5转换为TE₀₁模，经过第二耦合区域，但是模式并不会发生转变，因为此时多模波导中的模式转变为TE₀₁，与第二耦合区的中的有效折射率（多模直波导中，对应的是1.55μmTE₁₀的有效折射率）不等，不会进行模式转换。再经过第二沟槽6后模式转换为OAM_-1，在多模直波导7末端生成OAM_-1输出，OAM_-1输出的场强分布和相位分布参见图3（a）和图3（b）。

波长范围在1.47µm-1.58µm的TE₀₀从多模直波导7输入，其场强分布参见图5（b），经过第一沟槽5和第二沟槽6后在多模直波导7的末端生成OAM₀ (TE₀₀)输出。

波长范围在1.47µm-1.58µm的TE₀₀从第二输入单模波导8输入，其场强分布参见图5（c），经第二弯曲波导9传入第二直波导10，在第二耦合区12耦合至带沟槽的多模直波导7后模式转换为TE₁₀，经第二沟槽6后 TE₁₀模式转换为OAM₊₁，最终在多模直波导7末端输出OAM₊₁。OAM₊₁输出的场强分布和相位分布参见图4（a）和图4（b）。

复用时，上述三个过程同时进行，最终在带沟槽的多模直波导7末端输出有OAM_-1，OAM₀，OAM₊₁的信号输出，从而实现OAM的产生及复用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器，适用于1.47-1.58μm的波长，其特征在于，包括：包层和位于包层内部的第一输入单模波导和第二输入单模波导，第一弯曲波导和第二弯曲波导，第一单模直波导和第二单模直波导，以及，带沟槽的多模直波导；

所述第一输入单模波导，第一弯曲波导和第一单模直波导依次连接，构成第一通道；

所述第二输入单模波导，第二弯曲波导和第二单模直波导依次连接，构成第二通道；

所述带沟槽的多模直波导位于所述第一通道和第二通道之间，且所述多模直波导与第一通道和第二通道均不相接触；

所述多模直波导上设有两个沟槽，分别为第一沟槽和第二沟槽；

所述第一直波导与所述多模直波导组成第一耦合区，所述第一耦合区后是第一沟槽；

所述第二直波导与多模直波导组成第二耦合区，所述第二耦合区后是第二沟槽。

2.根据权利要求1所述的一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器，其特征在于，所述包层的材料为二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器，其特征在于，所述包层内部的波导的材质为硅。

4.根据权利要求1所述的一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器，其特征在于，所述第一弯曲波导和第二弯曲波导的长度均为2µm，高度均为1.5µm。

5.根据权利要求1所述的一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器，其特征在于，所述第一沟槽靠近输入端，长度为30µm，所述第二沟槽长度为15µm；两个沟槽的高度均为0.34 µm，宽度均为0.12 µm。

6.根据权利要求1所述的一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器，其特征在于，所述第一耦合区和第二耦合区中，上下两波导之间的耦合间距为0.03-0.05 µm。

7.根据权利要求6所述的一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器，其特征在于，所述第一直波导和第二直波导的长度与所述耦合间距有关；所述耦合间距为0.03µm时，所述第一直波导和第二直波导的长度为12.7μm；所述耦合间距为0.04µm时，所述第一直波导和第二直波导的长度为18.6μm；所述耦合间距为0.05µm时，所述第一直波导和第二直波导的长度为20.8μm。

8.根据权利要求1所述的一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器，其特征在于，所述第一直波导和第二直波导的高度在0.5372-0.5383µm之间。

9.根据权利要求1所述的一种基于硅基波导光子轨道角动量的产生及复用集成器，其特征在于，复用时，以下三个过程同时进行：

波长范围在1.47µm-1.58µm的TE₀₀从第一输入单模波导输入，经第一弯曲波导传入第一直波导，在第一耦合区耦合至带沟槽的多模直波导后模式转换为TE₁₀，经第一沟槽转换为TE₀₁模，经过第二耦合区域，模式不变，再经过第二沟槽后模式转换为OAM_-1，在多模直波导末端生成OAM_-1输出；

波长范围在1.47µm-1.58µm的TE₀₀从多模直波导输入，经过第一沟槽和第二沟槽后在多模直波导的末端生成OAM₀输出；

波长范围在1.47µm-1.58µm的TE₀₀从第二输入单模波导输入，经第二弯曲波导传入第二直波导，在第二耦合区耦合至带沟槽的多模直波导后模式转换为TE₁₀，经第二沟槽后TE₁₀模式转换为OAM₊₁，在多模直波导末端生成OAM₊₁输出。