一种多通道双偏振模式复用‑解复用器的制作方法

本发明涉及一种复用-解复用器，尤其是涉及用于偏振以及模式复用系统的一种多通道双偏振模式复用-解复用器。

背景技术：

随着平面光波导集成器件技术的日益发展，单片集成器件数快速地增加，集成系统复杂度迅速地提高，怎样充分利用信号光不同的偏振以及各阶模式来增加通讯容量提高带宽日益引起人们的关注。

由于在光纤或波导中每一个模式都是正交独立的解，每个模式在空间上相互叠加的。同多芯复用相比，其具有更小的体积，更高的信息密度，可以实现更高的集成度，在集成的角度上有更大的优势，尤其对于的数据中心等短距离大带宽的通信具有更大的吸引力。此外由于大多数平面光波导器件具有很强的偏振相关性，因此能够在片上灵活的对不同偏振的分离和转化，实现器件的偏振透明，有助于减少器件设计的工作量，减小系统的尺寸和复杂度。多种复用方式混合使用可以实现更多的通信通道，更大带宽的光链路，有效的提高光的信息密度，是未来互连的发展方向。

在器件的性能要求方面，模式偏振复用器，其对性能有非常高的要求。一方面，要求器件拥有尽量大的带宽，在大量器件集成的系统中，不会成为限制整个系统带宽的瓶颈；另一方面，要求器件能够有较大的消光比，在高速通信系统中尽量减小串扰，也为后续器件的设计留有一定的余量。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种多通道双偏振模式复用-解复用器。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括输入光波导、多模组合波导和弯曲渐变波导，输入光波导一端作为复用-解复用器的输入/输出端，输入光波导另一端连接到多条多模组合波导相依次连接后的一端，多条多模组合波导相依次连接后的另一端作为复用-解复用器其中一个输出/输入端，每条多模组合波导与其附近设置的弯曲渐变波导相耦合连接，弯曲渐变波导的大端均与偏振分束器的输入端连接，偏振分束器的两个输出端分别与输出横电模单模光波导和输出横磁模单模光波导，输出横电模单模光波导和输出横磁模单模光波导作为复用-解复用器其余的输出/输入端。

每条所述多模组合波导均由输入多模光波导、演化区宽锥形光波导和输出多模光波导组成，每条所述弯曲渐变波导均由前s形弯曲光波导结构、演化区窄锥形光波导和后s形弯曲光波导结构依次连接而成，每条所述多模组合波导中的演化区宽锥形光波导与其对应的所述弯曲渐变波导中的演化区窄锥形光波导接近并发生超模演化，使得对应的演化区宽锥形光波导和演化区窄锥形光波导形成演化区。

每处演化区的演化区宽锥形光波导和演化区窄锥形光波导之间的间距相同，并且演化区宽锥形光波导和演化区窄锥形光波导之间的每处间距相同。

每个所述演化区处附近的输入多模光波导、演化区宽锥形光波导、输出多模光波导、前s形弯曲光波导结构、演化区窄锥形光波导和后s形弯曲光波导结构的长度或者宽度或者长度和宽度组合的尺寸使得经过所述演化区宽锥形光波导的最高阶的横电模和横磁模先逐渐耦合演化成主要限制在演化区窄锥形光波导中的超模，然后完全演化成限制在后s形弯曲光波导结构中的横电模基模和横磁模基模。

从而使得当作为解复用器时，输入光波导(10)输入不同阶的多模光信号后，每经过一个演化区将当前光信号中最高阶的横电模和横磁模均演化出去，并演化成基膜，再经偏振分束器和输出横电模单模光波导、输出横磁模单模光波导分离为横电模和横磁模进行输出。作为复用器时情况与上述过程相反。

各条多模组合波导的输入多模光波导的宽度从连接输入光波导的一个开始依次减小，并且支持的双偏振本征模式数量从2开始依次递增2。

每条多模组合波导中，输出多模光波导的宽度小于输入多模光波导的宽度，演化区宽锥形光波导两端的宽度分别等于输出多模光波导和输入多模光波导的宽度。

输入多模光波导所输入的高阶模是横电模或是横磁模。

所述演化区宽锥形光波导的锥度均满足绝热条件，即光信号经过锥形光波导后不激发新的模式。

s型弯曲光波导的输出端还连有一个具有两个输出端口并将横电基模和横磁基模分开的偏振分束器。

所述的演化区宽锥形光波导宽度逐渐减小或增大，且大端宽度能够支持横电模和横磁模的高阶模；所述演化区窄锥形光波导宽度逐渐增加或减小，大端宽度仅能支持横电基模和横磁基模。

本发明的有益效果是：

本发明将多路信号分别加载至同一条多模组合波导的2n个本征模上，形成模式偏振复用。

本发明可用于模式偏振复用光信等系统，工艺简便、结构简单，减小了原有结构的尺寸，具有容差大、大带宽高消光比等优势。

附图说明

图1是本发明的实施例示意图。

图2是实施例器件结构示意图。

图3是实施例器件结构的各通道实验结果图。

图中：10、输入光波导，11、第一输入多模光波导，12、第二输入多模光波导，…，1n、第n输入多模光波导，…，1n、第n输入多模光波导，1n+1、输入单模光波导，21、第一演化区宽锥形光波导，22、第二演化区宽锥形光波导，…，2n、第n演化区宽锥形光波导，…，2n、第n演化区宽锥形光波导，31、第一输出多模光波导，32、第二输出多模光波导，…，3n、第n输出多模光波导，…，3n、第n输出多模光波导，41、第一前s型弯曲光波导，42、第二前s型弯曲光波导，…，4n、第n前s型弯曲光波导，…，4n、第n前s型弯曲光波导，61、第一后s型弯曲光波导，62、第二后s型弯曲光波导，…，6n、第n后s型弯曲光波导，…，6n、第n后s型弯曲光波导，51、第一演化区窄锥形光波导，52、第二演化区窄锥形光波导，…，5n、第n演化区窄锥形光波导，…，5n、第n演化区窄锥形光波导，71、第一偏振分束器，72、第二偏振分束器，…，7n、第n偏振分束器，…，7n、第n偏振分束器,81、第一横电模单模光波导，82、第二横电模单模光波导，…，8n、第n横电模单模光波导，…,8n、第n横电模单模光波导，8(n+1)、第n+1横电模单模光波导，91、第一横磁模单模光波导，92、第二横磁模单模光波导，…，9n、第n横磁模单模光波导，…,9n、第n横磁模单模光波导，9(n+1)、第n+1横磁模单模光波导。

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。

如图1所示，本发明具体实施包括n个多模组合波导和n个弯曲渐变波导以及n阶输入多模光波导10、11、12、…、1n、…、1n，均是多模光波导，第n输入多模光波导用于传输2n个本征模，n＝1、2……n，n>0。以下仅以解复用器为例说明，复用器的结构相同但输入输出与解复用器相反。

第n多模组合波导由第n输入多模光波导1n、第n演化区宽锥形光波导2n、第n输出多模光波导3n构成，第n弯曲渐变波导由第n前s形弯曲光波导结构4n、第n演化区窄锥形光波导5n和第n后s形弯曲光波导结构6n构成。

如图1所示，输入光波导10输入端作为器件输入端，输入光波导10输出端依次连接第一输入多模光波导11、第一演化区宽锥形光波导21、第一输出多模光波导31、…、第n输入多模光波导1n、第n演化区宽锥形光波导2n、第n输出多模光波导3n、…、第n输入多模光波导1n、第n演化区宽锥形光波导2n和第n输出多模光波导3n。

如图1所示，第n演化区宽锥形光波导2n附近设有第n演化区窄锥形光波导5n，构成第n演化区。第n前s形弯曲光波导结构4n末端依次经第n演化区窄锥形光波导5n、第n后s形弯曲光波导结构6n后连接到第n偏振分束器7n的一个输入端，第n偏振分束器的两个输出端口分别与第n输出横电模单模光波导8n、第n输出横磁模单模光波导9n连接，n＝1，…，n。第n输出多模光波导3n以及所有输出横电模单模光波导和输出横磁模单模光波导一起作为器件的输出端。

如图1所示，第n后s型弯曲光波导6n与第n偏振分束器7n相连，偏振分束器的两个输出端分别输出横电模和横磁模，并分别由第n横电模输出波导8n以及第n横磁模输出波导9n输出。

第n演化区宽锥形光波导2n与第n演化区窄锥形光波导5n相接近以逐渐发生超模演化，每一演化区可以同时产生横电模和横磁模的超模演化。

第一输入多模光波导11、第二输入多模光波导12、…、第n输入多模光波导1n的宽度依次减小，并各自支持至少2、4、…、2×n个双偏振本征模式。同时，第一输出多模光波导31、第二输出多模光波导32、…、第n输出多模光波导3n的宽度依次减小，并各自支持至少包括横电模和横磁模在内的2、4、…、2n个本征模式。

第n输出多模光波导3n宽度小于第n输入多模光波导1n的宽度。

第一演化区宽锥形光波导21、第二演化区宽锥形光波导22、…、第n演化区宽锥形光波导2n首尾两端的宽度分别等于与之相连的波导宽度相等。演化区宽锥形光波导的锥度均满足绝热条件，即光场经过锥形光波导之后不激发新的模式。同时，第一演化区窄锥形光波导51、第二演化区窄锥形光波导52、…、第n演化区窄锥形光波导5n首尾两端的宽度分别等于与之相连的波导宽度相等。演化区窄锥形光波导的锥度均满足绝热条件，即光场经过锥形光波导之后不激发新的模式。

具体实施可通过设置第n前s形弯曲光波导结构4n、第n演化区窄锥形光波导5n和第n后s形弯曲光波导结构6n的长度使得满足以下条件：经过第n演化区处的第n演化区宽锥形光波导2n的最高阶的横电模和横磁模先逐渐耦合演化成主要限制在第n演化区演化区窄锥形光波导5n中的超模，然后完全演化成限制在第n后s形弯曲光波导结构6n中的横电模基模和横磁模基模。

也可通过设置第n演化区宽锥形光波导2n和第n演化区窄锥形光波导5n的宽度使得满足上述条件。可以通过与第n输入多模光波导1n以及前s型弯曲光波导4n相连的那一端超模波导的有效折射率与另一端超模波导的有效折射率近似实现。

也可通过设置第n演化区宽锥形光波导2n及其两端的输入和输出波导、第n演化区窄锥形光波导5n及其两端的第n前s形弯曲光波导结构4n和第n后s形弯曲光波导结构6n使得满足上述条件。

其中优选的，第n演化区多模锥形光波导2n与第n演化区窄锥形光波导5n长度相等，第n前s型弯曲光波导4n与第n输入多模光波导1n长度相等，第n后s型弯曲光波导6n与第n输出多模光波导3n长度相等。

下面说明以本发明作为解复用器时的工作过程：

多模输入波导10为可以传输n个正交横电模以及n个横磁模的多模传输波导，将2×n个正交模式加载至演化区域输入多模光波导11中。

所加载的2×n个光信号依次经过其中第一演化区宽锥形光波导21、第一输出多模光波导31、第二输入多模光波导12、第二演化区宽锥形光波导22、第二输出多模光波导32、…、第n输入多模光波导1n、第n演化区宽锥形光波导2n、第n输出多模光波导3n、…、第n输入多模光波导1n、第n锥形光波导2n、第n输出多模光波导3n，在此传输过程中，当光信号经过第n(n＝1,2…n)个演化区域时，多模波导中的n阶横电(te)高阶模和m阶横磁(tm)高阶模同时通过超模演化，由主要限制在多模波导中的高阶模逐渐演变成限制在窄锥形波导中的超模，最终转化为s型输出光波导中的横电(te)基模和横磁(tm)基模。因此在同一演化区，可以同时输出横电模和横磁模2种模式。

第一演化区宽锥形光波导21、第二演化区宽锥形光波导22、…、第演化区n演化区宽锥形光波导2n、…、第n演化区宽锥形光波导2n；第一演化区窄锥形光波导51、第二演化区窄锥形光波导52、，…，第n演化区窄锥形光波导5n、，…，第n演化区窄锥形光波导5n、等均为缓变结构，其锥度满足绝热条件，且其间距保持恒定。

第n输入多模波导1n、第n多模宽锥形波导2n、第n输出多模波导3n中的高阶模进入第n前s型波导4n、演化区窄锥形波导5n、第n后s型光波导6n，并最终转化为横电基模和横磁基模。通过设计第n输入多模波导1n、第n多模宽锥形波导2n、第n输出多模波导3n中的高阶模进入第n前s型波导4n、演化区窄锥形波导5n、第n后s型光波导6n的宽度和长度，使该高阶模光信号演化为主要限制在窄锥形波导中的高阶超模，并通过后s型波导第n后s型光波导6n将超模引出并最终转化为横电基模和横磁基模。最后第n后s型光波导6n末端与偏振分束器7n相连，将同一光波导中的横电基模和横磁基模分别从横电模输出端8n和横磁模输出端9n输出。

随着光信号在干路波导中的传输，多模波导两端宽度逐渐减小，高阶模依次演化为基模从偏振分束器输出，仅剩横电基模与横磁基模在干路波导中，干路波导中的横电基模与横磁基模经偏振分束器分别从两个输出端口输出。

本发明具体实施例如下：

选用基于硅绝缘体(soi)材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层、上包层材料均为sio2，厚度为2μm、折射率为1.4404。考虑中心波长为1550nm，模式数2×n＝10，器件结构图如图2。

对于n＝5个演化区，选取宽锥形波导两侧宽度分别为，第一宽锥形波导：2.3μm、1.8μm，第二宽锥形波导：1.95μm、1.7μm，第三宽锥形波导：1.4μm、1.15μm，第四宽锥形波导：1.15μm、0.78μm，第五宽锥形波导：0.78μm、0.48μm宽锥形波导两侧多模波导宽度与锥形波导两侧宽度相等，前s型弯曲波导宽度统一为0.12μm，前s型波导的高度分别为0.5μm、0.5μm、0.9μm、0.9μm、0.9μm，长度分别为5μm、11μm、16μm、24μm、24μm，

宽窄两锥形光波导之间的间隔保持0.12μm不变，演化区窄锥形光波导两侧宽度与前后s型弯曲波导宽度相等，后s型弯曲波导宽度分别为：0.28μm、0.32μm、0.3μm、0.3μm、0.26μm，高度分别为1.2μm、1.2μm、1.2μm、1.2μm、1.2μm，长度分别为19μm、38μm、21μm、50μm、60μm，后s型波导后端接偏振分束器。器件最后端基模波导宽度0.45μm，基模波导接偏振分束器。

对于所设计的5×2模式解复用器，根据光路可逆的原理，若将其反过来使用，则为2×5模式复用器，可实现模式复用的功能。将一个为2×5模式复用器和一个5×2模式解复用器通过一段多模波导连接起来，构成了一个多通道传输链路。分别将光从2×5模式复用器的输入波导输入，经过2×5模式复用器后，分别转化为干路多模波导各阶本征模，实现了模式复用的功能；沿着干路多模波导传输一段距离之后，经过5×2模式解复用器，多模波导的各阶本征模又各自转化到相应的输出波导的基模中，实现了模式解复用的功能。

经试验验证，本发明的器件在1520-1610nm波长范围内，所有通道能够实现小于2db的插损以及20db的消光比，具有较大的带宽和消光比，各通道实验结果如图3所示，图中，a-j分别代表了当光信号从10个输入端口输入时，经过2×5模式复用器和5×2模式解复用器之后从10个端口输出的信号。

图中可见，本发明的能够实现将多路信号分别加载至同一条多模组合波导而形成模式偏振复用，具有容差大、大带宽高消光比等显著技术优势。

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。