一種多模式復(fù)用器件的設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種多模式復(fù)用器件的設(shè)計方法，該方法采用蝕刻衍射光柵來對波導(dǎo)中的縱向多個模式進(jìn)行復(fù)用與解復(fù)用，并采用Rowland圓結(jié)構(gòu)來設(shè)計蝕刻衍射光柵中的光柵、輸入波導(dǎo)及輸出波導(dǎo)位置，可以實現(xiàn)用單個蝕刻衍射光柵器件一次性對多個模式進(jìn)行復(fù)用或解復(fù)用,不需要堆疊器件。
【專利說明】
一種多模式復(fù)用器件的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光通信領(lǐng)域，更具體地，涉及一種多模式復(fù)用器件的設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖通信飛速發(fā)展，光通信網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)代通信網(wǎng)的基礎(chǔ)平臺。光纖通信系統(tǒng)經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段，從80年波分復(fù)用代末的TOH系統(tǒng)，90年代中期的SDH系統(tǒng)，WDM系統(tǒng)，光纖通信系統(tǒng)快速地更新?lián)Q代。當(dāng)前研究的熱點之一是DWDM，DWDM實驗室水平可達(dá)到1 O X1Gbit/s，中繼距離400km; 30 X 40Gbit/s，中繼距離85km;64 X 5Gbit/s，中繼距離720km。密集波分復(fù)用DWDM商用水平為320Gbit/s，即一對光纖可傳送400萬話路。目前商用系統(tǒng)的傳輸能力僅是單根光纖可能傳輸容量為數(shù)十Tbit/s的1/100。
[0003]光通信技術(shù)已經(jīng)在幾十年里迅速發(fā)展，支撐著我們?nèi)找嫘畔⒒纳鐣徒?jīng)濟(jì)。當(dāng)今信息的發(fā)展，對單根光纖的信息容量擴(kuò)展有了急速膨脹。波分復(fù)用(WDM)或密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們對光纖容量的需求。需要有新的技術(shù)來解決這個問題，這方面的進(jìn)展一直在尋找創(chuàng)新的方式來增加一個單一的光纖的數(shù)據(jù)承載能力。為了實現(xiàn)這一點，研究人員已經(jīng)探索，并試圖優(yōu)化復(fù)用的時間，波長，偏振和相位。商業(yè)系統(tǒng)現(xiàn)在利用所有四個維度來發(fā)送更多的信息通過一個單一的纖維。盡管有可能制造光纖支持?jǐn)?shù)百個空間模式或包含多個內(nèi)核，這可以被利用作為獨立的信號的平行通道，但是單一光纖的空間維度仍然未被開發(fā)。所以，接下來研究人員進(jìn)行了多方面的研究，模式復(fù)用就是其中一種。
[0004]WDM中對不同波長信號進(jìn)行了復(fù)用和分離，使得單根光纖可以傳輸更多信息，而模式復(fù)用(MDM)在同一波長中有不同的模式，對不同模式進(jìn)分復(fù)用和分離，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加信息量，于是就有了 MDM這個技術(shù)來解決上述單根光纖容量問題。模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)是在I根少模光纖中存在D個并行信道，這樣就將傳輸?shù)娜萘繑U(kuò)展了 D倍。由于不同的信道屬于不同模式，這樣在同等傳輸容量的條件下，非線性效應(yīng)的影響要小的多，這樣就減小了由于非線性效應(yīng)導(dǎo)致的信噪比惡化。
[0005]而傳統(tǒng)的模式復(fù)用一般是橫向模式復(fù)用，即對橫向的多個模式進(jìn)行復(fù)用與解復(fù)用，它支持的模式越多，波導(dǎo)的彎曲半徑就越大，器件的尺寸也要越大。否則，信道間的串?dāng)_就會增大，器件的工藝要求也就很苛刻。此外，對于橫向的多個模式，一般的模式復(fù)用通常只能一次分離出一個模式，要解復(fù)用三個以上的模式時需要通過堆疊器件的方式。而我們設(shè)計的器件是采用蝕刻衍射光柵(EDG)針對波導(dǎo)中的縱向多個模式進(jìn)行復(fù)用與解復(fù)用，由于該縱向多模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)只在垂直于芯片表面的方向上是多模的，在橫向即水平方向上是單模的，因而它的橫向尺寸可以很小，縱向可以做得很厚，彎曲半徑相比橫向的多模波導(dǎo)可以做得很小，這樣整個復(fù)用系統(tǒng)的尺寸就可以減小，而串?dāng)_也不會很大。EDG無法對橫向多個模式進(jìn)行復(fù)用或解復(fù)用，故傳統(tǒng)的EDG—般只用作波分復(fù)用器件，只能在單模波導(dǎo)中使用，沒有被應(yīng)用在對橫向多模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模式復(fù)用中。但是H)G可以針對縱向多模式工作，并且根據(jù)需要可以一次性分離多個模式(如幾十個)，這是與傳統(tǒng)的模式復(fù)用器件不同的地方。
[0006]如圖1所示，蝕刻衍射光柵(EDG)集成平面波導(dǎo)模式復(fù)用器件的原理圖，入射光由光纖導(dǎo)入輸入波導(dǎo)，再由蝕刻衍射光柵把不同傳播模式的光聚焦在不同的位置，由輸出波導(dǎo)導(dǎo)出，實現(xiàn)多個模式的解復(fù)用，同理反向使用該器件即可實現(xiàn)多個模式的復(fù)用。器件集成在單片半導(dǎo)體基底上，其設(shè)計的核心是蝕刻衍射光柵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決傳統(tǒng)模式復(fù)用器件難以實現(xiàn)僅用單個復(fù)用器件對三個以上的多個模式一次性實現(xiàn)復(fù)用或解復(fù)用，以及傳統(tǒng)橫向多模波導(dǎo)彎曲半徑太大導(dǎo)致系統(tǒng)尺寸過大的缺點，本發(fā)明提供一種多模式復(fù)用器件的設(shè)計方法，該方法針對波導(dǎo)中的縱向多個模式進(jìn)行復(fù)用與解復(fù)用，并采用Rowland圓來設(shè)計模式復(fù)用器件的光柵齒面、輸入波導(dǎo)及輸出波導(dǎo)，可以實現(xiàn)一次性對多個模式進(jìn)行復(fù)用或解復(fù)用，不需要堆疊器件，同時所采用的縱向多模波導(dǎo)相比傳統(tǒng)的橫向多模波導(dǎo)的彎曲半徑能夠大幅減小(通?？上嗖钜坏絻蓚€數(shù)量級)，從而大幅提高整個片上傳輸系統(tǒng)的集成度。
[0008]為了達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]—種多模式復(fù)用器件的設(shè)計方法，包括以下步驟:
[0010]SI:設(shè)計縱向多模波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)，該多模波導(dǎo)在縱向(垂直于芯片表面方向)上支持三個或三個以上的多個傳播模式。
[0011 ]以二氧化硅為襯底，以硅為波導(dǎo)芯層，覆蓋層為空氣或者二氧化硅，波導(dǎo)芯層高度大于0.5um，計算出可支持的多個傳播模式的有效折射率。
[0012]S2:設(shè)計蝕刻衍射光柵來實現(xiàn)復(fù)用與解復(fù)用:
[0013]利用SI中設(shè)計出來的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，設(shè)計厚度相匹配的蝕刻衍射光柵來實現(xiàn)模式的復(fù)用與解復(fù)用。
[0014]所述步驟S2的具體過程如下:
[0015]S21:確定工作波長與衍射級次m;
[0016]S22:確定入射角0i為30?45° ;
[0017]S23:確定基模的衍射角0k*3O?45° ;
[0018]S24:根據(jù)光柵方程:
[0019]neffd(sin0i+sin0k) =mA( I)
[0020]對波導(dǎo)中存在的多個模式，根據(jù)其余各模式的等效折射率分別計算出其余各模式對應(yīng)的衍射角；
[0021]S25:根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計蝕刻衍射光柵的反射齒面。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是:
[0023]本發(fā)明方法針對波導(dǎo)中的縱向多個模式進(jìn)行復(fù)用與解復(fù)用，并采用Rowland圓來設(shè)計模式復(fù)用器件的光柵齒面、輸入波導(dǎo)及輸出波導(dǎo)，可以實現(xiàn)一次性對多個模式進(jìn)行復(fù)用或解復(fù)用，不需要堆疊器件，同時所采用的縱向多模波導(dǎo)相比傳統(tǒng)的橫向多模波導(dǎo)的彎曲半徑能夠大幅減小(通?？上嗖钜坏絻蓚€數(shù)量級)，從而大幅提高整個片上傳輸系統(tǒng)的集成度。
【附圖說明】
[0024]圖1為蝕刻衍射光柵集成平面波導(dǎo)模式復(fù)用器件的原理示意圖；
[0025]圖2為平面反射光柵示意圖，其中rR為羅蘭圓的半徑;2rR為光柵曲面的半徑，是羅蘭圓半徑的2倍;Pg為光柵槽面;Q1為光線入射角，光線的衍射角。
【具體實施方式】
[0026]附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；
[0027]為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產(chǎn)品的尺寸；
[0028]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。
[0029]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。
[0030]如圖2所示，選用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以二氧化硅為襯底，以硅為波導(dǎo)芯層，覆蓋層為空氣或者二氧化硅，波導(dǎo)芯層高度為lum，計算出可支持3個傳播模式和它們對應(yīng)的有效折射率m，n2，n3。選取1550nm的波長為該器件的對應(yīng)工作波長，衍射級次為15，入射角01為35°，基模(即最低的一個模式)的衍射角為40°。
[0031]然后根據(jù)光柵方程:
[0032]neffd(sin0i+sin0k) =mA (I)
[0033]對波導(dǎo)中存在的多個模式，根據(jù)除基模外其余各模式的等效折射率分別計算出其余各模式對應(yīng)的衍射角9!<。根據(jù)光柵方程可以知道，對于不同的模式，由于有效折射率neff分別取為m，n2，n3，故各模式分別對應(yīng)于不同的衍射角，而衍射角決定了輸出波導(dǎo)在Row I and圓上的位置。
[0034]EDG的工作原理為:將位于Rowland圓上對應(yīng)于入射角的一點放置輸入波導(dǎo)，則波導(dǎo)中傳播的多個模式各自的光場進(jìn)入EDG并被反射后，將根據(jù)有效折射率的不同匯聚成像于同一 Rowland圓上對應(yīng)于不同衍射角度的位置處，因而可以將輸出波導(dǎo)放置于這些位置處，從而將不同的模式導(dǎo)出以實現(xiàn)多個模式的解復(fù)用。反之，反向應(yīng)用該器件，將多個輸出波導(dǎo)作為輸入，將輸入波導(dǎo)作為輸出，則可以實現(xiàn)多個模式的復(fù)用。
[0035]確定了輸入波導(dǎo)及輸出波導(dǎo)在Rowland圓上對應(yīng)的角度之后，即可選擇合適的Rowland圓半徑，本例中設(shè)為500微米，以使輸出波導(dǎo)之間的間距足夠大從而避免串?dāng)_，本例中其間距大于3微米。然后，以輸入波導(dǎo)位置以及基模對應(yīng)的輸出波導(dǎo)位置為基準(zhǔn)，并利用以下關(guān)系:(I)光線從輸入波導(dǎo)處到光柵第i個齒再回到中心波長下基模輸出波導(dǎo)處的光程比光線從輸入波導(dǎo)處到光柵第i+Ι個齒再回到中心波長下基模輸出波導(dǎo)處的光程減少了中心波長的m倍。(2)所有光柵齒面中心位于與Rowland圓相切且半徑為Rowland圓半徑的2倍的大圓上，從而可以計算出所有光柵齒面的位置，完成EDG的設(shè)計。
[0036]相同或相似的標(biāo)號對應(yīng)相同或相似的部件；
[0037]附圖中描述位置關(guān)系的用于僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；
[0038]顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種多模式復(fù)用器件的設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟: S1:設(shè)計縱向多模波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)，該多模波導(dǎo)在縱向即垂直于芯片表面方向上支持三個或三個以上的多個傳播模式。 以二氧化硅為襯底，以硅為波導(dǎo)芯層，覆蓋層為空氣或者二氧化硅，波導(dǎo)芯層高度大于0.5um，計算出可支持的多個傳播模式的有效折射率。 S2:設(shè)計蝕刻衍射光柵來實現(xiàn)復(fù)用與解復(fù)用: 利用SI中設(shè)計出來的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，設(shè)計厚度相匹配的蝕刻衍射光柵來實現(xiàn)模式的復(fù)用與解復(fù)用。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模式復(fù)用器件的設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟S2的具體過程如下: S21:確定工作波長與衍射級次m; S22:確定入射角01為30?45° ; S23:確定基模的衍射角0k*3O?45° ; S24:根據(jù)光柵方程: neffd(sin0i+sin0k) =mA (I) 對波導(dǎo)中存在的多個模式，根據(jù)其余各模式的等效折射率分別計算出其余各模式對應(yīng)的衍射角； S25:根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計蝕刻衍射光柵的反射齒面。
【文檔編號】G02B6/293GK105911642SQ201610494640
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】朱凝, 楊楊, 陳俊
【申請人】華南師范大學(xué)