一种在多模波导中实现多模准相位匹配四波混频的方法技术

本发明专利技术公开了一种在多模波导中实现多模准相位匹配四波混频的方法。本发明专利技术首先确定基模和高阶模对应的四波混频过程的目标信号光波长，再利用仿真软件对不同宽度的直波导的本征模式进行仿真，接着计算获得基模和高阶模分别对应的四波混频过程中直波导宽度

【技术实现步骤摘要】
一种在多模波导中实现多模准相位匹配四波混频的方法


[0001]本专利技术涉及了属于光通信
的一种在波导中实现相位匹配四波混频的方法，具体涉及了一种在多模波导中实现多模准相位匹配四波混频的方法。

技术介绍

[0002]波长转换在在波长路由的光通信系统中不可或缺，当两个具有相同波长的信号到达同一节点时，波长会发生阻塞。为了实现波长的重用，可以在此节点上通过波长转换，将其中一个波长上携带的信息复制到另一个空闲的波长上继续传输。随着近十年来集成光波导技术的飞速发展，基于片上光波导器件的全光波长转换研究逐渐兴起。其中四波混频效应(Four Wave Mixing,FWM)由于其对高阶调制格式透明而受到了大量的关注。
[0003]在波导中实现高效率的FWM首先要实现相位匹配。主流的相位匹配方法多是调整波导尺寸进行色散管理，在目标波段范围内获得接近零的色散。目前大多数研究只针对波导中的基模，对基模的色散管理技术已较为成熟。随着片上混合复用概念的提出，针对多模波导的研究日趋火热，多模波长转换的研究也已提上日程。2014年，Ding Yunhong等人在多模硅波导中实现了模式选择的全光波长转换，尝试对TE0和TE1两个模式同时进行色散管理。但高阶模较差的色散特性导致要在宽带内同时实现基模和高阶模的相位匹配极为困难，因此目前多模波长转换的研究只能停留在演示阶段，距离实际应用还较为遥远。
[0004]2013年，Yannick Lefevre提出了在存在较大相位失配量的情况下实现高效率的FWM的方案，称之为准相位匹配(Quasi Phase Matching，QPM)，这种方法借鉴了二阶非线性过程中常用的准相位匹配的思想，但和周期极化反转不同的是，它通过波导宽度周期性改变的类光栅结构实现了色散的周期性变化，起到了和周期性畴反转类似的效果，从而在硅波导中实现了在1.3μm到1.9μm的近红外范围内的任意波长处的高效FWM(波长转换效率大于
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23dB)。2014年，Yannick Lefevre又提出了对两个任意FWM过程同时实现准相位匹配的方法，但仍只是针对一个波导模式的两个不同泵浦波长的FWM过程。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在多模波导中实现多模准相位匹配四波混频的方法。本专利技术的最终多模波导采用波导宽度周期性变化的类光栅结构，能够同时对多模波导的TE0和TE1两个模式的FWM过程实现准相位匹配。仿真结果显示，两个模式的波长转换效率均可达到
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16dB，带宽均可覆盖整个C波段。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0007]所述的多模波导是包括了两段直波导以及两段直波导之间的锥形波导，本专利技术的具体步骤如下：
[0008]1)确定基模和高阶模的目标信号光、泵浦光和闲频光波长，然后基于当前目标信号光、泵浦光和闲频光处理获得当前目标信号光下基模和高阶模分别对应的四波混频过程中直波导宽度
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相位失配量的关系曲线；
[0009]2)根据当前目标信号光下基模和高阶模分别对应的四波混频过程中直波导宽度
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相位失配量的关系曲线，选择两个直波导宽度W1和W2，使得当前目标信号光处两种宽度的直波导分别在基模和高阶模对应的四波混频过程中的相位失配量满足多模相位失配量等式；
[0010]3)根据两段直波导的宽度差确定锥形波导长度，实现不同宽度直波导之间模式的绝热转换；
[0011]4)将每个直波导在基模和高阶模对应的四波混频过程中的相位失配量中较大的相位失配量作为当前直波导的目标相位失配量，根据每个直波导的长度与当前直波导的目标相位失配量的乘积等于π，确定当前两段直波导的长度，由步骤2)中的两段直波导以及步骤3)中的锥形波导构成多模波导基本单元，多个多模波导基本单元之间依次连接后形成周期性结构，从而构成最终的多模波导，在最终的多模波导中同时实现基模和高阶模的四波混频过程的准相位匹配。
[0012]所述步骤1)具体为：
[0013]首先确定在基模和高阶模对应的四波混频过程中进行准相位匹配的信号光波长，接着确定泵浦光波长，基于信号光波长和泵浦光波长从而确定闲频光波长；然后基于当前信号光、泵浦光和闲频光利用仿真软件对不同宽度的直波导的本征模式进行仿真，得到每个宽度的直波导中当前信号光、泵浦光、闲频光分别在基模和高阶模下对应的有效折射率，基于有效折射率计算获得当前宽度的直波导在基模和高阶模分别对应的四波混频过程的相位失配量，遍历计算不同宽度的直波导在基模和高阶模对应的四波混频过程的相位失配量，从而建立获得当前目标信号光下基模和高阶模分别对应的四波混频过程中直波导宽度
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相位失配量的关系方程。
[0014]所述步骤1)中的仿真软件为有限元分析软件comsol。
[0015]所述步骤2)中多模相位失配量等式具体为：
[0016]Δβ0(W1)/Δβ0(W2)＝Δβ1(W1)/Δβ1(W2)
[0017]其中，Δβ0(W1)表示当前目标信号光处第一宽度W1的直波导在基模对应的四波混频过程中的相位失配量，Δβ0(W2)表示当前目标信号光处第二宽度W2的直波导在基模对应的四波混频过程中的相位失配量，Δβ1(W1)表示当前目标信号光处第一宽度W1的直波导在高阶模对应的四波混频过程中的相位失配量，Δβ1(W2)表示当前目标信号光处第二宽度W2的直波导在高阶模对应的四波混频过程中的相位失配量。
[0018]所述步骤4)中每个直波导的长度与当前直波导的目标相位失配量的乘积等于π，具体为：
[0019]max{Δβ0(W1),Δβ1(W1)}
×
L1＝max{Δβ0(W2),Δβ1(W2)}
×
L2＝π
[0020]其中，Δβ0(W1)表示当前目标信号光处第一宽度W1的直波导在基模对应的四波混频过程中的相位失配量，Δβ1(W1)表示当前目标信号光处第一宽度W1的直波导在高阶模对应的四波混频过程中的相位失配量，Δβ0(W2)表示当前目标信号光处第二宽度W2的直波导在基模对应的四波混频过程中的相位失配量，Δβ1(W2)表示当前目标信号光处第二宽度W2的直波导在高阶模对应的四波混频过程中的相位失配量，max{}表示取最大值操作，L1表示第一宽度W1的直波导的长度，L2表示第二宽度W2的直波导的长度。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0022]1、本专利技术将准相位匹配方法从基模扩展到高阶模，首次提出了多模准相位匹配四
波混频的方法，并仿真验证了其可行性；
[0023]2、本专利技术可以对一个同时包含两个模式的信号进行全光波长转换，且转换带宽可覆盖整个C波段，对模分复用系统与现有的波分复用系统的融合有重要意义。
附图说明
[0024]图1是本专利技术实施例的方法流程图。
[0025]图2是本专利技术实施例提供的多模QPM波导的结构示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在多模波导中实现多模准相位匹配四波混频的方法，所述的多模波导是包括了两段直波导以及两段直波导之间的锥形波导，其特征在于，包括如下步骤：1)确定基模和高阶模的目标信号光、泵浦光和闲频光波长，然后基于当前目标信号光、泵浦光和闲频光处理获得当前目标信号光下基模和高阶模分别对应的四波混频过程中直波导宽度
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相位失配量的关系曲线；2)根据当前目标信号光下基模和高阶模分别对应的四波混频过程中直波导宽度
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相位失配量的关系曲线，选择两个直波导的宽度W1和W2，使得当前目标信号光处两种宽度的直波导分别在基模和高阶模对应的四波混频过程中的相位失配量满足多模相位失配量等式；3)根据两段直波导的宽度差确定锥形波导长度，实现不同宽度直波导之间模式的绝热转换；4)将每个直波导在基模和高阶模对应的四波混频过程中的相位失配量中较大的相位失配量作为当前直波导的目标相位失配量，根据每个直波导的长度与当前直波导的目标相位失配量的乘积等于π，确定当前两段直波导的长度，由步骤2)中的两段直波导以及步骤3)中的锥形波导构成多模波导基本单元，多个多模波导基本单元之间依次连接后形成周期性结构，从而构成最终的多模波导，在最终的多模波导中同时实现基模和高阶模的四波混频过程的准相位匹配。2.根据权利要求1所述的一种在多模波导中实现多模准相位匹配四波混频的方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：首先确定在基模和高阶模对应的四波混频过程中进行准相位匹配的信号光波长，接着确定泵浦光波长，基于信号光波长和泵浦光波长从而确定闲频光波长；然后基于当前信号光、泵浦光和闲频光利用仿真软件对不同宽度的直波导的本征模式进行仿真，得到每个宽度的直波导中当前信号光、泵浦光、闲频光分别在基模和高阶模下对应的有效折射率，基于有效折射率计算获得当前宽度的直波导在基模和高阶模分别对应的四波混频过程的相位失配量，遍历计算不同宽度的直波导在基模和高阶模对应的四波混频过程的相位失配...

【专利技术属性】
技术研发人员：高士明，赵义，陈宝宝，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：