[发明专利]一种多通道集成光波导模式复用-解复用器

说明书

技术领域

本发明涉及一种复用-解复用器，尤其是涉及用于模式复用系统的一种多通道集成光波导模式复用-解复用器。 

背景技术

众所周知，长距离光通信已经取得巨大成功。同样地，光互连作为一种新的互联方式，可克服传统电互联存在的瓶颈问题，引起了广泛关注。自1984年J. W. Goodman提出在VLSI中采用光互连方案以来，光互连研究已取得了巨大进展。当前光互连不断向超短距离互联推进，其通信容量需求日益增长。针对光互连系统数据传输量大的特点，最直接的方法是借用长距离光纤通信系统中常用的波分复用（WDM）技术。 

然而，波分复用系统需要多路激光器或可调谐激光器等价格昂贵的元件或模块，因而成本很高，很大程度上将限制它在光互联系统中的广泛应用。因此，亟需发展新的复用技术，从而降低波分复用系统的成本。模式复用技术在多模光纤通信中很早就被提出，但由于光纤模式控制（如转化、激发）技术的难题使之进展缓慢。我们注意到，在片上光互连系统中数据传输所采用的是平面光波导链路，因而具有非常好的偏振保持/控制能力。这为模式复用技术在光互连系统中的应用提供了一个极好的先决条件，其核心器件是模式（解）复用器。文献【Maxim Greenberg等，“Simultaneous dual mode add/drop multiplexers for optical interconnects buses，”Optics Communications 266 (2006) 527–531】设计了一种基于功率渐变（adiabatic power transfer）原理的双模插分复用器，同时上传/下载两个模式，但其设计复杂，不易于拓展，且仅工作于单个偏振。文献【S. Bagheri, and William M. J. Green “Silicon-on-insulator mode-selective add-drop unit for on-chip mode-division multiplexing,” 6th IEEE International Conference on Group IV Photonics, 2009 (GFP '09), Page(s): 166-168, 9-11 Sept. 2009】给出了一种基于多级模式耦合的双模插分复用器，但仅实现了基模和第一高阶模的复用，其结构复杂、设计不便、器件尺寸大、且不易于扩展至更多通道的模式复用。总之，目前模式（解）复用技术相关研究仍然很少，尤其用于片上光互连系统的集成光波导模式复用-解复用器更是鲜见，且已有少量报道的模式（解）复用器仅工作于单个偏振，通道少、扩展性差，难以满足大容量多通道的需求。因此，亟需发展一种适合于模式复用系统的多通道集成光波导模式复用-解复用器。 

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种多通道集成光波导模式复用-解复用器，从而实现将多路信号分别加载至同一条多模波导的N个本征模上，形成模式复用，实现大容量的数据传输。进一步的结合偏振复用技术，进一步地扩大容量。 

本发明采用的技术方案是，它包括： 

本发明的N+1条输入光波导是单模光波导，用于接收所述光，N>0；其中：

第0输入光波导末端依次连接有第一锥形光波导、第一多模光波导、第二锥形光波导、第二多模光波导、…、第n锥形光波导、第n多模光波导、…、第N锥形光波导、第N多模光波导、输出多模光波导；

第n输入波导，n=1，…，N，各输入光波导末端均依次连接有各自的一个S形弯曲光波导结构、耦合区光波导和另一个S形弯曲光波导结构；耦合区光波导与第n多模光波导相靠近以发生倏逝波耦合，耦合器光波导的长度满足如下条件：使耦合区光波导的基模完全耦合到第n多模光波导的第n阶高阶模；

第n多模光波导的第n阶高阶模是横电模，或是横磁模，n=1、…、N。

第一多模光波导、第二多模光波导、…、第N多模光波导的宽度依次增大，并各自支持至少2、3、…、N+1个本征模式；输出多模光波导宽度大于或等于第N多模光波导的宽度。 

第一锥形光波导、第二锥形光波导、…、第N锥形光波导首尾两端的宽度分别等于与之相连的多模波导宽度，此N个锥形光波导的锥度均满足绝热条件，即光场经过锥形光波导之后不激发新的模式。 

耦合区光波导和第n多模光波导的宽度的设计条件是，使耦合区光波导的基模与第n多模光波导的第n+1个高阶模满足位相匹配条件；耦合区光波导的长度选取规则是，使得耦合区光波导的基模完全耦合到第n多模光波导的第n阶高阶模。