CN104730645A - 一种用于模式复用-波分复用混合技术的复用-解复用器 - Google Patents

一种用于模式复用-波分复用混合技术的复用-解复用器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于模式复用-波分复用混合技术的复用-解复用器。包括多模输入波导、具有一个输入端口及2M个输出端口的1×2M模式复用器、M个结构相同的双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器；1×2M模式复用器的输入端口与多模输入波导连接，1×2M模式复用器的2M个输出端口以依次相邻的两个端口为一组分成M对，双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器的两个输入端与1×2M模式复用器的一对输出端口连接。本发明具有结构简单、设计方便，所需的阵列波导光栅波分复用解复用器的数量仅为原有方案的一半，大大减小了器件尺寸，也使得各个阵列波导光栅波分复用解复用器的一致性更容易得以控制。

Description

一种用于模式复用-波分复用混合技术的复用-解复用器
技术领域
本发明涉及一种平面光波导集成器件，尤其是涉及一种用于模式复用-波分复用混合技术的复用-解复用器。
背景技术
众所周知，长距离光通信已经取得巨大成功。同样地，光互连作为一种新的互联方式，可克服传统电互联存在的瓶颈问题，引起了广泛关注。自1984年J.W.Goodman提出在VLSI中采用光互连方案以来，光互连研究已取得了巨大进展。当前光互连不断向超短距离互联推进，其通信容量需求日益增长。针对光互连***数据传输量大的特点，最直接的方法是借用长距离光纤通信***中常用的波分复用(WDM)技术。然而，由于激光器阵列成本及***复杂度等因素的限制，密集波分复用***的可用通道数日趋饱和。因此，亟需发展新的复用技术，从而进一步增加信号传输信道。模式复用技术是最近几年重新受到重视的复用技术，其基本原理是利用多模光纤或多模波导中的多个正交模式分别携带信号进行多通道数据传输，其核心器件是模式(解)复用器。在过去几年已经研制了一些新兴模式复用-解复用器件。例如，文献【Maxim Greenberg等，“Simultaneous dual mode add/drop multiplexers for optical interconnectsbuses，”Optics Communications 266(2006)527–531】设计了一种基于功率渐变(adiabatic power transfer)原理的单偏振的双模插分复用器，但其设计复杂，不易于拓展；文献【S.Bagheri,and William M.J.Green“Silicon-on-insulatormode-selective add-drop unit for on-chip mode-division multiplexing,”6th IEEEInternational Conference on Group IV Photonics,2009(GFP'09),Page(s):166-168,9-11 Sept.2009】给出了一种基于多级模式耦合的双模插分复用器，但仅实现了基模和第一高阶模的复用，其结构复杂、设计不便、器件尺寸大、且不易于扩展；文献【Daoxin Dai,Jian Wang,and Yaocheng Shi,"Silicon mode(de)multiplexerenabling high capacity photonic networks-on-chip with a single-wavelength-carrierlight,"Opt.Lett.38,1422-1424(2013)】给出一种基于级联非对称耦合器结构的多通道模式复用器件；文献【J.Wang,S.He,and D.Dai.On-chip silicon 8-channelhybrid(de)multiplexer enabling simultaneous mode-and polarization-division-multiplexing.Laser&Photonics Reviews.8(2):L18–L22,2014】给出一种8通道的双偏振模式复用器件。
值得注意的是，这些研究还只是关注模式复用-解复用器件本身。为了获得更多通道从而真正提升通信容量，应将模式复用与波分复用相结合，而其关键器件则是新型的多模式-多波长复用-解复用器。比较直接的方式是直接将一个M通道模式复用器件与M个波分复用器件(如阵列波导光栅)相结合，从而总通道数得以倍增。这种方式存在的不足是：所需波分复用器件数量大，导致整体器件尺寸较大，且在实际制作过程中难以保证数量众多的AWG完全一致。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种用于模式复用-波分复用混合技术的复用-解复用器。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括多模输入波导、具有一个输入端口及2M个输出端口的1×2M模式复用器、M个结构相同的双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器；1×2M模式复用器的输入端口与多模输入波导连接，1×2M模式复用器的各个输出端口分别与各自的双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器连接；1×2M模式复用器的2M个输出端口以依次相邻的两个端口为一组分成M对，双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器的两个输入端与1×2M模式复用器的一对输出端口连接；作为解复用器，光信号从多模输入波导输入；作为复用器，光信号从双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器的各个输出端口输入。
所述的双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器：包括第一输入波导、第二输入波导、第一平板波导、第二平板波导、一组阵列波导、包含有P条输出波导的第一输出波导组以及包含有P条输出波导的第二输出波导组；第一输入波导和第二输入波导的一端连接到1×2M模式复用器一对输出端口，第一输入波导另一端与第一输出波导组一端一起连接到第一平板波导的一端，第二输入波导另一端与第二输出波导组一端一起连接到第二平板波导的一端，第一平板波导和第二平板波导的另一端之间连接有一组阵列波导。
所述的多模输入波导包含有由2M个模式及其各模式下的P个不同波长组成的2M×P个通道的光信号。
当作为解复用器时，所述的1×2M模式复用器将入射到多模输入波导的2M×P个通道的光信号分成2M组，相同模式的光信号分为一组，每一组的信号中包含有具备不同中心波长的P个通道。
所述的1×(2M)模式复用器为基于级联非对称耦合器的结构或者绝热渐变型的模式转换结构。
本发明具有的有益效果是：
本发明具有结构简单、设计方便，所需的阵列波导光栅波分复用解复用器的数量仅为原有方案的一般，大大减小了器件尺寸，也使得各个阵列波导光栅波分复用解复用器的一致性更容易得以控制。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明采用的硅纳米光波导横截面结构示意图。
图3是本发明采用的硅纳米光波导的各阶模式有效折射率随其宽度的变化关系。
图4为本发明采用的基于级联非对称耦合器结构的模式复用器示意图。
图5为本发明作为解复用器的实施例。
图中：100、多模输入波导，101、1×(2M)模式复用器，1、2、…、m、…、M、双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器，2、输出端口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明包括多模输入波导100、具有一个输入端口及2M个输出端口的1×2M模式复用器101、M个结构相同的双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器1、2、…、m、…、M；1×2M模式复用器101的输入端口与多模输入波导100连接，1×2M模式复用器101的各个输出端口分别与各自的双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器连接；1×2M模式复用器101的2M个输出端口以依次相邻的两个端口为一组分成M对，双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器的两个输入端与1×2M模式复用器101的一对输出端口2连接。
本发明上述的输入波导和输出波导是可逆的：作为解复用器，光信号从多模输入波导100输入；作为复用器，光信号从双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器的各个输出端口输入。
双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器具有两个输入光波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导、两组均具有P条输出光波导的输出波导组。
以第m个双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器为例，第m个双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器m的两条输入波导m3a、m3b分别与模式复用器101的第2m-1、2m个输出端口相连，m＝1,…,M，m为阵列波导光栅波分复用器的序数，M为阵列波导光栅波分复用器的总数。
具体来说是包括：第一输入波导m3a、第二输入波导m3b、第一平板波导m4a、第二平板波导m4b、一组阵列波导m5、包含有P条输出波导的第一输出波导组m6a以及包含有P条输出波导的第二输出波导组m6b；第一输入波导m3a和第二输入波导m3b的一端连接到1×2M模式复用器101一对输出端口，第一输入波导m3a另一端与第一输出波导组m6a一端一起连接到第一平板波导m4a的一端，第二输入波导m3b另一端与第二输出波导组m6b一端一起连接到第二平板波导m4b的一端，第一平板波导m4a和第二平板波导m4b的另一端之间连接有一组阵列波导m5。第一输出波导组m6a中的每条输出波导的一端为输出端口，而另一端与第一平板波导m4a相连且位于第一连接波导m3a的同一侧，第二输出波导组m6b中的每条输出波导的一端为输出端口，而另一端与第二平板波导m4b相连且位于第二输入波导m3b的同一侧。
多模输入波导100包含有由2M个模式及其各模式下的P个不同波长组成的2M×P个通道的光信号，各个模式下载有P个不同波长。
当作为解复用器时，所述的1×2M模式复用器101将入射到多模输入波导100的2M×P个通道的光信号分成2M组，相同模式的光信号分为一组，每一组的信号中包含有具备不同中心波长为λ1、λ3、…、λP的P个通道。
1×(2M)模式复用器101为基于级联非对称耦合器的结构或者绝热渐变型的模式转换结构。
本发明的工作原理过程为：
在多模输入波导中传输的由2M个模式、P个波长联合携带的2M×P个通道的光信号被1×(2M)模式复用器分成2M组，即每个模式携带的光信号为一组，分别从1×(2M)模式复用器的2M个输出端口以基模的形式输出，而每一组光信号中包含有具备不同中心波长为λ1、λ3、…、λP的P个通道。其中1×(2M)模式复用器的第2m-1、2m个输出端口分别与第m个双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器m的两条输入波导m3a、m3b相连；
经由输入波导m3a的一组光，含有不同中心波长λ1、λ3、…、λP的P个通道，依次经过第一平板波导m4a、一组阵列波导m5、第二平板波导m4b后，具有不同中心波长λ1、λ3、…、λP的P个通道分别从第一输出波导组m6b的P条输出波导输出。
经由输入波导m3b的另一组光，含有不同中心波长λ1、λ3、…、λP的P个通道，依次经过第二平板波导m4b、一组阵列波导m5、第一平板波导m4a后，具有不同中心波长λ1、λ3、…、λP的P个通道分别从第二输出波导组m6a的P条输出波导输出。
下面给出一种本发明用于解复用器的具体实施例：
在此，选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导，如图2所示：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层材料是SiO2，厚度为2μm、折射率为1.4404；其包层为SiO2，厚度为1μm、折射率为1.4404。此种硅纳米线光波导的各个模式的有效折射率随其宽度变化的关系如图3所示。
在此实施例中，选取阵列波导光栅的相关参数为：波长通道数P＝16，通道间隔Δλch＝3.2nm，相邻阵列波导长度差为11.547μm，第一平板波导、第二平板波导的长度均为L＝100μm，输入光波导、阵列波导以及输出波导宽度均为500nm，相邻输出波导间距为2.42μm。
在此实施例中，选取基于级联非对称耦合器结构的1×(2M)模式复用器，考虑4通道情形，即M＝2，其结构如图4所示，1011为多模输入波导。在此，各个级联的非对称耦合器有一个窄单模接入波导、以及一个宽多模波导组成。此例中窄单模接入波导的宽度均选为w0＝400nm。根据耦合模理论，应使窄单模接入波导的基模与宽多模波导的某个高阶模满足相位匹配条件，即neff0＝neffi(w)，在此neff0为窄单模接入波导的基模的有效折射率、neffi为宽多模波导的某个高阶模的有效折射率。根据图5所示的各个模式有效折射率，很容易得到各个非对称耦合器中的宽多模波导的优化宽度分别选为：w1＝1.02μm、w2＝1.68μm、w3＝2.35μm。对应的，各个耦合区的优化长度分别选为：L1＝4.5μm、L2＝7.0μm、L3＝9.7μm，从而使得窄单模接入波导的基模与宽多模波导的某个高阶模能发生完全耦合。
最后实施例的最终实际形成结构如图5所示，含有一条多模输入波导、一个基于非对称耦合器结构的四通道模式解复用器、2个完全一样的包含有16通道的双向型17×17阵列波导光栅，由此通过4个模式、16个波长的组合实现了64个通道。
由此，本发明多模式-多波长复用-解复用器结构减小了器件尺寸，也使得各个阵列波导光栅波分复用解复用器的一致性更容易得以控制，具有结构简单、设计方便等技术效果。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于模式复用-波分复用混合技术的复用-解复用器，其特征在于：包括多模输入波导（100）、具有一个输入端口及2M个输出端口的1×2M模式复用器（101）、M个结构相同的双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器（1、2、…、m、…、M）；1×2M模式复用器（101）的输入端口与多模输入波导（100）连接，1×2M模式复用器（101）的各个输出端口分别与各自的双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器连接；1×2M模式复用器（101）的2M个输出端口以依次相邻的两个端口为一组分成M对，双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器的两个输入端与1×2M模式复用器（101）的一对输出端口连接；作为解复用器，光信号从多模输入波导（100）输入；作为复用器，光信号从双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器的各个输出端口输入。
2.根据权利要求1所述的一种用于模式复用-波分复用混合技术的复用-解复用器，其特征在于：所述的双向型(P+1)×(P+1)阵列波导光栅波分复用器：包括第一输入波导、第二输入波导、第一平板波导、第二平板波导、一组阵列波导、包含有P条输出波导的第一输出波导组以及包含有P条输出波导的第二输出波导组；第一输入波导和第二输入波导的一端连接到1×2M模式复用器（101）一对输出端口，第一输入波导另一端与第一输出波导组一端一起连接到第一平板波导的一端，第二输入波导另一端与第二输出波导组一端一起连接到第二平板波导的一端，第一平板波导和第二平板波导的另一端之间连接有一组阵列波导。
3.根据权利要求1所述的一种用于模式复用-波分复用混合技术的复用-解复用器，其特征在于：所述的多模输入波导（100）包含有由2M个模式及其各模式下的P个不同波长组成的2M×P个通道的光信号。
4.根据权利要求1所述的一种用于模式复用-波分复用混合技术的复用-解复用器，其特征在于：当作为解复用器时，所述的1×2M模式复用器（101）将入射到多模输入波导（100）的2M×P个通道的光信号分成2M组，相同模式的光信号分为一组，每一组的信号中包含有具备不同中心波长的P个通道。
5.根据权利要求1所述的一种用于模式复用-波分复用混合技术的复用-解复用器，其特征在于：所述的1×(2M)模式复用器（101）为基于级联非对称耦合器的结构或者绝热渐变型的模式转换结构。
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