基于光子晶体的三模式模分复用与解复用器制造技术

本发明专利技术是一种基于光子晶体的三模式模分复用与解复用器。其中二维正方晶格介质柱型光子晶体(1)是由圆柱形介质柱按正方晶格排列，沿X‑Z平面周期性分布的光子晶体，介质柱材料为硅，背景材料为空气；单模波导都是通过移除一排介质柱构成的；TE0和TE1双模式多模波导(3)通过在二维正方晶格结构光子晶体(1)中引入2.04μm线缺陷构成；TE0、TE1和TE2三模式多模波导(4)通过在二维正方晶格结构光子晶体(1)中引入3.03μm线缺陷构成；TE0和TE1双模式多模波导(3)与第二单模波导(2‑2)之间相隔一排介质柱，这一区域为TE0和TE1模式耦合区(5)；TE0、TE1和TE2三模式多模波导(4)与第三单模波导(2‑3)之间相隔一排介质柱，这一区域为TE0和TE2模式耦合区(6)。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种基于光子晶体的三模式模分复用/解复用器，涉及光通信与光信息处理的

技术介绍
光子晶体作为一种新型的光学功能材料，已受到了广泛的关注。人们正试图利用光子晶体的特殊性质，开发出更多的光学元器件。目前，大容量数据传输是人们面临的一大问题，模分复用正是解决这一问题的关键技术。模分复用技术利用各模式间的正交性，以有限的稳定模式作为独立信道传递信息，可以成倍的提高系统容量和频谱效率，是一种崭新的多输入多输出光传输形式，是未来突破光纤香农极限的研究方向之一。基于光子晶体的模分复用/解复用器件，不仅可以满足大容量数据传输的需求，并且其尺寸仅在微米量级，同时具有易于光学集成、插入损耗低，模式之间的串扰小等优点，对于未来的光集成系统有着潜在的应用价值。二维光子晶体三模式模分复用/解复用器通过调整多模波导宽度来实现模式之间的相位匹配。不同宽度的多模波导可以传输的模式不同，通过调整多模波导的宽度使得波导可以分别传输双模式和三模式，同时满足高阶模式的有效折射率与基模有效折射率相等，从而达到相位匹配的条件，进而实现模式之间的耦合转换。
技术实现思路
技术问题：本专利技术目的是提出一种基于光子晶体的三模式模分复用与解复用器，其利用准相位匹配原理，实现了三个模式之间的模分复用和解复用，增大了光波导的传输容量。技术方案:为了适应高集成、大容量光通信系统的发展，能够在光波导器件中同时传输多个模式的光信号，我们提出了一种基于二维正方晶格介质柱型光子晶体三模式模分复用/解复用器，使其能够复用三个模式，具有实际的应用价值。传统的光子晶体波导器件仅仅能进行一个模式的传输，譬如基于光子晶体的波分复用器；而在硅基波导系统中，虽然已经有很多关于模分复用系统的设计，但其尺寸受其传输机理限制不能做的更小。本专利技术采用线缺陷构成波导，通过调整波导宽度分别实现基模波导、双模波导和三模波导，同时多模波导与单模波导满足相位匹配调节，从而实现基于二维正方晶格介质柱型光子晶体的三模式模分复用/解复用器。该光子晶体模分复用与解复用器包括二维正方晶格结构光子晶体、第一单模波导、第二单模波导、第三单模波导、TE0和TE1双模式多模波导、TE0、TE1和TE2三模式多模波导、TE0和TE1模式耦合区、TE0和TE2模式耦合区；其中，二维正方晶格结构光子晶体是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体；在二维正方晶格结构光子晶体中分别移除一排介质柱构成第一单模波导、第二单模波导、第三单模波导；在二维正方晶格结构光子晶体中引入2.04μm线缺陷作为TE0和TE1双模式多模波导；在二维正方晶格结构光子晶体中引入3.03μm线缺陷作为TE0、TE1和TE2三模式多模波导；TE0和TE1双模式多模波导与第二单模波导之间相隔一排介质柱，这一区域为TE0和TE1模式耦合区；TE0、TE1和TE2三模式多模波导与第三单模波导之间相隔一排介质柱，这一区域为TE0和TE2模式耦合区。所述的TE0和TE1双模式多模波导、TE0、TE1和TE2三模式多模波导，其构成方式，它区别于改变介质柱大小的方法，而是通过改变线缺陷宽度实现的，这样的结构更加易于实现。所述第一单模波导与TE0和TE1双模式多模波导，TE0和TE1双模式多模波导与TE0、TE1和TE2三模式多模波导的连接方式是一种渐变连接方式，这样的结构有利于抑制光波通过两个波导时由模式失配引起的反射损耗。基于二维正方晶格介质柱型光子晶体的模分复用/解复用器包括二维正方晶格介质柱型光子晶体、单模导区、TE0和TE1双模波导区、TE0、TE1和TE2三模波导区、模式耦合区。该模分复用/解复用器的复用过程是：一束基模光沿着TE0和TE1双模模式耦合区的单模波导入射，由于TE0光束在单模波导中的有效折射率与TE1模式光束在TE0和TE1双模模式耦合区中的有效折射率相等，满足相位匹配条件，所以单模波导中传播的基模光通过模式耦合区时会耦合进TE0和TE1双模波导中并转变成TE1模式；而单模波导中基模光束与多模波导中其他模式光束的有效折射率有效折射率不等，不满足相位匹配条件不会发生耦合。同时一束基模光沿着TE0、TE1和TE2三模模式耦合区的单模波导入射，由于TE0光束在单模波导中的有效折射率与TE2模式光束在TE0、TE1和TE2三模波导中的有效折射率相等，满足相位匹配条件，所以单模波导中传播的基模光通过模式耦合区时会耦合进TE0、TE1和TE2三模波导中并转变成TE2模式；而单模波导中基模光束与多模波导中其他模式光束的有效折射率有效折射率不等，不满足相位匹配条件不会发生耦合。这样便实现了三种模式的复用。解复用是复用的逆过程。有益效果：本专利技术提出的一种基于二维正方晶格介质柱型的光子晶体三模式模分复用/解复用器，可以实现三模式的复用及解复用。该复用/解复用器在二维正方晶格介质柱型光子晶体中，通过调整线缺陷的宽度分别形成TE0和TE1双模式多模波导和TE0、TE1和TE2三模式多模波导，并且能够使得不同模式之间达到相位匹配条件，从而实现了高效的模式耦合。各传输波导之间采用的是渐变连接方式，有效地提高了光波的传输效率。该器件能够很好地满足未来高集成、大容量的模分复用光通信系统的需求。附图说明图1为本专利技术提出的光子晶体模分复用/解复用器的结构图，图1中有：二维正方晶格介质柱型光子晶体1、第一单模波导2-1、第二单模波导2-2、第三单模波导2-3、TE0和TE1双模式多模波导3、TE0、TE1和TE2三模式多模波导4、TE0和TE1模式耦合区5、TE0和TE2模式耦合区6。图2a为复用时的基模光束的传播时域稳态图，图2b为复用时的一阶模光束的传播时域稳态图。图2c为复用时的二阶模光束的传播时域稳态图。图3a为解复用时的基模光束的传播时域稳态图，图3b为解复用时的一阶模光束的传播时域稳态图。图3c为解复用时的二阶模光束的传播时域稳态图。具体实施方式基于二维正方晶格介质柱型光子晶体的模分复用/解复用器包括二维正方晶格介质柱型光子晶体1、第一单模波导2-1、第二单模波导2-2、第三单模波导2-3、TE0和TE1双模式多模波导3、TE0、TE1和TE2三模式多模波导4、TE0和TE1模式耦合区5、TE0和TE2模式耦合区6；其中，二维正方晶格结构光子晶体1是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体；单模波导通过在二维正方晶格结构光子晶体1中移除一排介质柱构成；TE0和TE1双模式多模波导3通过在二维正方晶格结构光子晶体1中引入2.04μm线缺陷构成；TE0、TE1和TE2三模式多模波导4通过在二维正方晶格结构光子晶体1中引入3.03μm线缺陷构成。单模波导和多模波导采用的是渐变连接方式。在TE0和TE1模式耦合区5，耦合长度为11个晶格常数。在TE0和TE2模式耦合区6，耦合长度为14个晶格常数。本专利技术提出的基于二维正方晶格介质柱型的光子晶体模分复用/解复用器传输波长为1550nm。具体参数为：晶格常数A＝0.55μm，介质柱半径R＝0.1μm，硅介质折射率n＝3.4；在TE0和TE1模式耦合区5长度为11个晶格常数，TE0和TE2模式耦合区6长度为14个晶格常数。基于光子晶体模分复用/解复用器的工作原理如下:线缺陷的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光子晶体的三模式模分复用与解复用器，其特征在于该光子晶体模分复用与解复用器包括二维正方晶格结构光子晶体(1)、第一单模波导(2‑1)、第二单模波导(2‑2)、第三单模波导(2‑3)、TE0和TE1双模式多模波导(3)、TE0、TE1和TE2三模式多模波导(4)、TE0和TE1模式耦合区(5)、TE0和TE2模式耦合区(6)；其中，二维正方晶格结构光子晶体(1)是沿X‑Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体；在二维正方晶格结构光子晶体(1)中分别移除一排介质柱构成第一单模波导(2‑1)、第二单模波导(2‑2)、第三单模波导(2‑3)；在二维正方晶格结构光子晶体(1)中引入2.04μm线缺陷作为TE0和TE1双模式多模波导(3)；在二维正方晶格结构光子晶体(1)中引入3.03μm线缺陷作为TE0、TE1和TE2三模式多模波导(4)；TE0和TE1双模式多模波导(3)与第二单模波导(2‑2)之间相隔一排介质柱，这一区域为TE0和TE1模式耦合区(5)；TE0、TE1和TE2三模式多模波导(4)与第三单模波导(2‑3)之间相隔一排介质柱，这一区域为TE0和TE2模式耦合区(6)。

【技术特征摘要】
1.一种基于光子晶体的三模式模分复用与解复用器，其特征在于该光子晶体模分复用与解复用器包括二维正方晶格结构光子晶体(1)、第一单模波导(2-1)、第二单模波导(2-2)、第三单模波导(2-3)、TE0和TE1双模式多模波导(3)、TE0、TE1和TE2三模式多模波导(4)、TE0和TE1模式耦合区(5)、TE0和TE2模式耦合区(6)；其中，二维正方晶格结构光子晶体(1)是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体；在二维正方晶格结构光子晶体(1)中分别移除一排介质柱构成第一单模波导(2-1)、第二单模波导(2-2)、第三单模波导(2-3)；在二维正方晶格结构光子晶体(1)中引入2.04μm线缺陷作为TE0和TE1双模式多模波导(3)；在二维正方晶格结构光子晶体(1)中引入3.03μm线缺陷作为TE0、TE1和TE2三模式多模波导(4)；TE0和TE1双模式多模波导(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹤鸣，付培栋，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32