CN116299864B - 模分复用设计区域参数优化方法、复用/解复用器及系统 - Google Patents

模分复用设计区域参数优化方法、复用/解复用器及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及模分复用设计区域参数优化方法、复用/解复用器及系统，复用/解复用器包括分为多段的多模波导和至少一个单模波导，多模波导通过模分复用设计区域与单模波导连接，单模波导、模分复用设计区域和光的模式一一对应，多模波导的一端和每个单模波导分别连接不同的波分复用/解复用器，模分复用设计区域被划分为多个单元，每个模分复用设计区域的单元的状态由与不同波长下对应的多模波导经过模分复用设计区域后向下一段多模波导分别输出的TE0模式正相关的品质因子决定。与现有技术相比，本发明具有增大信道数量，提高光纤通信容量等优点。

Description

模分复用设计区域参数优化方法、复用/解复用器及系统
技术领域
本发明涉及微纳光电子元器件技术领域，尤其是涉及模分复用设计区域参数优化方法、复用/解复用器及系统。
背景技术
由于光学非线性和光纤熔融效应的影响，基于单模光纤的通信系统的传输容量已经接近极限（约 100 Tbit/s）。随着近年来 5G 技术、云计算、大数据、人工智能等新型技术的迅猛发展，基于单模光纤的通信系统已越来越难以满足日益增长的通信流量需求。为了解决这一问题，多种复用技术被相继提出，如波分复用（Wavelength DivisionMultiplexing, WDM）、模分复用（Mode Division Multiplexing, MDM）等。WDM技术的发展时间长，目前已经十分成熟并早已投入商用。1310 nm和1550 nm波长分离（解复用）和组合（复用）是许多光学应用中的重要功能。一个重要的例子是光纤到户应用，其中1550 nm和1310 nm波长可分别用于传输数据/语音和视频。
然而，WDM的发展受到了光纤放大器的带宽以及光纤非线性效应的限制，此外，WDM系统中每个波长通道都需要一个独立的激光源和一个驱动器，当涉及到更多的波长信道时，将大大提高通信系统的成本和复杂度，这些因素都限制了WDM技术对于通信系统传输容量的提升限度。模分复用技术是将相互独立的不同模式作为信息的载体，少模光纤作为信息的传输媒介，能在有限的空间内提供更多数据的复用功能。同时，MDM基于少模光纤，在制造难易度、布线、维护等方面与标准SMF系统更兼容。近年来，为了更大幅度地提升通信网络传输能力，混合复用的概念也被提出，即将WDM与MDM复用技术相结合，实现信道数量的成倍增加，并取得了较多的研究进展。
WDM与MDM混合复用技术的实现离不开关键的波分-模分混合复用器。对于实现覆盖1310 nm和1550 nm波长的波分-模分混合复用器来说，1310 nm和1550 nm的波分复用器已经可以通过多种结构实现（Goto N., Yip G. L. Y-branch wavelength multi/demultiplexer for gamma =1.30 and 1.55 μm[J]. Electronics Letters, 1990, 26(2):102-103.）（Tervonen A., Poyhonen. P. A guided-wave Mach-Zehnderinterferometer structure for wavelength multiplexing[J]. IEEE PhotonicsTechnology Letters, 1991, 3(6): 516-518.）（Ibrahim M. H. , Lee S. Y., Chin M.K., et al. Multimode interference wavelength multi/demultiplexer for 1310 and1550 nm operation based on BCB 4024-40 photodefinable polymer[J]. OpticsCommunications, 2007, 273(2):383-388.）。但是对于模分复用部分，尤其是为实现波分和模分的混合复用下的模分复用部分，由于波长跨度大，现有的基于传统光子器件设计规则的模分复用器很难同时工作于1310 nm和1550 nm波长下。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的模分复用设计区域参数优化方法、复用/解复用器及系统，实现波分和模分的混合复用/解复用，能对模式混合、波长混合的光进行解复用，有效提高了通信系统的信道数量，增大光纤通信容量。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种模分复用设计区域参数优化方法，方法包括以下步骤：
S1、设置模分复用设计区域的初始状态，从多模波导向模分复用设计区域输入对应模式的光，将此时计算得到的品质因子作为最大品质因子，所述品质因子与不同波长输入下，光从多模波导经过对应的模分复用设计区域后，对应的单模波导分别输出的TE0模式正相关，其中，多模波导通过模分复用设计区域与单模波导连接，单模波导、模分复用设计区域和光的模式一一对应；
S2、对每个单元依次进行迭代，更新最大品质因子，得到该次迭代下的结果品质因子；
S3、将S2中得到的该次迭代下的结果品质因子作为最大品质因子，重复S2，直至迭代结束条件。
进一步地，若S1中输入的光的波长为1310 nm或1550 nm，1310 nm波长下，与S1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的TE0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导输出的TE0模式的透射率，再减去该多模波导输出的S1中输入的模式的透射率，该差作为第一品质因子参数；1550 nm波长下，与S1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的TE0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导输出的TE0模式的透射率，再减去该多模波导输出的S1中输入的模式的透射率，该差作为第二品质因子参数，0.5倍的第一品质因子参数与0.5倍的第二品质因子参数之和为品质因子。
进一步地，S2的具体步骤为：
改变一个单元的状态，计算改变后的品质因子，将改变后的品质因子和最大品质因子进行比较，若改变后的品质因子大于最大品质因子，则将单元的状态保持为改变后的状态，并将改变后的品质因子作为新的最大品质因子，反之则保持单元的状态为之前未改变的状态；对每个单元依次执行上述步骤后，得到该次迭代下的结果品质因子。
进一步地，单元的状态为分为刻蚀和不刻蚀，改变一个单元的状态具体为：将状态为刻蚀的单元的状态改变为不刻蚀，或将状态为不刻蚀的单元的状态改变为刻蚀。
进一步地，所述迭代结束条件为：经过预设的迭代次数后，最后两次迭代得到的结果品质因子不再增大，或达到预设的最大迭代次数。
本发明的另一方面，提出一种波分-模分混合复用/解复用器，包括分为多段的多模波导和至少一个单模波导，多模波导通过模分复用设计区域与单模波导连接，单模波导、模分复用设计区域和光的模式一一对应，多模波导的一端和每个单模波导分别连接不同的波分复用/解复用器，模分复用设计区域被划分为多个单元，每个模分复用设计区域的单元的状态采用上述方法确定，具体步骤为：
S1、设置模分复用设计区域的初始状态，从多模波导的另一端向模分复用设计区域输入对应模式的光，将此时计算得到的品质因子作为最大品质因子，所述品质因子与不同波长输入下，光从多模波导经过对应的模分复用设计区域后，对应的单模波导分别输出的TE0模式正相关；
S2、对每个单元依次进行迭代，更新最大品质因子，得到该次迭代下的结果品质因子；
S3、将S2中得到的该次迭代下的结果品质因子作为最大品质因子，重复S2，直至迭代结束条件；
S4、重复S1-S3，直至确定所有模分复用设计区域的单元的状态。
进一步地，单模波导之间设有一定距离，多模波导基于单模波导的位置分为多段，以最靠近S1中输入光的一端的多模波导为第一段多模波导，第一段多模波导对应的模分复用设计区域为第一模分复用设计区域，并以此类推；
若 S1中输入的光的波长为1310 nm或1550 nm，1310 nm波长下，与S1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的TE0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导向下一段多模波导输出的TE0模式的透射率，再减去该多模波导向下一段多模波导输出的S1中输入的模式的透射率，该差作为第一品质因子参数；1550 nm波长下，与S1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的TE0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导向下一段多模波导输出的TE0模式的透射率，再减去该多模波导向下一段多模波导输出的S1中输入的模式的透射率，该差作为第二品质因子参数，0.5倍的第一品质因子参数与0.5倍的第二品质因子参数之和为品质因子。
进一步地，S2的具体步骤为：
改变一个单元的状态，计算改变后的品质因子，将改变后的品质因子和最大品质因子进行比较，若改变后的品质因子大于最大品质因子，则将单元的状态保持为改变后的状态，并将改变后的品质因子作为新的最大品质因子，反之则保持单元的状态为之前未改变的状态；对每个单元依次执行上述步骤后，得到该次迭代下的结果品质因子。
进一步地，单元的状态为分为刻蚀和不刻蚀，改变一个单元的状态具体为：将状态为刻蚀的单元的状态改变为不刻蚀，或将状态为不刻蚀的单元的状态改变为刻蚀。
进一步地，多模波导、单模波导和单模波导对应的模分复用设计区域形成波导层，波导层的上层为上包层，波导层的下层为衬底层，单元的状态为刻蚀时，单元的内部的材料为上包层的材料，单元的状态为不刻蚀时，单元的内部的材料为衬底层的材料，刻蚀时，刻蚀的深度与波导层的厚度相同。
进一步地，上包层的材料为空气，波导层的材料为硅，衬底层的材料为二氧化硅。
进一步地，二氧化硅衬底层的厚度为3μm，硅波导层的厚度为220nm。
进一步地，模分复用设计区域为矩形，组成模分复用设计区域的单元为正方形。
进一步地，正方形的边长为100 nm，矩形的模分复用设计区域被划分为70×10个单元或75×12个单元。
进一步地，第一段多模波导同时允许不同模式的光通过，当复用/解复用器实现n个模式的复用/解复用，第一段多模波导的宽度被设计为允许n种不同模式的光通过。
进一步地，以S1中从多模波导的另一端输入与对应模式的光的方向为正方向，在正方向上，每一段多模波导的波导宽度逐渐降低。
进一步地，光进入第m段多模波导经过对应某一模式的第m个模分复用设计区域后进入第m+1段多模波导，第m段多模波导允许通过的光的模式为n个模式的光去除已经经过的所有模分复用设计区域对应的光的模式。
进一步地，所述迭代结束条件为：经过预设的迭代次数后，最后两次迭代得到的结果品质因子不再增大，或达到预设的最大迭代次数。
进一步地，所述波分复用/解复用器为多模干涉器MMI或微环或光栅。
进一步地，所述波分复用/解复用器的输出/输入端分别对应不同的波长，当S1中输入的光的波长为1310 nm或1550 nm时，输出/输入端分别对应1310 nm和1550 nm。
进一步地，多模波导的一端和每个单模波导通过弯曲波导分别与不同的波分复用/解复用器连接。
本发明的另一方面，还提出一种通信系统，包括复用器、光纤和解复用器，复用器和解复用器都采用上述的波分-模分混合复用/解复用器，复用器的输出端连接光纤的输入端，光纤的输出端连接解复用器的输入端，输入复用器的输入端的光的波长与模式与解复用器输出端输出的光的波长与模式一一对应。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用与不同波长下对应的多模波导经过模分复用设计区域后，对应的单模波导输出的TE0模式正相关的品质因子，实现两种不同波长下的模分复用/解复用，并将其与波分复用器相结合，实现波分和模分的混合复用，有效提高了通信系统的信道数量，增大光纤通信容量。
附图说明
图1为本发明的四通道波分-模分混合复用器的结构示意图；
图2为本发明的实施例中的模分复用器A的结构示意图；
图3为本发明的模分复用器A中场分布模拟结果示意图，其中：
(a)为1550 nm波长下，当TE0模式从模分复用器A多模波导1输入时，实施例2中四通道波分-模分混合复用中场分布模拟结果；
(b)为1310 nm波长下，当TE0模式从模分复用器A多模波导1输入时，实施例2中四通道波分-模分混合复用中场分布模拟结果；
(c)为1550 nm波长下，当TE1模式从模分复用器A多模波导1输入时，实施例2中四通道波分-模分混合复用中场分布模拟结果；
(d)为1310 nm波长下，当TE1模式从模分复用器A多模波导1输入时，实施例2中四通道波分-模分混合复用中场分布模拟结果；
图4为本发明的四通道波分-模分混合复用器工作原理示意图，其中：
(a)为1550 nm波长下，当TE0模式从模分复用器A多模波导1输入时，实施例2中四通道波分-模分混合复用器中工作情况；
(b)为1310 nm波长下，当TE0模式从模分复用器A多模波导1输入时，实施例2中四通道波分-模分混合复用器中工作情况；
(c)为1550 nm波长下，当TE1模式从模分复用器A多模波导1输入时，实施例2中四通道波分-模分混合复用器中工作情况；
(d)为1310 nm波长下，当TE1模式从模分复用器A多模波导1输入时，实施例2中四通道波分-模分混合复用器中工作情况；
图5为本发明的实施例中的模分复用器B的结构示意图；
图6为本发明的模分复用器B中场分布模拟结果示意图，其中：
(a)为1550 nm波长下，当TE0模式从模分复用器B多模波导10输入时，实施例3中六通道波分-模分混合复用中场分布模拟结果；
(b)为1310 nm波长下，当TE0模式从模分复用器B多模波导10输入时，实施例3中六通道波分-模分混合复用中场分布模拟结果；
(c)为1550 nm波长下，当TE2模式从模分复用器B多模波导10输入时，实施例3中六通道波分-模分混合复用中场分布模拟结果；
(d)为1310 nm波长下，当TE2模式从模分复用器B多模波导10输入时，实施例3中六通道波分-模分混合复用中场分布模拟结果；
图7为本发明的六通道波分-模分混合复用器的结构示意图；
图8为本发明的六通道波分-模分混合复用器工作原理示意图，其中：
(a)为1550 nm波长下，当TE0模式从模分复用器B多模波导10输入时，实施例3中六通道波分-模分混合复用器中工作情况；
(b)为1310 nm波长下，当TE0模式从模分复用器B多模波导10输入时，实施例3中六通道波分-模分混合复用器中工作情况；
(c)为1550 nm波长下，当TE1模式从模分复用器B多模波导10输入时，实施例3中六通道波分-模分混合复用器中工作情况；
(d)为1310 nm波长下，当TE1模式从模分复用器B多模波导10输入时，实施例3中六通道波分-模分混合复用器中工作情况；
(e)为1550 nm波长下，当TE2模式从模分复用器B多模波导10输入时，实施例3中六通道波分-模分混合复用器中工作情况；
(f)为1310 nm波长下，当TE2模式从模分复用器B多模波导10输入时，实施例3中六通道波分-模分混合复用器中工作情况；
图9为本发明的通信系统结构图；
图10为本发明的确定模分复用设计区域的单元状态的流程图；
图中，模分复用器A第一多模波导1，模分复用器A第一模分复用设计区域2，模分复用器A第一单模波导3，四通道混合复用器第一MMI4，四通道混合复用器第一输出波导5，四通道混合复用器第二输出波导6，四通道混合复用器第二MMI7，四通道混合复用器第三输出波导8，四通道混合复用器第四输出波导9，模分复用器B多模波导10，模分复用器B模分复用设计区域11，模分复用器B单模波导12，六通道混合复用器第一MMI13，六通道混合复用器第一输出波导14，六通道混合复用器第二输出波导15，模分复用器A第二多模波导16，模分复用器A第二模分复用设计区域17，模分复用器A第二单模波导18，六通道混合复用器第二MMI19，六通道混合复用器第三输出波导20，六通道混合复用器第四输出波导21，六通道混合复用器第三MMI22，六通道混合复用器第五输出波导23，六通道混合复用器第六输出波导24，光纤25，复用器26，解复用器27。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
实施例1
本发明首先提出一种模分复用设计区域参数优化方法，方法的流程图如图10所示。方法包括以下步骤：
S1、设置模分复用设计区域的初始状态，从多模波导向模分复用设计区域输入对应模式的光，将此时计算得到的品质因子作为最大品质因子，品质因子与不同波长输入下，光从多模波导经过对应的模分复用设计区域后，对应的单模波导分别输出的TE0模式正相关，其中，多模波导通过模分复用设计区域与单模波导连接，单模波导、模分复用设计区域和光的模式一一对应；S2、对每个单元依次进行迭代，更新最大品质因子，得到该次迭代下的结果品质因子；S3、将S2中得到的该次迭代下的结果品质因子作为最大品质因子，重复S2，直至迭代结束条件。
本发明的方法中，若S1中输入的光的波长为1310 nm或1550 nm，1310 nm波长下，与S1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的TE0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导输出的TE0模式的透射率，再减去该多模波导输出的S1中输入的模式的透射率，该差作为第一品质因子参数；1550 nm波长下，与S1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的TE0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导输出的TE0模式的透射率，再减去该多模波导输出的S1中输入的模式的透射率，该差作为第二品质因子参数，0.5倍的第一品质因子参数与0.5倍的第二品质因子参数之和为品质因子。
本发明的S2的具体步骤为：
改变一个单元的状态，计算改变后的品质因子，将改变后的品质因子和最大品质因子进行比较，若改变后的品质因子大于最大品质因子，则将单元的状态保持为改变后的状态，并将改变后的品质因子作为新的最大品质因子，反之则保持单元的状态为之前未改变的状态；对每个单元依次执行上述步骤后，得到该次迭代下的结果品质因子。
本发明中，单元的状态为分为刻蚀和不刻蚀，改变一个单元的状态具体为：将状态为刻蚀的单元的状态改变为不刻蚀，或将状态为不刻蚀的单元的状态改变为刻蚀。迭代结束条件为：经过预设的迭代次数后，最后两次迭代得到的结果品质因子不再增大，或达到预设的最大迭代次数。
实施例2
基于上述方法，本发明提出一种波分-模分混合复用/解复用器。波分-模分混合复用/解复用器包括分为多段的多模波导和至少一个单模波导，多模波导通过模分复用设计区域与单模波导连接，单模波导、模分复用设计区域和光的模式一一对应，多模波导的一端和每个单模波导分别连接不同的波分复用/解复用器，模分复用设计区域被划分为多个单元。单模波导之间设有一定距离，多模波导基于单模波导的位置分为多段。
本发明的确定每个模分复用设计区域的单元的状态的方法采用上述的模分复用设计区域参数优化方法，具体步骤为：
S1、设置模分复用设计区域的初始状态，从多模波导的另一端向模分复用设计区域输入对应模式的光，将此时计算得到的品质因子作为最大品质因子，品质因子与不同波长输入下，光从多模波导经过对应的模分复用设计区域后，对应的单模波导分别输出的TE0模式正相关；
S2、对每个单元依次进行迭代，更新最大品质因子，得到该次迭代下的结果品质因子；
S3、将S2中得到的该次迭代下的结果品质因子作为最大品质因子，重复S2，直至迭代结束条件；
S4、重复S1-S3，直至确定所有模分复用设计区域的单元的状态。
本发明中，以最靠近S1中输入光的一端的多模波导为第一段多模波导，第一段多模波导对应的模分复用设计区域为第一模分复用设计区域，并以此类推，第一段多模波导连接第二段多模波导，直至最后一段多模波导连接波分复用/解复用器。波分复用/解复用器作为波分复用器时，最后一段多模波导连接波分复用器的输出端，当波分复用/解复用器作为波分解复用器时，最后一段多模波导连接波分复用器的输入端。第一段多模波导同时允许不同模式的光通过，当复用/解复用器实现n个模式的复用/解复用，第一段多模波导的宽度被设计为允许n种不同模式的光通过。以S1中从多模波导的另一端输入与对应模式的光的方向为正方向，在正方向上，每一段多模波导的波导宽度逐渐降低。光进入第m段多模波导经过对应某一模式的第m个模分复用设计区域后进入第m+1段多模波导，第m段多模波导允许通过的光的模式为n个模式的光去除已经经过的所有模分复用设计区域对应的光的模式。
本发明的S1中，输入的同一模式的光的波长可以分别为1310 nm或1550 nm。除了1310 nm或1550 nm 之外，也可以采用其他波长的入射光，入射光的波长范围在1310-1550nm 内即可。1310 nm波长下，与S1的模分复用设计区域连接的单模波导向输出的TE0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导向下一段多模波导输出的TE0模式的透射率，再减去该多模波导向下一段多模波导输出的S1中输入的模式的透射率，该差作为第一品质因子参数；1550 nm波长下，与S1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的TE0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导向下一段多模波导输出的TE0模式的透射率，再减去该多模波导向下一段多模波导输出的S1中输入的模式的透射率，该差作为第二品质因子参数，0.5倍的第一品质因子参数与0.5倍的第二品质因子参数之和为品质因子。
S2的具体步骤为：
改变一个单元的状态，计算改变后的品质因子，将改变后的品质因子和最大品质因子进行比较，若改变后的品质因子大于最大品质因子，则将单元的状态保持为改变后的状态，并将改变后的品质因子作为新的最大品质因子，反之则保持单元的状态为之前未改变的状态；对每个单元依次执行上述步骤后，得到该次迭代下的结果品质因子。单元的状态为分为刻蚀和不刻蚀，改变一个单元的状态具体为：将状态为刻蚀的单元的状态改变为不刻蚀，或将状态为不刻蚀的单元的状态改变为刻蚀。模分复用设计区域为矩形，组成模分复用设计区域的单元为正方形。正方形的边长为100 nm，矩形的模分复用设计区域被划分为70×10个单元或75×12个单元。
多模波导、单模波导和单模波导对应的模分复用设计区域形成波导层，波导层的上层为上包层，波导层的下层为衬底层，单元的状态为刻蚀时，单元的内部的材料为上包层的材料，单元的状态为不刻蚀时，单元的内部的材料为衬底层的材料，刻蚀时，刻蚀的深度与波导层的厚度相同。上包层的材料为空气，波导层的材料为硅，衬底层的材料为二氧化硅。二氧化硅衬底层的厚度为3μm，硅波导层的厚度为220nm。
S3中，迭代结束条件为：经过预设的迭代次数后，最后两次迭代得到的结果品质因子不再增大，或达到预设的最大迭代次数。
本发明的波分复用/解复用器可以为多模干涉器MMI。此时，波分复用/解复用器的不与多模波导的一端或单模波导连接的两个输出/输入端分别对应不同的波长，当S1中输入的光的波长为1310 nm或1550 nm时，两个输出/输入端中，一个输出/输入端对应1310nm，另一个输出/输入端对应1550 nm。不与多模波导的一端或单模波导连接的两个输出/输入端，以及剩下的输出/输入端相互对应，当剩下的输出/输入端为输入端，则两个输出/输入端为输出端，反之，剩下的输出/输入端为输出端，则两个输出/输入端为输入端。多模波导的一端和每个单模波导通过弯曲波导分别与不同的波分复用/解复用器连接。本发明的波分复用/解复用器也可以为微环或光栅。
本发明的多模波导、模分复用设计区域和单模波导组成波导层。波导层、衬底层和上包层组成模分复用/解复用器。模分复用/解复用器连接波分复用/解复用器组成波分-模分混合复用/解复用器。
本发明作为波分-模分混合解复用器时，从多模波导输入混合模式、混合波长的光，光经过迭代完成的模分复用设计区域，与该模分复用设计区域对应的模式的光转化为模式为TE0的光，从整体光中分离出来，进入该模分复用设计区域对应单模波导，而剩余的光进入下一段多模波导，光依次经过所有的迭代完成的模分复用设计区域，各个模式的光被分离出来，都转化为模式为TE0的光进入对应的单模波导，再进入对应的波分解复用器。进入对应的波分解复用器后，进行波分解复用，向对应的波长的输出端输出特定波长的TE0模式的光，实现波分-模分混合解复用器。
本发明作为波分-模分混合复用器时，只需要将作为波分-模分混合解复用器时的波分解复用器的输出作为输入，将对应的波长的TE0模式的光输入波分解复用器的输出，也就是波分复用器的输入，最终多模波导输出混合模式、混合波长的光。
下面以双模式的波分-模分混合复用/解复用器，输入的光的波长为1310 nm或1550 nm，光的模式为TE0和TE1为例：
如图2所示为双模式的波分-模分混合复用/解复用器的模分复用/解复用器（以下简称模分复用器A）的结构示意图。本实施例的模分复用器A包括模分复用器A第一多模波导1、模分复用器A第一模分复用设计区域2和模分复用器A第一单模波导3。
模分复用器A可以包括衬底层、波导层和上包层。波导层包括模分复用器A第一多模波导1、模分复用器A第一模分复用设计区域2、模分复用器A第一单模波导3，其中模分复用器A第一多模波导1通过模分复用器A第一模分复用设计区域2与模分复用器A第一单模波导3相连接。模分复用器A第一模分复用设计区域2被划分为M×N个矩形单元，矩形单元的状态为刻蚀或不刻蚀，刻蚀深度与波导层的厚度相同，当矩形单元处于刻蚀状态时，内部材料为上包层材料；当矩形单元处于不刻蚀状态时，内部材料为波导层材料。在本实施例中，衬底层选用SiO2材料，波导层选用Si材料，上包层为空气，需要注意的是，本实施例中给出的器件各层材料仅是提供一种方案，可根据据实际情况调整，本申请不对其进行限制。
模分复用器A第一多模波导1被设计为同时允许TE0和TE1模式通过，波导宽度为800nm；模分复用器A第一单模波导3被设计为仅支持TE0模式通过，波导宽度为500 nm，其中上述波导宽度均可根据实际情况调整。
二氧化硅衬底层的厚度为3 μm，硅波导层的厚度为220 nm。模分复用器A第一模分复用设计区域2为长7μm，宽1μm的矩形，矩形单元为边长100 nm的正方形，需要说明的是，上述尺寸可根据实际情况和要求进行调整，本申请不对其进行限制。
在本实施例中，模分复用器A第一模分复用设计区域2被划分为70×10个矩形单元，矩形单元的状态为刻蚀或不刻蚀，刻蚀深度与顶层硅的厚度相同，即当矩形单元刻蚀时，其中材料为空气；当矩形单元不刻蚀时，其中材料为硅，器件的制作可以通过单步刻蚀实现。
根据想要实现的器件功能（即无论是在1310 nm还是1550 nm波长下，从多模波导1输入的TE0模式均沿多模波导1传播和输出，从多模波导1输入的TE1模式经过模分复用器A第一模分复用设计区域2解复用为TE0模式并耦合至模分复用器A第一单模波导3传播和输出。），来定义合适的品质因子（figure of merit,FOM）用于评价器件的性能。通过不断更新品质因子设置模分复用器A第一模分复用设计区域2中矩形单元的状态，具体包括：
（1）设置所有矩形单元均处于不刻蚀状态为初始状态，计算初始状态下模分复用器A的初始品质因子，记作FOMmax；
（2）对所有矩形单元依次进行如下操作：改变矩形单元的状态（即，若矩形单元原本处于不刻蚀状态，则改变至刻蚀状态；反之，若矩形单元原本处于刻蚀状态，则改变至不刻蚀状态）并计算新的品质因子（记作temp），将新的品质因子temp与FOMmax进行比较，若新的品质因子temp大于FOMmax，则保持矩形单元的状态为改变后的状态，并将新的品质因子temp赋值给FOMmax；反之则设置矩形单元的状态为改变前的状态；
（3）重复执行步骤（2），直至FOMmax不再增大或完成设置好的迭代次数。
当结束700个矩形单元的计算后，称为一次迭代结束，之后再重复步骤（2），进行多次迭代后，当FOMmax不再增大时输出的器件图形如图1所示。
矩形单元的状态变换、FOM的计算、比较，均借助编程语言Python，可以采用光学仿真软件Lumerical中的三维有限时域差分（3D-FDTD）功能实现。
在本实施例中，双模式为TE0和TE1。对模分复用器A第一模分复用设计区域2进行迭代计算，此时，可以仅考虑当TE1模式从模分复用器A第一多模波导1输入，经过模分复用器A第一模分复用设计区域2转变为TE0模式并耦合至模分复用器A第一单模波导3传播和输出的情况。因此，品质因子的表达式为：
FOM=0.5(t1-x1-x2)+0.5(t2-x3-x4)
其中，t1为在1310 nm波长下，TE1模式从模分复用器A第一多模波导1输入时，从模分复用器A第一单模波导3输出的TE0模式的透射率，x1为在1310 nm波长下从模分复用器A第一多模波导1输出的TE0模式的透射率，x2为在1310 nm波长下从模分复用器A第一多模波导1输出的TE1模式的透射率；t2为在1550 nm波长下，TE1模式从模分复用器A第一多模波导1输入时，从模分复用器A第一单模波导3输出的TE0模式的透射率，x3为在1550 nm波长下从模分复用器A第一多模波导1输出的TE0模式的透射率，x4为在1550 nm波长下从模分复用器A第一多模波导1输出的TE1模式的透射率。在1310 nm和1550 nm下，从模分复用器A第一多模波导1输入的TE1模式解复用为模分复用器A第一单模波导3输出的TE0模式越多，FOM随之增大；反之则减小。
得到迭代完成的模分复用器A第一模分复用设计区域2后，对模分复用器A的输出结果进行模拟。模拟结果如图3所示。
在1550 nm波长下，当TE0模式从模分复用器A第一多模波导1输入时，模分复用器A中场分布模拟结果如附图3中的(a)所示。可以看到从模分复用器A第一多模波导1输入的TE0模式，沿模分复用器A第一多模波导1传播，并从模分复用器A第一多模波导1输出。
在1310 nm波长下，当TE0模式从模分复用器A第一多模波导1输入时，模分复用器A中场分布模拟结果如附图3中的(b)所示。可以看到从模分复用器A第一多模波导1输入的TE0模式，沿模分复用器A第一多模波导1传播，并从模分复用器A第一多模波导1输出。
在1550 nm波长下，当TE1模式从模分复用器A第一多模波导1输入时，模分复用器A中场分布模拟结果如附图3中的(c)所示。可以看到从模分复用器A第一多模波导1输入的TE1模式，沿模分复用器A第一多模波导1传播，经过模分复用器A第一模分复用设计区域2，解复用为TE0模式并耦合至模分复用器A第一单模波导3中，并从模分复用器A第一单模波导3输出。
在1310 nm波长下，当TE1模式从模分复用器A第一多模波导1输入时，模分复用器A中场分布模拟结果如附图3中的(d)所示。可以看到从模分复用器A第一多模波导1输入的TE1模式，沿模分复用器A第一多模波导1传播，经过模分复用器A第一模分复用设计区域2，解复用为TE0模式并耦合至模分复用器A第一单模波导3中，并从模分复用器A第一单模波导3输出。
结合附图3可知，模分复用器A在1310 nm和1550 nm波长下均可以正常工作，且损耗和串扰较小。
将上述模分复用器A用于双模式的波分-模分混合复用/解复用器的模分复用部分中，双模式的波分-模分混合复用/解复用器为四通道波分-模分混合复用器（以下简称四通道混合复用器）。波分复用部分以MMI结构的波分复用器为例，实际使用时也可采用其他结构的1310/1550 nm波分复用器，本发明仅提供一种示例，对具体结构不做限制。
将上述的模分复用器A第一多模波导1和模分复用器A第一单模波导3通过弯曲波导分别与四通道混合复用器第一MMI4和四通道混合复用器第二MMI7的输入端口级联，得到的四通道混合复用器结构如附图1所示。
下面结合附图4对本实施例给出的四通道混合复用器的功能做出介绍：
在1550 nm波长下，当TE0模式从模分复用器A第一多模波导1输入时，四通道混合复用器的工作情况如附图4中的(a)所示。从模分复用器A第一多模波导1输入的TE0模式，沿模分复用器A第一多模波导1传播，并从模分复用器A第一多模波导1传输至四通道混合复用器第一MMI4的输入端口。通过四通道混合复用器第一MMI4的波分解复用功能，TE0模式最终从四通道混合复用器第二输出波导6输出。
在1310 nm波长下，当TE0模式从模分复用器A第一多模波导1输入时，四通道混合复用器的工作情况如附图4中的(b)所示。从模分复用器A第一多模波导1输入的TE0模式，沿模分复用器A第一多模波导1传播，并从模分复用器A第一多模波导1传输至四通道混合复用器第一MMI4的输入端口。通过四通道混合复用器第一MMI4的波分解复用功能，TE0模式最终从四通道混合复用器第一输出波导5输出。
在1550 nm波长下，当TE1模式从模分复用器A第一多模波导1输入时，四通道混合复用器的工作情况如附图4中的(c)所示。从模分复用器A第一多模波导1输入的TE1模式，沿模分复用器A第一多模波导1传播，经过模分复用器A第一模分复用设计区域2，解复用为TE0模式并耦合至模分复用器A第一单模波导3中，并从模分复用器A第一单模波导3传输至四通道混合复用器第二MMI7的输入端口。通过四通道混合复用器第二MMI7的波分解复用功能，TE0模式最终从四通道混合复用器第三输出波导8输出。
在1310 nm波长下，当TE1模式从模分复用器A第一多模波导1输入时，四通道混合复用器的工作情况如附图4中的(d)所示。从模分复用器A第一多模波导1输入的TE1模式，沿模分复用器A第一多模波导1传播，经过模分复用器A第一模分复用设计区域2，解复用为TE0模式并耦合至模分复用器A第一单模波导3中，并从模分复用器A第一单模波导3传输至四通道混合复用器第二MMI7的输入端口。通过四通道混合复用器第二MMI7的波分解复用功能，TE0模式最终从四通道混合复用器第四输出波导9输出。
上述功能为双模式的波分-模分混合复用/解复用器作为解复用器的工作流程，当作为复用器工作时，只需要将作为解复用器输出的模式和波长对应的光作为输入，输入对应的到解复用器的输出端即可。
实施例3
下面以三模式的波分-模分混合复用/解复用器，输入的光的波长为1310 nm或1550 nm，光的模式为TE0、TE1和TE2为例：
本实施例中，对于TE1对应的模分复用设计区域的迭代计算与实施例2中的计算完全相同。也就是说三模式的波分-模分混合复用/解复用器的模分复用器包括实施例2的模分复用器A，同时，为了能够进行TE2的波分-模分混合复用/解复用，在模分复用器A的基础上增加模分复用器B。本实施例的模分复用器A包括模分复用器A第二多模波导16、模分复用器A第二模分复用设计区域17模分复用器A第二单模波导18。
模分复用器B的结构示意图如图5所示。本实施例与实施例2的不同在于，除了TE0和TE1的传播，为了支持TE2模式的传播，模分复用器B多模波导10的宽度设置为1.4 μm。模分复用器B模分复用设计区域11的长设置为7.5 μm，宽设置为1.2 μm，模分复用器B模分复用设计区域11被划分为75×12个矩形单元，每个矩形单元仍为边长为100 nm的正方形单元。模分复用器B单模波导12的宽度与模分复用器A第一单模波导3的宽度相同，均为500 nm。
本实施例中，除了采用FOM=0.5(t1-x1-x2)+0.5(t2-x3-x4)迭代模分复用器A，还需要通过下列品质因子对模分复用器B的模分复用设计区域11进行迭代：
FOM=0.5(t3-x5-x6)+0.5(t4-x7-x8)
其中，t3为在1310 nm波长下，TE2模式从模分复用器B多模波导10输入时，从模分复用器B单模波导12输出的TE0模式的透射率，x5为在1310 nm波长下从模分复用器B多模波导10输出的TE0模式的透射率，x6为在1310 nm波长下从模分复用器B多模波导10输出的TE2模式的透射率，t4为在1550 nm波长下，TE2模式从模分复用器B多模波导10输入时，从模分复用器B单模波导12输出的TE0模式的透射率，x7为在1550 nm波长下，从模分复用器B多模波导10输出的TE0模式的透射率，x8为在1550 nm波长下，从模分复用器B多模波导10输出的TE2模式的透射率。在1310 nm和1550 nm下，从模分复用器B多模波导10输入的TE2模式解复用为模分复用器B单模波导12输出的TE0模式越多，FOM随之增大；反之则减小。
根据实施例2中器件优化流程对模分复用器B模分复用设计区域11进行两次迭代优化后输出的器件图案如附图5所示。得到迭代完成的模分复用器B模分复用设计区域11后，对模分复用器B的输出结果进行模拟。模拟结果如图6所示。
在1550 nm波长下，当TE0模式从模分复用器B多模波导10输入时，模分复用器B中场分布模拟结果如附图6中的(a)所示。可以看到从模分复用器B多模波导10输入的TE0模式，沿模分复用器B多模波导10传播，并从模分复用器B多模波导10输出。
在1310 nm波长下，当TE0模式从模分复用器B多模波导10输入时，模分复用器B中场分布模拟结果如附图6中的(b)所示。可以看到从模分复用器B多模波导10输入的TE0模式，沿模分复用器B多模波导10传播，并从模分复用器B多模波导10输出。
在1550 nm波长下，当TE2模式从模分复用器B多模波导10输入时，模分复用器B中场分布模拟结果如附图6中的(c)所示。可以看到从模分复用器B多模波导10输入的TE2模式，沿模分复用器B多模波导10传播，经过模分复用器B模分复用设计区域11，解复用为TE0模式并耦合至模分复用器B单模波导12中，并从模分复用器B单模波导12输出。
在1310 nm波长下，当TE2模式从模分复用器B多模波导10输入时，模分复用器B中场分布模拟结果如附图6中的(d)所示。可以看到从模分复用器B多模波导10输入的TE2模式，沿模分复用器B多模波导10传播，经过模分复用器B模分复用设计区域11，解复用为TE0模式并耦合至模分复用器B单模波导12中，并从模分复用器B单模波导12输出。
结合附图6可知，模分复用器B在1310 nm和1550 nm波长下均可以正常工作，且损耗和串扰较小。
将上述模分复用器B，以及实施例2的模分复用器A应用于三模式的波分-模分混合复用/解复用器中，给出一种六通道波分-模分混合复用器（以下简称六通道混合复用器）的结构示意，如附图7所示。图7中，模分复用部分由实施例2的波长不敏感TE0/TE1模式模分复用器（即模分复用器A）和本实施例的波长不敏感TE0/TE2模式模分复用器（即模分复用器B）级联组成。波分复用部分依旧以MMI结构的波分复用器为例，实际使用时也可采用其他结构的1310/1550 nm波分复用器，本发明仅提供一种示例，对具体结构不做限制。
下面结合附图8对本实施例给出的六通道混合复用器的功能做出介绍：
在1550 nm波长下，当TE2模式从模分复用器B多模波导10输入时，六通道混合复用器的工作情况如附图8中的(a)所示。从模分复用器B多模波导10输入的TE2模式，沿模分复用器B多模波导10传播，经过模分复用器B模分复用设计区域11，解复用为TE0模式并耦合至模分复用器B单模波导12中，并沿着模分复用器B单模波导12传输至六通道混合复用器第一MMI13的输入端口。通过六通道混合复用器一MMI13的波分解复用功能，TE0模式最终从六通道混合复用器第一输出波导14输出。
在1310 nm波长下，当TE2模式从模分复用器B多模波导10输入时，六通道混合复用器的工作情况如附图8中的(b)所示。从模分复用器B多模波导10输入的TE2模式，沿模分复用器B多模波导10传播，经过模分复用器B模分复用设计区域11，解复用为TE0模式并耦合至模分复用器B单模波导12中，并沿着模分复用器B单模波导12传输至六通道混合复用器第一MMI13的输入端口。通过六通道混合复用器第一MMI13的波分解复用功能，TE0模式最终从六通道混合复用器第二输出波导15输出。
在1550 nm波长下，当TE1模式从模分复用器B多模波导10输入时，六通道混合复用器的工作情况如附图8中的(c)所示。从模分复用器B多模波导10输入的TE1模式，沿模分复用器B多模波导10传播至模分复用器A第二多模波导16，经过模分复用器A第二模分复用设计区域17，解复用为TE0模式并耦合至模分复用器A第二单模波导18中，并从模分复用器A第二单模波导18传输至六通道混合复用器第二MMI19的输入端口。通过六通道混合复用器第二MMI19的波分解复用功能，TE0模式最终从六通道混合复用器第三输出波导20输出。
在1310 nm波长下，当TE1模式从模分复用器B多模波导10输入时，六通道混合复用器的工作情况如附图8中的(d)所示。从模分复用器B多模波导10输入的TE1模式，沿模分复用器B多模波导10传播至模分复用器A第二多模波导16，经过模分复用器A第二模分复用设计区域17，解复用为TE0模式并耦合至模分复用器A第二单模波导18中，并从模分复用器A第二单模波导18传输至六通道混合复用器第二MMI19的输入端口。通过六通道混合复用器第二MMI19的波分解复用功能，TE0模式最终从六通道混合复用器第四输出波导21输出。
在1550 nm波长下，当TE0模式从模分复用器B多模波导10输入时，六通道混合复用器的工作情况如附图8中的(e)所示。从模分复用器B多模波导10输入的TE1模式，沿模分复用器A多模波导1传播至模分复用器A第二多模波导16，并从模分复用器A第二多模波导16传输至六通道混合复用器第三MMI22的输入端口。通过六通道混合复用器第三MMI22的波分解复用功能，TE0模式最终从六通道混合复用器第五输出波导23输出。
在1310 nm波长下，当TE0模式从模分复用器B多模波导10输入时，六通道混合复用器的工作情况如附图8中的(f)所示。从模分复用器B多模波导10输入的TE1模式，沿模分复用器A多模波导1传播至模分复用器A第二多模波导16，并从模分复用器A第二多模波导16传输至六通道混合复用器第三MMI22的输入端口。通过六通道混合复用器第三MMI22的波分解复用功能，TE0模式最终从六通道混合复用器第六输出波导24输出。
本发明中的模分复用设计区域的单元的确定方法是通过品质因子进行迭代，采用品质因子已经在波分复用/解复用器中采用，但是本发明采用的方法是在输入不同波长不同模式的光的情况下，考虑两种不同波长下的品质因子，当两种不同波长下的品质因子之和为最大值，此时的模分复用设计区域的状态作为最终迭代得到的模分复用设计区域的单元的状态，因此，通过本发明的设计方法，实现在不同波长的光的输入下实现模分，模分得到的结果是同一模式的不同的波长混合的光，再将不同的波长混合的光再输入波分复用器，实现波分-模分的混合复用。
实施例4
本发明还提出一种通信系统，通信系统的结构如图9所示。系统包括复用器26、光纤25和解复用器27，复用器26和解复用器27都采用实施例2或实施例3的波分-模分混合复用/解复用器，复用器26的输出端连接光纤25的输入端，光纤25的输出端连接解复用器27的输入端，输入复用器26的输入端的光的波长与模式与解复用器27输出端输出的光的波长与模式一一对应。该通信系统还可以实现双向的传输。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (20)

1.一种模分复用设计区域参数优化方法，其特征在于，方法包括以下步骤：
S1、设置模分复用设计区域的初始状态，从多模波导向模分复用设计区域输入对应模式的光，将此时计算得到的品质因子作为最大品质因子，其中，多模波导通过模分复用设计区域与单模波导连接，单模波导、模分复用设计区域和光的模式一一对应，模分复用设计区域被划分为多个单元；
S2、对每个单元依次进行迭代，更新最大品质因子，得到该次迭代下的结果品质因子；
S3、将S2中得到的该次迭代下的结果品质因子作为最大品质因子，重复S2，直至迭代结束条件；
若S1中输入的光的波长为1310 nm或1550 nm，1310 nm波长下，与S1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的TE0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导输出的TE0模式的透射率，再减去该多模波导输出的S1中输入的模式的透射率，该差作为第一品质因子参数；1550 nm波长下，与S1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的TE0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导输出的TE0模式的透射率，再减去该多模波导输出的S1中输入的模式的透射率，该差作为第二品质因子参数，0.5倍的第一品质因子参数与0.5倍的第二品质因子参数之和为品质因子。
2.根据权利要求1所述的一种模分复用设计区域参数优化方法，其特征在于，S2的具体步骤为：
改变一个单元的状态，计算改变后的品质因子，将改变后的品质因子和最大品质因子进行比较，若改变后的品质因子大于最大品质因子，则将单元的状态保持为改变后的状态，并将改变后的品质因子作为新的最大品质因子，反之则保持单元的状态为之前未改变的状态；对每个单元依次执行上述步骤后，得到该次迭代下的结果品质因子。
3.根据权利要求2所述的一种模分复用设计区域参数优化方法，其特征在于，单元的状态为分为刻蚀和不刻蚀，改变一个单元的状态具体为：将状态为刻蚀的单元的状态改变为不刻蚀，或将状态为不刻蚀的单元的状态改变为刻蚀。
4.根据权利要求1所述的模分复用设计区域参数优化方法，其特征在于，所述迭代结束条件为：经过预设的迭代次数后，最后两次迭代得到的结果品质因子不再增大，或达到预设的最大迭代次数。
5.一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，包括分为多段的多模波导和至少一个单模波导，多模波导通过模分复用设计区域与单模波导连接，单模波导、模分复用设计区域和光的模式一一对应，多模波导的一端和每个单模波导分别连接不同的波分复用/解复用器，模分复用设计区域被划分为多个单元，每个模分复用设计区域的单元的状态采用下列方法确定：
S1、设置模分复用设计区域的初始状态，从多模波导的另一端向模分复用设计区域输入对应模式的光，将此时计算得到的品质因子作为最大品质因子；
单模波导之间设有一定距离，多模波导基于单模波导的位置分为多段，以最靠近S1中输入光的一端的多模波导为第一段多模波导，第一段多模波导对应的模分复用设计区域为第一模分复用设计区域，并以此类推；
若 S1中输入的光的波长为1310 nm或1550 nm，1310 nm波长下，与S1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的TE0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导向下一段多模波导输出的TE0模式的透射率，再减去该多模波导向下一段多模波导输出的S1中输入的模式的透射率，该差作为第一品质因子参数；1550 nm波长下，与S1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的TE0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导向下一段多模波导输出的TE0模式的透射率，再减去该多模波导向下一段多模波导输出的S1中输入的模式的透射率，该差作为第二品质因子参数，0.5倍的第一品质因子参数与0.5倍的第二品质因子参数之和为品质因子；
S2、对每个单元依次进行迭代，更新最大品质因子，得到该次迭代下的结果品质因子；
S3、将S2中得到的该次迭代下的结果品质因子作为最大品质因子，重复S2，直至迭代结束条件；
S4、重复S1-S3，直至确定所有模分复用设计区域的单元的状态。
6.根据权利要求5所述的一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，S2的具体步骤为：
改变一个单元的状态，计算改变后的品质因子，将改变后的品质因子和最大品质因子进行比较，若改变后的品质因子大于最大品质因子，则将单元的状态保持为改变后的状态，并将改变后的品质因子作为新的最大品质因子，反之则保持单元的状态为之前未改变的状态；对每个单元依次执行上述步骤后，得到该次迭代下的结果品质因子。
7.根据权利要求6所述的一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，单元的状态为分为刻蚀和不刻蚀，改变一个单元的状态具体为：将状态为刻蚀的单元的状态改变为不刻蚀，或将状态为不刻蚀的单元的状态改变为刻蚀。
8.根据权利要求7所述的一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，多模波导、单模波导和单模波导对应的模分复用设计区域形成波导层，波导层的上层为上包层，波导层的下层为衬底层，单元的状态为刻蚀时，单元的内部的材料为上包层的材料，单元的状态为不刻蚀时，单元的内部的材料为衬底层的材料，刻蚀时，刻蚀的深度与波导层的厚度相同。
9.根据权利要求8所述的一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，上包层的材料为空气，波导层的材料为硅，衬底层的材料为二氧化硅。
10.根据权利要求9所述的一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，二氧化硅衬底层的厚度为3μm，硅波导层的厚度为220nm。
11.根据权利要求7所述的一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，模分复用设计区域为矩形，组成模分复用设计区域的单元为正方形。
12.根据权利要求11所述的一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，正方形的边长为100 nm，矩形的模分复用设计区域被划分为70×10个单元或75×12个单元。
13.根据权利要求5所述的一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，第一段多模波导同时允许不同模式的光通过，当复用/解复用器实现n个模式的复用/解复用，第一段多模波导的宽度被设计为允许n种不同模式的光通过。
14.根据权利要求13所述的一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，以S1中从多模波导的另一端输入与对应模式的光的方向为正方向，在正方向上，每一段多模波导的波导宽度逐渐降低。
15.根据权利要求14所述的一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，光进入第m段多模波导经过对应某一模式的第m个模分复用设计区域后进入第m+1段多模波导，第m段多模波导允许通过的光的模式为n个模式的光去除已经经过的所有模分复用设计区域对应的光的模式。
16.根据权利要求5所述的一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，所述迭代结束条件为：经过预设的迭代次数后，最后两次迭代得到的结果品质因子不再增大，或达到预设的最大迭代次数。
17.根据权利要求5所述的一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，所述波分复用/解复用器为多模干涉器MMI或微环或光栅。
18.根据权利要求5所述的一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，所述波分复用/解复用器输出/输入端分别对应不同的波长，当S1中输入的光的波长为1310 nm或1550 nm时，输出/输入端分别对应1310 nm和1550 nm。
19.根据权利要求5所述的一种波分-模分混合复用/解复用器，其特征在于，多模波导的一端和每个单模波导通过弯曲波导分别与不同的波分复用/解复用器连接。
20.一种通信系统，其特征在于，包括复用器、光纤和解复用器，复用器和解复用器都采用如权利要求5~19任一项所述的波分-模分混合复用/解复用器，复用器的输出端连接光纤的输入端，光纤的输出端连接解复用器的输入端，输入复用器的输入端的光的波长与模式与解复用器输出端输出的光的波长与模式一一对应。
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波分-模分复用/解复用器的设计和性能分析;柳璐;陈鹤鸣;;光通信研究(03);全文 *

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