本公開屬于光通訊領(lǐng)域，涉及一種基于正弦空間調(diào)制的陣列波導(dǎo)。

背景技術(shù)：

陣列波導(dǎo)是實(shí)現(xiàn)光器件如波分復(fù)用器、光學(xué)相控陣列等的基本結(jié)構(gòu)，高密度的陣列波導(dǎo)有助于波分復(fù)用器波長分辨率和光學(xué)相控陣列性能的提高。另一方面，空分復(fù)用可以進(jìn)一步提高光通信和光互連的通信容量，其需要高密度無串?dāng)_的多模波導(dǎo)或者陣列波導(dǎo)。因而實(shí)現(xiàn)陣列波導(dǎo)的高密度、低串?dāng)_是提高光器件性能的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的陣列波導(dǎo)的波導(dǎo)寬度和波導(dǎo)間隔都相等，一般為了保證相鄰波導(dǎo)之間沒有耦合，將其間隔設(shè)置的較大，那么導(dǎo)致陣列波導(dǎo)需要占用很大的面積，不利于集成。之后有研究提出了一種改進(jìn)的波導(dǎo)超晶格結(jié)構(gòu)，使波導(dǎo)的寬度彼此不同，可以在較小波導(dǎo)間隔下實(shí)現(xiàn)陣列波導(dǎo)的高密度低串?dāng)_傳輸，但是這種結(jié)構(gòu)的每個(gè)波導(dǎo)寬度都需要特殊的設(shè)計(jì)，不利于工程化、成本較高。另外也有研究提出利用彎曲波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)小間隔，并且降低各個(gè)波導(dǎo)之間的串?dāng)_，從而減小其占用面積，但是該結(jié)構(gòu)對(duì)波導(dǎo)的彎曲半徑有限制，使得能夠高密度低串?dāng)_傳輸?shù)牟▽?dǎo)數(shù)目有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本公開提供了一種基于正弦空間調(diào)制的陣列波導(dǎo)，以至少部分解決以上所提出的技術(shù)問題。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本公開的一個(gè)方面，提供了一種基于正弦空間調(diào)制的陣列波導(dǎo)，包括：至少兩條并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)；其中，至少兩條并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)在空間上沿著傳輸方向經(jīng)由正弦波調(diào)制。

在本公開的一些實(shí)施例中，至少兩條并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)的調(diào)制參數(shù)滿足：至少兩條并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)的對(duì)稱耦合模式和反對(duì)稱耦合模式的有效傳播常數(shù)差等于零，使相鄰波導(dǎo)間無耦合。

在本公開的一些實(shí)施例中，調(diào)制參數(shù)包括：波導(dǎo)寬度，相鄰波導(dǎo)間隔，正弦空間調(diào)制振幅以及正弦空間調(diào)制周期。

在本公開的一些實(shí)施例中，至少兩條并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)的調(diào)制參數(shù)滿足：

其中，δβeff為對(duì)稱耦合模式和反對(duì)稱耦合模式的有效傳播常數(shù)差；βeven為對(duì)稱耦合模式的傳播常數(shù)；βodd為反對(duì)稱耦合模式的傳播常數(shù)；j0為零階貝塞爾函數(shù)；neff為單獨(dú)一根波導(dǎo)存在的模式的有效折射率；w為波導(dǎo)寬度；d為波導(dǎo)間隔；a為正弦空間調(diào)制振幅；t為正弦空間調(diào)制周期。

在本公開的一些實(shí)施例中，至少兩條并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)的調(diào)制參數(shù)還滿足：最小曲率半徑的值為最大，使波導(dǎo)的傳輸損耗最小，其中，最小曲率半徑滿足：

rmin＝t²/4π²a

其中，rmin為最小曲率半徑。

在本公開的一些實(shí)施例中，至少兩條并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)具有相同的尺寸。

在本公開的一些實(shí)施例中，所有波導(dǎo)在空間上由相同的調(diào)制參數(shù)進(jìn)行調(diào)制。

在本公開的一些實(shí)施例中，至少兩條并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)中，相鄰兩個(gè)波導(dǎo)之間的間隔相等。

在本公開的一些實(shí)施例中，波導(dǎo)為平面波導(dǎo)或非平面波導(dǎo)。

在本公開的一些實(shí)施例中，平面波導(dǎo)為以下波導(dǎo)類型中的一種：條波導(dǎo)、脊波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、橢圓波導(dǎo)以及狹縫波導(dǎo)；或非平面波導(dǎo)包括光纖。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的基于正弦空間調(diào)制的陣列波導(dǎo)，至少具有以下有益效果之一：

1、在兩條相鄰的波導(dǎo)間隔很小的情況下，它們之間會(huì)存在對(duì)稱以及非對(duì)稱的耦合，通過將陣列波導(dǎo)在空間上進(jìn)行正弦調(diào)制，可以保證兩條波導(dǎo)并行無耦合傳輸，顯著減小了陣列波導(dǎo)的占地面積，同時(shí)還保證了高密度、無串?dāng)_；

2、相鄰波導(dǎo)的波導(dǎo)尺寸和波導(dǎo)間隔都相等，波導(dǎo)尺寸選擇自由，易于設(shè)計(jì)，且陣列波導(dǎo)的數(shù)目可以無限擴(kuò)展；

3、通過選擇正弦空間調(diào)制的參數(shù)，可以使最小彎曲半徑盡可能的大，從而降低傳輸損耗。

附圖說明

圖1為根據(jù)本公開第一實(shí)施例包括2個(gè)正弦空間調(diào)制周期，16條并行傳輸波導(dǎo)的陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為根據(jù)本公開一些實(shí)施例采用有限時(shí)域差分方法模擬的陣列波導(dǎo)光譜輸出曲線，其中，該波導(dǎo)陣列為圖1所示的陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，光分別從16條波導(dǎo)輸入。

圖3為根據(jù)本公開第二實(shí)施例包括1個(gè)正弦空間調(diào)制周期，2條并行傳輸波導(dǎo)的陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為根據(jù)本公開一些實(shí)施例采用有限時(shí)域差分方法模擬的陣列波導(dǎo)光譜輸出曲線，其中，該波導(dǎo)陣列為圖3所示的陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，光從其中的一個(gè)波導(dǎo)輸入。

【符號(hào)說明】

101～116：第一實(shí)施例中第1根到第16根并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)；

201：第二實(shí)施例中第一根并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)；

202：第二實(shí)施例中第二根并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)；

310：第一個(gè)正弦空間調(diào)制周期；

320：第二個(gè)正弦空間調(diào)制周期；

t：正弦空間調(diào)制周期；

a：正弦空間調(diào)制振幅；

w：波導(dǎo)寬度；

g：波導(dǎo)間隔。

具體實(shí)施方式

本公開提供了一種基于正弦空間調(diào)制的陣列波導(dǎo)，在波導(dǎo)間隔很小的情況下，通過將陣列波導(dǎo)在空間上進(jìn)行正弦調(diào)制，并選擇調(diào)制參數(shù)，保證了相鄰的兩條波導(dǎo)并行無耦合傳輸，既實(shí)現(xiàn)了高密度、低串?dāng)_，又顯著減小了陣列波導(dǎo)的占地面積，并且還能通過優(yōu)化設(shè)置調(diào)制參數(shù)以減小傳輸損耗。

為使本公開的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

在本公開的第一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種基于正弦空間調(diào)制的陣列波導(dǎo)。

圖1為根據(jù)本公開第一實(shí)施例包括2個(gè)正弦空間調(diào)制周期，16條并行傳輸波導(dǎo)的陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本公開提出了一種基于正弦空間調(diào)制的陣列波導(dǎo)包括：至少兩條并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)；且所有波導(dǎo)在空間上沿著傳輸方向經(jīng)由正弦波調(diào)制。

下面對(duì)本實(shí)施例的基于正弦空間調(diào)制的陣列波導(dǎo)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

本公開中并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)數(shù)目不做限制，可以無限擴(kuò)展，在實(shí)際實(shí)施過程中，優(yōu)選2～100條之間的任何正整數(shù)，包括2條和100條；在本實(shí)施例中，并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)數(shù)目為16個(gè)，且該波導(dǎo)為條波導(dǎo)；而本公開的波導(dǎo)涵蓋平面波導(dǎo)或非平面波導(dǎo)，其中，平面波導(dǎo)包括：條波導(dǎo)、脊波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、橢圓波導(dǎo)和狹縫波導(dǎo)等，非平面波導(dǎo)可以是光纖；

正弦波在空間上調(diào)制所有波導(dǎo)的周期這里稱作正弦空間調(diào)制周期t，正弦波在空間上調(diào)制所有波導(dǎo)的振幅這里稱作正弦空間調(diào)制振幅a，正弦空間調(diào)制周期t為正整數(shù)，小于相同參數(shù)下兩條直波導(dǎo)耦合周期，實(shí)現(xiàn)對(duì)陣列波導(dǎo)的1個(gè)或多個(gè)周期調(diào)制，在本實(shí)施例中，正弦空間調(diào)制周期為2個(gè)；

本實(shí)施例中選用的16條并行傳輸波導(dǎo)的尺寸和相鄰兩個(gè)波導(dǎo)之間的間隔都相等，且16條并行傳輸波導(dǎo)經(jīng)過相同的空間調(diào)制，即具有相同的正弦空間調(diào)制周期t和正弦空間調(diào)制振幅a，如圖1中呈現(xiàn)的其他波導(dǎo)在空間上等價(jià)于某一條波導(dǎo)平移的狀態(tài)；

此外，本實(shí)施例的基于正弦空間調(diào)制的陣列波導(dǎo)基于絕緣體上硅(soi)材料，頂硅層的厚度為220nm。

該基于正弦空間調(diào)制的陣列波導(dǎo)的調(diào)制參數(shù)的設(shè)計(jì)原則為：高密度、低串?dāng)_，因此要求相鄰兩個(gè)并行傳輸?shù)牟▽?dǎo)之間的波導(dǎo)間隔盡可能的小，而且相鄰波導(dǎo)之間沒有耦合，并且使波導(dǎo)的最小彎曲半徑盡可能的大，以減小傳輸損耗。

根據(jù)耦合模理論，當(dāng)兩條具有相同尺寸的波導(dǎo)間隔較小時(shí)，波導(dǎo)內(nèi)原有的模式會(huì)相互耦合形成對(duì)稱模式和反對(duì)稱模式，這兩個(gè)模式具有不同的傳播常數(shù)，在傳輸時(shí)會(huì)相互干涉。當(dāng)存在正弦空間調(diào)制時(shí)，對(duì)稱模式和反對(duì)稱模式的有效傳播常數(shù)差可以用貝塞爾函數(shù)表示，取適當(dāng)?shù)恼{(diào)制參數(shù)，可以使得對(duì)稱模式和反對(duì)稱模式的有效傳播常數(shù)差等于零，即對(duì)稱模式和反對(duì)稱模式之間沒有干涉，此時(shí)可以保證兩條波導(dǎo)無耦合傳輸。

依據(jù)耦合模理論獲得相鄰波導(dǎo)之間沒有耦合的調(diào)制參數(shù)，具體方法如下：

當(dāng)兩條具有相同的尺寸的直波導(dǎo)間隔較小時(shí)，兩條波導(dǎo)內(nèi)原有的模式會(huì)相互耦合，并形成對(duì)稱和反對(duì)稱兩個(gè)新的耦合模式，這兩個(gè)耦合模式的傳播常數(shù)可以分別表示為βeven和βodd，當(dāng)存在正弦空間調(diào)制時(shí)，這兩個(gè)模式的有效傳播常數(shù)差可以表示為如下表達(dá)式：

其中，δβeff為對(duì)稱耦合模式和反對(duì)稱耦合模式的有效傳播常數(shù)差；βeven為對(duì)稱耦合模式的傳播常數(shù)；βodd為反對(duì)稱耦合模式的傳播常數(shù)；j0為零階貝塞爾函數(shù)；neff為單獨(dú)一根波導(dǎo)存在的模式的有效折射率；w為波導(dǎo)寬度；d為波導(dǎo)間隔；a為正弦空間調(diào)制振幅；t為正弦空間調(diào)制周期；

取對(duì)稱耦合模式和反對(duì)稱耦合模式的有效傳播常數(shù)差等于零的調(diào)制參數(shù)值，即為滿足相鄰波導(dǎo)之間沒有耦合的調(diào)制參數(shù)。

更進(jìn)一步，在保證兩條波導(dǎo)無耦合傳輸?shù)恼艺{(diào)制參數(shù)下，波導(dǎo)的最小曲率半徑可以計(jì)算為rmin＝t²/4π²a，選取適當(dāng)?shù)恼{(diào)制周期和調(diào)制振幅使最小彎曲半徑盡可能的大，從而可以獲得較小的傳輸損耗。

依據(jù)上面的設(shè)計(jì)方法，本實(shí)施例中波導(dǎo)寬度為500nm，波導(dǎo)間隔為400nm，調(diào)制周期為15μm，調(diào)制振幅為624nm；以上調(diào)制參數(shù)的設(shè)置使得相鄰的兩個(gè)波導(dǎo)之間沒有耦合；而非相鄰波導(dǎo)之間的間隔大于等于1.3μm，再加上正弦空間調(diào)制的抑制耦合作用，可以認(rèn)為非相鄰波導(dǎo)之間也無耦合，因此，該實(shí)施例的基于正弦空間調(diào)制的陣列波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了高密度、無串?dāng)_，此外，此時(shí)波導(dǎo)傳輸?shù)淖钚澢霃郊s為9μm，波導(dǎo)的傳輸損耗較小。

圖2為根據(jù)本公開一些實(shí)施例采用有限時(shí)域差分方法模擬的陣列波導(dǎo)光譜輸出曲線，其中，該波導(dǎo)陣列為圖1所示的陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，光分別從16條波導(dǎo)輸入。由圖2可知，從不同波導(dǎo)輸入的情況下，有限時(shí)域差分仿真結(jié)果表明波導(dǎo)之間的耦合在-30db以下，且插入損耗很小。

在本公開的第二個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種基于正弦空間調(diào)制的陣列波導(dǎo)。在此實(shí)施例中，區(qū)別于第一實(shí)施例，只采用兩根并行傳輸?shù)臈l波導(dǎo)，在一個(gè)正弦空間調(diào)制周期下進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖3為根據(jù)本公開第二實(shí)施例包括1個(gè)正弦空間調(diào)制周期，2條并行傳輸波導(dǎo)的陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，該陣列波導(dǎo)的波導(dǎo)為條波導(dǎo)，波導(dǎo)寬度500nm，波導(dǎo)間隔400nm，調(diào)制周期為15μm，按照公式(1)計(jì)算，使對(duì)稱模式和反對(duì)稱模式的有效傳播常數(shù)差為0的調(diào)制振幅為644nm，結(jié)合有限時(shí)域差分方法，選擇調(diào)制振幅為624nm，此時(shí)兩波導(dǎo)之間的串?dāng)_最小。圖4為根據(jù)本公開一些實(shí)施例采用有限時(shí)域差分方法模擬的陣列波導(dǎo)光譜輸出曲線，其中，該波導(dǎo)陣列為圖3所示的陣列波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，光從其中的一個(gè)波導(dǎo)輸入。當(dāng)光從波導(dǎo)201輸入時(shí)，兩根波導(dǎo)光譜輸出曲線如圖4所示，在1500nm～1600nm波長范圍內(nèi)，串?dāng)_小于-38db。

本實(shí)施例中該陣列波導(dǎo)也是基于絕緣體上硅(soi)材料，頂層硅的厚度為220nm。

需要強(qiáng)調(diào)的是，以上實(shí)施例中提到的陣列波導(dǎo)的波導(dǎo)數(shù)目以及正弦空間調(diào)制周期是可變的，隨著實(shí)際情況進(jìn)行選擇；承載波導(dǎo)的soi材料也是作為一個(gè)例子進(jìn)行說明，實(shí)際應(yīng)用中可以采用本領(lǐng)域常見的技術(shù)手段；此外，作為較佳實(shí)施例，以上將相鄰波導(dǎo)的波導(dǎo)尺寸和波導(dǎo)間隔都設(shè)置為相等，是出于波導(dǎo)尺寸選擇自由，易于設(shè)計(jì)的角度，實(shí)際應(yīng)用中可以做相應(yīng)變化，只要其調(diào)制參數(shù)滿足相鄰波導(dǎo)之間沒有耦合的條件即可。

綜上所述，本公開提供了一種基于正弦空間調(diào)制的陣列波導(dǎo)，在波導(dǎo)間隔很小的情況下，通過將陣列波導(dǎo)在空間上進(jìn)行正弦調(diào)制，并選擇調(diào)制參數(shù)，保證了相鄰的兩條波導(dǎo)并行無耦合傳輸，既實(shí)現(xiàn)了高密度、低串?dāng)_，又顯著減小了陣列波導(dǎo)的占地面積，并且還能通過優(yōu)化設(shè)置調(diào)制參數(shù)以減小傳輸損耗。

應(yīng)注意，貫穿附圖，相同的元素由相同或相近的附圖標(biāo)記來表示。在上述描述中，一些具體實(shí)施例僅用于描述目的，而不應(yīng)該理解為對(duì)本公開有任何限制，而只是本公開實(shí)施例的示例。在可能導(dǎo)致對(duì)本公開的理解造成混淆時(shí)，將省略常規(guī)結(jié)構(gòu)或構(gòu)造。應(yīng)注意，圖中各部件的形狀和尺寸不反映真實(shí)大小和比例，而僅示意本公開實(shí)施例的內(nèi)容。

應(yīng)該注意的是上述實(shí)施例對(duì)本公開進(jìn)行說明而不是對(duì)本公開進(jìn)行限制，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下可設(shè)計(jì)出替換實(shí)施例。在權(quán)利要求中，不應(yīng)將位于括號(hào)之間的任何參考符號(hào)構(gòu)造成對(duì)權(quán)利要求的限制。單詞“包括”不排除存在未列在權(quán)利要求中的元件或步驟。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本公開的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為公開的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本公開，凡在本公開的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本公開的保護(hù)范圍之內(nèi)。