專利名稱：模式空間分離的新型光通訊波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通訊和光波導(dǎo)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體地說是涉及模式空間分離的新型光通訊波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
二十世紀(jì)后期發(fā)展起來的光通訊技術(shù)將人類社會(huì)推進(jìn)到信息時(shí)代。在光通訊系統(tǒng)中，光波導(dǎo)對傳輸信號(hào)起著限制、傳輸、耦合、調(diào)控等作用，是最基本的構(gòu)成單元之一。近年來提出的用光子作為信息載體，實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)景目標(biāo)，需要研制小型化、集成化的高效率低損耗光波導(dǎo)。傳統(tǒng)的介質(zhì)光波導(dǎo)靠全反射機(jī)制來傳導(dǎo)光波，要求光波導(dǎo)的纖芯折射率大于薄層折射率，傳統(tǒng)多模波導(dǎo)芯層直徑通常大于10微米，單模波導(dǎo)芯層直徑約為7.5-9.5微米，由于波導(dǎo)外層需要包覆多個(gè)保護(hù)層和緩沖層，波導(dǎo)直徑一般在100微米以上。這類光波導(dǎo)在光通信中起到了重要作用，但在小型化和集成化時(shí)卻遇到了瓶頸，因此，設(shè)計(jì)新型光學(xué)波導(dǎo)仍然是一項(xiàng)重要的科技任務(wù)。近年來，國內(nèi)外在新型光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)上開展了深入的研究，其中最大的成就是將光子晶體結(jié)構(gòu)引入到光波導(dǎo)中來，設(shè)計(jì)出光子晶體波導(dǎo)，在波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了光傳播的導(dǎo)帶和禁帶，并且把光波導(dǎo)的尺寸縮小到微米量級。自1992年Russell等人提出并隨后在實(shí)驗(yàn)上制出光子晶體光纖至今，光子晶體光纖已被人們發(fā)展運(yùn)用于多個(gè)運(yùn)用領(lǐng)域(P.St.J.Russell, J.C.Knight, T.A.Birks, B.J.Mangan and ff.J.Wadsworth^Recent progress inphotonic crystal fibers，，, Optical Fiber Communication Conference ThGl-1 (2000) X例如，光子帶隙光纖(PBG-PCF)的導(dǎo)光機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)光在空氣芯中傳播，避免了石英等芯層材料對光波的影響，能傳輸高能量的超短脈沖，可以應(yīng)用于小型光子器件設(shè)計(jì)，微加工，生物醫(yī)療等領(lǐng)域；全內(nèi)反射光纖(TIR-PCF)具有“不截止單模”的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)在337nm_1550nm波段內(nèi)只有單模傳輸(T.A.Birks, J.C.Knight, P.St.J.Russell, “Endlesslysingle-mode photonic crystal fiber”，Opt.Lett.22，961 (1997)),并且傳輸模式面積較大(J.C.Knight, T.A.Birks, R.F.Cregan, P.St.J.Russell and J.P.de Sandro, “Largemode area photonic crystal fiber”，Electronics Letters.34，1347 (1998)),在光纖激光器、光纖放大器等領(lǐng)域有著重要作用。然而，目前的各種光波導(dǎo)中，光波僅在芯層中傳輸，包層只起到阻止光波能量泄露的作用，從利用率的角度上并不高效。對于多模波導(dǎo)，傳輸模式在空間上混合，給模式分離帶來困難，不利于光波導(dǎo)與其他器件的集成。以上固有缺陷難以滿足光子器件小型化、集成化的需求，因此，設(shè)計(jì)一種既具有光子晶體光纖的優(yōu)良性能，又能在空間上分離模式的低損耗小型化光通訊波導(dǎo)頗有應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能實(shí)現(xiàn)模式空間分離傳輸?shù)牡蛽p耗通訊光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)方案，結(jié)構(gòu)簡單高效，能用現(xiàn)有加工工藝實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種模式空間分離的新型光通訊波導(dǎo)，具有1550納米、1310納米和850納米三個(gè)低損耗傳輸窗口，包括芯層、包層，所述芯層為空氣層，其特征在于所述包層由折射率、厚度按Thue-Morse迭代規(guī)則變化的介質(zhì)多層膜構(gòu)成。進(jìn)一步地，所述介質(zhì)分別為硅和石英，硅和石英的厚度分別為70±4納米和100±5納米，硅和石英的排列順序?yàn)門hue-Morse序列第3代重復(fù)8次，波導(dǎo)外直徑為28.2±1.4 微米。本發(fā)明的工作原理如下:光子晶體波導(dǎo)的包層由折射率不同的材料按一定周期排列而成，周期結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生光子能帶，對傳播的光波具有調(diào)制作用，表現(xiàn)為頻率在光子禁帶中的光波不能通過包層，成為局域在芯層中的傳播模；頻率在光子導(dǎo)帶中的光波能通過包層到達(dá)波導(dǎo)外部，成為泄露模。通過對包層周期結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對傳播模式和傳播頻率的調(diào)控。光子晶體波導(dǎo)對光波能量有很好的局域性，但是所有模式的能量均被局域在芯層，即傳播模式在空間上不分離。與周期結(jié)構(gòu)不同，非周期自相似結(jié)構(gòu)具有局部和整體相似，下一代與上一代相似的特點(diǎn)。Thue-Morse序列是自相似(準(zhǔn)周期)序列中的一種，這種序列中包含兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元A與B，通過迭代規(guī)則生成每一代。迭代規(guī)則為:從第一代開始，把每一代中用AB替換A，用BA替換B，以此類推。Thue-Morse序列中前幾代分別為:S1={A}, S2={AB}，S3={ABBA}， S4={ABBABAAB}， S5={ABBABAABBAABABBA}， S6={ABBABAABBAABABBABAABABB
AABBABAAB}......從以上迭代序列可看出，Thue-Morse序列中奇數(shù)帶(除了第一代外)對`Thue-Morse序列排列成的I維光子晶體具有多個(gè)分裂的光子能帶，且能帶數(shù)目隨著自相似迭代數(shù)目的增加而增加，能帶數(shù)目具有規(guī)律性，滿足數(shù)學(xué)關(guān)系(F.Qiu, R.ff.Peng, X.Q.Huang, X.F.Hu, Mu Wang, A.Hu, S.S.Jiang andD.Feng, “Omnidirectional reflection of electromagnetic waves on Thue-Morsedielectric multilayers” , Europhys.Lett.68, 658-663 (2004))。我們創(chuàng)新的把自相似Thue-Morse結(jié)構(gòu)引入到波導(dǎo)中來,構(gòu)造了包層材料按Thue-Morse序列排列的自相似全介質(zhì)波導(dǎo)。文獻(xiàn)(Q.Hu, J.Zhao, R.Peng, F.Gao, R.Zhang, and M.Wang, “，Rainbow，trapped ina self-similar coaxial optical waveguide”，Appl.Phys Lett.96，161101 (2010))對該波導(dǎo)的工作原理和傳播特性進(jìn)行了詳盡的理論分析和理論驗(yàn)證。該文獻(xiàn)中圖1(b)給出了波導(dǎo)包層折射率隨半徑的分布(其中(b)為Thue-Morse第6代)，由圖看出，折射率分布具有非周期性，并呈現(xiàn)出沿徑向的自相似性。這種自相似性體現(xiàn)在兩方面:一方面，同一代中，局部分布與整體分布相似；另一方面，相鄰代中的分布相似。自相似結(jié)構(gòu)的引入，使波導(dǎo)的光子能帶分裂成多個(gè)(如上述文獻(xiàn)中圖2)，分裂的光子能帶使傳播模式也發(fā)生分裂，把原先連續(xù)的傳播模式分隔在不同的光子帶隙中，因此波導(dǎo)的傳輸具有頻率選擇性(如上述文獻(xiàn)中圖3)。更重要的，自相似結(jié)構(gòu)具有多個(gè)特征長度的物理本質(zhì)，給波導(dǎo)帶來多個(gè)分布在不同包層中的微腔，不同的微腔對應(yīng)不同的共振頻率，因此，傳播模式中不同頻率的部分被局域在不同的包層，實(shí)現(xiàn)了模式的空間分離。本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明提出了一種空芯自相似介質(zhì)同軸波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，這種波導(dǎo)的包層由折射率、厚度按Thue-Morse迭代規(guī)則變化的介質(zhì)多層膜構(gòu)成。通過解析分析和數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在這種波導(dǎo)中，光子帶隙發(fā)生分裂，傳播模式被光子帶隙分隔開，使光信號(hào)在傳輸頻段上可選。波導(dǎo)同時(shí)支持芯層模式與包層模式的傳輸，并且工作波段不同、式不同的光波傳播時(shí)在空間上分離。該波導(dǎo)被設(shè)計(jì)為具有1550納米，1310納米和850納米三個(gè)低損耗傳輸窗口，可用于遠(yuǎn)距離多頻段并行傳輸；傳輸模式空間分離的特點(diǎn)使該波導(dǎo)可以替代位于波導(dǎo)輸出端口進(jìn)行模式分離和選擇的器件，有助于光通訊網(wǎng)絡(luò)的小型化和集成化。


圖1是模式空間分離的用于光通訊波段的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是波導(dǎo)中的光子能帶與線偏振傳播模。圖3是最低階橫電波(TEtll)與最低階橫磁模(TMtll)的性能指標(biāo)。圖4是最低階橫電波(TEtll)與最低階橫磁模(TMtll)在各自工作波段的電磁場分布。圖5是波導(dǎo)中的光子能帶與混合傳波模。圖6是I階混合模(HE11)與2階混合模(HE21)的性能指標(biāo)。 圖7是I階混合模(HE 11)與2階混合模(HE21)在各自工作波段的電磁場分布。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本·發(fā)明做進(jìn)一步地說明。以下以本發(fā)明中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為例，說明設(shè)計(jì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的基本流程。所述的波導(dǎo)以工作在通訊波段850納米、1310納米、1550納米為基本前提，所用材料應(yīng)滿足在這幾個(gè)波段吸收系數(shù)盡量小、折射率差盡量大的特點(diǎn)，因此最佳選擇為單晶硅與石英。在進(jìn)行光子能帶和傳播模式求解釋，借鑒和利用了周期Bragg波導(dǎo)中的轉(zhuǎn)移矩陣方法(P.Yeh1A.Yariv, and E.Marom, “Theory of Bragg fiber”，J.0pt.Soc.Am.68，1196 (1978)),以自相似某一代的轉(zhuǎn)移矩陣為單元矩陣，通過半徑r=0處電場為有限制以及和r —c 處電場為零的邊界條件建立光子帶隙和模式方程。其中光子帶隙方程可變形為光子帶隙中心頻率的帶寬方程，通過對帶隙中心頻率和帶寬的求解，可優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，得到滿足要求的波導(dǎo)參數(shù)(包層中每層的厚度)。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)確定后，在工作波段內(nèi)求解模式方程得到的根(ω，10即傳播模式。得到傳播模式后再利用轉(zhuǎn)移矩陣即可獲得到波導(dǎo)每一層中電磁場能量大小，即波導(dǎo)模式能量的空間分布。實(shí)施例1如圖1所示，該波導(dǎo)芯層設(shè)計(jì)為空氣層，半徑500納米。構(gòu)成包層的兩種介質(zhì)材料分別為A:硅(白色所示)和B:石英(深灰色所示)，在通訊波段830-1550納米的折身寸率可分別取為 3.67+0.005i 和 1.56 (參數(shù)來自 Handbook of Optical Constants ofSolids, edited by Edward D.Palik(1985)),厚度分別為 dA=70±4 納米和 dB=100±5 納米。波導(dǎo)包層中兩種材料A、B的排列順序?yàn)門hue-Morse序列第3代(ABBA)重復(fù)8次，即(I ABBAIABBA卜.ABBA I) 8。波導(dǎo)外直徑28.2± 1.4微米(注:圖1僅示意波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，與實(shí)際包層結(jié)構(gòu)不完全一致)。
通過解析推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算，經(jīng)過有限元時(shí)域差分驗(yàn)證，得到一套非周期波導(dǎo)中傳播模式的計(jì)算方法(該方法的正確性已在文獻(xiàn)Q.Hu, J.Zhao, R.Peng, F.Gao, R.Zhang, andM.Wang, Rainbow’ trapped in a self-similar coaxial optical waveguide”，Appl.Phys Lett.96, 161101(2010)中確認(rèn))。當(dāng)信號(hào)源是線偏振光時(shí)，利用數(shù)值計(jì)算得到該波導(dǎo)中的光子能帶與傳播模式(參見圖2)。圖中淺灰色區(qū)域?yàn)樽韵嗨瓢鼘拥墓庾訉?dǎo)帶，白色區(qū)域?yàn)楣庾咏麕В诘皖l區(qū)出現(xiàn)的兩個(gè)禁帶的頻率范圍分別為1850-1250納米(帶隙I)和790-910納米(帶隙2)，覆蓋3個(gè)通訊波長:1550納米，1310納米和850納米?？招膱A點(diǎn)連線為最低階線偏振橫電模(TMtll),實(shí)心圓點(diǎn)連線為最低階線偏振橫電模(TEtll),黑色對角線是光錐線，模式在光錐線內(nèi)，是可傳輸?shù)牟▽?dǎo)模。橫磁模(TMtll)在帶隙I中，橫電模(TEtll)在帶隙2中，分別傳播兩個(gè)不同的通訊波段。圖3(a)、(b)中分別給出兩種模式的模式指數(shù)與波長的關(guān)系，圖3 (c)、(d)中分別給出兩種模式的損耗系數(shù)與波長的關(guān)系，兩種模式在各自的工作頻段損耗均小于0.7dB/km,與現(xiàn)有通訊光纖損耗相當(dāng)(目前遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550nm的損耗系數(shù)為0.2dB/km),完全滿足遠(yuǎn)距離傳輸要求。兩種模式在波導(dǎo)中的分布如圖4所示。TE01模的工作波段在760-850納米(高頻通訊波段)，能量分布主要集中在芯層和靠近芯層的幾層包層中，TMtll模的工作波段在1400-1700納米(低頻通訊波段)，能量分布主要集中在包層中靠外的幾層，兩種模式在空間上完全分開。此外，模式能量分布打破了傳統(tǒng)的包層模形式，出現(xiàn)包層模，在保持低損耗傳輸?shù)耐瑫r(shí)提高了波導(dǎo)的利用率。這種工作在兩個(gè)通訊波段、模式空間分離的波導(dǎo)可用于遠(yuǎn)距離多信號(hào)并行傳輸，同時(shí)取代用于光纖輸出端進(jìn)行模式分離和選擇的器件，有助于提高通訊系統(tǒng)的集成化、小型化，在光纖通訊領(lǐng)域有著潛在的運(yùn)用價(jià)值。實(shí)施例2對于同種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該波導(dǎo)芯層設(shè)計(jì)為空氣層，半徑500納米。構(gòu)成包層的兩種介質(zhì)材料分別為A:硅(白色所示)和B:石英(深灰色所示)，在通訊波段830-1550納米的折射率可分別取為3.67+0.005i和1.56(參數(shù)來自Handbook of Optical Constantsof Solids, edited by Edward D.Palik(1985)),厚度分別為 dA=70±4 納米和 dB=100±5 納米。波導(dǎo)包層中兩種 材料A、B的排列順序?yàn)門hue-Morse序列第3代(ABBA)重復(fù)8次，即(I ABBAIABBA卜.ABBA I) 8。波導(dǎo)外直徑28.2 ± 1.4微米(注:圖1僅示意波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，與實(shí)際包層結(jié)構(gòu)不完全一致)。當(dāng)信號(hào)源為非偏振混合波時(shí)，利用數(shù)值計(jì)算得到該波導(dǎo)中的光子能帶與傳播模式(參見圖5)。圖中淺灰色區(qū)域?yàn)樽韵嗨瓢鼘拥墓庾訉?dǎo)帶，白色區(qū)域?yàn)楣庾咏麕В诘皖l區(qū)出現(xiàn)的兩個(gè)禁帶的頻率范圍分別為1850-1250納米(帶隙I)和790-910納米(帶隙2)，覆蓋3個(gè)通訊波長:1550納米，1310納米和850納米?？招膱A點(diǎn)連線為I階線混合模(HE11),實(shí)心圓點(diǎn)連線為2階混合模(HE21),黑色對角線是光錐線，模式在光錐線內(nèi)，是可傳輸?shù)牟▽?dǎo)模。I階線混合模(HE11)在帶隙I中，2階混合模(HE21)在帶隙2中，分別傳播兩個(gè)不同的通訊波段。圖6(a)、(b)中分別給出兩種模式的模式指數(shù)與波長的關(guān)系，圖6(c)、(d)中分別給出兩種模式的損耗系數(shù)與波長的關(guān)系，兩種模式在各自的工作頻段損耗均小于0.8dB/km,與現(xiàn)有通訊光纖損耗相當(dāng)(目前遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550nm的損耗系數(shù)為0.2dB/km)，完全滿足遠(yuǎn)距離傳輸要求。兩種模式在波導(dǎo)中的分布如圖7所示。HE11模的工作波段在1260-1510納米(低頻通訊波段)，能量分布主要集中在芯層和靠近芯層的幾層包層中，HE21模的工作波段在740-890納米(高頻通訊波段)，能量分布主要集中在包層中靠外的幾層，兩種模式在空間上完全分開。此外，模式能量分布打破了傳統(tǒng)的包層模形式，出現(xiàn)包層模，在保持低損耗 傳輸?shù)耐瑫r(shí)提高了波導(dǎo)的利用率。
權(quán)利要求
1.一種模式空間分離的新型光通訊波導(dǎo)，具有1550納米、1310納米和850納米三個(gè)低損耗傳輸窗口，包括芯層、包層，所述芯層為空氣層，其特征在于所述包層由折射率、厚度按Thue-Morse迭代規(guī)則變化的介質(zhì)多層膜構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模式空間分離的新型光通訊波導(dǎo)，其特征在于，所述介質(zhì)分別為硅和石英，硅和石英的厚度分別為70±4納米和100±5納米，硅和石英的排列順序?yàn)門hue-Morse序列第3代重復(fù)8次，波導(dǎo)外直徑為28.2±1.4微米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種模式空間分離的新型光通訊波導(dǎo)，具有1550納米、1310納米和850納米三個(gè)低損耗傳輸窗口，包括芯層、包層，所述芯層為空氣層，其特征在于所述包層由折射率、厚度按Thue-Morse迭代規(guī)則變化的介質(zhì)多層膜構(gòu)成。進(jìn)一步地所述介質(zhì)分別為硅和石英，硅和石英的厚度分別為70±4納米和100±5納米，硅和石英的排列順序?yàn)門hue-Morse序列第3代重復(fù)8次，波導(dǎo)外直徑為28.2±1.4微米。通過解析分析和數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在這種波導(dǎo)中，光子帶隙發(fā)生分裂，傳播模式被光子帶隙分隔開，使光信號(hào)在傳輸頻段上可選。波導(dǎo)同時(shí)支持芯層模式與包層模式的傳輸，并且工作波段不同、模式不同的光波傳播時(shí)在空間上分離。
文檔編號(hào)G02B6/122GK103235360SQ20131002692
公開日2013年8月7日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者彭茹雯, 胡青, 王牧 申請人:南京大學(xué)