CN111948753A - 一种基于双槽式硅纳米线波导高纯oam模产生及模分复用器 - Google Patents

一种基于双槽式硅纳米线波导高纯oam模产生及模分复用器 Download PDF

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Abstract

一种基于双槽式硅纳米线波导的高纯OAM模产生及模分复用器，包括：SiO2包层，三个单模输入波导，四个弯曲波导，四个模式耦合波导以及带有三段双槽模式转换波导的多模总线波导；第一单模输入波导(3)，经第一弯曲波导(4)和第一模式耦合区(5)耦合传入多模总线波导，转换为高阶模TE10，高阶模TE10模进入双槽模式转换波导(6)，能叠加合成为OAM‑1模，实现第一路OAM‑1模式复用；多模总线波导(2)直接输入TE00，经过三段双槽模式转换区，模式未发生变化，在第四模式转换区(15)连到OAM+2模式转换区的末端生成OAM0(TE00)输出，相比于单槽波导结构，双槽结构不仅产生高纯度的一阶OAM模式，还产生二阶OAM模式，将所有元件集成在一个硅基器件上，可实现4个OAM模式的复用。

Description

一种基于双槽式硅纳米线波导高纯OAM模产生及模分复用器
技术领域
本发明涉及一种基于双槽硅纳米线波导的高纯OAM模产生及模分复用器的应用，属于光通信以及光信息处理技术领域。
背景技术
随着互联网数据流量的爆炸式增长，可用的大容量数据光纤传输系统变得越来越迫切。但在传统的光纤传输网络中，各种复用技术如波分复用、频分复用、时分复用等早已被充分利用。此时，模分复用(MDM)技术应运而生，作为一种可选的多路复用技术，已经被引入到光纤通信中，来增加传输容量。近年来，具有螺旋相位波前的轨道角动量(OAM)光束，由于任意OAM模式的正交性和理论上的无穷多模式数，将其应用于模分复用系统，可以同时复用/解复用任意数目的模式，在提高传输容量方面具有很大潜力，已经引起了广泛的关注。基于OAM的MDM系统可以避免复杂的多输入多输出(MIMO)数字信号处理，克服多模态串扰和有限模态。因此，可以将其应用于大容量数据传输中，提高信道容量和频谱效率。
目前，产生OAM模式的方法多种多样，包括空间光调制器(SLM)、柱面透镜模式转换器、螺旋相位板，甚至直接在激光腔内产生。尽管这些光学元件提供了优异的性能，但对于系统应用来说，它们体积庞大、价格昂贵且复杂。在当今高度集成化、微型化的时代，设计一种新型的低功耗、低成本的高阶OAM模产生器是非常有必要的。硅纳米线波导是集成光电子芯片中的关键器件之一，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，本发明目的是，提供一种基于双槽硅纳米线波导结构的高纯度OAM模产生的模分复用器及应用，该方法设计与制备的模分复用器件体积小，结构紧凑，集成在一个器件上可应用于模分复用系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于双槽式硅纳米线波导的高纯度OAM模产生及模分复用器，是一种SOI结构，衬底为硅，包括：SiO2包层，三个单模输入波导，四个弯曲波导，四个模式耦合波导以及带有三段双槽模式转换波导(区)的多模总线波导；
所述单模输入波导，只支持基模的输入；
第一单模输入波导3，经弯曲波导4和第一模式耦合区5耦合传入多模总线波导，转换为高阶模TE10，高阶模TE10模进入双槽模式转换波导6，能叠加合成为OAM-1模，实现第一路OAM-1模式复用；
多模总线波导2直接输入TE00，经过三段双槽模式转换区，模式未发生变化，在第四模式转换区15连到OAM+2模式转换区16的末端生成OAM0(TE00)输出，实现第二路OAM0模式复用；
第二单模输入波导8，经弯曲波导9和第一模式耦合区10将基模耦合至多模总线波导，转换为高阶模TE10，高阶模TE10模直接经过OAM模式转换区7，生成OAM+1输出，实现第二路OAM+1模式的复用；
第三单模输入波导11输入，经第三弯曲波导12传入第三模式耦合区13的上波导，经过一定的耦合长度耦合入第三模式耦合波导13的下波导，转换为模式TE10模，TE10模再经第四弯曲波导14传入第四模式耦合区15的上波导，经过一定的耦合长度，耦合为总线波导中的TM11模，该模式经过双槽模式转换区生成OAM+2模式，实现第四路OAM+2模式复用。
双槽模式转换波导6、7、16共三段，所述模式耦合波导区，实现基模到高阶模的转换；所述带有三段双槽模式转换区指多模波导可实现OAM模式的转换。
所述双槽的模式转换波导指在多模总线波导的两个对角边上分别刻蚀了两个空气槽，且两槽的尺寸一致。
所述基底材料为硅，包层材料为二氧化硅。所述包层内部传输波导的材料为硅。
衬底硅材料厚度为2μm，包层二氧化硅厚度为4μm，所有波导的厚度均为1μm。
所述多模总线波导的宽度为1.1μm，高度为1μm，长度为35μm。
基于双槽式硅纳米线波导的高纯度OAM模产生及模分复用器，所述双槽的模式转换波导的两个刻蚀槽位于波导的两个对角边，且尺寸一致，宽度均为0.29μm，高度均为0.1μm。
第一与第二单模输入波导3和8的宽度均为0.535μm；第一与第二弯曲波导4和弯曲波导9的长度均为3μm，高度均为1.5μm，宽度均为0.535μm；
第一与第二模式耦合区5和10中的直波导耦合长度均为12.8μm，宽度均为0.535μm，与多模总线波导间的耦合间距均为50nm。
第三单模输入波导11的宽度为0.41μm，第三弯曲波导12的长度为3μm，高度为1.5μm，宽度为0.41μm；第三模式耦合区13上波导的宽度为0.41μm，下波导的宽度为0.553，二者耦合长度为17.5μm，耦合间距为50nm；
第四弯曲波导14的长度为3μm，高度为1.5μm，宽度为0.553μm；第四模式耦合区15上波导的宽度为0.553μm，与下波导的耦合长度为14μm，耦合间距为50nm。
所述的一种基于双槽式硅纳米线波导的高纯度OAM模产生及模分复用器，OAM模式产生及复用过程如下：
波长范围在1.48μm-1.62μm的TE00从第一单模波导3输入，经第一弯曲波导4和第一模式耦合区5耦合传入多模总线波导，转换为高阶模TE10，TE10模进入第一段双槽模式转换波导6，可叠加合成为OAM-1模，实现第一路OAM-1模式复用；
波长范围在1.48μm-1.62μm的TE00从多模总线波导2输入，经过三段双槽模式转换区，模式未发生变化，在第四模式转换区15连到OAM+2模式转换区16的末端生成OAM0(TE00)输出，实现第二路OAM0模式复用；
波长范围在1.48μm-1.62μm的TE00从第二单模输入波导8输入，经第二弯曲波导9传入第二模式耦合区10，耦合进总线波导中，转换为模式TE10模，继续传输进入第二段双槽模式转换区7，在7末端生成OAM+1输出，实现第三路OAM+1模式复用；
波长范围在1.48μm-1.62μm的TE00从第三单模输入波导11输入，经第三弯曲波导12传入第三模式耦合区13的上波导，经过一定的耦合长度耦合入第三模式耦合波导13的下波导，转换为模式TE10模，TE10模再经第四弯曲波导14传入第四模式耦合区15的上波导，经过一定的耦合长度，耦合为总线波导中的TM11模，该模式经过双槽模式转换区生成OAM+2模式，实现第四路OAM+2模式复用。
波导中的高阶模式进入双沟槽模式转换区会激励两个相互正交的混合模式，当经过四分之一拍长的双沟槽波导时，两个混合模式的相位差为π/2，可合称为OAM模式；双沟槽结构的引入增大了混合模式的折射率差，减小了模式转换长度，因而进一步减小产生器件的尺寸。相比于单槽波导结构，双槽结构不仅可以产生高纯度的一阶OAM模式，还可以产生二阶OAM模式，将所有元件集成在一个硅基器件上，可实现4个OAM模式(OAM0,OAM±1和OAM+2)的复用。
有益效果：本发明提出了一种基于双槽式硅纳米线波导的高纯度OAM模产生及复用器，该器件中的模式转换区域由两个刻蚀的空气槽组成，通过调节两个空气槽的高度、宽度，实现了四个高阶OAM模式的高效转换，将OAM模产生器集成在一个器件中，可应用于模分复用系统，既可减小器件尺寸，降低了耦合损耗，又可以提高通信系统的容量。
本发明的双槽式波导结构打破了波导中模式的旋转对称性，激励的两个混杂模式与输入模式的重叠积分高，因此产生的OAM±1模式的纯度均达90％以上。且当高阶模输入双槽波导结构中时，也可激励出高混杂度的高阶混合模式，当传输一定距离，两个混合模式的相位差为π/2时，可合成为较高纯度(大于80％)的高阶OAM+2模式。双槽结构的引入相较于单槽结构，可进一步增大两个混合模式的折射率差，从而进一步减小了OAM合成的转换长度。因此，本发明具有尺寸小、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为本发明基于双槽硅纳米线波导的高纯度OAM模产生及模分复用器的结构示意图。
图2为本发明基于双槽硅纳米线波导的高纯度OAM模产生及模分复用器的双沟槽截面图。
图3(a)为1.48-1.62μm的基模TE00从单模波导3输入后，经模式转换输出的OAM-1模的场强分布图。
图3(b)为1.48-1.62μm的基模TE00从单模波导3输入后，经模式转换输出的OAM-1模的相位图。
图4(a)为1.48-1.62μm的基模TE00从单模波导8输入后，经模式转换输出的OAM+1模的场强分布图。
图4(b)为1.48-1.62μm的基模TE00从单模波导8输入后，经模式转换输出的OAM+1模的相位分布图。
图5(a)为1.48-1.62μm的基模TE00从单模波导11输入后，经模式转换输出的OAM+2模的场强分布图。
图5(b)为1.48-1.62μm的基模TE00从单模波导11输入后，经模式转换输出的OAM+2模的相位分布图。
图6为产生的高纯度OAM±1模式的纯度随波长的变化关系图。
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双槽式硅纳米线波导的高纯度OAM模产生及模分复用器，具有实际应用价值。由耦合模理论可知，当单模波导中基模的有效折射率和传输多模波导中高阶模的有效折射率相等时，满足相位匹配原则，经过一定的耦合距离，可以使得在单模波导中传输的基模耦合进入多模波导中并转换成高阶模传输。多模波导中的高阶模进入双槽波导中，由于沟槽的引入打破了矩形波导的旋转对称性，会使高阶模在沟槽波导中激发出两个不同传播常数的混合模，当两个混合模传输一段四分之一个拍长时(即槽的长度)，两个混合模产生π/2的相位差，此时两模式耦合可产生OAM模式。
如图1所示，本发明提供一种基于双槽式硅纳米线波导的高纯度OAM模产生及模分复用器，是一种SOI结构，衬底为硅，包括：SiO2包层1，多模总线波导2，第一到第三单模输入波导3、8、11，第一到第四弯曲波导4、9、12、14，第一到第四模式耦合区5、10、13、15，模式转换区6，OAM±1模式转换区7，OAM+2模式转换区16。图2所示为双槽硅纳米线波导2的截面图。
本发明中，衬底材料为硅，包层1的材料为二氧化硅，传输波导2的材料为硅。
本发明中，第一单模输入波导3，第一弯曲波导4，第一模式耦合区5，模式转换区6和OAM±1模式转换区7依次相连，用以产生OAM-1模式。
第二单模输入波导8，第二弯曲波导9，第二模式耦合区10和OAM±1模式转换区7依次连接，用以产生OAM+1模式。
第三单模输入波导11，第三弯曲波导12，第三模式耦合区13，第四弯曲波导14，第四模式耦合区15和OAM+2模式转换区16依次相连，用以产生OAM+2模式。
本发明中，衬底硅材料厚度为2μm，包层二氧化硅厚度为4μm，所有波导的厚度均为1μm.
本发明中，多模波导2的宽度为1.1μm,长度为75μm，其上设有三段刻蚀槽，槽的高度均为0.1μm，宽度均为0.29μm，靠近输入端的第一段刻蚀槽6的长度为22μm，用以实现TE10到TE01的模式转换，第二段刻蚀槽7的长度为11μm，用以实现OAM±1模式的产生，第三段刻蚀槽长度为4.6μm，用以实现OAM+2模式的产生。
本发明中，第一与第二单模输入波导3和8的宽度均为0.535μm；第一与第二弯曲波导4和弯曲波导9的长度均为3μm，高度均为1.5μm，宽度均为0.535μm；模式耦合区5和10中的直波导耦合长度均为12.8μm，宽度均为0.535μm，与多模波导间的耦合间距均为50nm。
本发明中，第三单模输入波导11的宽度为0.41μm，第三弯曲波导12的长度为3μm，高度为1.5μm，宽度为0.41μm；第三模式耦合区13上波导的宽度为0.41μm，下波导的宽度为0.553，二者耦合长度为17.5μm，耦合间距为50nm；第四弯曲波导14的长度为3μm，高度为1.5μm，宽度为0.553μm；第四模式耦合区15上波导的宽度为0.553μm，与下波导的耦合长度为14μm，耦合间距为50nm。
实施例
波长范围在1.48μm-1.62μm的TE00从单模的第一输入波导3输入，经第一弯曲波导4传入第一模式耦合区5，根据耦合模理论耦合进多模波导7，耦合为TE10模，经过第一段双槽模式转换区转换为TE10模，继续传输进入第二段双沟槽模式转换区7，在模式转换区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1.48μm-1.62μm的TE00从多模总线波导2输入，经过三段双槽模式转换区，模式未发生变化，在OAM+2模式转换区16的末端生成OAM0(TE00)输出。
波长范围在1.48μm-1.62μm的TE00从单模的第二输入波导8输入，经第二弯曲波导9传入第二模式耦合区10，耦合进总线波导中，转换为模式TE10模，继续传输进入第二段双槽模式转换区7，在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4(a)和图4(b)。
波长范围在1.48μm-1.62μm的TE00从单模的第三输入波导11输入，经第三弯曲波导12传入第三模式耦合区13的上波导，经过一定的耦合长度耦合入13的下波导，转换为模式TE10模，TE10模再经弯曲波导传入第四模式耦合区15的上波导，经过一定的耦合长度，耦合为总线波导中的TM11模，该模式经过双槽模式转换区生成OAM+2模式。OAM+2输出的场强分布和相位分布参见图5(a)和图5(b)。
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)

1.一种基于双槽式硅纳米线波导的OAM模产生及模分复用器，其特征是，所述模分复用器是SOI结构，衬底为硅，包括：SiO2包层，三个单模输入波导，四个弯曲波导，四个模式耦合波导以及带有三段双槽模式转换波导的多模总线波导；
所述单模输入波导，只支持基模的输入；
第一单模输入波导(3)，经第一弯曲波导(4)和第一模式耦合区(5)耦合传入多模总线波导，转换为高阶模TE10，高阶模TE10模进入双槽模式转换波导(6)，能叠加合成为OAM-1模，实现第一路OAM-1模式复用；
多模总线波导(2)直接输入TE00，经过三段双槽模式转换区，模式未发生变化，在第四模式转换区(15)连到OAM+2模式转换区(16)的末端生成OAM0(TE00)输出，实现第二路OAM0模式复用；
第二单模输入波导(8)，经第二弯曲波导(9)和第一模式耦合区(10)将基模耦合至多模总线波导，转换为高阶模TE10，高阶模TE10模直接经过OAM模式转换区(7)，生成OAM+1输出，实现第二路OAM+1模式的复用；
第三单模输入波导(11)输入，经第三弯曲波导(12)传入第三模式耦合区(13)的上波导，经过一定的耦合长度耦合入第三模式耦合波导(13)的下波导，转换为模式TE10模，TE10模再经第四弯曲波导(14)传入第四模式耦合区(15)的上波导，经过一定的耦合长度，耦合为总线波导中的TM11模，该模式经过双槽模式转换区生成OAM+2模式，实现第四路OAM+2模式复用；
所述模式耦合波导区，实现基模到高阶模的转换；
所述带有三段双槽模式转换区指多模波导可实现OAM模式的转换；
所述双槽的模式转换波导指在多模总线波导的两个对角边上分别刻蚀了两个空气槽，且两槽的尺寸一致；包层材料为二氧化硅，包层内部传输波导的材料为硅。
2.如权利要求1所述的模分复用器，其特征在于，衬底硅材料厚度为2μm，包层二氧化硅厚度为4μm，所有波导的厚度均为1μm。
3.如权利要求1所述的模分复用器，其特征在于，所述多模总线波导的宽度为1.1μm，高度为1μm，长度为35μm。
4.如权利要求1所述的模分复用器，其特征在于，所述双槽的模式转换波导的两个刻蚀槽位于多模总线波导的两个对角边，宽度均为0.29μm，高度均为0.1μm。
5.如权利要求1所述的模分复用器，其特征在于，第一与第二单模输入波导(3、8)的宽度均为0.535μm；第一与第二弯曲波导和弯曲波导(4、9)的长度均为3μm，高度均为1.5μm，宽度均为0.535μm。
6.如权利要求1所述的模分复用器，其特征在于，第一与第二模式耦合区(5、10)中的直波导耦合长度均为12.8μm，宽度均为0.535μm，与多模总线波导间的耦合间距均为50nm。
7.如权利要求1所述的模分复用器，其特征在于，第三单模输入波导(11)的宽度为0.41μm，第三弯曲波导(12)的长度为3μm，高度为1.5μm，宽度为0.41μm；第三模式耦合区(13)上波导的宽度为0.41μm，下波导的宽度为0.553μm，二者耦合长度为17.5μm，耦合间距为50nm；
8.如权利要求1所述的模分复用器，其特征在于，第四弯曲波导(14)的长度为3μm，高度为1.5μm，宽度为0.553μm；第四模式耦合区(15)上波导的宽度为0.553μm，与下波导的耦合长度为14μm，耦合间距为50nm。
9.如权利要求1-8之一所述的一种基于双槽式硅纳米线波导的高纯度OAM模产生及模分复用器，其特征在于，OAM模式产生及复用过程如下：
波长范围在1.48μm-1.62μm的TE00从第一单模波导(3)输入，经第一弯曲波导(4)和第一模式耦合区(5)耦合传入多模总线波导，转换为高阶模TE10，TE10模进入第一段双槽模式转换波导(6)，叠加合成为OAM-1模，实现第一路OAM-1模式复用；
波长范围在1.48μm-1.62μm的TE00从多模总线波导(2)输入，经过三段双槽模式转换区，模式未发生变化，在第四模式转换区15连到OAM+2模式转换区(16)的末端生成OAM0(TE00)输出，实现第二路OAM0模式复用；
波长范围在1.48μm-1.62μm的TE00从第二单模输入波导(8)输入，经第二弯曲波导(9)传入第二模式耦合区(10)，耦合进总线波导中，转换为模式TE10模，继续传输进入第二段双槽模式转换区(7)，在双槽模式转换区(7)末端生成OAM+1输出，实现第三路OAM+1模式复用；
波长范围在1.48μm-1.62μm的TE00从第三单模输入波导(11)输入，经第三弯曲波导(12)传入第三模式耦合波导(13)的上波导，经过一定的耦合长度耦合入第三模式耦合波导的下波导，转换为模式TE10模，TE10模再经第四弯曲波导(14)传入第四模式耦合区(15)的上波导，经过一定的耦合长度，耦合为总线波导中的TM11模，该模式经过双槽模式转换区生成OAM+2模式，实现第四路OAM+2模式复用。
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