一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统及方法技术方案

技术编号:20118355 阅读:21 留言:0更新日期:2019-01-16 12:10
本发明专利技术公开了一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统及方法。本发明专利技术属于集成光学领域。该系统由硅基波导(1)和光纤系统(2)构成环形谐振腔,其中:硅基波导(1)包括硅波导耦合器(14、15)、少模硅基模式复用器(16)/解复用器(13)、少模硅基波导(12)、少模硅基功率耦合器(14);光纤系统(2)包括泵浦源(24)、光隔离器(23)、掺铒光纤(26)、单模光纤(22)、光波分复用器(25)、光通道选择器(27)、光耦合器(21)。该系统以半导体激光器为泵浦源、掺铒光纤为增益介质,光纤系统和硅基波导构建环形谐振腔,通过控制硅基模式转换产生少模激光,为构建高密度片上系统提供有效的技术方案。

On-chip Few-mode Laser Generation System and Method Based on Silicon-based Mode Conversion

The invention discloses an on-chip low-mode laser generation system and method based on silicon-based mode conversion. The invention belongs to the field of integrated optics. The system consists of a silicon-based waveguide (1) and an optical fiber system (2), in which the silicon-based waveguide (1) includes a silicon waveguide coupler (14, 15), a small-mode silicon-based mode multiplexer (16)/demultiplexer (13), a small-mode silicon-based waveguide (12), a small-mode silicon-based power coupler (14), an optical fiber system (2) includes a pump source (24), an optical isolator (23), an erbium-doped fiber (26), a single-mode optical fiber (22), and an optical wavelength division multiplexing (WDM). A device (25), an optical channel selector (27) and an optical coupler (21). The system uses semiconductor lasers as pumping source, erbium-doped fiber as gain medium, optical fiber system and silicon-based waveguide to construct ring resonators, and generates few-mode lasers by controlling the mode conversion of silicon-based, which provides an effective technical scheme for the construction of high-density on-chip systems.

【技术实现步骤摘要】
一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统及方法
本专利技术涉及集成光学和硅基光学领域,具体设计一种片上少模激光产生系统和方法,更具体的是一种基于硅基模式复用/解复用在硅基片上产生少模激光的系统和方法,将光纤系统和硅基波导组合构成的环形谐振腔来实现片上高阶横模激光的产生。
技术介绍
为了实现更高密度的光信息传输,提升信息容量和频率效率,在光纤通信系统中通过对信号的幅度、相位、偏振光等维度进行复用,提升了单波长光信号的传输容量,对于单模光纤传输系统中,提升光纤传输信息容量的有效方法是WDM的方法,但是传统的WDM系统的频率分割已经达到了极限难以继续分割。数字相干光通信可以进一步提升容量但是会引入非线性。单模光纤的传输容量已经逼近100Tb/s的非线性香农极限,因此需要在在空间维度上进行扩展。目前空分复用系统采用了多纤复用技术、多芯复用技术和模分复用技术以提升传输信道的传输容量。模分复用技术是指在将同一多模或少模光纤中相互正交的不同模式作为独立的信道来承载不同的信息,以大大提高每根光纤的传输模式数量,从而增加光纤通信系统的信息容量和频率效率。基于少模和WDM技术的融合将有利于提高单通道系统的传输容量,作为少摸光纤传输系统的光源,国内外学者已经通过多种方法和结构实现具有高阶横模输出的光纤激光器。硅基光电子技术,结合了硅基微电子工艺成熟、高密度集成、价格低廉和光电子的大带宽、高传输速率及抗干扰等优势,成为了业界普遍认可的高稳定性、超高密度、高能效、低成本和高度集成的光互联技术中最有发展潜力的关键技术,在学术界和工业界引起了广泛的兴趣。目前硅基光电子器件在硅基激光器、硅基调制器,硅基探测器等领域均开展了深入的研究并取得了一定成果,100G硅基光收发芯片已经实现。目前光子集成系统大部分都还是在基于WDM系统来提高系统容量的单模光系统。当将模式复用技术引入到光子集成电路中,将有效的提高光点芯片的性能,特别是片上和片外系统的高带宽、高密度的光子集成电路中。最近,作为密集型模式复用的核心器件的高性能多模复用/解复用器取得了突破性进展,利用硅基的模式复用和解复用器的紧凑结构和片上优势,结合掺铒光纤的增益特性,将硅基波导与光纤系统融合构建谐振腔,实现多个横向模式的激光输出。波导和光纤的混合集成有效的利用硅基波导的模式选择特性和传输特性以及掺铒光纤的增益特性,实现高效的高阶横模的输出。本专利技术的目的是提供一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统和方法,由于硅基模式复用/解复用器的插入损耗低、低串扰及体积小等特点,因而本专利技术在提升硅基信息容量和频率效率的模分复用系统中具有重要的应用前景。本专利技术系统通过结合硅基波导和光纤系统各自的优势实现系统集成或片上集成,符合集成光学的高密度、高能效、低成本的发展趋势。
技术实现思路
硅基光电子技术,作为与CMOS工艺相结合的一种技术具有高密度集成、价格低廉等优点的技术,近年来成为了光互联技术中最具发展潜力的关键技术之一。高密度集成和大容量是硅基发展的两个重要的研究方向,传统的硅基光电器件均是基于单模波分复用系统,而模分复用系统是在单模WDM系统上近一步提升硅基光互联容量的有效技术手段。其中,硅基多横模激光是实现硅基模分复用技术的核心之一。本专利技术提供了一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统和方法,该系统利用硅基芯片上的模式复用/解复用实现基模向高阶模的变换,以掺铒光纤作为增益介质,将硅基波导和光纤系统结合形成选频腔结构实现具有高阶横模输出的激光。本专利技术是提供一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统,其特征在于环形谐振腔包括硅基波导(1)和光纤系统(2);上述环形谐振腔硅基波导(1)包括:硅波导单模输入耦合器(15)、硅波导单模输出耦合器(14)、少模硅基模式复用器(16)、少模硅基分束器(11)、少模模硅基波导(12)、硅基少模模式解复用器(13);上述环形谐振腔光纤部分(2)包括泵浦源(24)、光隔离器(23)、单模掺铒光纤(26)、单模光纤(22)、单模光波分复用器(25)、光通道选择器(27)、光耦合器(21);上述环形谐振腔包括硅基波导和光纤系统其有益效果是充分利用了硅基波导和光纤系统的优势实现紧凑的谐振腔结构。上述的少模硅基模式复用器(16)的端口1(165)、端口2(167)、端口3(169)分别与硅波导输入耦合器(15)的三个端口相连。上述述的少模硅基模式解复用器(13)的端口1(135)、端口2(137)、端口3(139)分别与硅波导输出耦合器(14)的三个端口相连。上述的少模硅基模式解复用器(16)包括衬底(160)、位于衬底(160)上的渐变少模波导(161)、第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)和第三弯曲耦合波导(168);渐变少模波导(161)分别与第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)、第三弯曲耦合波导(168)进行模式耦合转换,所述渐变少模波导(161)的两端分别为基模端口4(162)和少模端口5(163);所述第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)和第三弯曲耦合波导(168)的输入端口分别为端口1(165)、端口2(167)和端口3(169),输入端口均为基模输入。上述的少模硅基模式解复用器(13)包括衬底(130)、位于衬底(130)上的渐变少模波导(131)、第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)和第三弯曲耦合波导(138);渐变少模波导(131)分别与第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)、第三弯曲耦合波导(138)进行模式耦合转换。所述渐变少模少模波导(131)的两端分别为基模端口4(132)和少模端口5(133);所述第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)和第三弯曲耦合波导(138)的输出端口分别是端口1(135)、端口2(137)和端口3(139),三个输出端口均为单模输出。上述少模硅基模式复用器(16)可以实现基模输入端口1(165)、基模输入端口2(167)、基模输入端口3(169)分别通过第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)和第三弯曲耦合波导(168)与渐变少模波导(161进行模式耦合转换将基模信号转换成基少模波导中的基模信号、一阶模信号和二阶模信号。上述少模硅基模式解复用器(13)可以通过渐变少模波导(131)分别与第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)和第三弯曲耦合波导(138)进行模式耦合转换将渐变少模波导中的基模信号、一阶模信号和二阶模信号转换成基模信号,并分别从基模输出端口(135)、基模输出端口(137)、基模输出端口(139)输出。上述硅基少模复用器(16)的少模端口5(163)通过硅基少模功率耦合器(11)、少模硅基波导(12)与硅基少模解复用器(13)的少模端口5(133)。上述硅基少模功率耦合器(11)的少模激光输出端口的分光比小于或等于10%。上述的光耦合器(21)、光隔离器(23)、单模光波分复用器(25)、单模掺铒光纤(26)、光通道选择器(27)通过单模光纤(22)首尾依次相连。优选地,上述的光耦合器(21)垃锥型光纤分束器、平面光波导分束器或空间光分束器;优选地,上述的光隔离本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统,其特征在于环形谐振腔包括硅基波导(1)和光纤系统(2);所述环形谐振腔硅基波导(1)包括:硅波导单模输入耦合器(15)、硅波导单模输出耦合器(14)、少模硅基模式复用器(16)、少模硅基分束器(11)、少模模硅基波导(12)、硅基少模模式解复用器(13);所述环形谐振腔光纤部分(2)包括泵浦源(24)、光隔离器(23)、单模掺铒光纤(26)、单模光纤(22)、单模光波分复用器(25)、光通道选择器(27)、光耦合器(21)。

【技术特征摘要】
1.一种基于硅基模式转换的片上少模激光产生系统,其特征在于环形谐振腔包括硅基波导(1)和光纤系统(2);所述环形谐振腔硅基波导(1)包括:硅波导单模输入耦合器(15)、硅波导单模输出耦合器(14)、少模硅基模式复用器(16)、少模硅基分束器(11)、少模模硅基波导(12)、硅基少模模式解复用器(13);所述环形谐振腔光纤部分(2)包括泵浦源(24)、光隔离器(23)、单模掺铒光纤(26)、单模光纤(22)、单模光波分复用器(25)、光通道选择器(27)、光耦合器(21)。2.根据权利要求1所述的基于硅基模式复用/解复用的片上少模激光产生系统,其特征在于:所述的少模硅基模式复用器(16)的端口1(165)、端口2(167)、端口3(169)分别与硅波导输入耦合器(15)的三个端口相连;所述的少模硅基模式解复用器(13)的端口1(135)、端口2(137)、端口3(139)分别与硅波导输出耦合器(14)的三个端口相连。3.根据权利要求1或2所述的基于硅基模式复用/解复用的片上少模激光产生系统,其特征在于:所述的少模硅基模式解复用器(16)包括衬底(160)、位于衬底(160)上的渐变少模波导(161)、第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)和第三弯曲耦合波导(168);渐变少模波导(161)分别与第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)、第三弯曲耦合波导(168)进行模式耦合转换,所述渐变少模波导(161)的两端分别为基模端口4(162)和少模端口5(163),所述第一弯曲耦合波导(164)、第二弯曲耦合波导(166)和第三弯曲耦合波导(168)的输入端口分别为端口1(165)、端口2(167)和端口3(169),输入端口均为基模输入;所述的少模硅基模式解复用器(13)包括衬底(130)、位于衬底(130)上的渐变少模波导(131)、第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)和第三弯曲耦合波导(138);渐变少模波导(131)分别与第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)、第三弯曲耦合波导(138)进行模式耦合转换。所述渐变少模少模波导(131)的两端分别为基模端口4(132)和少模端口5(133);所述第一弯曲耦合波导(134)、第二弯曲耦合波导(136)和第三弯曲耦合波导(138)的输出端口分别是端口1(135)、端口2(137)和端口3(139),三个输出端口均为单模输出。4.根据权利要求3所述的硅基模式复用/解复用的片上少模激光产生系统,其特征在于:所述少模硅基模式复用器(16)可以实现基模输入端口1(165)、基模输入端口2(167)、基模输入端口3(169)分别通过第一弯曲耦合波...

【专利技术属性】
技术研发人员:饶岚
申请(专利权)人:北京邮电大学
类型:发明
国别省市:北京,11

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1