基于光子晶體的三模式模分復用與解復用器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于光子晶體的三模式模分復用與解復用器。其中二維正方晶格介質柱型光子晶體(1)是由圓柱形介質柱按正方晶格排列，沿X?Z平面周期性分布的光子晶體，介質柱材料為硅，背景材料為空氣；單模波導都是通過移除一排介質柱構成的；TE0和TE1雙模式多模波導(3)通過在二維正方晶格結構光子晶體(1)中引入2.04μm線缺陷構成；TE0、TE1和TE2三模式多模波導(4)通過在二維正方晶格結構光子晶體(1)中引入3.03μm線缺陷構成；TE0和TE1雙模式多模波導(3)與第二單模波導(2?2)之間相隔一排介質柱，這一區(qū)域為TE0和TE1模式耦合區(qū)(5)；TE0、TE1和TE2三模式多模波導(4)與第三單模波導(2?3)之間相隔一排介質柱，這一區(qū)域為TE0和TE2模式耦合區(qū)(6)。
【專利說明】
基于光子晶體的三模式模分復用與解復用器
技術領域
[0001]本發(fā)明是一種基于光子晶體的三模式模分復用/解復用器，涉及光通信與光信息處理的技術領域。
【背景技術】
[0002]光子晶體作為一種新型的光學功能材料，已受到了廣泛的關注。人們正試圖利用光子晶體的特殊性質，開發(fā)出更多的光學元器件。目前，大容量數據傳輸是人們面臨的一大問題，模分復用正是解決這一問題的關鍵技術。模分復用技術利用各模式間的正交性，以有限的穩(wěn)定模式作為獨立信道傳遞信息，可以成倍的提高系統(tǒng)容量和頻譜效率，是一種嶄新的多輸入多輸出光傳輸形式，是未來突破光纖香農極限的研究方向之一?；诠庾泳w的模分復用/解復用器件，不僅可以滿足大容量數據傳輸的需求，并且其尺寸僅在微米量級，同時具有易于光學集成、插入損耗低，模式之間的串擾小等優(yōu)點，對于未來的光集成系統(tǒng)有著潛在的應用價值。
[0003]二維光子晶體三模式模分復用/解復用器通過調整多模波導寬度來實現(xiàn)模式之間的相位匹配。不同寬度的多模波導可以傳輸的模式不同，通過調整多模波導的寬度使得波導可以分別傳輸雙模式和三模式，同時滿足高階模式的有效折射率與基模有效折射率相等，從而達到相位匹配的條件，進而實現(xiàn)模式之間的耦合轉換。

【發(fā)明內容】

[0004]技術問題:本發(fā)明目的是提出一種基于光子晶體的三模式模分復用與解復用器，其利用準相位匹配原理，實現(xiàn)了三個模式之間的模分復用和解復用，增大了光波導的傳輸容量。
[0005]技術方案:為了適應高集成、大容量光通信系統(tǒng)的發(fā)展，能夠在光波導器件中同時傳輸多個模式的光信號，我們提出了一種基于二維正方晶格介質柱型光子晶體三模式模分復用/解復用器，使其能夠復用三個模式，具有實際的應用價值。傳統(tǒng)的光子晶體波導器件僅僅能進行一個模式的傳輸，譬如基于光子晶體的波分復用器;而在硅基波導系統(tǒng)中，雖然已經有很多關于模分復用系統(tǒng)的設計，但其尺寸受其傳輸機理限制不能做的更小。本發(fā)明采用線缺陷構成波導，通過調整波導寬度分別實現(xiàn)基模波導、雙模波導和三模波導，同時多模波導與單模波導滿足相位匹配調節(jié)，從而實現(xiàn)基于二維正方晶格介質柱型光子晶體的三模式模分復用/解復用器。
[0006]該光子晶體模分復用與解復用器包括二維正方晶格結構光子晶體、第一單模波導、第二單模波導、第三單模波導、TEo和TE1雙模式多模波導、TEoJEdPTE2三模式多模波導、TE0和TE1模式耦合區(qū)、TEo和TE2模式耦合區(qū)；其中，二維正方晶格結構光子晶體是沿X-Z平面周期性分布的介質柱型娃光子晶體;在二維正方晶格結構光子晶體中分別移除一排介質柱構成第一單模波導、第二單模波導、第三單模波導；在二維正方晶格結構光子晶體中引入2.04μπι線缺陷作為TEo和TE1I模式多模波導;在二維正方晶格結構光子晶體中引入3.03ym線缺陷作為TEoUPTE2三模式多模波導;TEo和TE1雙模式多模波導與第二單模波導之間相隔一排介質柱，這一區(qū)域為TEo和TE1模式耦合區(qū)；TEo、TEdPTE2三模式多模波導與第三單模波導之間相隔一排介質柱，這一區(qū)域為TEo和TE2模式親合區(qū)。
[0007]所述的TEo和TE1雙模式多模波導、TEo、TEdPTE2三模式多模波導，其構成方式，它區(qū)別于改變介質柱大小的方法，而是通過改變線缺陷寬度實現(xiàn)的，這樣的結構更加易于實現(xiàn)。
[0008]所述第一單模波導與TEo和TE1雙模式多模波導，TEo和TE1雙模式多模波導與TEo、TEjPTE2三模式多模波導的連接方式是一種漸變連接方式，這樣的結構有利于抑制光波通過兩個波導時由模式失配引起的反射損耗。
[0009]基于二維正方晶格介質柱型光子晶體的模分復用/解復用器包括二維正方晶格介質柱型光子晶體、單模導區(qū)、TEo和TE1雙模波導區(qū)、TEoUPTE2三模波導區(qū)、模式耦合區(qū)。該模分復用/解復用器的復用過程是:一束基模光沿著TEo和TE1I模模式耦合區(qū)的單模波導入射，由于TEo光束在單模波導中的有效折射率與TE1模式光束在TEo和TE1雙模模式耦合區(qū)中的有效折射率相等，滿足相位匹配條件，所以單模波導中傳播的基模光通過模式耦合區(qū)時會耦合進TEo和TE1雙模波導中并轉變成TE1模式;而單模波導中基模光束與多模波導中其他模式光束的有效折射率有效折射率不等，不滿足相位匹配條件不會發(fā)生耦合。同時一束基模光沿著TEo、TEjPTE2三模模式耦合區(qū)的單模波導入射，由于TEo光束在單模波導中的有效折射率與TE2模式光束在TEoJEjPTE2三模波導中的有效折射率相等，滿足相位匹配條件，所以單模波導中傳播的基模光通過模式耦合區(qū)時會耦合進TEo、TEjPTE2三模波導中并轉變成TE2模式;而單模波導中基模光束與多模波導中其他模式光束的有效折射率有效折射率不等，不滿足相位匹配條件不會發(fā)生耦合。這樣便實現(xiàn)了三種模式的復用。解復用是復用的逆過程。
[00?0]有益效果:本發(fā)明提出的一種基于二維正方晶格介質柱型的光子晶體三模式模分復用/解復用器，可以實現(xiàn)三模式的復用及解復用。該復用/解復用器在二維正方晶格介質柱型光子晶體中，通過調整線缺陷的寬度分別形成TEo和TE1雙模式多模波導和TEo、TEdPTE2三模式多模波導，并且能夠使得不同模式之間達到相位匹配條件，從而實現(xiàn)了高效的模式耦合。各傳輸波導之間采用的是漸變連接方式，有效地提高了光波的傳輸效率。該器件能夠很好地滿足未來高集成、大容量的模分復用光通信系統(tǒng)的需求。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明提出的光子晶體模分復用/解復用器的結構圖，
[0012]圖1中有:二維正方晶格介質柱型光子晶體1、第一單模波導2-1、第二單模波導2-
2、第三單模波導2-3、TEo和TE1I模式多模波導3、TEo、TEjPTE2三模式多模波導4、TEo和TE1模式耦合區(qū)5、TEo和TE2模式耦合區(qū)6。
[0013]圖2a為復用時的基模光束的傳播時域穩(wěn)態(tài)圖，
[0014]圖2b為復用時的一階模光束的傳播時域穩(wěn)態(tài)圖。
[0015]圖2c為復用時的二階模光束的傳播時域穩(wěn)態(tài)圖。
[0016]圖3a為解復用時的基模光束的傳播時域穩(wěn)態(tài)圖，
[0017]圖3b為解復用時的一階模光束的傳播時域穩(wěn)態(tài)圖。
[0018]圖3c為解復用時的二階模光束的傳播時域穩(wěn)態(tài)圖。
【具體實施方式】
[0019]基于二維正方晶格介質柱型光子晶體的模分復用/解復用器包括二維正方晶格介質柱型光子晶體1、第一單模波導2-1、第二單模波導2-2、第三單模波導2-3、TEo和TE1雙模式多模波導3、TEo、TEdPTE2三模式多模波導4、TEo和TE1模式耦合區(qū)5、TEo和TE2模式耦合區(qū)6;其中，二維正方晶格結構光子晶體I是沿X-Z平面周期性分布的介質柱型硅光子晶體;單模波導通過在二維正方晶格結構光子晶體I中移除一排介質柱構成;TEo和TEi雙模式多模波導3通過在二維正方晶格結構光子晶體I中引入2.04μπι線缺陷構成;TEo、TE^TE2三模式多模波導4通過在二維正方晶格結構光子晶體I中引入3.03μπι線缺陷構成。單模波導和多模波導采用的是漸變連接方式。在TEo和TE1模式耦合區(qū)5，耦合長度為11個晶格常數。在TEo和TE2模式耦合區(qū)6，耦合長度為14個晶格常數。本發(fā)明提出的基于二維正方晶格介質柱型的光子晶體模分復用/解復用器傳輸波長為1550nm。
[°02°]具體參數為:晶格常數A = 0.55μηι，介質柱半徑R = 0.1ym，娃介質折射率η = 3.4;在TE0和TE1模式耦合區(qū)5長度為11個晶格常數，TEo和TE2模式耦合區(qū)6長度為14個晶格常數。
[0021]基于光子晶體模分復用/解復用器的工作原理如下:線缺陷的引入，實質是為光波的傳輸提供了波導，使頻率落在光子禁帶范圍內的光波能夠通過線缺陷。單模波導和多模波導的漸變連接方式，很好地抑制了由模式失配引起的反射損耗。調節(jié)多模波導的寬度，使得基模在單模波導中的有效折射率與高階模在多模波導中的有效折射率相等，滿足相位匹配條件，此時基模光可以從單模波導中耦合進多模波導中并轉變成高階模。通過選取合適的耦合長度，可以提高模式耦合效率。
[0022]復用過程如下:一束基模光沿著TEo和TEi雙模模式親合區(qū)的單模波導入射，由于TE0光束在單模波導中的有效折射率與TE1模式光束在TEo和TE1雙模波導中的有效折射率相等，滿足相位匹配條件，所以單模波導中傳播的基模光通過模式耦合區(qū)時會耦合進TEo和TE1雙模波導中并轉變成TE1模式;而單模波導中基模光束與多模波導中其他模式光束的有效折射率有效折射率不等，不滿足相位匹配條件不會發(fā)生耦合。同時一束基模光沿著TEo JE1和TE2三模模式耦合區(qū)的單模波導入射，由于TEo光束在單模波導中的有效折射率與TE2模式光束在TEo、TEdPTE2三模波導中的有效折射率相等，滿足相位匹配條件，所以單模波導中傳播的基模光通過模式耦合區(qū)時會耦合進TEoJEjPTE2三模波導中并轉變成TE2模式;而單模波導中基模光束與多模波導中其他模式光束的有效折射率有效折射率不等，不滿足相位匹配條件不會發(fā)生耦合。這樣便實現(xiàn)了三種模式的復用。解復用是復用的逆過程。
【主權項】
1.一種基于光子晶體的三模式模分復用與解復用器，其特征在于該光子晶體模分復用與解復用器包括二維正方晶格結構光子晶體(I)、第一單模波導(2-1)、第二單模波導(2-2)、第三單模波導(2-3)、TEo和TE1I模式多模波導(3)、TEo、TEdPTE2三模式多模波導(4)、TE0和TE1模式耦合區(qū)(5)、TEo和TE2模式耦合區(qū)(6);其中，二維正方晶格結構光子晶體(I)是沿X-Z平面周期性分布的介質柱型硅光子晶體;在二維正方晶格結構光子晶體(I)中分別移除一排介質柱構成第一單模波導(2-1)、第二單模波導(2-2)、第三單模波導(2-3);在二維正方晶格結構光子晶體(I)中引入2.04μπι線缺陷作為TEo和TE1I模式多模波導(3);在二維正方晶格結構光子晶體(I)中引入3.03μπι線缺陷作為TEoJEjPTE2三模式多模波導(4);ΤΕο和TE1I模式多模波導(3)與第二單模波導(2-2)之間相隔一排介質柱，這一區(qū)域為TEo和TE1模式耦合區(qū)(5) ;TEoUPTE2三模式多模波導⑷與第三單模波導(2-3)之間相隔一排介質柱，這一區(qū)域為TEo和TE2模式耦合區(qū)(6)02.根據權利要求1所述的基于光子晶體的三模式模分復用與解復用器，其特征在于所述的TEo和TE^模式多模波導(3)、TEoUPTE2三模式多模波導(4)，其構成方式，它區(qū)別于改變介質柱大小的方法，而是通過改變線缺陷寬度實現(xiàn)的，這樣的結構更加易于實現(xiàn)。3.根據權利要求1所述的基于光子晶體的三模式模分復用與解復用器，其特征在于，所述第一單模波導(2-1)與TEo和TE1I模式多模波導(3)，ΤΕο和TE1I模式多模波導(3)與TEo、TEjPTE2三模式多模波導(4)的連接方式是一種漸變連接方式，這樣的結構有利于抑制光波通過兩個波導時由模式失配引起的反射損耗。
【文檔編號】G02B6/293GK106094119SQ201610626410
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月1日 公開號201610626410.6, CN 106094119 A, CN 106094119A, CN 201610626410, CN-A-106094119, CN106094119 A, CN106094119A, CN201610626410, CN201610626410.6
【發(fā)明人】陳鶴鳴, 付培棟
【申請人】南京郵電大學