CN110174782A - 用于模分复用技术的电光聚合物波导模式转换开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于模分复用技术的电光聚合物波导模式转换开关，应用于光通信领域，针对现有的可重构模式转换器存在着稳定性不足、结构复杂、转换速度较慢以及工作波长范围不足等问题；本发明通过长周期光栅结构和电光聚合物的电光效应实现了电压控制和电调谐的模式开关，构造了一种新型电光模式转换器，该器件具有转换速度快、半波电压低且成本低等优点，具有很好的实际应用价值。

Description

用于模分复用技术的电光聚合物波导模式转换开关
技术领域
本发明属于光通信领域，特别涉及一种利用电光聚合物材料在聚合物波导器件中可重构模式转换功能的实现技术。
背景技术
随着信息技术的不断普及以及高新信息技术带来的如3D网络游戏、视频会议、可视电话等新的通信业务，使全球的网络容量迎来了爆炸式增长。在未来三十年，全球的光纤通信网络的传输容量预计需要增加一千倍才能满足通信市场的增长需求。而目前波分复用技术系统容量的提升正在快速接近单模光纤传输的仙农极限。尽管研究人员还在努力优化波分复用技术的效率，但是单模光纤的带宽很快便会耗尽，亟需开发新技术以进一步提高光纤的传输容量。
目前公认最有前景的解决方案是使用空分复用技术(Space divisionmultiplexing,SDM)。空分复用技术主要采用三种途径来实现，多芯光纤，模分复用(Modedivision multiplexing,MDM)和多元编码。而基于少模光纤的模分复用技术逐渐成了当前国际研究热点。模分复用系统的核心是基于模式的复用/解复用器件，要构建模分复用的光传输系统，需要有性能优异的模式复用/解复器，而模式转换器是构建模式复用/解复用器的重要单元器件。由于光波导的设计与制作工艺灵活，可供选择的波导材料很多，容易开发动态可调器件，因此基于光波导平台的模式转换器非常适合当前模分复用技术的应用。
模式复用/解复用的困难实际上在于当前对于模式的可控性和选择性不强。如果模式转换器具备强大的模式控制能力和选择能力的话,就可以高效率、高精度地实现模式复用/解复用。目前已报道的可重构模式转换器(即模式开关)包括超声波驱动的可调谐模式转换器、电光效应引入的长周期波导光栅模式转换器、基于聚合物材料的非对称马赫曾德尔干涉结构的热光模式转换器等，这些器件存在着稳定性不足、结构复杂、转换速度较慢以及工作波长范围不足等问题。电光聚合物具有电光系数高、介电常数低等优点，是制备高带宽、低半波电压的高速电光调制器件的重要材料。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了使用电光聚合物制备可电光调制的模式转换开关，由于电光聚合物的电光响应速度快，电光系数高，介电常数低，可以实现低电压的快速模式转换。
本发明采用的技术方案为：用于模分复用技术的电光聚合物波导模式转换开关，自下而上依次为：包括极化电极的基底层、下包层、芯层、上包层以及调制电极，所述芯层为电光聚合物的双模条形波导，且芯层在电光效应的方向具有电光系数，所述调制电极为周期性结构。
进一步地，当所述周期性结构的调制电极满足以下要求，调制电极加载电压时，芯层形成折射率周期性变化的光栅结构：
调制电极加载电压后在芯层的电光效应的方向具有电场分量；
且调制电极加载电压后芯层中存在折射率的非对称性。
进一步地，所述光栅周期满足相位匹配条件时实现模式转换。
更进一步地，当所施加电压为模式转换开关的开关电压时，所述模式转换效率达到100％。
进一步地，以芯层的电光效应的方向为z方向，以芯层纵轴方向为y方向，以芯层横轴方向为x方向；当满足以下条件时，所述模式转换开关实现LP01与LP11a之间的模式转换：
调制电极加载电压后在z方向具有电场分量；
且调制电极加载电压后芯层x方向存在折射率的非对称性。
进一步地，以芯层的电光效应的方向为z方向，以芯层纵轴方向为y方向，以芯层横轴方向为x方向；当满足以下条件时，所述模式转换开关实现LP01与LP11b之间的模式转换：
调制电极加载电压后在z方向具有电场分量；
且调制电极加载电压后芯层z方向存在折射率的非对称性。
本发明的有益效果：本发明通过长周期光栅结构和电光聚合物的电光效应实现了电压控制和电调谐的模式开关，构造了一种新型电光模式转换器；具备以下优点：
1、本发明采用的电光聚合物的电光响应速度快，使得本发明的模式转换开关具有较快的模式转换速度；
2、本发明的模式转换开关工作波长范围更宽；
3、本发明的采用的电光聚合物电光系数高，介电常数低，可以在较低的调制电压下实现模式转换；
4、本发明降低了模式转换开关的成本，具有很好的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的实现LP01与LP11a转换的模式开关switch-a的器件三维结构；
图2为本发明实施例提供的switch-a对应的波导平面结构与电极设计；
图3为本发明实施例提供的实现LP01与LP11b转换的模式开关switch-b的器件三维结构；
图4为本发明实施例提供的switch-b对应的波导平面结构与电极设计；
图5为本发明实施例提供的模式转换开关器件在电场调控下的模式转换示意图；
其中，图5(a)为switch-a在电场调控下的模式转换示意图，图5(b)为switch-b在电场调控下的模式转换示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
图1和图3是本发明提供的两款以长周期波导光栅为结构的模式转换开关。以下描述中以芯层的电光效应的方向为z方向，以芯层纵轴方向为y方向，以芯层横轴方向为x方向。图1和图3所示的两款器件全部采用聚合物材料制备，芯层电光聚合物材料在z方向具有电光系数r33。
本发明的用于模分复用技术的电光聚合物波导结模式转换开关，其结构自下而上分别是硅衬底、极化电极、下包层、芯层、上包层(上下包层是相同材料)以及调制电极。需要说明的是，基底上的极化电极是电场极化所必须的，而位于上包层上方的调制电极是为器件电光调制所用，在调制电极的左右两侧加载电压即可实现电光调制。
器件设计上，两款模式转换开关都是双模传输波导，如图1所示的switch-a支持LP01、LP11a传输，如图3所示的switch-b支持LPO1、LP11b模传输。芯层虽然是条形波导，但是通过在调制电极上加载电压可实现折射率周期性变化的光栅结构。
如图2所示，在switch-a中电极呈对称的梳齿状排布，该电极的设计满足了两点要求：首先，在z方向(芯层的电光效应的方向)具有电场分量，这样才能进行电光调制；其次，在x方向上加正电压的部分芯层折射率增加，另一部分折射率减小，这样产生了折射率的非对称性才能实现LP11a与LP01的耦合。
同理，在如图4所示的switch-b中电极呈梳齿状交叉排布，该电极的设计满足了两点要求：首先，在z方向(芯层的电光效应的方向)具有电场分量，这样才能进行电光调制；其次，z方向也必须有电场分量才能产生电光调制，并且芯层z方向也存在折射率的非对称性才能实现LP11b与LP01的耦合。
从相位匹配理论可知，光栅的周期由两个模的有效折射率差决定，光栅的长度由两个模的耦合系数决定。在电场作用下，由于芯层电光聚合物材料具有很大的电光系数，可以实现对芯层比较宽的折射率调制，当施加电压所调制的折射率使光栅满足相位匹配条件时即可实现模式转换，当模式转换效率为100％时达到开关作用。
图5描述了电光调制模式转换的开关现象，以switch-a为例，当不加电压时，器件不存在光栅结构，在switch-a不会发生LP01与LP11a之间的模式转换，开关处在关闭状态，因此如图5(a)右侧所示在输出端是LP01的模式信号；而当施加电压进行电光调制时，可以实现芯层材料的折射率控制，当施加的电场能够完全满足相位匹配条件时，即可实现如图5(a)左侧所示的完全模式转换，此时的调制电压Vπ就是模式转换的开关电压；而当施加的电压不是Vπ时，开关状态介于关闭和开启之间，LP01与LP11a之间发生部分模式转换，波导中存在LP01、LP11a混合模式，改变不同的电压，可以实现LP01与LP11a模式能量动态分配的功能。以上模式转换是基于电光效应调制折射率，当电压撤去时，折射率也会恢复到原来状态，因此这种模式转换是可重构的。同理，在switch-b中也可实现LP01模和LP11b模之间的可重构模式转换，具体如图5(b)所示，图5(b)左侧表示完全模式转换，图5(b)右侧表示不加电压时，器件不存在光栅结构，在switch-b不会发生LP01与LP11b之间的模式转换，开关处在关闭状态，因此如图5(b)右侧所示在输出端是LP01的模式信号。
本发明的实现原理如下：
受极化电场影响，电光聚合物在z方向具有最大的电光系数r33值，外加电场E施加于波导z方向时，芯层的电光效应可以实现对波导折射率的调制，当满足相位匹配和模式耦合条件时即可实现模式的转换。
根据相位匹配条件，在调谐波长λ0要获得基模和高阶模的最强耦合，光栅的周期需满足公式(1)：
λ0＝(N0-Nm)Λ (1)
公式(1)中N0和Nm分别是基模和高阶模的有效折射率，Λ是光栅周期。
按照耦合模理论，基模LP01的传输谱可表达为：
其中，λ是工作波长，L是光栅的长度，κ是耦合系数。耦合系数表示两个耦合模之间的空间重叠，以switch-b的模场传输为例，其耦合系数可表示为：
其中，nsu是包层材料折射率，c是真空中光速，μ0是磁导率，u(x,z)是电光效应作用下的折射率变化公式(式(6))，E0和Em是归一化的基模和高阶模的电场分布。
光栅受外加电场E作用，在z轴的电场分布可表示为：
其中，F(z)为在V＝1V时沿着波导方向的电场分布。因此电光调制的折射率可表示为：
其中，r33是波导芯层的电光系数。
在switch-b波导中，电极的宽度是远大于波导的宽度，所以，电场在x方向的电压差可以忽略，因此x轴上的电场可视为0。同样，在y轴上的电场分量也可以忽略，因为沿着y轴的模场非常小。
在λ＝λ0时，当达到最大耦合时(即T(λ)＝0)，由公式(2)可得κL＝π/2，相应的驱动电压(或称为半波电压Vπ/2)可由公式(6)代入公式(4)得到：
本发明以C波段1550nm附近的一段波长范围为例，以芯层电光材料折射率为1.5725，包层折射率nsu为1.5594，设计switch-a的周期Λ为223微米，switch-b的周期Λ为108微米，芯层波导电光系数r33为100pm/V，根据公式(7)的理论并结合仿真软件，计算得到两厘米长的器件，switch-a的开关电压为10V，switch-b的开关电压为6V。
综上，本发明通过长周期光栅结构和电光聚合物的电光效应实现了电压控制和电调谐的模式开关，构造了一种新型电光模式转换器，该器件的转换速率(皮秒级)比热光调制型(毫秒级)更快具有转换速度快、半波电压低且成本低等优点，具有很好的实际应用价值。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，比如用其他类似光栅结构的波导和不同分子结构或不同电光系数的电光聚合物来实现等，这些等同变形和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.用于模分复用技术的电光聚合物波导模式转换开关，其特征在于，自下而上依次为：包括极化电极的基底层、下包层、芯层、上包层以及调制电极，所述芯层为电光聚合物的双模条形波导，且芯层在电光效应的方向具有电光系数，所述调制电极为周期性结构。
2.根据权利要求1所述的用于模分复用技术的电光聚合物波导模式转换开关，其特征在于，当所述周期性结构的调制电极满足以下要求，调制电极加载电压时，芯层形成折射率周期性变化的光栅结构：
调制电极加载电压后在芯层的电光效应的方向具有电场分量；
且调制电极加载电压后芯层中存在折射率的非对称性。
3.根据权利要求2所述的用于模分复用技术的电光聚合物波导模式转换开关，其特征在于，所述光栅周期满足相位匹配条件时实现模式转换。
4.根据权利要求3所述的用于模分复用技术的电光聚合物波导模式转换开关，其特征在于，当所施加电压为模式转换开关的开关电压时，所述模式转换效率达到100％。
5.根据权利要求4所述的用于模分复用技术的电光聚合物波导模式转换开关，其特征在于，以芯层的电光效应的方向为z方向，以芯层纵轴方向为y方向，以芯层横轴方向为x方向；当周期性结构的调制电极满足以下条件时，所述模式转换开关实现LP01与LP11a之间的模式转换：
调制电极加载电压后在z方向具有电场分量；
且调制电极加载电压后芯层x方向存在折射率的非对称性。
6.根据权利要求4所述的用于模分复用技术的电光聚合物波导模式转换开关，其特征在于，以芯层的电光效应的方向为z方向，以芯层纵轴方向为y方向，以芯层横轴方向为x方向；当周期性结构的调制电极满足以下条件时，所述模式转换开关实现LP01与LP11b之间的模式转换：
调制电极加载电压后在z方向具有电场分量；
且调制电极加载电压后芯层z方向存在折射率的非对称性。
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