基于光子晶体的三模式模分复用与解复用器的制造方法
【专利摘要】本发明是一种基于光子晶体的三模式模分复用与解复用器。其中二维正方晶格介质柱型光子晶体(1)是由圆柱形介质柱按正方晶格排列，沿X?Z平面周期性分布的光子晶体，介质柱材料为硅，背景材料为空气；单模波导都是通过移除一排介质柱构成的；TE0和TE1双模式多模波导(3)通过在二维正方晶格结构光子晶体(1)中引入2.04μm线缺陷构成；TE0、TE1和TE2三模式多模波导(4)通过在二维正方晶格结构光子晶体(1)中引入3.03μm线缺陷构成；TE0和TE1双模式多模波导(3)与第二单模波导(2?2)之间相隔一排介质柱，这一区域为TE0和TE1模式耦合区(5)；TE0、TE1和TE2三模式多模波导(4)与第三单模波导(2?3)之间相隔一排介质柱，这一区域为TE0和TE2模式耦合区(6)。
【专利说明】
基于光子晶体的三模式模分复用与解复用器
技术领域
[0001]本发明是一种基于光子晶体的三模式模分复用/解复用器，涉及光通信与光信息处理的技术领域。
【背景技术】
[0002]光子晶体作为一种新型的光学功能材料，已受到了广泛的关注。人们正试图利用光子晶体的特殊性质，开发出更多的光学元器件。目前，大容量数据传输是人们面临的一大问题，模分复用正是解决这一问题的关键技术。模分复用技术利用各模式间的正交性，以有限的稳定模式作为独立信道传递信息，可以成倍的提高系统容量和频谱效率，是一种崭新的多输入多输出光传输形式，是未来突破光纤香农极限的研究方向之一。基于光子晶体的模分复用/解复用器件，不仅可以满足大容量数据传输的需求，并且其尺寸仅在微米量级，同时具有易于光学集成、插入损耗低，模式之间的串扰小等优点，对于未来的光集成系统有着潜在的应用价值。
[0003]二维光子晶体三模式模分复用/解复用器通过调整多模波导宽度来实现模式之间的相位匹配。不同宽度的多模波导可以传输的模式不同，通过调整多模波导的宽度使得波导可以分别传输双模式和三模式，同时满足高阶模式的有效折射率与基模有效折射率相等，从而达到相位匹配的条件，进而实现模式之间的耦合转换。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明目的是提出一种基于光子晶体的三模式模分复用与解复用器，其利用准相位匹配原理，实现了三个模式之间的模分复用和解复用，增大了光波导的传输容量。
[0005]技术方案:为了适应高集成、大容量光通信系统的发展，能够在光波导器件中同时传输多个模式的光信号，我们提出了一种基于二维正方晶格介质柱型光子晶体三模式模分复用/解复用器，使其能够复用三个模式，具有实际的应用价值。传统的光子晶体波导器件仅仅能进行一个模式的传输，譬如基于光子晶体的波分复用器;而在硅基波导系统中，虽然已经有很多关于模分复用系统的设计，但其尺寸受其传输机理限制不能做的更小。本发明采用线缺陷构成波导，通过调整波导宽度分别实现基模波导、双模波导和三模波导，同时多模波导与单模波导满足相位匹配调节，从而实现基于二维正方晶格介质柱型光子晶体的三模式模分复用/解复用器。
[0006]该光子晶体模分复用与解复用器包括二维正方晶格结构光子晶体、第一单模波导、第二单模波导、第三单模波导、TEo和TE1双模式多模波导、TEoJEdPTE2三模式多模波导、TE0和TE1模式耦合区、TEo和TE2模式耦合区；其中，二维正方晶格结构光子晶体是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型娃光子晶体;在二维正方晶格结构光子晶体中分别移除一排介质柱构成第一单模波导、第二单模波导、第三单模波导；在二维正方晶格结构光子晶体中引入2.04μπι线缺陷作为TEo和TE1I模式多模波导;在二维正方晶格结构光子晶体中引入3.03ym线缺陷作为TEoUPTE2三模式多模波导;TEo和TE1双模式多模波导与第二单模波导之间相隔一排介质柱，这一区域为TEo和TE1模式耦合区；TEo、TEdPTE2三模式多模波导与第三单模波导之间相隔一排介质柱，这一区域为TEo和TE2模式親合区。
[0007]所述的TEo和TE1双模式多模波导、TEo、TEdPTE2三模式多模波导，其构成方式，它区别于改变介质柱大小的方法，而是通过改变线缺陷宽度实现的，这样的结构更加易于实现。
[0008]所述第一单模波导与TEo和TE1双模式多模波导，TEo和TE1双模式多模波导与TEo、TEjPTE2三模式多模波导的连接方式是一种渐变连接方式，这样的结构有利于抑制光波通过两个波导时由模式失配引起的反射损耗。
[0009]基于二维正方晶格介质柱型光子晶体的模分复用/解复用器包括二维正方晶格介质柱型光子晶体、单模导区、TEo和TE1双模波导区、TEoUPTE2三模波导区、模式耦合区。该模分复用/解复用器的复用过程是:一束基模光沿着TEo和TE1I模模式耦合区的单模波导入射，由于TEo光束在单模波导中的有效折射率与TE1模式光束在TEo和TE1双模模式耦合区中的有效折射率相等，满足相位匹配条件，所以单模波导中传播的基模光通过模式耦合区时会耦合进TEo和TE1双模波导中并转变成TE1模式;而单模波导中基模光束与多模波导中其他模式光束的有效折射率有效折射率不等，不满足相位匹配条件不会发生耦合。同时一束基模光沿着TEo、TEjPTE2三模模式耦合区的单模波导入射，由于TEo光束在单模波导中的有效折射率与TE2模式光束在TEoJEjPTE2三模波导中的有效折射率相等，满足相位匹配条件，所以单模波导中传播的基模光通过模式耦合区时会耦合进TEo、TEjPTE2三模波导中并转变成TE2模式;而单模波导中基模光束与多模波导中其他模式光束的有效折射率有效折射率不等，不满足相位匹配条件不会发生耦合。这样便实现了三种模式的复用。解复用是复用的逆过程。
[00?0]有益效果:本发明提出的一种基于二维正方晶格介质柱型的光子晶体三模式模分复用/解复用器，可以实现三模式的复用及解复用。该复用/解复用器在二维正方晶格介质柱型光子晶体中，通过调整线缺陷的宽度分别形成TEo和TE1双模式多模波导和TEo、TEdPTE2三模式多模波导，并且能够使得不同模式之间达到相位匹配条件，从而实现了高效的模式耦合。各传输波导之间采用的是渐变连接方式，有效地提高了光波的传输效率。该器件能够很好地满足未来高集成、大容量的模分复用光通信系统的需求。
【附图说明】
[0011]图1为本发明提出的光子晶体模分复用/解复用器的结构图，
[0012]图1中有:二维正方晶格介质柱型光子晶体1、第一单模波导2-1、第二单模波导2-
2、第三单模波导2-3、TEo和TE1I模式多模波导3、TEo、TEjPTE2三模式多模波导4、TEo和TE1模式耦合区5、TEo和TE2模式耦合区6。
[0013]图2a为复用时的基模光束的传播时域稳态图，
[0014]图2b为复用时的一阶模光束的传播时域稳态图。
[0015]图2c为复用时的二阶模光束的传播时域稳态图。
[0016]图3a为解复用时的基模光束的传播时域稳态图，
[0017]图3b为解复用时的一阶模光束的传播时域稳态图。
[0018]图3c为解复用时的二阶模光束的传播时域稳态图。
【具体实施方式】
[0019]基于二维正方晶格介质柱型光子晶体的模分复用/解复用器包括二维正方晶格介质柱型光子晶体1、第一单模波导2-1、第二单模波导2-2、第三单模波导2-3、TEo和TE1双模式多模波导3、TEo、TEdPTE2三模式多模波导4、TEo和TE1模式耦合区5、TEo和TE2模式耦合区6;其中，二维正方晶格结构光子晶体I是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体;单模波导通过在二维正方晶格结构光子晶体I中移除一排介质柱构成;TEo和TEi双模式多模波导3通过在二维正方晶格结构光子晶体I中引入2.04μπι线缺陷构成;TEo、TE^TE2三模式多模波导4通过在二维正方晶格结构光子晶体I中引入3.03μπι线缺陷构成。单模波导和多模波导采用的是渐变连接方式。在TEo和TE1模式耦合区5，耦合长度为11个晶格常数。在TEo和TE2模式耦合区6，耦合长度为14个晶格常数。本发明提出的基于二维正方晶格介质柱型的光子晶体模分复用/解复用器传输波长为1550nm。
[°02°]具体参数为:晶格常数A = 0.55μηι，介质柱半径R = 0.1ym，娃介质折射率η = 3.4;在TE0和TE1模式耦合区5长度为11个晶格常数，TEo和TE2模式耦合区6长度为14个晶格常数。
[0021]基于光子晶体模分复用/解复用器的工作原理如下:线缺陷的引入，实质是为光波的传输提供了波导，使频率落在光子禁带范围内的光波能够通过线缺陷。单模波导和多模波导的渐变连接方式，很好地抑制了由模式失配引起的反射损耗。调节多模波导的宽度，使得基模在单模波导中的有效折射率与高阶模在多模波导中的有效折射率相等，满足相位匹配条件，此时基模光可以从单模波导中耦合进多模波导中并转变成高阶模。通过选取合适的耦合长度，可以提高模式耦合效率。
[0022]复用过程如下:一束基模光沿着TEo和TEi双模模式親合区的单模波导入射，由于TE0光束在单模波导中的有效折射率与TE1模式光束在TEo和TE1双模波导中的有效折射率相等，满足相位匹配条件，所以单模波导中传播的基模光通过模式耦合区时会耦合进TEo和TE1双模波导中并转变成TE1模式;而单模波导中基模光束与多模波导中其他模式光束的有效折射率有效折射率不等，不满足相位匹配条件不会发生耦合。同时一束基模光沿着TEo JE1和TE2三模模式耦合区的单模波导入射，由于TEo光束在单模波导中的有效折射率与TE2模式光束在TEo、TEdPTE2三模波导中的有效折射率相等，满足相位匹配条件，所以单模波导中传播的基模光通过模式耦合区时会耦合进TEoJEjPTE2三模波导中并转变成TE2模式;而单模波导中基模光束与多模波导中其他模式光束的有效折射率有效折射率不等，不满足相位匹配条件不会发生耦合。这样便实现了三种模式的复用。解复用是复用的逆过程。
【主权项】
1.一种基于光子晶体的三模式模分复用与解复用器，其特征在于该光子晶体模分复用与解复用器包括二维正方晶格结构光子晶体(I)、第一单模波导(2-1)、第二单模波导(2-2)、第三单模波导(2-3)、TEo和TE1I模式多模波导(3)、TEo、TEdPTE2三模式多模波导(4)、TE0和TE1模式耦合区(5)、TEo和TE2模式耦合区(6);其中，二维正方晶格结构光子晶体(I)是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体;在二维正方晶格结构光子晶体(I)中分别移除一排介质柱构成第一单模波导(2-1)、第二单模波导(2-2)、第三单模波导(2-3);在二维正方晶格结构光子晶体(I)中引入2.04μπι线缺陷作为TEo和TE1I模式多模波导(3);在二维正方晶格结构光子晶体(I)中引入3.03μπι线缺陷作为TEoJEjPTE2三模式多模波导(4);ΤΕο和TE1I模式多模波导(3)与第二单模波导(2-2)之间相隔一排介质柱，这一区域为TEo和TE1模式耦合区(5) ;TEoUPTE2三模式多模波导⑷与第三单模波导(2-3)之间相隔一排介质柱，这一区域为TEo和TE2模式耦合区(6)02.根据权利要求1所述的基于光子晶体的三模式模分复用与解复用器，其特征在于所述的TEo和TE^模式多模波导(3)、TEoUPTE2三模式多模波导(4)，其构成方式，它区别于改变介质柱大小的方法，而是通过改变线缺陷宽度实现的，这样的结构更加易于实现。3.根据权利要求1所述的基于光子晶体的三模式模分复用与解复用器，其特征在于，所述第一单模波导(2-1)与TEo和TE1I模式多模波导(3)，ΤΕο和TE1I模式多模波导(3)与TEo、TEjPTE2三模式多模波导(4)的连接方式是一种渐变连接方式，这样的结构有利于抑制光波通过两个波导时由模式失配引起的反射损耗。
【文档编号】G02B6/293GK106094119SQ201610626410
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月1日 公开号201610626410.6, CN 106094119 A, CN 106094119A, CN 201610626410, CN-A-106094119, CN106094119 A, CN106094119A, CN201610626410, CN201610626410.6
【发明人】陈鹤鸣, 付培栋
【申请人】南京邮电大学