CN103576238A - 一种基于不对称y分叉结构的n模式复用/解复用器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于不对称Y分叉结构的N模式复用/解复用器，由N-1个不对称Y分叉级联而成，每级不对称Y分叉包括主干波导、宽分支波导和细分支波导，宽分支波导的宽度大于细分支波导的宽度，宽分支波导和细分支波导的宽度之和与主干波导的宽度相等，宽分支波导和细分支波导相交处的夹角小于1度，相邻两级不对称Y分叉的主干波导和不对称Y分叉的宽分支波导通过绝热锥形波导连接，相邻两级不对称Y分叉的主干波导的宽度不相同；优点是实现多个数据信道传输，并具有大带宽、低损耗和低串扰等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种复用/解复用器，尤其是涉及一种基于不对称Y分叉结构的N模式复用/解复用器。
背景技术
随着互联网数据流量的快速增长，光链路容量急需扩增。目前扩充光链路容量的方式包括空分复用技术、波分复用技术、偏振复用技术和模式复用技术。其中，模式复用技术中每个光模式可作为一个独立的信道进行数据传输，具备灵活处理本征模式的优势，目前已成为提高光互连中单个链路的通信容量的重要解决途径。
作为模式复用传输系统的关键器件，模式复用/解复用器近年来引起越来越多的关注。传统的模式复用/解复用器采用的结构主要有Y分叉分路器、多模干涉耦合器、级联不对称定向耦合器和级联多模光栅辅助耦合器。基于Y分叉分路器和多模干涉耦合器的传统模式复用/解复用器仅能实现两个数据传输信道，对光链路容量扩增有限。基于级联不对称定向耦合器的传统模式复用/解复用器和级联多模光栅辅助耦合器的传统模式复用/解复用器可实现多个（两个和两个以上）数据信道传输，是目前已有的模式复用/解复用器。但是，基于级联不对称定向耦合器的传统模式复用/解复用器需要精确控制不对称定向耦合器的耦合长度和强度才能实现多个数据信道传输，基于级联多模光栅辅助耦合器的传统模式复用/解复用器受限于光栅辅助耦合器自身的带宽，虽然可实现多个数据信道传输，但是光链路容量扩增有限。因此，基于级联不对称定向耦合器的传统模式复用/解复用器和级联多模光栅辅助耦合器的传统模式复用/解复用器虽然可通过多个数据信道传输对光链路容量进行扩增，但是对光链路容量的扩增均受限于自身器件性能，光链路容量的扩增比较有限。
在光纤传输技术中，不对称Y分叉包括主干波导、宽分支波导和细分支波导，其中宽分支波导的宽度大于细分支波导的宽度，两者具有不同的有效折射率。目前不对称Y分叉已被利用并设计成波长复用器、偏振分路器以及模式分拣器等功能器件。当利用不对称Y分叉实现两个模式的模式分拣器时，不对称Y分叉的细分支波导中的基模传输经过分叉时，可激励起不对称Y分叉的主干波导中的一阶模式。因此，利用不对称Y分叉实现细分支波导中基模激发主干波导中的高阶模式，将不对称Y分叉应用到模式复用/解复用器中实现多个数据信道传输具有现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于不对称Y分叉结构的N模式复用/解复用器，该N模式复用/解复用器可实现多个数据信道传输，并具有大带宽、低损耗和低串扰等特点。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于不对称Y分叉结构的N模式复用器，由N-1个不对称Y分叉级联而成，每级不对称Y分叉包括主干波导、宽分支波导和细分支波导，所述的宽分支波导的宽度大于所述的细分支波导的宽度，所述的宽分支波导和所述的细分支波导的宽度之和与所述的主干波导的宽度相等，所述的宽分支波导和所述的细分支波导相交处的夹角小于1度，第k级不对称Y分叉的主干波导与第k+1级不对称Y分叉的宽分支波导通过绝热锥形波导连接，每个不对称Y分叉的细分支波导的宽度均相等且其宽度仅支持基模传输，第k+1级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度大于第k级不对称Y分叉的主干波导的宽度，每级不对称Y分叉的细分支波导和第1级不对称Y分叉的宽分支波导的端口设置有模斑转换结构，其中N≥3；k=1，2，…，N-2。
一种基于不对称Y分叉结构的N模式复用器，由3个不对称Y分叉级联而成，每级不对称Y分叉的主干波导、宽分支波导和细分支波导分别包括波导主体和衬底，所述的波导主体包括芯层和包覆在所述的芯层外侧的包层，所述的衬底固定在所述的包层的底部，所述的芯层的材料为掺杂二氧化硅，所述的包层的材料为纯二氧化硅，所述的衬底的材料为硅，每级不对称Y分叉的细分支波导的宽度均为5微米，第1级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度为8微米，第2级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度为17微米，第3级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度为25微米，第1级不对称Y分叉的宽分支波导的长度、第2级不对称Y分叉的宽分支波导的长度和第3级不对称Y分叉的宽分支波导的长度均不小于5000微米。
一种基于不对称Y分叉结构的N模式解复用器，由N-1个不对称Y分叉级联而成，每级不对称Y分叉包括主干波导、宽分支波导和细分支波导，所述的宽分支波导的宽度大于所述的细分支波导的宽度，所述的宽分支波导和所述的细分支波导的宽度之和与所述的主干波导的宽度相等，所述的宽分支波导和所述的细分支波导相交处的夹角小于1度，第k+1级不对称Y分叉的主干波导与第k级不对称Y分叉的宽分支波导通过绝热锥形波导连接，每个不对称Y分叉的细分支波导的宽度均相等且其宽度仅支持基模传输，第k+1级不对称Y分叉的主干波导的宽度小于第k级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度，每级不对称Y分叉的细分支波导和第N-1级不对称Y分叉的宽分支波导的端口设置有模斑转换结构，其中N≥3；k=1，2，…，N-2。
一种基于不对称Y分叉结构的N模式解复用器，由3个不对称Y分叉级联而成，每级不对称Y分叉的主干波导、宽分支波导和细分支波导分别包括波导主体和衬底，所述的波导主体包括芯层和包覆在所述的芯层外侧的包层，所述的衬底固定在所述的包层的底部，所述的芯层的材料为掺杂二氧化硅，所述的包层的材料为纯二氧化硅，所述的衬底的材料为硅，每级不对称Y分叉的细分支波导的宽度均为5微米，第3级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度为8微米，第2级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度为17微米，第1级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度为25微米，第1级不对称Y分叉的宽分支波导的长度、第2级不对称Y分叉的宽分支波导的长度和第3级不对称Y分叉的宽分支波导的长度均不小于5000微米。
与现有技术相比，本发明的N模式复用器的优点在于将N-1个不对称Y分叉级联，每个不对称Y分叉的细分支波导的宽度均相等且其宽度仅支持基模传输，在N模式复用器中第k+1级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度大于第k级不对称Y分叉的主干波导的宽度，第k级不对称Y分叉的主干波导与第k+1级不对称Y分叉的宽分支波导通过绝热锥形波导连接，由此保证每个不对称Y分叉的宽分支波导的宽度支持多模传输，第n级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度所支持的多模传输包括第n阶模式和第n+1阶模式，每级不对称Y分叉的细分支波导支持的基模有效折射率位于第n阶模式的有效折射率与第n+1阶模式的有效折射率之间，n=1，2，…，N-1。从而当不对称Y分叉的细分支波导的基模传输经过其分叉时，根据模式有效折射率匹配原则，会激起不对称Y分叉的主干波导高阶模式，不对称Y分叉的宽分支波导和细分支波导之间的夹角小于1度保证模式的绝热传输，由此得到大带宽、低损耗和低串扰的N模式复用器，实现多个数据信道传输，扩充光链路通信容量。
与现有技术相比，本发明的N模式解复用器的优点在于将N-1个不对称Y分叉级联，每个不对称Y分叉的细分支波导的宽度均相等且其宽度仅支持基模传输，在N模式解复用器中第k+1级不对称Y分叉的主干波导的宽度小于第k级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度，第k+1级不对称Y分叉的主干波导与第k级不对称Y分叉的宽分支波导通过绝热锥形波导连接，由此保证每个不对称Y分叉的宽分支波导的宽度支持多模传输，第n级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度所支持的多模传输包括第n阶模式和第n+1阶模式，每级不对称Y分叉的细分支波导支持的基模有效折射率位于第n阶模式的有效折射率与第n+1阶模式的有效折射率之间，n=1，2，…，N-1。从而当不对称Y分叉的主干波导的高阶模式传输经过其分叉时，根据模式有效折射率匹配原则，会演变成不对称Y分叉的细分支波导的基模，不对称Y分叉的主干波导的剩余低阶模式将继续向前传输，不对称Y分叉的宽分支波导和细分支波导之间的夹角小于1度保证模式的绝热传输，由此得到大带宽、低损耗和低串扰的N模式解复用器，实现多个数据信道传输，扩充光链路通信容量。
附图说明
图1为本发明的基于不对称Y分叉结构的N模式复用器的结构示意图；
图2为本发明的基于不对称Y分叉结构的N模式解复用器的结构示意图；
图3为N模式复用器第1级的不对称Y分叉的结构示意图或者N模式解复用器第3级的不对称Y分叉的结构示意图；
图4为N模式复用器第1级和第2级的不对称Y分叉的结构示意图或者N模式解复用器第2级和第3级的不对称Y分叉的结构示意图；
图5为N模式复用器或者N模式解复用器第1级、第2级和第3级的不对称Y分叉的结构示意图；
图6为不对称Y分叉的主干波导、宽分支波导或细分支波导沿A-Aˊ向的剖视图；
图7为模式复用器级联模式解复用器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明公开了一种基于不对称Y分叉结构的N模式复用器，由N-1个不对称Y分叉级联而成，每级不对称Y分叉包括主干波导、宽分支波导和细分支波导，宽分支波导的宽度大于细分支波导的宽度，宽分支波导和细分支波导的宽度之和与主干波导的宽度相等，宽分支波导和细分支波导之间的夹角小于1度，第k级不对称Y分叉的主干波导与第k+1级不对称Y分叉的宽分支波导通过绝热锥形波导连接，每个不对称Y分叉的细分支波导的宽度均相等且其宽度仅支持基模传输，第k+1级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度大于第k级不对称Y分叉的主干波导的宽度，每级不对称Y分叉的细分支波导和第1级不对称Y分叉的宽分支波导的端口设置有模斑转换结构，其中N≥3；k=1，2，…，N-2。
实施例：如图1所示，一种基于不对称Y分叉结构的4模式复用器，由3个不对称Y分叉级联而成，每级不对称Y分叉包括主干波导、宽分支波导和细分支波导，宽分支波导的宽度大于细分支波导的宽度，宽分支波导和细分支波导的宽度之和与主干波导的宽度相等，每级不对称Y分叉的宽分支波导和细分支波导之间的夹角α为0.8度，每级不对称Y分叉的细分支波导的端口和第1级不对称Y分叉的宽分支波导的端口设置有模斑转换结构1，第1级不对称Y分叉由主干波导4、宽分支波导2和细分支波导3组成，第2级不对称Y分叉由主干波导8、宽分支波导6和细分支波导7组成，第3级不对称Y分叉由主干波导11、宽分支波导9和细分支波导10组成，第1级不对称Y分叉的主干波导4和第2级不对称Y分叉的宽分支波导6通过一个绝热锥形波导5连接，第2级不对称Y分叉的主干波导8和第3级不对称Y分叉的宽分支波导9通过一个绝热锥形波导5连接。如图3～图5所示，每级不对称Y分叉的细分支波导的宽度W0均为5微米，第1级不对称Y分叉的主干波导4的宽度W1为13微米，第1级不对称Y分叉的宽分支波导2的宽度为W1-W0=8微米，第2级不对称Y分叉的主干波导8的宽度W2为22微米，第2级不对称Y分叉的宽分支波导6的宽度为W2-W0=17微米，第3级不对称Y分叉的主干波导11的宽度W3为30微米，第3级不对称Y分叉的宽分支波导9的宽度为W3-W0=25微米，第1级不对称Y分叉的宽分支波导2的长度L0、第2级不对称Y分叉的宽分支波导6的长度L1和第3级不对称Y分叉的宽分支波导9的长度L2均为5000微米。如图6所示，每级不对称Y分叉的主干波导、宽分支波导和细分支波导均为SiO2沟道波导，分别包括波导主体和衬底14，波导主体包括芯层13和包覆在芯层13外侧的包层12，衬底14固定在包层12的底部，芯层13的材料为掺杂二氧化硅，包层12的材料为纯二氧化硅，衬底14的材料为硅，包层12的折射率为1.45，芯层13与包层12的折射率差为0.01，衬底14的折射率为3.45。
本实施例的基于不对称Y分叉结构的4模式复用器中，每级不对称Y分叉的细分支波导和第1级不对称Y分叉的宽分支波导的端口设置的模斑转换结构1作为模式复用器的输入端，第3级不对称Y分叉的主干波导11的端口作为模式复用器的输出端。
本发明还公开了一种基于不对称Y分叉结构的N模式解复用器，由N-1个不对称Y分叉级联而成，每级不对称Y分叉包括主干波导、宽分支波导和细分支波导，宽分支波导的宽度大于细分支波导的宽度，宽分支波导和细分支波导的宽度之和与主干波导的宽度相等，宽分支波导和细分支波导之间的夹角小于1度，第k+1级不对称Y分叉的主干波导与第k级不对称Y分叉的宽分支波导通过绝热锥形波导连接，每个不对称Y分叉的细分支波导的宽度均相等且其宽度仅支持基模传输，第k+1级不对称Y分叉的主干波导的宽度小于第k级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度，每级不对称Y分叉的细分支波导和第3级不对称Y分叉的宽分支波导的端口设置有模斑转换结构，其中N≥3；k=1，2，…，N-2。
实施例：如图2所示，一种基于不对称Y分叉结构的4模式解复用器，一种基于不对称Y分叉结构的4模式复用器，由3个不对称Y分叉级联而成，每级不对称Y分叉包括主干波导、宽分支波导和细分支波导，宽分支波导的宽度大于细分支波导的宽度，宽分支波导和细分支波导的宽度之和与主干波导的宽度相等，每级不对称Y分叉的宽分支波导和细分支波导之间的夹角α为0.8度，每级不对称Y分叉的细分支波导的端口和和第3级不对称Y分叉的宽分支波导的端口设置有模斑转换结构1，第3级不对称Y分叉由主干波导4、宽分支波导2和细分支波导3组成，第2级不对称Y分叉由主干波导8、宽分支波导6和细分支波导7组成，第1级不对称Y分叉由主干波导11、宽分支波导9和细分支波导10组成，第3级不对称Y分叉的主干波导4和第2级不对称Y分叉的宽分支波导6通过一个绝热锥形波导5连接，第2级不对称Y分叉的主干波导8和第1级不对称Y分叉的宽分支波导9通过一个绝热锥形波导5连接。如图3～图5所示，每级不对称Y分叉的细分支波导的宽度W0均为5微米，第3级不对称Y分叉的主干波导4的宽度W1为13微米，第3级不对称Y分叉的宽分支波导2的宽度为W1-W0=8微米，第2级不对称Y分叉的主干波导8的宽度W2为22微米，第2级不对称Y分叉的宽分支波导6的宽度为W2-W0=17微米，第1级不对称Y分叉的主干波导11的宽度W3为30微米，第1级不对称Y分叉的宽分支波导9的宽度为W3-W0=25微米，第3级不对称Y分叉的宽分支波导2的长度L0、第2级不对称Y分叉的宽分支波导6的长度L1和第1级不对称Y分叉的宽分支波导9的长度L2均为5000微米。如图6所示，每级不对称Y分叉的主干波导、宽分支波导和细分支波导均为SiO2沟道波导，分别包括波导主体和衬底14，波导主体包括芯层13和包覆在芯层13外侧的包层12，衬底14固定在包层12的底部，芯层13的材料为掺杂二氧化硅，包层12的材料为纯二氧化硅，衬底14的材料为硅，包层12的折射率为1.45，芯层13与包层12的折射率差为0.01，衬底14的折射率为3.45。
本实施例的基于不对称Y分叉结构的4模式解复用器中，每级不对称Y分叉的细分支波导和第3级不对称Y分叉的宽分支波导的端口设置的模斑转换结构1作为模式复用器的输出端，第1级不对称Y分叉的主干波导11的端口作为模式复用器的输入端。
如图7所示，将上述实施例的基于不对称Y分叉结构的4模式复用器的输出端与基于不对称Y分叉的4模式解复用器的输入端对接，得到一种模式复用传输系统。该模式复用传输系统的工作原理为：当基模从模式复用器的第1级不对称Y分叉的宽分支波导2输入后，将从模式解复用器对应的输出端输出，全程维持单模传输；当基模从模式复用器的第1级不对称Y分叉的细分支波导3输入时，经模式复用器的第1级不对称Y分叉的分叉时，将激励起第1级不对称Y分叉的主干波导4内的一阶模，该模式向前传输，经模式解复用器对应的第3级不对称Y分叉的分叉后，一阶模将演变成基模，并从模式解复用器对应的输出端输出；当基模从模式复用器的第2级不对称Y分叉的细分支波导7输入时，经模式复用器的第2级不对称Y分叉的分叉时，将激励起第2级不对称Y分叉的主干波导8内的二阶模，该模式向前传输，直至遇见模式解复用器的第2级不对称Y分叉的分叉后，二阶模将演变成基模，并从模式解复用器对应的输出端输出；当基模从模式复用器的第3级不对称Y分叉的细分支波导10输入时，经模式复用器的第3级不对称Y分叉的分叉时，将激励起第3级不对称Y分叉的主干波导11内的三阶模，该模式向前传输，经模式解复用器的第1级不对称Y分叉的分叉后，三阶模将演变成基模，并从模式解复用器对应的输出端输出。当基模从模式复用器的第1级不对称Y分叉的宽分支波导2和细分支波导3、第2级不对称Y分叉的细分支波导7和第3级不对称Y分叉的细分支波导10同时输入时，经模式复用器的第3级不对称Y分叉的分叉后，实现基模、一阶模、二阶模以及三阶模的模式复用。复用后的模式经模式解复用器的第1级不对称Y分叉的分叉后，实现三阶模的绝热分离，并演变成基模，从模式解复用器的第1级不对称Y分叉的细分支波导10离开，剩余模式沿着第1级不对称Y分叉的宽分支波导9向前传输，经模式解复用器的第2级不对称Y分叉的分叉后，实现二阶模的绝热分离，并演变成基模，从第2级不对称Y分叉的细分支波导7离开；剩余模式沿着不对称第2级不对称Y分叉的宽分支波导6向前传输，经模式解复用器的第3级不对称Y分叉的分叉后，实现一阶模的绝热分离，并演变成基模，从第3级不对称Y分叉的细分支波导3离开，剩余的基模从第3级不对称Y分叉的宽分支波导2离开，从而实现模式的解复用。
Claims (4)
1.一种基于不对称Y分叉结构的N模式复用器，其特征在于由N-1个不对称Y分叉级联而成，每级不对称Y分叉包括主干波导、宽分支波导和细分支波导，所述的宽分支波导的宽度大于所述的细分支波导的宽度，所述的宽分支波导和所述的细分支波导的宽度之和与所述的主干波导的宽度相等，所述的宽分支波导和所述的细分支波导相交处的夹角小于1度，第k级不对称Y分叉的主干波导与第k+1级不对称Y分叉的宽分支波导通过绝热锥形波导连接，每个不对称Y分叉的细分支波导的宽度均相等且其宽度仅支持基模传输，第k+1级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度大于第k级不对称Y分叉的主干波导的宽度，每级不对称Y分叉的细分支波导和第1级不对称Y分叉的宽分支波导的端口设置有模斑转换结构，其中N≥3；k=1，2，…，N-2。
2.根据权利要求1所述的一种基于不对称Y分叉结构的N模式复用器，其特征在于由3个不对称Y分叉级联而成，每级不对称Y分叉的主干波导、宽分支波导和细分支波导分别包括波导主体和衬底，所述的波导主体包括芯层和包覆在所述的芯层外侧的包层，所述的衬底固定在所述的包层的底部，所述的芯层的材料为掺杂二氧化硅，所述的包层的材料为纯二氧化硅，所述的衬底的材料为硅，每级不对称Y分叉的细分支波导的宽度均为5微米，第1级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度为8微米，第2级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度为17微米，第3级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度为25微米，第1级不对称Y分叉的宽分支波导的长度、第2级不对称Y分叉的宽分支波导的长度和第3级不对称Y分叉的宽分支波导的长度均不小于5000微米。
3.一种基于不对称Y分叉结构的N模式解复用器，其特征在于由N-1个不对称Y分叉级联而成，每级不对称Y分叉包括主干波导、宽分支波导和细分支波导，所述的宽分支波导的宽度大于所述的细分支波导的宽度，所述的宽分支波导和所述的细分支波导的宽度之和与所述的主干波导的宽度相等，所述的宽分支波导和所述的细分支波导相交处的夹角小于1度，第k+1级不对称Y分叉的主干波导与第k级不对称Y分叉的宽分支波导通过绝热锥形波导连接，每个不对称Y分叉的细分支波导的宽度均相等且其宽度仅支持基模传输，第k+1级不对称Y分叉的主干波导的宽度小于第k级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度，每级不对称Y分叉的细分支波导和第N-1级不对称Y分叉的宽分支波导的端口设置有模斑转换结构，其中N≥3；k=1，2，…，N-2。
4.根据权利要求3所述的一种基于不对称Y分叉结构的N模式解复用器，其特征在于由3个不对称Y分叉级联而成，每级不对称Y分叉的主干波导、宽分支波导和细分支波导分别包括波导主体和衬底，所述的波导主体包括芯层和包覆在所述的芯层外侧的包层，所述的衬底固定在所述的包层的底部，所述的芯层的材料为掺杂二氧化硅，所述的包层的材料为纯二氧化硅，所述的衬底的材料为硅，每级不对称Y分叉的细分支波导的宽度均为5微米，第3级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度为8微米，第2级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度为17微米，第1级不对称Y分叉的宽分支波导的宽度为25微米，第1级不对称Y分叉的宽分支波导的长度、第2级不对称Y分叉的宽分支波导的长度和第3级不对称Y分叉的宽分支波导的长度均不小于5000微米。
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