[发明专利]一种基于少模光纤的非对称平面光波导模式复用/解复用器

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种用于模式分集复用通信的便于互联的平面光波导模式复用/解复用器。

背景技术

随着互联网业务、物联网、IPTV及应用云计算的新一代大型数据中心等带宽消耗型业务的不断增多，网络带宽的需求达到了前所未有的高度，为了解决不断出现的“带宽消耗”型业务对光传送网带来的巨大压力，人们通过各种办法提高现有的光传输容量。然而，由于单模光纤自身固有的非线性效应的限制，在未来不远的时间可能达到可以预见的“带宽耗尽”。因此寻求一种能够从根本上解决单模光纤自身“带宽极限”的光传送技术成为重中之重，基于少模光纤的模式复用技术就是在这种大背景下应运而生的。

基于少模光纤的模式复用就是采用少模光纤作为通信媒质，利用光纤模式这一新的自由度，通过模式复用技术实现多路信号在同一根光纤中的同时传输，极大提高光纤通信系统的传输容量。同时，少模光纤具有比较大的模场面积，其非线性容限也很高，能很好规避非线性效应对系统的不利影响。

在基于少模光纤的模式复用系统中，模式复用器是最关键的部分，模式复用器主要作用是将不同的空间模式复用进一根少模光纤。对应的模式解复用器则是将少模光纤中的混合空间模式进行分离，得到不同的空间模式并进行探测和处理。与波分复用系统中的波分复用器/解复用器的地位类似，模式复用器/解复用器是模式复用系统的关键器件，因此成为模式复用技术的研究重点。

现有的模式复用器主要有：基于光纤熔融型的模式复用器（对模式具有选择耦合和分离的作用，故又将其称为模式选择耦合器）；基于自由空间光学的模式复用/解复用器（一是采用相位盘作为模式转换的结构；另一种是利用硅基液晶技术的空间光调制器作为模式转换的结构）等等。现有模式复用器多在实验室环境中用于模式复用通信实验系统的模式复用和解复用，其特点各异，或制作工艺复杂，或难于集成，或难于互联，或插入损耗大，难于实现产品化。因此，设计一种简单、高效的模式复用/解复用器成为模式复用系统中的研究重点。

发明内容

本发明的目的是针对现有模式复用器的不足，设计一种便于互联，适合与光纤相对接的基于少模光纤的平面光波导模式复用/解复用器，采用一种新型的非对称几何波导结构，这种波导结构可以起到良好的模式复用和解复用作用。

本发明设计的原理是有效折射率匹配效应。本发明设计的非对称平面光波导结构，利用几何形状的不同，产生折射率匹配效应进行模式复用与解复用。

设计工作的第一步，确定波导的结构。波导的结构主要由波导主臂和波导分支臂两部分组成，根据少模光纤中传输的模式数量，确定波导的分支数，本发明以波导中仅有两种模式为例，即基模和一阶模，确定波导的分支数为2。基于少模光纤的非对称平面光波导的模式复用/解复用器结构示意图，如图1所示，为Y型结构，由1个波导主臂和2个波导分支臂构成。波导主臂和波导分支臂均由芯层和包层构成。

设计工作的第二步，确定波导材料及芯层折射率和包层折射率。本发明采用掺杂微量三氧化二硼的二氧化硅作为波导的包层材料，采用掺锗的具有较高折射率的二氧化硅作为波导的芯层材料。波导芯层材料的折射率和包层材料的折射率是根据不同少模光纤的芯径和折射率（纤芯折射率和包层折射率）来确定，且主臂与分支臂的材料相同。例如：在一定工作波长λ下，少模光纤的纤芯半径为a，纤芯的折射率为n_core，包层的折射率为n_cladding，从而确定波导纤芯材料的折射率和包层材料的折射率分别为n′_core=n_core，n′_cladding=n_cladding，即本发明所述的一种便于互联的平面光波导模式复用/解复用器的材料选用与少模光纤相同的材料。

设计工作的第三步，设计波导主臂芯层的顶面和底面宽度、波导各分支臂芯层的顶面和底面宽度。本发明的特点是波导主臂芯层的顶面宽度和底面宽度相同，每个波导分支臂芯层的顶面宽度与波导主臂芯层的底面宽度相同，同时使波导主臂芯层的底面宽度与少模光纤芯层的直径相等，这样便于光纤与波导互联。假定光纤的芯层半径为a，则波导主臂A的底面宽度widthA为2a，波导分支臂的顶面宽度width1、width2均为2a。

设计工作的第四步，确定每个波导分支臂芯层的底面宽度。波导介质中的麦克斯韦方程组为：