CN109709643B - 一种基于单片集成的双偏振模式复用-解复用芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单片集成的双偏振模式复用‑解复用芯片。每个偏振合束器的两个输入端分别与各自输入单模波导连接，输出端与模斑转换器的输入端连接，模斑转换器的输出端与连接波导的一端连接，连接波导的另一端则经模式复用器与输出多模波导连接；作为复用器，光信号从输入单模波导输入并从输出多模波导输出；作为解复用器，光信号从输出多模波导输入并从输入单模波导输出。本发明能将多路信号分别加载至同一多模波导中的N个本征模上，形成模式复用，同时结合偏振复用技术，扩大传输容量，具有便于与片上光互联系统连接，与少模光纤相耦合等突出优点。
Description
技术领域
本发明涉及复用-解复用器，特别是涉及一种基于单片集成的双偏振模式复用-解复用芯片。
背景技术
众所周知，长距离光通信已经取得巨大成功。同样地，光互联作为一种新的互联方式，可克服传统电互联存在的瓶颈问题，引起了广泛关注。当前光互联不断向超短距离互联推进，其通信容量需求日益增长。针对光互联系统数据传输量大的特点，最直接的方法是借用长距离光纤通信系统中常用的波分复用（WDM）技术。
然而，波分复用系统需要多路激光器或可调谐激光器等价格昂贵的元件或模块，因而成本很高，很大程度上将限制它在光互联系统中的广泛应用。因此，急需发展新的复用技术，从而降低波分复用系统的成本。模式复用技术在多模光纤通信中很早就被提出，但由于光纤模式控制（如转化、激发）技术难题使之进展缓慢。最近，人们提出采用少模光纤技术，可将通信容量提升数倍，并有效克服模间串扰，因而成为当前的研究热点。对于基于少模光纤的模式复用系统，其核心器件是模式（解）复用器，用于实现各阶模式的合/分。文献【Daoxin Dai,Jian Wang,and Yaocheng Shi,“Silicon mode (de)multiplexer enablinghigh capacity photonic networks-on-chip with a single-wavelength-carrierlight,”Opt.Let.38,1422-1424,2013】给出了一种基于级联非对称定向耦合器的多通道集成光波导模式复用-解复用器，易于扩展，可实现多通道。在此基础上，文献【Jian Wang,Sailing He,and Daoxin Dai,“On-chip silicon 8-channel hybrid (de)multiplexerenabling simultaneous mode- and polarization-division-multiplexing.”Laser&Photonics Reviews.8(2):L18-L22,2014】给出了一种实现双偏振模式复用器，可实现两组正交偏振态的基模及高阶模的合/分。然而这种设计要求非对称定向耦合器具有显著的偏振敏感性，通常需采用超高折射率差光波导方可实现，因此比较适合于片上光互联系统，但与少模光纤耦合则存在一定困难。文献【Nobutomo Hanzawa等,“Two-mode PLC-based modemulti/demultiplexer for mode and wavelength division multiplexedtransmission.”Opt. Express.21(22): 25752–25760,2013】给出了一种基于SiO2光波导的非对称定向耦合器，可实现与少模光纤的耦合，但存在偏振不敏感特性，很难实现偏振复用，且SiO2波导尺寸较大不适合于片上光互联系统。因此，现有技术缺少一种既适合于片上光互联系统又便于与少模光纤耦合连接的多通道集成光波导双偏振模式复用-解复用器。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于单片集成的双偏振模式复用-解复用芯片，能将多路信号分别加载至同一多模波导中的N个本征模上，形成模式复用，同时结合偏振复用技术，扩大传输容量，便于与片上光互联系统连接，与少模光纤相耦合。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
本发明包括：2N+2条输入单模波导，N+1个偏振合束器， N+1条连接波导，模式复用器和输出多模波导，且N>0；还包括：N+1个模斑转换器；
每个偏振合束器的两个输入端分别与各自输入单模波导连接，输出端与模斑转换器的输入端连接，模斑转换器的输出端则与连接波导的一端连接，连接波导的另一端则经模式复用器与输出多模波导连接；作为复用器时，光信号从输入单模波导输入并从输出多模波导输出；作为解复用器时，光信号从输出多模波导输入并从输入单模波导输出。
所述2N+2条输入单模波导和N+1个偏振合束器均为强限制小截面光波导类型，其截面尺寸为纳米量级，且偏振敏感，即波导双折射大于10-4。
所述N+1条连接波导、模式复用器和输出多模波导均为弱限制大截面光波导类型，其截面尺寸为微米量级，且偏振不敏感，即波导双折射小于10-4。
所述N+1个模斑转换器为倒锥形光波导结构，能将局域在强限制小截面光波导中的光斑通过倒锥形结构绝热地转换为弱限制大截面光波导中的光斑；
偏振合束器的输出端通过模斑转换器将其横电基模和横磁基模分别绝热地转化为连接波导中的横电基模和横磁基模，反之亦然。
所述模式复用器包括：N+1条连接波导，N条耦合波导，总线波导和输出多模波导；
其中一条连接波导与总线波导的输入端连接，其余连接波导与各自耦合波导连接，耦合波导与总线波导中的多模波导耦合连接形成各个模式耦合区，总线波导的输出端与输出多模波导连接。
所述总线波导，包括：N个锥形光波导，N个多模光波导，或再包含N个模式旋转器，相邻的两个多模波导之间通过锥形光波导绝热连接，宽度最小的多模波导输入端经锥形光波导、连接波导与模斑转换器输出端连接，宽度最大的多模光波导作为末端，其输出端与输出多模光波导连接。
所述N个模式耦合区，采用非对称定向耦合器的结构。
所述模式复用器，在复用高度方向上有两个或两个以上峰的高阶模时，非对称定向耦合器中多模光波导和耦合区光波导的高度不相等或者非对称定向耦合器中多模光波导和耦合区光波导的高度相等且多模光波导输出端与模式旋转器连接。
所述N个模式旋转器为在多模光波导中引入一个凹槽，将横向有多个峰的高阶模式转换为纵向有多个峰的高阶模式。
所述第n个多模光波导支持至少n+1个本征模式。
本发明具有的有益效果是：
1)本发明能将多路光信号分别加载至同一多模波导中的N个本征模上，形成模式复用，同时结合偏振复用技术，扩大传输容量，适用于模式复用系统；
2)利用输入波导为强限制小截面光波导类型，可方便实现与片上光源、调制器、探测器等其他光电子元件的大规模单片集成，适用于光互联系统；
3)利用输出波导为弱限制大截面光波导类型，可方便实现与少模光纤的高效耦合。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是强限制小截面光波导横截面示意图。
图3是弱限制大截面光波导横截面示意图。
图4是偏振合束器结构示意图。
图5（a）是模斑转换器结构示意图。
图5（b）是模斑转换器尖端横截面示意图。
图6是复用TE10、TM10模式对应的模式耦合区截面示意图。
图7是复用TE01、TM01模式对应的模式耦合区截面示意图。
图8是模式旋转器横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明包括：2N+2条输入单模波导10a、10b、…、1na、1nb、…、1Na、1Nb，N+1个偏振合束器20、…、2n、…、2N， N+1条连接波导40、…、4n、…、4N，模式复用器5和输出多模波导6，且N>0；还包括：N+1个模斑转换器30、…、3n、…、3N。
每个偏振合束器的两个输入端分别与各自输入单模波导连接，输出端与模斑转换器的输入端连接，模斑转换器的输出端则与连接波导的一端连接，连接波导的另一端则经模式复用器与输出多模波导连接；作为复用器时，光信号从输入单模波导1na、1nb输入并从输出多模波导6输出；作为解复用器时，光信号从输出多模波导6输入并从输入单模波导1na、1nb输出。
所述2N+2条输入单模波导10a、10b、…、1na、1nb、…、1Na、1Nb和N+1个偏振合束器20、…、2n、…、2N均为强限制小截面光波导类型，其截面尺寸为纳米量级，且偏振敏感，即波导双折射大于10-4。
所述N+1条连接波导40、…、4n、…、4N，模式复用器5和输出多模波导6均为弱限制大截面光波导类型，其截面尺寸为微米量级，且偏振不敏感，即波导双折射小于10-4。
如图1所示，以两条输入波导1na、1nb组成第n对输入光波导，且末端分别与第n偏振合束器2n的两个输入端相连。
所述N+1个模斑转换器为倒锥形光波导结构，能将局域在强限制小截面光波导中的光斑通过倒锥形结构绝热地转换为弱限制大截面光波导中的光斑。
偏振合束器的输出端通过模斑转换器将其横电基模和横磁基模分别绝热地转化为连接波导中的横电基模和横磁基模，反之亦然。
所述模式复用器5包括：N+1条连接波导，N条耦合波导，总线波导和输出多模波导6；中一条连接波导40与总线波导的输入端连接，其余连接波导与各自耦合波导连接，耦合波导与总线波导中的多模波导耦合连接形成各个模式耦合区，总线波导的输出端与输出多模波导6连接，
所述总线波导，包括：N个锥形光波导81、…、8n、…、8N，N个多模光波导91、…、9n、…、9N，或再包含N个模式旋转器101、…、10n、…、10N，相邻的两个多模波导之间通过锥形光波导绝热连接，宽度最小的多模波导输入端经锥形光波导、连接波导与模斑转换器输出端连接，宽度最大的多模光波导作为末端，其输出端与输出多模光波导连接。
所述N个模式耦合区，采用非对称定向耦合器的结构。
所述模式复用器5，在复用高度方向上有两个或两个以上峰的高阶模时，非对称定向耦合器中多模光波导和耦合区光波导的高度不相等或者非对称定向耦合器中多模光波导和耦合区光波导的高度相等且多模光波导输出端与模式旋转器连接。
所述N个模式旋转器为在多模光波导中引入一个凹槽，通过一定长度可将横向有多个峰的高阶模式转换为纵向有多个峰的高阶模式。
所述第n个多模光波导支持至少n+1个本征模式。
下面是本发明作为多通道集成光波导模式复用器时的工作工程：
2N+2条输入单模波导10a、10b、…、1na、1nb、…、1Na、1Nb，各自加载有一条光信号，其中输入光波导10a、…、1na、…、1Na输入的是横磁基模，输入光波导10b、…、1nb、…、1Nb输入的是横电基模。
第n对输入光波导1na,1nb所加载的两条光信号经过第n偏振合束器2n合在一起，从第n偏振合束器2n的输出端输出。
从第n偏振合束器2n输出端输出的光信号进入第n模斑转换器3n的输入端，从第n模斑转换器3n的输出端输出，并进入连接波导4n中去，n=0,...,N。
第0连接波导40中所加载的两路光信号依次经过第一锥形光波导81、第一多模光波导91、或包含第一模式旋转器101、…、第n锥形光波导8n、第n多模光波导9n、或包含第n模式旋转器10n、…、第N锥形光波导81、第N多模光波导91、或包含第N模式旋转器10N,最后输出的是加载到输出多模光波导6的基模的光信号。在此传输过程中，两路信号始终分别加载在光波导的横电基模和横磁基模上，且保持偏振态不变。
第n连接波导4n中所加载的两路光信号进入第n耦合波导7n，通过倏逝波耦合的方式从耦合波导7n的基模耦合到第n多模光波导9n的第n个高阶模，且保持偏振态不变。然后依次经过或包含第n模式旋转器10n、第n+1锥形光波导8n+1、第n+1多模光波导9n+1、或包含第n+1模式旋转器10n+1、…、第N锥形光波导8N+1、第N+1多模光波导9N+1、或包含第N+1模式旋转器10N+1 ,最后输出的是加载到输出多模光波导6的第n阶横电高阶模和第n阶横磁高阶模的两路光信号，且保持与第n对输入单模波导1na、1nb所加载的两路光信号偏振态相同，n=1,…,N。
下面给出一个用于模式复用系统的多通道集成光波导模式复用器的具体实施例，反之可实现模式解复用器功能。
选取工作波段中心波长为1550nm。考虑模式通道数2（N+1）=6的情形，涉及的模式为TE、TM两组偏振模式，每组模式均各自包含3个模式，分别为TE00、TE01、TE10、TM00、TM01、TM10。在此，下标00表示基模（其模场在横向、高度方向上均只有一个峰），下标01表示模场在横向上仅有一个峰、而高度方向上有两个峰的高阶模，下标10表示模场在横向上有两个峰、而高度方向上仅有一个峰的高阶模。
对于强限制小截面光波导选用Si3N4掩埋型光波导，其横截面如图2所示：其中，芯层112是Si3N4材料，厚度为250nm、折射率为2；其下包层111为纯Si02材料，厚度为8um、折射率为1.444；其上包层113为掺锗Si02材料，厚度为10um、折射率为1.4586；最上面还覆盖一层114为纯Si02材料，厚度为10um、折射率为1.444。
对于弱限制大截面光波导选用SiO2掩埋型光波导，其横截面如图3所示：其中，芯层113为掺锗Si02材料，厚度为10um、折射率为1.4586；其下包层111为纯Si02材料，厚度为8um、折射率为1.444；其上包层114为纯Si02材料，厚度为10um、折射率为1.444；其芯层包层折射率差为1%。
对于一种基于单片集成的双偏振模式复用-解复用芯片，采用分模块设计的方法。
1、偏振合束器的设计
对于偏振合束器，采用两个非对称定向耦合器级联的方式。其俯视图如图4所示。各参数如下：单模波导宽度W1=1、多模波导宽度W2=2.9、 波导间距Wg=1、S型弯曲光波导长度Lx=100、横向偏移量Lz=5、偶合区直波导长度Lc=40、两个偶合区直波导的纵向偏移量L0=50。单模波导的宽度W1和多模波导的宽度W2根据相位匹配原理来选择，使单模波导中的TM0模式和多模波导中的TM1模式相位匹配。如此一来单模波导中的TM0模式可以完全耦合到多模波导中的TM1模式中去，而单模波导中的TE0模式和多模波导中的TE1模式由于相位不匹配，仅有少量耦合，通过波导间距Wg的优化选择可使这部分耦合能量忽略不计。对于该优化设计，当TE0 、TM0分别从该偏振合束器的两个输入端口输入时，两者都将从其输出端口输出，即实现了偏振合束的功能。
2、模斑转换器的设计：
对于模斑转换器，采用倒锥形光波导结构。其结构示意图如图5(a)所示，其尖端横截面图如图5（b）所示。各参数如下：Si3N4首端波导宽度W1=1、Si3N4尖端波导宽度Wtip=0.15、SiO2波导宽度Wa=4、高度10、锥形波导的长度L=2000。
尖端宽度的选择应使尖端处的基模模式与SiO2波导基模模式的重叠积分足够大，降低模式失配引入的损耗，此处选择为0.15，可使横电基模和横磁基模的重叠积分分别为99.1%和98.6%；锥形波导长度的选择应使模式尽可能无损耗地转换，此处选择为2000，可使横电基模和横磁基模的转换效率分别达到97.5%和99.8%；故总的横电基模和横磁基模的模斑转换效率为96.6%和98.4%：
3、模式复用器的设计：
耦合波导中的S型弯曲光波导参数选为：横向偏移20、长度为800；根据绝热条件，第一锥形光波导81和第二锥形光波导82的锥度为1/20弧度。
3.1复用TE10和TM10模式：
根据相位匹配原理，合理选取多模光波导及相应的耦合区光波导的宽度和高度，使得耦合区光波导的基模TE00与多模光波导的高阶模TE10相匹配。与此同时，由于弱限制光波导偏振不敏感，该耦合结构也是偏振不敏感，因此耦合区光波导的基模TM00与多模光波导的高阶模TM10也自动匹配。根据计算，多模光波导的宽度、高度分别为：10.56、10，而对应耦合区光波导的宽度、高度分别为：4、10，如图6所示。选择两波导间距为4，耦合区中直波导优化长度为2580，使得耦合区光波导中的基模TE00和TM00分别与多模光波导中的高阶模TE10和TM10完全耦合。
3.2复用TE01和TM01模式：
技术方案1：
采用高度不一致的非对称定向耦合器复用TE01和TM01模式。根据相位匹配原理，合理选取多模光波导及相应的耦合区光波导的宽度和高度，使得耦合区光波导的基模TE00与多模光波导的高阶模TE01相匹配。与此同时，由于弱限制光波导偏振不敏感，该耦合结构也是偏振不敏感，因此耦合区光波导的基模TM00与多模光波导的高阶模TM01也自动匹配。根据计算，多模光波导的宽度、高度分别为：5.65、10，而对应耦合区光波导的宽度、高度分别为：4、5，如图7所示。选择两波导间距为4，耦合区中直波导优化长度为4640，使得耦合区光波导中的基模TE00和TM00分别与多模光波导中的高阶模TE01和TM01完全耦合。
技术方案2：
采用高度一致的非对称定向耦合器与模式旋转器级联的方式复用TE01和TM01模式。先用高度一致的非对称定向耦合器复用TE10和TM10模式，同3.1一样，然后在多模光波导后连接一个模式旋转器，则可使TE10和TM10模式转换为TE01和TM01模式，从而实现复用TE01和TM01模式的功能。模式旋转器的横截面图如图8所示，通过合理选取凹槽偏移量t和凹槽宽度s的值打破波导的对称性且保证引入较小的串扰，凹槽深度d的选择为使多模波导中的TE10模式与模式旋转器中的第一横电高阶模和第二横电高阶模的模式重叠积分相等，由于弱限制光波导偏振不敏感，所以多模波导中的TM10模式与模式旋转器中的第一横磁高阶模和第二横磁高阶模的模式重叠积分也自动相等。多模光波导的宽度和高度依次为w=10.56、h=10，根据计算， 凹槽偏移量、宽度和深度依次为t=0、s=1.5和d=4.3，模式旋转器的优化长度取1435，可使E10和TM10模式转换为TE01和TM01模式。
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。
Claims (8)
1.一种基于单片集成的双偏振模式复用-解复用芯片，包括：2N+2条输入单模波导（10a、10b、…、1na、1nb、…、1Na、1Nb），N+1个偏振合束器(20、…、2n、…、2N)， N+1条连接波导(40、…、4n、…、4N)，模式复用器(5)和输出多模波导(6)，且N>0；其特征在于，还包括：N+1个模斑转换器(30、…、3n、…、3N)；
每个偏振合束器的两个输入端分别与各自输入单模波导连接，输出端与模斑转换器的输入端连接，模斑转换器的输出端则与连接波导的一端连接，连接波导的另一端则经模式复用器与输出多模波导连接；作为复用器时，光信号从输入单模波导输入并从输出多模波导输出；作为解复用器时，光信号从输出多模波导输入并从输入单模波导输出；
所述2N+2条输入单模波导和N+1个偏振合束器均为强限制小截面光波导类型，其截面尺寸为纳米量级，且偏振敏感，即波导双折射大于10-4；
所述N+1条连接波导、模式复用器(5)和输出多模波导(6)均为弱限制大截面光波导类型，其截面尺寸为微米量级，且偏振不敏感，即波导双折射小于10-4。
2.根据权利要求1所述的一种基于单片集成的双偏振模式复用-解复用芯片，其特征在于：所述N+1个模斑转换器为倒锥形光波导结构，能将局域在强限制小截面光波导中的光斑通过倒锥形结构绝热地转换为弱限制大截面光波导中的光斑，反之亦然；
偏振合束器的输出端通过模斑转换器将其横电基模和横磁基模分别绝热地转化为连接波导中的横电基模和横磁基模，反之亦然。
3.根据权利要求1所述的一种基于单片集成的双偏振模式复用-解复用芯片，其特征在于：所述模式复用器(5)包括：N+1条连接波导(40、…、4n、…、4N)，N条耦合波导（71、…、7n、…、7N)，总线波导和输出多模波导(6)；
其中一条连接波导与总线波导的输入端连接，其余连接波导与各自耦合波导连接，耦合波导与总线波导中的多模波导耦合连接形成各个模式耦合区，总线波导的输出端与输出多模波导(6)连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于单片集成的双偏振模式复用-解复用芯片，其特征在于：所述总线波导，包括：N个锥形光波导（81、…、8n、…、8N），N个多模光波导（91、…、9n、…、9N），或再包含N个模式旋转器（101、…、10n、…、10N），相邻的两个多模波导之间通过锥形光波导绝热连接，宽度最小的多模波导输入端经锥形光波导、连接波导与模斑转换器输出端连接，宽度最大的多模光波导作为末端，其输出端与输出多模光波导连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于单片集成的双偏振模式复用-解复用芯片，其特征在于：所述N个模式耦合区，采用非对称定向耦合器的结构。
6.根据权利要求3所述的一种基于单片集成的双偏振模式复用-解复用芯片，其特征在于：所述模式复用器(5)，在复用高度方向上有两个或两个以上峰的高阶模时，非对称定向耦合器中多模光波导和耦合区光波导的高度不相等或者非对称定向耦合器中多模光波导和耦合区光波导的高度相等且多模光波导输出端与模式旋转器连接。
7.根据权利要求4所述的一种基于单片集成的双偏振模式复用-解复用芯片，其特征在于：所述N个模式旋转器为在多模光波导中引入一个凹槽，将横向有多个峰的高阶模式转换为纵向有多个峰的高阶模式。
8.根据权利要求4所述的一种基于单片集成的双偏振模式复用-解复用芯片，其特征在于：第n个多模光波导支持至少n+1个本征模式。
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