CN108254829A - 一种双重非对称的纵向模式转换器的设计方法 - Google Patents
一种双重非对称的纵向模式转换器的设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108254829A CN108254829A CN201810013649.5A CN201810013649A CN108254829A CN 108254829 A CN108254829 A CN 108254829A CN 201810013649 A CN201810013649 A CN 201810013649A CN 108254829 A CN108254829 A CN 108254829A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- waveguide
- mode
- modes
- coupling
- effective refractive
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 39
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 24
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000012792 core layer Substances 0.000 claims description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 4
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 4
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 4
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/14—Mode converters
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明提供一种双重非对称的纵向模式转换器的设计方法，该方法采用横向(水平方向)和纵向(垂直方向)的双重非对称的定向耦合器结构，既保证了两个模式的有效折射率匹配，也打破了纵向模式之间的正交性，从而可以实现高阶的纵向模式与基模之间的任意转换。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域，更具体地，涉及一种纵向模式转换的设计方法。
背景技术
随着云计算，大数据，物联网，移动互联网等技术的快速发展，信息社会正从IT(Information Time)时代向DT(Data Time)时代发展，人们对网络数据的需求越来越大，要求信息传输要有更大的容量，更快的速度，更经济的费用。信息多路复用是一种常用的，用来提高传输媒介数据容量的技术。现有的波分复用(Wavelength Division Multiplexing)和密集波分复用(Dense WDM)已经商业上运用，并取得了很好的效益。然而，单根光纤虽然可以同时传输不同的波长的信号光，但却不是无限的带宽，有一个香农极限。为了能够克服香农极限的束缚，进一步提高单根光纤的传输容量，现在出现了一个新的技术——模分复用(Mode-division multiplexing)技术。
模分复用(MDM)是指利用多模光纤或者少模光纤中有限的彼此正交的模式作为独立信道传输信息，让每个波长的不同模式携带不同的信息，进行复用和解复用。采用模分复用技术后，光传输的容量能够随着复用的模式数成倍的增长，再结合其他的光复用技术，能够显著的提高光传输容量，并可以得到很高的频谱效率，是未来大容量光网络发展的优先技术方案。
模分复用(MDM)可以针对横向多模波导或者纵向多模波导两种方式，即所采用的多模波导在横向还是垂向上具备多模式分布。目前在研究中提出了一种利用蚀刻衍射光栅的方法，用来作为纵向多模波导的的复用/解复用器件，所有的模式通道都可以同时被一个光栅器件分离，类似于对应的WDM技术中的波分复用器件。
通过蚀刻衍射光栅模式解复用器之后，虽然得到了彼此分离的模式信号，但基本都还是高阶的模式，考虑到传输及弯曲损耗、串扰，以及与光纤的对接等问题时，有时希望把这些纵向高阶模式转换为基模。为此，我们采用非对称定向耦合器(ADC)进行模式转换。当两个平行波导之间的距离小到一定程度，各自进入对方导模的消逝场所在的区域时，波导中的模式之间就会产生耦合，这种在相邻波导的导模之间发生的功率交换称为定向耦合。横向模式的非对称定向耦合器已被广泛使用。此类ADC器件具备同样的波导高度，但是波导的宽度各不相同，从而达到不同模式之间的有效折射率匹配。但是具备纵向多模式的ADC却有其特殊的情况。纵向模式和横向模式之间的区别在于空间上翻转了90度，但是在器件设计中却恰恰因为这翻转的90度而造成了一个新的问题，即两个待耦合模式间的关系由原来的可重叠而变为彼此正交，从而导致两个波导中的模式不能发生相互耦合与转换。图1为传统横向多模的ADC器件，其左侧为传输横向一阶模式的输入波导，右侧为需转换成基模进行传输的耦合波导，左右两个模式的对称中心在水平方向上有一个偏移，故彼此非正交(即二者的电场分布函数之重叠积分不为零)，模式间可相互耦合。对于纵向多模波导来说，图3中的结构与图1类似，相当于整体绕一个基点旋转了90度，两者情况等效，也可以发生耦合。然而器件制作工艺要求输入与输出波导位于同一水平层内，如图2所示，此时左侧输入波导中的纵向一阶模和右侧耦合波导中的基模的对称中心在垂直方向没有偏移，两不同模式间正交(即二者的电场分布函数之重叠积分为零)，不可耦合。
发明内容
本发明是基于上述事实提出的，其目的在于，提供一种纵向模式转换的设计方法，该方法针对EDG解复用之后，波导中的纵向多个高阶模式进行向基模的转换，并采用双重非对称定向耦合器的设计模式，可以打破纵向模式间的正交性，改变输出波导的纵向高度，再次在纵向上增加一重非对称，这种横向和纵向的两重非对称，可以使纵向模式间不正交，且将不同模式间有效折射率调节至相同，从而实现模式耦合转换。
为了达到上述技术效果，本发明提供了一种双重非对称的纵向模式转换器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：设计纵向多模输入波导结构，该多模波导在纵向(垂直于芯片表面方向)上支持两个或两个以上的多个传播模式；
其波导材料是硅及硅的氧化物、氮化物，或者III/V族化合物半导体，波导芯层在高度方向支持两个以上的传播模式，依据该传播模式可计算出在此垂直方向即高度方向上可支持的多个传播模式的有效折射率；
以绝缘体上硅(SOI)材料体系为例，选取二氧化硅作为衬底，以硅为波导芯层，覆盖层为二氧化硅，当波导芯层高度大于单模条件时，在纵向上存在多于一个的传播模式，计算出可支持的多个传播模式的有效折射率；
S2：设计双重非对称结构的定向耦合器：
利用S1中设计出来的波导结构，通过改变耦合波导的横向的宽度和纵向的高度，改变其波导的有效折射率，从而设计有效折射率与输入波导相匹配的波导来实现模式转换；
其中，其设计双重非堆成结构的定向耦合器的具体过程如下：
S21：确定高阶模式的输入波导的宽度、高度，从而确定其输入的高阶模的有效折射率；
S22：设计双重非对称的耦合波导，先在纵向做一次非对称设计，通过改变耦合波导的高度，打破两根波导中两个纵向模式的正交性；
S23：再做一次横向的非对称设计，改变耦合波导的宽度，从而进一步改变波导的有效折射率，使得耦合波导基模的有效折射率等于输入波导的高阶模的有效折射率；
S24：根据定向耦合原理：
当两个波导中的两个模式的有效折射率相等，且彼此靠近时两个模式的模场非正交，重叠积分不为零时，两个模式可以相互转换，通过波导I的功率|A(z)|2和波导II的功率|B(z)|2，它们与输入功率|A(0)|2之比分别为：
其中，
F为最大转移功率。由上式(3)可以得知，最大转移功率F取决于耦合系数κ的大小及两个模相速度的同步程度；当相耦合的两个模不同步时，两个模的相速度不同，反映相速度之差的δ≠0，F小于1，即不能达到完全耦合；只有当两个模同步时，相速度相等，此时有δ＝0，F才等于1；从而根据公式可以确定达到完全模式转换时对应的耦合长度；
S25：根据以上参数设计双重非对称纵向模式转换器。
附图说明
图1为传统横向非对称耦合波导横截面示意图。
图2为传统方式放置的纵向非对称耦合波导示意图。
图3为横向耦合波导围绕同一中心整体旋转90度所得结构示意图。
图4为本发明提出的双重非对称耦合波导横截面示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
选用波导结构以二氧化硅为衬底，以硅为波导芯层，覆盖层为二氧化硅，波导芯层高度为1.2um，选取1550nm的波长为该器件的对应工作波长，计算出在横电(TE)偏振下可支持3个传播模式和它们对应的有效折射率n1，n2，n3。
在选定上述输入波导结构参数后，设计与之匹配的双重非对称的耦合波导，先在纵向做一次非对称设计，通过改变耦合波导的高度，打破两根波导中两个纵向模式的正交性。然后再在横向上做一次非对称设计，改变耦合波导的宽度，使需要转换的两个模式间有效折射率匹配，从而实现模式转换的目的。
例如需要实现输入波导中的一阶模向基模的转换，先由纵向非对称打破两个模式的模间正交，优选地使左边波导高度h是右边波导高度h1的二倍，h＝1.2um，则h1＝0.6um，h＝2*h1。再通过横向非对称，使得两个模式有效折射率相等，左边波导传输的是一阶模，波导宽度为w＝350nm，右边是基模与所述一阶模匹配的波导，其宽度w1＝337.9nm，此时其基模的传播常数和有效折射率与左边波导一阶模相等，可以达到最大转换效率，F＝1。
二阶模向基模的转换原理与上面一致，左边波导高度h优选地是右边波导高度h2的三倍，h＝1.2um，h2＝0.4um，h＝3*h2。再通过横向非对称，调节波导宽度使得两个模式有效折射率相等，左边波导传输的是二阶模，宽度取为w＝350nm。右边波导中的基模与其二阶模匹配，其宽度w2＝307.2nm，此时其有效折射率与左边波导的二阶模相等，可以达到最大转换效率。
纵向ADC采用横向、纵向双重非对称的结构。当输入波导的高阶模式与耦合波导的基模有效折射率相等的时候，两个模式非正交，且模式匹配，可以发生相互的耦合转换。一阶模转基模在耦合长度为9um处转换效率最大，此时接近完全转换，之后耦合效率呈周期性振荡，周期即为9um。故在进行一阶模对基模转换时，波导耦合区域的长度优选为9um，此时整个模式转换器件的所有结构参数均已确定，器件能实现最大的模式转换效率。二阶模转基模在耦合长度为10um处转换效率最大，之后传输光场也以此为周期在两个波导间交替振荡，故二阶模对基模的转换其耦合长度优选为10um，此时有最大转换效率。通过以上设计可以实现输入波导中所有高阶模式向基模转换的目的。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种双重非对称的纵向模式转换器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设计纵向多模输入波导结构，该多模波导在纵向上支持多个传播模式；
其波导材料是硅及硅的氧化物、氮化物，或者III/V族化合物半导体，波导芯层在高度方向支持两个以上的传播模式，依据该传播模式计算出在垂直方向即高度方向上支持的多个传播模式的有效折射率；
S2：设计双重非对称结构的定向耦合器：
利用S1中设计出来的波导结构，通过改变耦合波导的横向的宽度和纵向的高度，改变其波导的有效折射率，从而选取有效折射率与输入波导相匹配的耦合波导来实现模式转换。
2.根据权利要求1所述的一种双重非对称的纵向模式转换器的设计方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程如下：
S21：确定高阶模式的输入波导的宽度、高度，并根据其所采用的材料折射率，从而确定其输入的高阶模的有效折射率；
S22：设计双重非对称的耦合波导，先在纵向做一次非对称设计，通过改变耦合波导的高度，打破两根波导中两个纵向模式的正交性；
S23：再做一次横向的非对称设计，改变耦合波导的宽度，从而进一步改变波导的有效折射率，使得耦合波导基模的有效折射率等于输入波导的高阶模的有效折射率；
S24：根据定向耦合原理：
当两个波导中的两个模式的有效折射率相等，且彼此靠近时，两个模式的模场非正交，重叠积分不为零时，两个模式可以相互转换；通过波导I的功率|A(z)|2和波导II的功率|B(z)|2，波导I的功率、波导II的功率与输入功率|A(0)|2之比分别为：
其中，
F为最大转移功率；由上式(3)可以得知，当相耦合的两个模不同步时，δ≠0，最大转移功率F取决于耦合系数κ的大小及两个模相速度的同步程度，只有当δ＝0时，F才等于1；从而确定完全模式转换的耦合长度；
S25：根据以上参数设计双重非对称纵向模式转换器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810013649.5A CN108254829A (zh) | 2018-01-04 | 2018-01-04 | 一种双重非对称的纵向模式转换器的设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810013649.5A CN108254829A (zh) | 2018-01-04 | 2018-01-04 | 一种双重非对称的纵向模式转换器的设计方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108254829A true CN108254829A (zh) | 2018-07-06 |
Family
ID=62724987
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810013649.5A Pending CN108254829A (zh) | 2018-01-04 | 2018-01-04 | 一种双重非对称的纵向模式转换器的设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108254829A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109726448A (zh) * | 2018-12-11 | 2019-05-07 | 中国人民解放军63653部队 | 一种基于迭代法的分段式模式转换器设计方法 |
| CN114114540A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-01 | 南通大学 | 一种高效紧凑型绝热模式转换器的设计方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1629663A (zh) * | 2003-12-18 | 2005-06-22 | 中国科学院半导体研究所 | 一种新截面形状的绝缘体上硅脊形光波导及其制作方法 |
| CN106842430A (zh) * | 2017-04-05 | 2017-06-13 | 电子科技大学 | 一种非对称定向耦合器 |
| WO2017142076A1 (ja) * | 2016-02-18 | 2017-08-24 | 日本電信電話株式会社 | 光合波回路 |
-
2018
- 2018-01-04 CN CN201810013649.5A patent/CN108254829A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1629663A (zh) * | 2003-12-18 | 2005-06-22 | 中国科学院半导体研究所 | 一种新截面形状的绝缘体上硅脊形光波导及其制作方法 |
| WO2017142076A1 (ja) * | 2016-02-18 | 2017-08-24 | 日本電信電話株式会社 | 光合波回路 |
| CN106842430A (zh) * | 2017-04-05 | 2017-06-13 | 电子科技大学 | 一种非对称定向耦合器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 赵伟科: "基于非对称定向耦合器的LP01模与LP11b模转换研究", 《电子科技大学硕士学位论文》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109726448A (zh) * | 2018-12-11 | 2019-05-07 | 中国人民解放军63653部队 | 一种基于迭代法的分段式模式转换器设计方法 |
| CN114114540A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-01 | 南通大学 | 一种高效紧凑型绝热模式转换器的设计方法 |
| CN114114540B (zh) * | 2021-12-09 | 2023-11-10 | 南通大学 | 一种高效紧凑型绝热模式转换器的设计方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112041717B (zh) | 具有三叉戟结构的分光器 | |
| JP6379245B1 (ja) | 光導波路素子及び受信回路 | |
| CN105785506A (zh) | 基于硅基脊型波导的偏振旋转器-分离器/合成器 | |
| WO2010038861A1 (ja) | 結合系マルチコアファイバ、結合モード合分波器、マルチコアファイバ伝送システム、およびマルチコアファイバ伝送方法 | |
| JP5625449B2 (ja) | マッハ・ツェンダ干渉計、アレイ導波路回折格子及びマッハ・ツェンダ干渉計の製造方法 | |
| CN108508539B (zh) | 基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器 | |
| US20060222296A1 (en) | Optical wavelength division multiplexer | |
| CN106842430A (zh) | 一种非对称定向耦合器 | |
| CN110568555B (zh) | 一种亚波长多模y分支波导 | |
| JP3878012B2 (ja) | 光導波回路 | |
| CN108254829A (zh) | 一种双重非对称的纵向模式转换器的设计方法 | |
| CN105629381A (zh) | 光纤模式旋转器、全光纤模式复用器和解复用器 | |
| CN104730645A (zh) | 一种用于模式复用-波分复用混合技术的复用-解复用器 | |
| JP4405976B2 (ja) | 光信号処理器 | |
| CN111948753B (zh) | 一种基于双槽式硅纳米线波导高纯oam模产生及模分复用器 | |
| JP6298906B1 (ja) | 波長フィルタ | |
| JP2009211032A (ja) | 光合分波素子 | |
| JP6630806B1 (ja) | 光導波路回路 | |
| CN218824791U (zh) | 一种波长可调的oadm器件 | |
| JP6476247B1 (ja) | 波長フィルタ | |
| CN114488406B (zh) | 基于多模干涉原理的紧凑型波长复用器 | |
| CN105911642B (zh) | 一种多模式复用器件的设计方法 | |
| JPH112733A (ja) | アレイ格子型光合分波器 | |
| JP2004212435A (ja) | アレイ導波路格子型光合分波回路 | |
| CN114637072B (zh) | 一种浅刻蚀多模干涉耦合的多通道平顶型波分复用接收器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180706 |