[发明专利]模式空间分离的新型光通讯波导

说明书

技术领域

本发明涉及光通讯和光波导设计领域，具体地说是涉及模式空间分离的新型光通讯波导。 

背景技术

二十世纪后期发展起来的光通讯技术将人类社会推进到信息时代。在光通讯系统中，光波导对传输信号起着限制、传输、耦合、调控等作用，是最基本的构成单元之一。近年来提出的用光子作为信息载体，实现全光网络的远景目标,需要研制小型化、集成化的高效率低损耗光波导。 

传统的介质光波导靠全反射机制来传导光波，要求光波导的纤芯折射率大于薄层折射率，传统多模波导芯层直径通常大于10微米，单模波导芯层直径约为7.5-9.5微米，由于波导外层需要包覆多个保护层和缓冲层，波导直径一般在100微米以上。这类光波导在光通信中起到了重要作用，但在小型化和集成化时却遇到了瓶颈，因此，设计新型光学波导仍然是一项重要的科技任务。 

近年来，国内外在新型光波导的设计上开展了深入的研究，其中最大的成就是将光子晶体结构引入到光波导中来，设计出光子晶体波导，在波导中实现了光传播的导带和禁带，并且把光波导的尺寸缩小到微米量级。自1992年Russell等人提出并随后在实验上制出光子晶体光纤至今，光子晶体光纤已被人们发展运用于多个运用领域（P.St.J.Russell,J.C.Knight,T.A.Birks,B.J.Mangan and W.J.Wadsworth“Recent progress in photonic crystal fibers”,Optical Fiber Communication Conference ThG1-1(2000)）。例如，光子带隙光纤（PBG-PCF）的导光机制可以实现光在空气芯中传播，避免了石英等芯层材料对光波的影响，能传输高能量的超短脉冲，可以应用于小型光子器件设计，微加工，生物医疗等领域；全内反射光纤（TIR-PCF）具有“不截止单模”的特点，实验证实在337nm-1550nm波段内只有单模传输（T.A.Birks,J.C.Knight,P.St.J.Russell,“Endlessly single-mode photonic crystal fiber”,Opt.Lett.22,961(1997)），并且传输模式面积较大（J.C.Knight,T.A.Birks,R.F.Cregan,P.St.J.Russell and J.P.de Sandro,“Large mode area photonic crystal fiber”,Electronics Letters.34,1347(1998)），在光纤激光器、光纤放大器等领域有着重要作用。 

然而，目前的各种光波导中，光波仅在芯层中传输，包层只起到阻止光波能量泄露的作用，从利用率的角度上并不高效。对于多模波导，传输模式在空间上混合，给模式分离带来困难，不利于光波导与其他器件的集成。以上固有缺陷难以满足光子器件小型化、集成化的需求，因此，设计一种既具有光子晶体光纤的优良性能，又能在空间上分离模式的低损耗小型化光通讯波导颇有应用价值。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现模式空间分离传输的低损耗通讯光波导结构方案，结构简单高效，能用现有加工工艺实现。 

本发明的技术方案是： 

一种模式空间分离的新型光通讯波导，具有1550纳米、1310纳米和850纳米三个低损耗传输窗口，包括芯层、包层，所述芯层为空气层，其特征在于所述包层由折射率、厚度按Thue-Morse迭代规则变化的介质多层膜构成。 

进一步地，所述介质分别为硅和石英，硅和石英的厚度分别为70±4纳米和100±5纳米，硅和石英的排列顺序为Thue-Morse序列第3代重复8次，波导外直径为28.2±1.4微米。 

本发明的工作原理如下： 

光子晶体波导的包层由折射率不同的材料按一定周期排列而成，周期结构能产生光子能带，对传播的光波具有调制作用，表现为频率在光子禁带中的光波不能通过包层，成为局域在芯层中的传播模；频率在光子导带中的光波能通过包层到达波导外部，成为泄露模。通过对包层周期结构的设计可以实现对传播模式和传播频率的调控。光子晶体波导对光波能量有很好的局域性，但是所有模式的能量均被局域在芯层，即传播模式在空间上不分离。