可重构的LP

可重构的lp
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‑
lp
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模式旋转器及其应用
技术领域
1.本发明属于光通信领域，特别涉及一种模式旋转器。


背景技术：

2.由于非线性效应、光纤熔断效应、香农极限以及光放大器带宽的影响，标准单模光纤(smf)的通信容量大约局限在100tbps。随着科学技术的迅猛发展，科学家已充分利用了光的波长、偏振、相位等信息维度来提升通信容量，在未来的通信网络中，如果想要进一步提升光纤的通信容量，则需要开发新的维度。空分复用(space division multiplex，sdm)技术为通信容量的提升提供了可能，成为了近年来研究的热点。空分复用技术主要分为基于多芯光纤的复用技术(multi
‑
core fiber multiplex，mcfm)和模分复用技术(mode division multiplex，mdm)。多芯光纤复用技术虽然可以大幅度地提高通信系统的容量，但光纤不易拉制，相关器件的制作难度较大。为了大幅度减少模式同时传输造成的模间色散和串扰的积累，目前研究比较多的是支持lp
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、lp
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、lp
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的等少数几个模式的少模光纤(few modes fiber，fmf)的模分复用技术。由于光纤支持有限数量的模式，较容易实现模式的激发、转换、均衡放大和色散等的控制，是提高通信系统传输容量的重要技术方案。
3.模式复用器/解复用器(mux/dmux)是实现模分复用技术的最重要的元器件。基于平面光路(planar lightwave circuit，plc)的模式复用器具有结构紧凑，易于集成，低插入损耗、大带宽等优点，而且可采用成熟的半导体工艺技术，如光刻、磁控溅射，离子刻蚀等制作，因此还具有工艺重复性好，可大规模量产的优点。鉴于此，plc基的模分复用器受到了广泛的重视，尤其是基于非对称定向耦合器的模分复用器。然而，由于lp
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与lp
01
模式的模场对称性导致的耦合系数为0，plc基的非对称定向耦合器并不能直接实现lp
01
模与lp
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模的复用与解复用。针对这一困难，日本北海道大学的研究人员提出了基于狭缝波导的lp
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与lp
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的模式旋转方案，香港城市大学的研究人员提出了lp
01
模与lp
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模垂直耦合方案，电子科技大学研究人员提出了采用平面不等高耦合器实现lp
01
模与lp
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模耦合转换的方案。然而这些方案均只能实现固定的模式旋转或模式转换。


技术实现要素：

4.为解决现有基于plc基的lp
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‑
lp
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模式旋转器不可重构，且在制作过程中存在狭缝加工制作的技术难度的问题；本发明提出了一种可重构的lp
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‑
lp
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模式旋转器，所发明的模式旋转器不仅具有可重构的模式旋转功能，而且结构简单，易于制作。
5.本发明采用的技术方案为：一种可重构的lp
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‑
lp
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模式旋转器，包括双模波导，通过改变双模波导的温度场分布，实现lp
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模和lp
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模的模式转换。
6.所述温度场分布所有等温线以相同的水平距离与垂直距离切割波导芯。
7.包括电极加热器，所述电极加热器位于双模波导上方。
8.当电极加热器施加电流时，波导支持的lp
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模与lp
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模的模场发生旋转。
9.还包括：基底、位于基底上的波导下包层、位于下包层上的波导左右包层、以及覆
盖波导上方的波导上包层；所述电极加热器位于波导上包层上。
10.所述电极加热器与波导在垂直方向上的重叠宽度范围为
‑
1μm～1μm。
11.一种模式复用和解复用方法，基于可重构的lp
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‑
lp
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模式旋转器，实现lp
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模和lp
11b
模的模式转换。
12.本发明的有益效果：本发明的lp
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‑
lp
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模式旋转器，该旋转器利用热光效应导致的波导不对称性，实现lp
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模与lp
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模之间可重构的转换，为lp
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模与lp
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及lp
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模间的重构复用提供了一种新的方案，有利于实现灵活的模分复用光网络；所提出器件具有结构简单，转换效率高，工艺容差大，易于制作的优点。
附图说明
13.图1为本发明中基于plc的可重构的lp
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‑
lp
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模式旋转器的基本结构图；
14.图2为本发明中基于plc的可重构的lp
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‑
lp
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模式旋转器的横切面示意图；
15.图3为本发明中基于plc的可重构的lp
11a
‑
lp
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模式旋转器的一个实例的横切面关键结构的尺寸参数示意图；
16.图4为本发明的模式旋转器实例的电极加热器没有施加电流时旋转器双模波导支持的具有xy对称轴的lp
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模与lp
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模的模场分布图；
17.图5为本发明的模式旋转器实例的电极加热器上施加一定的电流时旋转器横切面热场分布图；
18.图6为本发明的模式旋转器实例的加热电极上施加一定的电流时旋转器双模波导中支持的具有x’y’对称轴的lp
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和lp
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模式的模场分布图；
19.图7为本发明lp
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模到lp
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模的转换示意图；
20.图8为本发明最终实现的可重构lp
11a
‑
lp
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模式旋转器的功能说明图；
21.附图标记说明：1为电极加热器，2为波导上包层，3为双模波导芯层，4为波导左右包层及下包层，5为基底。
具体实施方式
22.为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
23.图1所示为基于plc的可重构的lp
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‑
lp
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模式旋转器的基本结构图。图2是器件的横切面(平行于图1中x与y轴所构成的平面)示意图。图3给出了一个旋转器实例的横切面关键结构的尺寸参数示意图，这里电极加热器长2.5mm，波导上包层2的折射率为1.49，双模波导芯层3的折射率为1.57，波导左右包层及下包层4的折射率为1.55。器件的工作波长设定为1.55微米。
24.本实施例中波导左右包层及下包层4的最大厚度为0.8μm。
25.该旋转器实例的双模波导已设计为支持lp
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模和lp
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模，这两个模式的模场分布如图4所示。当电极加热器不施加电流，也即是处于“关”态时，耦合进入旋转器双模波导的lp
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模依然保持为lp
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模输出，同样地，耦合进入旋转器双模波导的lp
11b
模依然保持为lp
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模输出，此时没有模式的旋转。
26.当给旋转器的电极加热器施加电流，也就是旋转器处于“开”态后，电极加热器的
电阻产生的热量使其下方的波导材料被加热，从而形成一定的温度场分布。显然通过设计合适的器件参数以及给电极加热器施加适当的电流(本例中对应的电功率为30mw)，形成的热场分布可满足其所有的等温线都以相同的水平(x轴)和垂直(y轴)距离切割波导芯，如图5所示，其中水平距离ab和垂直距离ac相等。此时该双模波导中支持的lp
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模和lp
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模的光场分布将相对于x轴和y轴旋转45
°
，模场对称轴也将旋转45
°
，从x、y轴旋转到x’、y’轴，如图6所示。此时，当对称轴依然是xy轴的lp
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(或lp
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)模式耦合进入旋转器后，将同时激发起旋转后对称轴为x’y’轴的lp
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模和lp
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模，两个模式的传输速度不同，经过一定长度(也就旋转器的长度)的传输后，自旋转器输出的模式将合成为对称轴依然是xy轴的lp
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(或lp
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)，实现模式的旋转。
27.设计合适的器件参数具体包括：波导尺寸参数与电极位置和电极长度参数；本实施例中主要考虑电极加热器的设置位置，实际应用中电极与波导在垂直方向的重叠宽度范围为
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1μm～1μm，设置满足电极加热器所施加的电流所产生的热场分布所有等温线以相同的水平距离与垂直距离切割波导芯。
28.本实施例中波导的宽厚相等，一般设置为8～10μm，其长度与电极长度相等，电极长度一般设置为2.5
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2.9mm，电极宽厚仅影响功耗，一般宽设置为12μm，厚设置为200nm；如图1所示，本领域技术人员应知，本发明中所述的长是沿z方向的，宽为沿x方向，厚为沿y方向进行量化的标准。
29.本发明中的转换关系发生在电极长度范围内，即lp
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模和lp
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模在电极长度范围内刚好完成转换，如图7所示为lp
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模到lp
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模的转换示意图。
30.图8进一步示意了旋转器电极加热器处于“关”与“开”态时，模式传输通过旋转器前后的模场变化情况，其清楚地显示了器件对模式旋转的重构功能。
31.综上,本发明通过热光效应实现了片上lp
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和lp
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的模式转换，构造了一种新型可重构模式旋转器，其具有转换效率高，易于制造，具有很好的实际应用价值。
32.应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上,还可以做出若干等同变形和替换,比如用其它波导材料和其它波导结构来实现等，这些等同变形和替换也应视为本发明的保护范围。