CN110320603A - 基于亚波长光栅结构的片上模式复用/解复用方法 - Google Patents

基于亚波长光栅结构的片上模式复用/解复用方法 Download PDF

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Abstract

一种基于亚波长光栅结构的片上模式复用/解复用方法，包括：通过在SOI平台上加工得到七个级联的定向耦合器，每个定向耦合器包括一个条形波导和一个亚波长光栅状波导，将条形波导通过绝热锥体连接形成总线波导，然后从总线波导的输入端口入射TE0模的同时，选择性地从各个亚波长光栅波导输入基模，在定向耦合器中达到耦合条件成为对应的高阶模式，使得总线波导内同时存在多路信号实现模式复用或解复用。本发明将亚波长光栅结构运用到定向耦合器中，不仅实现了TE4到TE10等七种高阶模式复用，还大大减小了器件尺寸。

Description

基于亚波长光栅结构的片上模式复用/解复用方法
技术领域
本发明涉及的是一种光通信领域的技术，具体是一种通过亚波长光栅结构的定向耦合器实现低损耗低串扰的高阶模式复用/解复用目的。
背景技术
在现有长距离光纤通信系统中，单模光纤传输系统的信道容量增长逐渐满足不了人们对带宽的需求，因此提高现有的光纤传输容量成为目前研究的重要方向。模分复用技术利用多模光纤中有限的稳定模式作为独立信道传递信息，可以成倍的提高系统容量和频谱效率，是构建未来光网络的关键技术之一。现有的模式复用/解复用器，往往结构较为复杂，损耗太大，器件尺寸也比较大，对制造工艺的容忍度较小，应用起来较为困难。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种基于亚波长光栅结构的片上模式复用/解复用方法，将亚波长光栅结构运用到定向耦合器中，不仅实现了TE4到TE10等七种高阶模式复用，还大大减小了器件尺寸。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明通过在SOI平台上加工得到七个级联的定向耦合器，每个定向耦合器包括一个条形波导和一个亚波长光栅状波导，将条形波导通过绝热锥体连接形成总线波导，然后从总线波导的输入端口入射TE0模的同时，选择性地从各个亚波长光栅波导输入基模，在定向耦合器中达到耦合条件成为对应的高阶模式，使得总线波导内同时存在多路信号实现模式复用或解复用。
所述的条形波导的宽度随着级联数目的增加而加宽。
所述的条形波导与亚波长光栅状波导的耦合长度及其各自的宽度采用但不限于3D-FDTD仿真结果取最优解，以达到高效模式耦合。
所述的亚波长光栅状波导的有效折射率满足：Δneq＝δ×Δn，其中：Δneq表示等效材料与SiO2包层间的折射率差，δ是光栅结构的占空比，Δn是硅波导与SiO2包层间的折射率差；本发明中对TE4、TE5、TE6、TE7、TE8、TE9、TE10模分别选取光栅结构的占空比δ＝64％、60％、57％、55％、53％、50％、45％。
技术效果
与现有技术相比，本发明创新性地将亚波长光栅结构运用到定向耦合器中，以每个亚波长光栅状波导作为输入端口入射TE0模，TE0模在定向耦合器中达到耦合条件，耦合进入总线波导成为对应的高阶模式。经过七个级联的定向耦合器依次实现耦合，使得总线波导内存在多路信号并继续向前传播，由此不仅实现了高阶模式复用，还对波导宽度变化有高的容忍度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中：a为本发明整体，包括七个级联的定向耦合器；b为定向耦合器，包括条形波导和亚波长光栅状波导；
图2为实施例中的七个耦合器的仿真模场分布图；
图3为实施例中七种模式的传输谱分布的仿真结果；
图中：绝缘衬底1、总线波导2、定向耦合器3、总线波导输入端口4、亚波长光栅输入端口5、条形波导6、亚波长光栅波导7、亚波长光栅锥8、绝热锥体9、弯曲结构A。
具体实施方式
如图1所示，本实施例通过在绝缘衬底1上的硅(SOI)平台上加工得到的七个级联的定向耦合器3，通过从总线波导输入端口4入射TE0模，在传输过程中，选择性地从亚波长光栅输入端口5输入基模，依次通过亚波长光栅锥8、亚波长光栅波导7和条形波导6耦合至总线波导2中成为对应的高阶模式，多路信号在总线波导内继续向前传播，从而实现七种模式的复用/解复用。
所述的加工是指：通过电子束曝光和电感耦合等离子刻蚀在SOI基片上实现的，再利用等离子增强化学气相沉积的方式将1μm厚的SiO2薄膜沉积在芯片上。
本实施例中，每个定向耦合器1包括：一个条形波导6和一个亚波长光栅波导7，其中：不同宽度的条形波导6经绝热锥体9连接形成总线波导2，随着模式阶数的增加，条形波导的宽度会增加。
所述的条形波导6的宽度通过3D-FDTD仿真结果取最优解，对TE4、TE5、TE6、TE7、TE8、TE9、TE10模对应的亚波长光栅的耦合长度分别为14.5、2.6、5.5、4、4、8、5μm，对应的亚波长光栅波导宽度分别为0.44、0.51、0.55、0.52、0.6、0.48、0.64μm。
所述的亚波长光栅波导7的宽度通过3D-FDTD仿真结果取最优解，对应TE4、TE5、TE6、TE7、TE8、TE9、TE10模，光栅宽度分别为0.44、0.51、0.55、0.52、0.6、0.48、0.64μm。
所述的亚波长光栅波导7为弯曲结构A，用来实现高阶模的输入与耦合，通过将基模从亚波长光栅波导入射端口输入，在定向耦合器内与总线中的高阶模式产生耦合，从而达到模式复用的效果。
所述的弯曲结构A的曲率半径为10μm。
所述的定向耦合器1中亚波长光栅状波导和条形波导间距为100nm。
如图2所示分别为仿真得到的TE4～TE10模复用时定向耦合器内的光模场分布。
本实施例片上多模复用/解复用器的尺寸小于等于88×20μm2。
如图3所示，本实施例采用3D时域有限差分法(3D-FDTD)对所述结构的解复用过程进行仿真，结构为单个基于亚波长光栅的定向耦合器。仿真过程中光源于总线波导输入对应的高阶模式，在亚波长光栅的输出端口放置监测器监测输出的基模信号，记录对应结构的传输谱。
本实施例中对于亚波长光栅7的弯曲结构A，仿真得到平均弯曲损耗为每90°损耗约1.25dB，在TE4模式处亚波长光栅与总线波长之间的耦合损耗约为0.6dB，在TE5模式处亚波长光栅与总线波长之间的耦合损耗约为1.2dB，在TE6模式处亚波长光栅与总线波长之间的耦合损耗约为1.5dB，在TE7模式处亚波长光栅与总线波长之间的耦合损耗约为0.4dB，在TE8模式处亚波长光栅与总线波长之间的耦合损耗约为0.7dB，在TE9模式处亚波长光栅与总线波长之间的耦合损耗约为1.9dB，在TE10模式处亚波长光栅与总线波长之间的耦合损耗约为0.8dB。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种基于亚波长光栅结构的片上模式复用/解复用方法，其特征在于，通过在SOI平台上加工得到七个级联的定向耦合器，每个定向耦合器包括一个条形波导和一个亚波长光栅状波导，将条形波导通过绝热锥体连接形成总线波导，然后从总线波导的输入端口入射TE0模的同时，选择性地从各个亚波长光栅波导输入基模，在定向耦合器中达到耦合条件成为对应的高阶模式，使得总线波导内同时存在多路信号实现模式复用或解复用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的条形波导的宽度随着级联数目的增加而加宽。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的在定向耦合器中达到耦合条件成为对应的高阶模式是指：从亚波长光栅输入端口输入基模，依次通过亚波长光栅锥、亚波长光栅波导和条形波导耦合至总线波导中成为对应的高阶模式。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的亚波长光栅状波导的有效折射率满足：Δneq＝δ×Δn，其中：Δneq表示等效材料与SiO2包层间的折射率差，δ是光栅结构的占空比，Δn是硅波导与SiO2包层间的折射率差，对TE4、TE5、TE6、TE7、TE8、TE9、TE10模分别选取光栅结构的占空比δ＝64％、60％、57％、55％、53％、50％、45％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的条形波导与亚波长光栅状波导的耦合长度及其各自的宽度采用3D-FDTD仿真结果取最优解，以达到高效模式耦合。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，对TE4、TE5、TE6、TE7、TE8、TE9、TE10模对应的亚波长光栅的耦合长度分别为14.5、2.6、5.5、4、4、8、5μm，对应的亚波长光栅波导宽度分别为0.44、0.51、0.55、0.52、0.6、0.48、0.64μm；对应TE4、TE5、TE6、TE7、TE8、TE9、TE10模的耦合部分，总线波导的宽度分别取为1.56、1.94、2.27、2.60、2.90、3.08、3.45μm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的加工是指：通过电子束曝光和电感耦合等离子刻蚀在SOI基片上实现的，再利用等离子增强化学气相沉积的方式将1μm厚的SiO2薄膜沉积在芯片上。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的亚波长光栅波导为弯曲结构，用来实现高阶模的输入与耦合，通过将基模从亚波长光栅波导入射端口输入，在定向耦合器内与总线中的高阶模式产生耦合，从而达到模式复用的效果。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述的弯曲结构A的曲率半径为10μm。
10.一种片上模式复用/解复用器，其特征在于，通过上述任一权利要求所述方法得到。
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