一种基于辅助波导的光子灯笼型模式复用/解复用器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于辅助波导的光子灯笼型模式复用/解复用器，属于集成光子学和光互连领域。本发明专利技术采用光子灯笼结构，在常规光子灯笼结构中引入额外的辅助单模波导，使得优化后的光子灯笼型模式复用/解复用器具有更对称的多模波导几何结构和模场分布，有效降低了与对应多模光纤之间的耦合损耗和模式相关损耗，提高了器件模式纯度并降低了复用

【技术实现步骤摘要】
一种基于辅助波导的光子灯笼型模式复用/解复用器


[0001]本专利技术属于集成光子学和光互连领域，更具体地，涉及一种基于辅助波导的光子灯笼型模式复用/解复用器。

技术介绍

[0002]随着互联网规模越来越大，为了应对日益增长的通信容量需求，单根光纤的通信容量始终保持高速的发展趋势。然而当前单根单模光纤的传输容量已无限接近非线性香农极限。当频率/波长、幅度/相位、时间等这些被大规模运用的物理维度资源难以支持当前的容量持续增长时，新的“通信容量危机”便会发生。为此，需要对新的物理维度资源进行开发。所幸，光波的空间维度目前还有巨大的通信容量增长潜力。因此，近年来，人们对空分复用技术进行了大量研究，以扩展光通信网络的传输容量。
[0003]实现空分复用的挑战之一是高阶模式和多路并行信号的选择性激发和检测。迄今为止，通过使用相位板、空间光调制器和模式耦合器这类大型光学装置均可以实现空分复用。然而，为了使空分复用更实用，人们迫切需要更简单、更紧凑、更宽带宽和更低损耗的基于光纤/波导的复用解决方案。光子灯笼便是符合这些条件的理想器件，具有几乎无损、可扩展以支持多种模式、宽带、简单制造，并且其模式选择性可以定制等优点。光子灯笼是一种连接单个多模波导与多个单模波导的低损耗器件，其一端是一根满足特定模式条件的多模光纤，另一端则是数根单模光纤，因光纤光子灯笼器件结构与灯笼相近，故称之为光子灯笼。光子灯笼能够将光束从单模波导低损传输到多模波导，形成模式复用器；或者相反从多模波导低损传输到单模波导，形成模式解复用器。光子灯笼可以通过三种不同的方式来制作，前两种均为光纤拉锥法，分别为单模光纤束拉锥法和多芯光纤拉锥法；第三种则为通过飞秒激光直写技术在透明材料(一般为玻璃材料)中来制作。高强度的激光能够改变玻璃材料的折射率，从而可以在玻璃种刻写出各种波导结构。在玻璃种刻写出一系列单模波导阵列，通过设计它们的刻写轨迹，可以使得它们逐渐结合在一起形成一个多模波导结构，最终形成光子灯笼结构。
[0004]通常，光子灯笼的单模端为相互独立的非耦合单模波导阵列，可等效为一个空间模式是阵列超模的多模系统。因此，简并或非简并的超模的数量等于输入端单模波导的数量。当单模波导阵列与多模波导中支持的模式数量不同时，根据热力学第二定律，任何剩余的模式维度都会造成损耗。因而当一个光子灯笼结构能同时用做复用器和解复用器时，必须使得光子灯笼的单模波导阵列和多模波导满足模式数量匹配才能实现理论上的无损传输。
[0005]为了实现低损耗传输，还需使得多模波导的输出模场尽可能与相连接的多模光纤的模场相匹配。以阶跃式多模光纤为例，其能传输多种LP
mn
模式，其中m为角向模数，n为径向模数。则组成光子灯笼的多模波导的单模波导应该排布在m个同心环上，同时为了满足光子灯笼的输入端和输出端满足模式数量匹配，每个同心环上的单模波导数目为2n
max
+1个，为奇数。
[0006]通常该波导排布被视为最优光子灯笼排布。然而，从本质上讲，每个同心环上奇数的单模波导数目使得该多模波导结构天然非中心对称，使得它与中心对称的多模光纤结构之间始终存在一定的几何结构和模场结构失配。再加上为了引入模式选择性，一般选用不同纤芯尺寸的单模波导，这同样会造成多模波导的几何结构非对称，使得该光子灯笼排布从理论上便基本不可能实现无损传输，同时会对器件模式选择性和复用
‑
解复用系统的串扰造成影响。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种基于辅助波导的光子灯笼型模式复用/解复用器，旨在提供一种基于辅助波导的光子灯笼型模式复用/解复用器，可支持飞秒激光直写技术，突破了传统模式复用/解复用器多模波导支持模式与对应多模光纤支持模式匹配度不高的限制，在集成光子学和光互连领域具有广泛的应用前景，填补了相关
的空白。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于辅助波导的光子灯笼型模式复用/解复用器，在光子灯笼结构中引入了辅助波导，辅助波导既不增加输入波导模式，也不增加输出波导模式，而是用于优化单模波导阵列组合排布，使得多模波导结构同时具有轴对称性和中心对称性，由此该器件支持的模式与多模光纤支持的模式更加匹配。通过添加辅助波导可以有效提高光子灯笼器件的模式选择性，模式纯度，减小光子灯笼器件与多模光纤之间的耦合损耗，同时可以降低模式复用
‑
解复用系统的串扰。
[0009]本专利技术提供的一种基于辅助波导的光子灯笼型模式复用/解复用器，包括单模波导阵列、含辅助波导的渐变耦合区和多模波导，所述单模波导阵列包括M(M≥3，为正整数)根相互独立的非耦合的单模波导，所述含辅助波导的渐变耦合区额外引入N(N≥1，为正整数)根辅助的单模波导，其中M根单模波导与额外的N根单模波导相互逐渐靠近，直至耦合，并最终实现融合；所述多模波导由M+N根单模波导融合组成，组成多模波导的M+N根单模波导呈轴对称且中心对称分布，所述多模波导支持的模式数量与单模波导数量M相对应。
[0010]进一步地，所述含辅助波导的渐变耦合区内M根单模波导与额外的N根辅助的单模波导由一维线性排列在相互耦合靠近过程中形成二维同心圆环排列。
[0011]作为优选地，基于辅助波导的光子灯笼型模式复用
‑
解复用器所述单模波导数量M包括3，6和10；对应辅助的单模波导数量N分别为1，1和2。
[0012]进一步地，单模波导阵列与单模光纤阵列相连接，M根单模波导几何尺寸、模场尺寸及排列分布与单模光纤阵列相匹配。
[0013]进一步地，多模波导与多模光纤相连接，多模波导几何尺寸、模场尺寸与多模光纤相匹配，且多模波导支持模式与多模光纤支持模式相匹配。
[0014]进一步地，单模波导、渐变锥形耦合区和复合多模波导均通过飞秒激光直写技术制备。
[0015]进一步地，所述光子灯笼型模式复用解复用器可以在玻璃、晶体和光学陶瓷等透明材料中制备。作为优选，本专利技术选用石英玻璃基底。
[0016]作为优选地，
[0017]1)所述单模波导数量为3时，相应地，组成多模波导的4根单模波导呈单环等间距
对称分布，所述多模波导端口产生的模式为线偏振LP模式，分别为对称分布，所述多模波导端口产生的模式为线偏振LP模式，分别为和模式；
[0018]2)所述单模波导数量为6时，相应地，组成多模波导的7根单模波导呈双环等间距对称分布，内环由1根波导组成，外环由6根波导组成，所述多模波导端口产生的模式为线偏振LP模式，分别为LP
01
，，，，和LP
02
模式；
[0019]3)所述单模波导数量为10时，相应地，组成多模波导的12根单模波导呈双环等间距对称分布，内环由4根波导组成，外环由8根波导组成，所述多模波导端口产生的模式为线偏振LP模式，分别为LP
01
，，，，，，，，和LP
02
模式。
[0020]作为优选地，多组基于辅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于辅助波导的光子灯笼型模式复用/解复用器，其特征在于，包括单模波导阵列、含辅助波导的渐变耦合区和多模波导，所述单模波导阵列包括M根相互独立的非耦合的单模波导，所述含辅助波导的渐变耦合区包括N根辅助的单模波导，其中M根单模波导与N根单模波导相互逐渐靠近，直至耦合，并最终实现融合；所述多模波导由M+N根单模波导融合组成，组成多模波导的M+N根单模波导呈轴对称且中心对称分布，所述多模波导支持的模式数量与单模波导数量M相对应；M≥3，N≥1，M和N均为正整数。2.根据权利要求1所述的一种基于辅助波导的光子灯笼型模式复用/解复用器，其特征在于，所述含辅助波导的渐变耦合区内M根单模波导与N根辅助的单模波导由一维线性排列在相互逐渐靠近耦合的过程中形成二维同心圆环排列。3.根据权利要求1所述的一种基于辅助波导的光子灯笼型模式复用/解复用器，其特征在于，所述单模波导阵列中单模波导数量M包括3，6和10；相对应辅助的单模波导数量N分别为1，1和2。4.根据权利要求1所述的一种基于辅助波导的光子灯笼型模式复用/解复用器，其特征在于，所述单模波导阵列与单模光纤阵列相连接，M根单模波导几何尺寸、模场尺寸及排列分布与单模光纤阵列相匹配。5.根据权利要求1所述的一种基于辅助波导的光子灯笼型模式复用/解复用器，其特征在于，所述多模波导...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，蔡丞坤，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：