CN113281842A - 可重构模式转换与多模dpsk解调的微纳器件及方法 - Google Patents

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Abstract

可重构模式转换与多模DPSK解调的微纳器件及方法，涉及模分复用光通信技术领域。所述微纳器件包括光功率分配器、时延单元、可重构模式转换器和模式解复用器。多模DPSK信号经过光功率分配器均分成两路，两路信号通过时延单元调整后存在一个bit位的延时差，再送入可重构模式转换器进行模式转换，最后通过模式解复用器进行解复用，得到解调后的开关键控信号。可重构模式转换器通过相移器对转换功能进行重构，对不同相位差的输入信号实施不同的模式转换对。可实现光的多模可重构并行转换与多模DPSK并行解调，提高功能的灵活性，降低器件体积和解调器组件数量，对片上光系统的进一步集成化和多功能化具有积极意义。

Description

可重构模式转换与多模DPSK解调的微纳器件及方法
技术领域
本发明涉及模分复用光通信技术领域，尤其是涉及一种可重构模式转换与多模DPSK解调的微纳器件及方法。
背景技术
信息技术飞速发展，使网络数据量呈现出爆炸式增长，这对光通信网络的带宽和容量提出更高的要求。光复用技术是提升光通信容量的一种手段，目前已发展出时分复用(TDM，Time Division Multiplexing)、波分复用(WDM,Wavelength DivisionMultiplexing)和空分复用(SDM,Space Division Multiplexing)等分支。模分复用(MDM,Mode Division Multiplexing)技术是SDM的一种实现方式，它通过将信息调制到相互正交的模式信道上，从而达到信号同步传输的目的。
近年来，基于SOI(Silicon-On-Insulator)工艺的MDM片上光学器件受到业界的广泛关注与研究。其中，基于SOI的模式转换器能够对波导中的模式进行变换，达到模式开关和模式路由等目的。虽然目前已有许多方法能够设计模式转换器，但仍然存在一些不足：一方面，用传统方法(例如Y型波导或多模干涉耦合器)设计的转换器体积较大，难以大规模集成；另一方面，一些采用反向设计或机器学习等方法生成的转换器虽然体积较小，则缺乏功能可重构的灵活性。
此外，在MDM通信系统中，基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI,Mach-ZehnderInterferometer)、环形谐振腔或相干完美吸收器等结构的DPSK(Difference Phase ShiftKeying)解调器难以对多模DPSK信号直接解调的缺点，需要先将所有模式分离并降为基模，再分别实施解调，这无疑增加解调器的组件数量和体积。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述缺点，提供可实现多个模式的可重构并行模式转换和多模DPSK信号的并行解调的一种可重构模式转换与多模DPSK解调的微纳器件。
本发明的另一目的在于提供可重构模式转换与多模DPSK解调的方法。
所述可重构模式转换与多模DPSK解调的微纳器件，包括光功率分配器、时延单元、可重构模式转换器和模式解复用器；
所述光功率分配器的输入端输入多模DPSK信号，光功率分配器的两个输出端分别接可重构模式转换器和时延单元的输入端，可重构模式转换器的另一输入端接时延单元的输出端，可重构模式转换器的输出端与模式解复用器的输入端相连，模式解复用器的输出端输出多模解调信号。
所述时延单元采用bit位时延线或相移器，bit位时延线用于使输入的两路信号之间产生一个bit位的延时差；相移器用于使输入的两路信号之间产生相位差。
所述可重构模式转换器采用超构材料加反向设计的方法优化设计而成，可重构模式转换器为像素块阵列超材料，包含均匀分割的若干像素块阵列，每个像素块由硅或二氧化硅填充。
所述可重构模式转换与多模DPSK解调的方法，包括以下步骤：
1)输入多模DPSK信号，经过光功率分配器分成两路信号，该两路信号与输入的多模DPSK信号模式相同、功率分别为输入信号的一半；
2)两路信号其中一路经过时延单元调整后送入可重构模式转换器，另一路信号直接送入可重构模式转换器，时延单元使两路信号之间产生一个bit位的延时差或相位差；
3)可重构模式转换器对输入的两路信号进行模式转换为各个模式信道的解调信号，解调信号此时处于复用状态，信号合并为一路输出送入模式解复用器进行解复用后，每个模式耦合到对应的输出端，得到解调后的开关键控信号。
本发明提出的微纳器件可实现光的多模可重构并行转换与多模DPSK并行解调，提高功能的灵活性，降低器件体积和解调器组件数量，对片上光系统的进一步集成化和多功能化具有积极意义。
附图说明
图1为本发明实施例1可重构模式转换与多模DPSK解调器的结构示意图。
图2为本发明实施例2可重构模式转换器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下实施例将结合附图对本发明进行作进一步的说明。
实施例1
参见图1，本发明实施例所述可重构模式转换与多模DPSK解调的微纳器件，包括光功率分配器1、时延单元2、可重构模式转换器3和模式解复用器4；所述光功率分配器1用于将输入的多模DPSK信号分配成两路输出信号；所述时延单元2使用bit位时延线，用于使输入的两路信号之间产生一个bit位的延时差；所述可重构模式转换器3用于将输入信号调整后进行模式转换并重构；所述模式解复用器4用于将重构后的信号解调为开关键控信号。
所述光功率分配器1的输出端a与可重构模式转换器3的输入端c相连，光功率分配器1的输出端b与时延单元2的输入端相连，时延单元2的输出端与可重构模式转换器3的输入端d相连，可重构模式转换器3的输出端与模式解复用器4的输入端相连。
所述可重构模式转换与多模DPSK解调方法，包括以下步骤：
1)输入多模DPSK信号，经过光功率分配器1分成两路信号，该两路信号与输入的多模DPSK信号模式相同、功率分别为输入信号的一半，并分别从端口a和b输出；
2)两路信号其中一路从端口b经过时延单元2调整后送入可重构模式转换器3的端口d，另一路信号直接从端口a送入可重构模式转换器3的端口c，时延单元2使用bit位时延线，以保证输入到可重构模式转换器3的两路信号之间存在一个bit位的时延差；
3)可重构模式转换器3对输入的两路信号进行模式转换，其结果即为各个模式信道的解调信号，此时的解调信号仍处于复用状态，信号合并为一路输出送入模式解复用器4进行解复用，使每个模式耦合到对应的输出端，最终得到解调后的开关键控(OOK，On-OffKeying)信号。DPSK解调器能够并行解调多个模式的DPSK信号。
可重构模式转换器3采用超构材料加反向设计的方法优化设计。将可重构模式转换器3均匀分割成若像素块阵列，每个像素块由硅或二氧化硅之一的介质材料填充。可重构模式转换器3的介质分布采用直接二进制搜索(DBS,Direct Binary Search)算法进行优化设计。该算法循环依次对每个像素块的材料在硅和二氧化硅之间做翻转，并对每一次翻转后的结构做功能仿真，再通过FOM(Figure Of Merit)指标衡量器件性能并决定是否保留当前结构。当FOM在很长一段时间内趋于稳定，则停止搜索算法，得到最终结构。
实施例2
参见图2，本发明实施例所述可重构模式转换器3基于SOI平台，输入信号由一束原始光束通过光功率分配器1生成，是两路功率和模式均相等的光束。与实施例1类似，其区别在于将时延单元2采用相移器5。两路信号经过相移器5调整，相位差Δφ为0(同相)或π(反相)。调整后的信号通过可重构模式转换器3进行模式转换，其结果从可重构模式转换器3的输出端输出。模式转换的功能通过相移器5进行重构，在Δφ＝0与Δφ＝π时具有两种不同的功能。
在本实施例中，令输入模式为N，则当相位差Δφ＝0(同相)与Δφ＝π(反相)时分别有N个模式转换对，因此共有2N个模式转换对；令模式转换对在指定带宽内的平均透射率分别为Ti，i＝1,2,…,2N，则FOM定义为：
Figure BDA0003078074140000041
其中，参数t(0<t≤1)为目标因子，在优化过程中不断变化，用于帮助算法摆脱局部最小值。当Ti相差较大时，将Ti的平均值赋给t，使得Ti相互接近；之后逐渐增大t,直到再次出现Ti相差较大的情况。
由于同一个输入模式在相位差Δφ＝0与Δφ＝π时会输出不同模式，因此所述可重构模式转换器3能够识别通信信号的相位信息，适用于如DPSK等相移键控编码的解调。
本发明提出的微纳器件可实现光的多模可重构并行转换与多模DPSK并行解调，光功率分配器1、时延单元2和可重构模式转换器3作为一个组合，当时延单元2采用相移器，通过调整输入信号间的相位差实现不同的模式转换对，可达到模式转换功能可重构的目的。当时延单元2采用bit位时延线，通过调整输入两路信号传输时延，使两路信号之间产生一个bit位的延时差；进而通过模式解复用器4达到解调多个模式DPSK信号的目的。本发明提高了器件功能的灵活性，降低器件体积和解调器组件数量，对片上光系统的进一步集成化和多功能化具有积极意义。

Claims (4)

1.可重构模式转换与多模DPSK解调的微纳器件，其特征在于包括光功率分配器、时延单元、可重构模式转换器和模式解复用器；
所述光功率分配器的输入端输入多模DPSK信号，光功率分配器的两个输出端分别接可重构模式转换器和时延单元的输入端，可重构模式转换器的另一输入端接时延单元的输出端，可重构模式转换器的输出端与模式解复用器的输入端相连，模式解复用器的输出端输出多模解调信号。
2.如权利要求1所述可重构模式转换与多模DPSK解调的微纳器件，其特征在于所述时延单元采用bit位时延线或相移器，所述bit位时延线用于使输入的两路信号之间产生一个bit位的延时差；所述相移器用于使输入的两路信号之间产生相位差。
3.如权利要求1所述可重构模式转换与多模DPSK解调的微纳器件，其特征在于所述可重构模式转换器采用超构材料加反向设计的方法优化设计而成，可重构模式转换器为像素块阵列超材料，包含均匀分割的若干像素块阵列，每个像素块由硅或二氧化硅填充。
4.可重构模式转换与多模DPSK解调的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)输入多模DPSK信号，经过光功率分配器分成两路信号，该两路信号与输入的多模DPSK信号模式相同、功率分别为输入信号的一半；
2)两路信号其中一路经过时延单元调整后送入可重构模式转换器，另一路信号直接送入可重构模式转换器，时延单元使两路信号之间产生一个bit位的延时差或相位差；
3)可重构模式转换器对输入的两路信号进行模式转换为各个模式信道的解调信号，解调信号此时处于复用状态，信号合并为一路输出送入模式解复用器进行解复用后，每个模式耦合到对应的输出端，得到解调后的开关键控信号。
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