一种光波导多级耦合模分复用器

1.本发明涉及光波导板互连技术领域，特别是涉及一种光波导多级耦合模分复用器。


背景技术：

2.近年来，数据中心、超级计算机等领域对数据处理的要求越来越高，提高数据传输带宽并高速处理数据成为亟待解决的问题，背板光互连技术凭借着大带宽、低功耗、抗电磁干扰能力强等优势成为近年来光通信领域的研究热点。
3.在光互连系统的众多关键技术中，模分复用技术是继波分复用、偏振复用技术后能够进一步提升信息传输容量的复用技术，其使用不同的模式承载多路信号。使用聚合物材料制备光波导型器件是近年来集成光路的研究热点，其中光波导型模分复用器可以将单模波导中的基模与少模波导中的高阶模进行转换，实现模式的复用，提升系统传输容量，因而成为模分复用系统中的重要器件，得到了广泛研究。
4.模式耦合理论是模分复用器的重要理论支撑，该理论是指在满足耦合条件的情况下，光波功率在不同光波导的模式之间或者是在同一光波导的不同模式之间转移。目前有许多关于模分复用器的研究内容，文献“应用于模分复用的聚合物光波导非对称定向耦合器研究”分析了非对称定向耦合技术的模式耦合条件、影响光波导耦合效率和耦合长度的因素等，并且对光波导制备工艺进行了介绍；文献“光波导三模式模分复用器研究”对非对称定向耦合进行了研究，并且对光波导间隔对模分复用的影响做了仿真分析，该文献指出，模式耦合效率随着光波导间隔的增加先增大后减小，但是耦合长度是一直增加的，且增速变快。对于能够发生耦合的光波导来说，理论上能够得到最大耦合效率的光波导间隔一般较小，但是光波导间隔太小会给光波导的制备工艺增加难度，光波导制备过程中曝光、显影等过程中有许多不可控因素会导致实际制备的光波导与理论设计的存在较大误差，因此难以进行大规模批量生产。
5.目前定向耦合型模分复用器由主光波导和副光波导组成，主光波导和副光波导均是直波导，主光波导和副光波导之间的间隔较大，副光波导将主波导的功率耦合到副光波导中，在副光波导中进行传播最后输出，耦合效率低；经过上述研究表明，理论上光波导之间的距离越近，耦合的功率越多，耦合效率越高，但是光波导间隔太小会给光波导的制备工艺增加难度，在光波导制备中曝光、显影等过程中有许多不可控因素会导致实际制备的光波导与理论设计的存在较大误差，因此难以实现。
6.综上所述可以看出，如何在光波导间隔较大且保持不变的情况下提高耦合效率目前有待解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种光波导多级耦合模分复用器解决在光波导间隔不变的情况下提高耦合效率的问题。
8.为解决上述技术问题，本发明提供一种光波导多级耦合模分复用器，包括：光波导层，所述光波导层包括第一光波导和第二光波导；
9.所述第二光波导包括传输光波导和多个耦合结构；
10.每个耦合结构包括耦合光波导和连接光波导；
11.所述耦合光波导和所述传输光波导通过所述连接光波导连接；
12.所述耦合光波导平行所述传输光波导；
13.所述耦合光波导与所述第一光波导之间的距离小于所述传输光波导与所述第一光波导之间的距离；
14.当光波在所述第一光波导中传播时，所述第二波导中的所述多个耦合结构将所述第一光波导中的模式功率依次耦合，并将依次耦合的模式功率进行叠加，在输出端输出耦合叠加后的功率。
15.优选地，所述连接光波导为s形弯曲光波导。
16.优选地，所述第一光波导和所述第二光波导的高度相等，调节所述第一光波导和第二光波导的宽度，确保所述第一光波导中高阶模式的有效折射率等于所述第二光波导中基模的有效折射率。
17.优选地，所述多个耦合结构包括：三个耦合结构。
18.优选地，所述多个耦合结构中的耦合光波导的长度取值使得进行叠加的两路光波的功率相等，且任意两个进行叠加的耦合结构在叠加位置处波导内模式的相位相等，即相位差为0，确保耦合叠加后的光波功率最大。
19.优选地，所述传输光波导与所述第一光波导之间的距离大于最大有效耦合距离。
20.优选地，所述耦合光波导与所述第一光波导之间的距离为4μm。
21.优选地，还包括：基底层，作为放置并固定所述第一光波导和所述第二光波导的衬底。
22.优选地，所述光波导层的材料为聚合物光刻胶，所述基底层的材料为fr-4环氧板。
23.优选地，一种光波导通讯系统，包括上述任一项所述的光波导多级耦合模分复用器。
24.本发明提供了一种光波导多级耦合模分复用器，包括第一光波导和第二光波导，第二光波导包括传输光波导和多个耦合结构，每个耦合结构包括直波导和连接波导，在光波导间隔不变的情况下，利用耦合结构中的直波导进行耦合，并且利用连接波导将耦合得到的功率传输到传输光波导中进行叠加；经过多个耦合结构，进行多次耦合，将耦合得到的功率依次叠加输出，大大提高了耦合效率，本发明在不改变光波导之间的间隔的条件下，仅增加多个耦合结构，将耦合得到的功率叠加，便提高了耦合效率。
附图说明
25.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为定向耦合型多级耦合模分复用器结构模型图；
27.图2为光波导模式相位匹配条件与对应模式图；
28.图3为光波导间隔为3μm时光波导1中模式与光波导2中模式的耦合效率图；
29.图4为光波导间隔增加至4μm时光波导1中模式与光波导2中模式的耦合效率图；
30.图5为一级耦合结构激发光波导1中模式时各光波导中模式的功率传播图；
31.图6为两级耦合结构激发光波导1中模式时各光波导中模式的功率传播图；
32.图7为三级耦合结构激发光波导1中模式时各光波导中模式的功率传播图。
具体实施方式
33.本发明的核心是提供一种光波导多级耦合模分复用器，通过多个耦合结构进行多次耦合并将耦合得到的模式功率叠加，来提高光波导模式之间的耦合效率。
34.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明所提供的定向耦合型多级耦合模分复用器结构包括：光波导层和基底层。所述光波导层包括第一光波导和第二光波导；所述第二光波导包括传输光波导和多个耦合结构；每个耦合结构包括耦合光波导和连接光波导；所述耦合光波导和所述传输光波导通过所述连接光波导连接；所述耦合光波导平行所述传输光波导；所述耦合光波导与所述第一光波导之间的距离小于所述传输光波导与所述第一光波导之间的距离。
36.请参考图1，图1为本发明定向耦合型两级耦合模分复用器结构模型图，具体详情如下：
37.第一光波导1和第二光波导2平行，所述第二光波导2包括：第一耦合光波导21，第一s形弯曲光波导22，第一传输光波导23，第二耦合光波导24，第二s形弯曲光波导25，第二传输光波导26；第一耦合光波导21和第一s形弯曲光波导22组成第一级耦合结构，第二耦合光波导24和第二s形弯曲光波导25组合为第二耦合结构，后续还有多个耦合结构均与第一级耦合结构和第二级耦合结构相同，未详细说明，第一传输光波导23和第二传输光波导26为用于传输叠加后的模式功率的光波导。
38.第一光波导和第二光波导的芯层高度h相同，但是宽度w1、w2不同，满足关系w1＞w2，；控制w1和w2的大小，使光波导1和光波导2的中模式的有效折射率相等，第一耦合光波导21、第二耦合光波导24与第一光波导1之间的有效耦合距离为d1，控制d1的大小，尽可能提高耦合效率，使每次耦合的模式功率最大化，实现高效率的耦合。
39.当光波在所述第一光波导1中传播时，经过第一耦合距离l1后，所述第一光波导1中模式的部分功率耦合到第一耦合光波导21中的模式中，所述第一光波导1中模式剩余的功率继续在所述第一光波导1中传播，在经过第二耦合距离l2时，所述第一光波导1中模式剩余的功率最大化地继续耦合到第二耦合光波导24中的模式中，耦合距
离l1和耦合距离l2的取值使得两次耦合得到的两路模式的功率相等。将两次耦合的功率在用于传输的直光波导中进行功率叠加，并在所述第二光光波导2的输出端输出，本发明通过引入耦合结构，将各级耦合结构中的模式功率叠加，提高光波导之间的耦合效率，并实现模分复用功能。
40.实施例一：
41.实际制备过程中，将第一光波导和第二光波导的高度保持一致，研究光波导模式有效折射率与光波导宽度的变化关系，两个模式的有效折射率随波导宽度的增加而逐渐增加，并最终接近特定的常数值。根据实际选取两根光波导的高度固定为8μm，根据可以发生模式耦合需要满足的相位匹配条件(模式的有效折射率相等)，选取第一光波导和第二光波导的芯层宽度w1、w2分别为20μm、5.2μm，此时模式和模式的有效折射率均为1.5722，此时的宽度合理，耦合效率也好，耦合功率高。如图2所示，左图为波导宽度与光波导模式有效折射率曲线图，右图为相同模式有效折射率下对应的可以发生耦合的光波导模式和光波导芯层宽度示意图。
42.实施例二：
43.控制第一光波导的宽度为20μm，第二光波导的宽度为5.2μm，高度均为8μm，对模式有效折射率均为1.5722的两组本发明(均为一级耦合结构)进行耦合仿真，研究光波导之间的间隔对耦合效率的影响。
44.第一组：第一光波导和耦合光波导之间的间隔为3μm，经过仿真得到第一光波导和第二光波导之间最大耦合效率为93％，耦合长度约为4813μm；如图3所示。
45.第二组：第一光波导和耦合光波导之间的间隔为4μm，经过仿真得到第一光波导和第二光波导之间的最大耦合效率为82.2％，耦合长度约为10120μm；如图4所示。
46.第三组：第一光波导和耦合光波导之间的间隔为8μm，经过仿真得到第一光波导和第二光波导之间的最大耦合效率为0。
47.经过上述三组仿真对比得到，光波导之间的间隔越小，耦合效率越高，耦合长度越短。当间隔大于8μm时，第一光波导和耦合光波导不能进行耦合，间隔3μm时效率最高，但间隔3μm制备难度大，现实中无法实现，最终得出间隔为4μm时，在现实中耦合效率最佳。
48.本实施例分析了一种光波导定向耦合模分复用器，研究了第一光波导和耦合光波导之间的间隔对耦合效率的影响，结果表明，选取间隔为3μm时模式耦合效果最好，耦合效率最高，但间隔3μm制备难度大，现实中无法实现。最终得出结论：间隔为4μm时，在现实中耦合效率最佳，在保证传输光波导间隔为4μm不变的条件下，可以通过增加多个耦合结构并将各耦合结构的功率叠加实现高效的耦合效率，进而扩大光信息传输容量。
49.实施例三：
50.基于上述实施例，本实施例对采用不同数量的耦合结构进行耦合仿真，测试了其耦合效率，如图5，6和7所示，具体详情如下：
51.三组仿真的第一光波导的宽度为20μm，第二光波导的宽度为5.2μm，高度均为8μm，有效折射率均为1.5722的两组本发明(均为一级耦合结构)，第一光波导和耦合光波导之间的间隔均为4μm。
52.第一组：图5为一级耦合仿真结果，经s形弯曲波导传输后，最终模式耦合效率为82.2％，几乎没有损耗，其中s形弯曲波导的横向宽度为22μm，纵向长度为5000μm。
53.第二组：图6为两级耦合仿真结果图，第一耦合光波导21和第一s形弯曲光波导22组成第一级耦合结构，第二耦合光波导24和第二s形弯曲光波导25组成第二级耦合结构；首先第一光波导1中的模式与第一耦合光波导21中的模式进行第一级耦合，为使耦合后进行叠加的两路模式功率接近相等，将第一级耦合的耦合长度设置为l1＝4813μm，第一光波导1中模式剩余继续向前传输，第二级耦合应尽可能将第一光波导1中模式剩余功率最大化地耦合到第二耦合光波导24中的模式中，所以耦合长度为l2＝10120μm，经计算在z＝47500μm处开始与第二耦合光波导24进行第二级耦合，第一级和第二级耦合叠加处两路模式的相位差接近为0，因此两路光波叠加后能够得到该条件下最大的耦合效率，两级耦合的最终耦合效率为90.5％，大于仅一级耦合的耦合效率82.2％。由此可在光波导间隔较大的情况下通过多级耦合提高两个光波导模式之间的耦合效率并实现模分复用功能。
54.第三组：图7为三级耦合仿真结果图，第一耦合光波导21和第一s形弯曲光波导22组成第一级耦合结构，第二耦合光波导24和第二s形弯曲光波导25组成第二级耦合结构，第三耦合光波导27和第三s形弯曲光波导28组成第三级耦合结构；首先第一光波导1中模式与第一耦合光波导21中的模式进行耦合，第一级耦合长度为l1＝2800μm，耦合后进行叠加的两路光波模式功率相等，然后在z＝49124μm处第一光波导1中的模式与第二耦合光波导24中的模式进行第二级耦合，耦合长度为l2＝3300μm，耦合后进行叠加的两路光波模式功率相等，在z＝84117μm处第一光波导1中的模式与第三耦合光波导27中的模式进行第三级耦合，耦合长度为l3＝9500μm。三级耦合的最终耦合效率为90.4％，与两级耦合结构的耦合效率90.5％接近，大于一级耦合结构的耦合效率82.2％，由此可在光波导间隔增加的情况下通过多级耦合提高两光波导间模式的耦合效率并实现模分复用功能，但并非耦合结构越多越好，根据合适的场景选择合适的多级耦合结构是最重要的。
55.经过仿真对比得知，三个耦合结构的光波导耦合效率相等于两个耦合结构的，均大于一个耦合结构的，因此可见在光波导间隔增加的情况下通过增加耦合结构能提高两光波导间模式的耦合效率。
56.在本实施例中，分别对一个耦合结构、两个耦合结构和三个耦合结构的模分复用器进行了耦合效率测试，通过仿真数据对比图可以得到，利用耦合结构能够很好地提高耦合效率，耦合效率随耦合结构数量的增加而提高，本发明可以在不增加光波导制备工艺难度的情况下，采用多级耦合结构实现模分复用器，并提高光波导之间的耦合效率，进一步提升光信息传输容量。
57.总之，本发明提出的多级耦合结构可以在光波导间距比较大的情况下通过多次耦合叠加模式功率实现较高的模式耦合效率并实现模分复用功能。具体实施方式并不能概括本发明的所有内容，所以并不能因此限制本发明的专利范围，任何参考了本发明的思想和原则而进行的修改等都应在本发明的保护范围之内。