CN108196340B - 一种基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器，属于功能复用分束器的技术领域，包括多模波导和分别串接在多模波导两端的输入波导、输出波导，所述输入波导为单模输入波导；所述输出波导包括数量相同的基模输出波导和一阶模输出波导；光由输入波导输入时，在多模波导内垂直于传输方向的两个不同维度上分别构建多模干涉耦合，实现模式转化与分束后通过基模输出波导和一阶模输出波导分别输出基模和一阶模。本发明结构紧凑并且同时实现了模式复用与分束功能，有效地解决了扩大传输容量的问题，从而满足下一代光通信技术发展的需求。

Description

一种基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器
技术领域
本发明涉及一种基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器，属于功能复用分束器的技术领域。
背景技术
随着光通信网络的迅速发展，核心网和数据中心需要在短时间内处理大量的数据，这对光信号的处理速度和传输容量提出了更高的要求。面对这些要求，空分复用技术及模式复用技术是非常有效的解决方式。但是，传统的基于二维光路的光学空分复用及模式复用器件只能处理延平面传输的光信号,已逐渐成为进一步提高处理速度和传输容量的瓶颈。当前，随着三维光子集成技术不断发展，光模式复用及解复用器件正向三维结构发展。这些三维光子结构器件不仅具有体积小、速度快、集成度高的优点，而且在保持与二维光子器件相同的可靠性和结构稳定性基础上增加单个芯片上的信道数目，允许三维光子结构并行处理空间上不同传输方向的光信号，从而大大增加传输容量。
在光学器件制造工艺的支持下，在单一芯片上实现三维模式转换分束器可以在模式复用***中进一步提高传输容量。目前，三维光分束器从结构上可分为三种类型：基于空间定向耦合器型、基于Y分支型以及基于多模干涉耦合器型。其中基于MMI的光分束器是利用多模波导内部的自映像效应实现光学分束，具有***损耗低、结构紧凑及容差性好等优点。但目前的换分束器无法良好地实现不同功能在单一器件上的复用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器，解决基于单个多模干涉耦合器实现不同功能在单一器件上的复用的问题。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器，包括多模波导和分别串接在多模波导两端的输入波导、输出波导，其中所述输入波导为单模输入波导；所述输出波导包括数量相同的基模输出波导和一阶模输出波导；光由输入波导输入时，在多模波导内垂直于传输方向的两个不同维度上分别构建多模干涉耦合，实现模式转化与分束后通过基模输出波导和一阶模输出波导分别输出基模和一阶模。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述所有的基模输出波导均位于垂直于传输方向的一条直线上，及所有的一阶模输出波导均位于垂直于传输方向的另一条直线上，并且所述两条直线平行。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述多模波导在垂直于传输方向的一个方向上将输入光进行模式转化与分束，及在垂直于传输方向的另一个方向上将不同模式的输出光分别进行分束。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述基模输出波导和一阶模输出波导的数量均为3个。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述三维模式转换分束器的波导材料为聚合物材料。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明的基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器，是一种三维功能复用分束器，由单一三维多模干涉耦合器构成。该三维模式转换分束器可将输入的基模光场转换为基模和一阶模输出，并在模式转换的同时分别实现基模与一阶模的1分3分束功能。本发明结构紧凑并且同时实现了模式复用与分束功能，有效地解决了扩大传输容量的问题，从而满足下一代光通信技术发展的需求。
附图说明
图1为本发明基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器的结构示意图。
图2(a)为本发明三维模式转换分束器的输入端面图；图2(b)为本发明三维模式转换分束器输出端面图。
图3为本发明实施例的输入波导端口位置图。
图4为本发明实施例的输出波导端口位置图。
图5为本发明在基模输入后在xz平面上能量分布图。
图6为本发明在基模输入后在(x＝-23.4μm)yz平面上能量分布图。
图7为本发明在基模输入后在(x＝9.8μm)yz平面上能量分布图。
图8为本发明在基模输入后在(x＝6.8μm)yz平面上能量分布图。
其中标号解释：1为输入波导，11为多模波导，12、13、14是基模输出波导，15、16、17是一阶模输出波导；120、130、140为三个单模输出波导芯，150、160、170为一阶模输出波导包层芯，110为多模波导芯，10为波导包层。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明一种基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器，包括一个用于自映像的多模波导11和分别串接在多模波导两端的输入波导1、输出波导，其中所述输入波导1为单模输入波导；所述输出波导包括数量相同的基模输出波导和一阶模输出波导，输出波导的数量取决于成像个数N，本发明中数量取3，即输出波导包括三个基模输出波导12、13、14和三个一阶模输出波导15、16、17，但本发不限于该数量，同其他数量同样适用。通过基模输出波导12、13、14和一阶模输出波导15、16、17在垂直于传输方向的两个不同维度上分别构建多模干涉耦合器；光由输入波导输入时，在多模波导区垂直于传输方向的两个不同维度上分别构建多模干涉耦合，实现模式转化与分束后通过基模输出波导和一阶模输出波导分别输出基模和一阶模。
所述两组分别用于输入和输出的单模波导构成多模干涉耦合器最基本的结构单元，输入和输出端的单模波导个数分别为M和N，其中M取1个，N也对应自成像个数。由于输出一阶模和基模，而一阶模的输出波导是由两个单模波导合并而成，可以根据入射信号光的波长λ、输入位置Xin、多模波导芯部折射率nr，波导包层折射率nc、多模波导宽度WMMI、输出端成像个数N等参数，可以对多模波导的成像特性进行分析，通过多模干涉自成像原理计算从而得到输出端各个像的成像位置以及所需多模波导的长度L。二维与三维MMI的主要区别是在多模波导的结构上，即二维MMI在垂直于传播方向上的多模波导宽度上可容纳多个模式，但在多模波导厚度上只能容纳单个模式，而三维MMI的多模波导厚度也能够允许多个模式的存在。优选地，本发明中所述三维模式转换分束器的波导材料采用聚合物材料，如输入和输出波导芯层、多模波导芯层以及波导包层都采用聚合物材料，但本发明不限于该种材料。
本发明是基于三维MMI中的自映像效应，可以看作是两个相互垂直且独立的二维MMI自映像效应的叠加，因此，三维模式转换分束器的设计可由二维模式转换器扩展而来。一般的二维模式转换器是利用MMI的自映像效应将输入的基模光场转换为基模和一阶模光场分别输出。在此器件中将成像个数N取为3，其中两路的输出波导彼此紧贴，从而形成一阶模光场输出，而另一路输出波导依然输出基模光场。因此，理论上，二维模式转换器的一阶模光场输出功率是基模光场输出功率的两倍。此时多模波导的长度及宽度分别定义为LMMI和WMMI。在二维模式转换分束器的基础上，在MMI厚度方向上拓展实现分束功能，进而可实现分束与模式转换相结合的三维模式转换分束器，此时多模波导的厚度定义HMMI。
优选地，所述所有的基模输出波12、13、14导均位于垂直于传输方向的一条直线上，及所有的一阶模输出波导15、16、17均位于垂直于传输方向的另一条直线上，并且所述两条直线平行。光由输入波导1输入后，经过多模干涉耦合器的多模波导11，在水平方向x上通过多模干涉自成像效应实现基模到一阶模的转化并分束再输出，在垂直方向y上通过多模干涉自成像效应实现不同模式的输出光分束，实现1分3分束。最后，在基膜输出波导12、13、14输出三个基模，在一阶模输出波导15、16、17输出一阶模。
图2(a)为本发明三维模式转换分束器输入端口分布。图2(b)为本发明三维模式转换分束器输出端口分布。两图中，多模波导芯110包围在波导包层10内；在垂直于传播方向的xy平面上，输入波导芯100在垂直方向y上位于与多模波导芯110输入端面的中间，在水平方向x上位于与多模波导芯110的一侧。基模输出波导芯120、130、140在水平方向x上位置一致，其中输出波导芯130在垂直方向y上与输入波导芯100位置相同；一阶模输出波导芯150、160、170也在水平方向x上位置一致，其中，输出波导芯120与输出波导芯150在垂直方向y上位置相同，输出波导芯130与输出波导芯160在垂直方向y上位置相同，输出波导芯140与输出波导170在垂直方向y上位置相同。且当三维模式转换分束的输入波导芯100在多模波导芯110输入断面另一侧时，输入端口和输出端口分布，与图2(a)和图2(b)呈对称分布。
本发明给出一实施例：
采用由聚合物材料组成的三维模式转换分束器，其输入端口和输出端口坐标由图3和图4所示实施例。在本实施例中，当输入光的波长λ为1550nm，多模波导芯部折射率nr＝1.48，波导包层折射率nc＝1.45。设定单模输入波导宽度Win以及单模输出波导宽度Wout1为3.2μm，一阶模输出波导宽度Wout2＝2×Win＝6.4μm，由多模波导宽度上的成像个数N＝3而得到多模波导宽度WMMI＝50μm，多模波导长度LMMI＝3398.17μm，由多模波导厚度上分束数目NH＝3而得到多模波导厚度HMMI＝31μm。此时，设多模波导芯中心为坐标(0,0)，单模输入波导芯中心坐标分别为(23.4,0),三个单模输出波导芯中心坐标分别为(-23.4,10)、(-23.4,0)、(23.4,-10)，三个一阶模输出波导芯中心坐标分别为(8.3,10)、(8.3,0)、(8.3,-10)。
图5、图6给出了xz平面上(y＝0，即沿输入波导芯中心的平面)、yz平面上(x＝-23.4μm，即沿输出基模波导芯中心的平面)。可以看到，当光由输入波导1输入时，在多模波导11中进行模式转化与分束，而分束后的3个基模分别由输出波导12、13、14输出，图7和图8给出了在yz平面上，即当x＝9.8μm和x＝6.8μm且平行输出一阶模波导芯中心的平面，的能量分布。可以看到，当光由输入波导1输入时，在多模波导11中进行模式转化与分束后在输出波导15、16、17输出的为三个相同的一阶模。由此实现了在单一多模干涉耦合器中同时实现模式转化与分束功能。
因此，本发明通过垂直于传输方向的两个不同维度上分别构建多模干涉耦合器来实现不同的分束功能，将其中一个方向与传输方向构成的多模干涉耦合器实现一种分束功能如1分3分束功能；将另一个方向与传输方向构成的多模干涉耦合器实现另一种分束功能即模式转化且分束功能；由此实现模式转换与分束功能复用的三维分束器，功能复用三维分束器仅由单一的多模干涉耦合器组成，可同时实现模式转换与分束。本发明结构紧凑并且同时实现了模式复用与分束功能，有效地解决了扩大传输容量的问题，从而满足下一代光通信技术发展的需求。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器，包括多模波导和分别串接在多模波导两端的输入波导、输出波导，其特征在于，所述输入波导为单模输入波导；所述输出波导包括数量相同的基模输出波导和一阶模输出波导, 且基模输出波导与一阶模输出波导的数量大于1；光由输入波导输入时，在多模波导内垂直于传输方向的两个不同维度上分别构建多模干涉耦合，实现模式转化与分束后通过基模输出波导和一阶模输出波导分别输出基模和一阶模。
2.根据权利要求1所述基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器，其特征在于：所述所有的基模输出波导均位于垂直于传输方向的一条直线上，及所有的一阶模输出波导均位于垂直于传输方向的另一条直线上，并且所述两条直线平行。
3.根据权利要求1所述基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器，其特征在于：所述多模波导在垂直于传输方向的一个方向上将输入光进行模式转化与分束，及在垂直于传输方向的另一个方向上将不同模式的输出光分别进行分束。
4.根据权利要求1所述基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器，其特征在于：所述基模输出波导和一阶模输出波导的数量均为3个。
5.根据权利要求1所述基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器，其特征在于：所述三维模式转换分束器的波导材料为聚合物材料。
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