[发明专利]基于光子晶体的模分复用与解复用器

说明书

技术领域

本发明是一种基于光子晶体的模分复用/解复用器，尤其是一种光通信波段的双模式模分复用/解复用器，涉及光通信与光信息处理的技术领域。

背景技术

光子晶体作为一种新型的光学功能材料，已受到了广泛的关注。人们正试图利用光子晶体的特殊性质，开发出更多的光学元器件。目前，大容量数据传输是人们面临的一大问题，模分复用正是解决这一问题的关键技术。基于光子晶体的模分复用/解复用器件，不仅可以满足大容量数据传输的需求，并且其尺寸仅在微米量级，对于未来的光集成系统有着潜在的应用价值。

模分复用的机制是利用相位匹配原理。当光波的不同模式在两波导中的传播常数相等时，彼此之间有着很高的耦合系数。经过一定的耦合长度，可以实现光波在两波导之间的模式转换。而传播常数的大小与光波模式在波导中的有效折射率有关，所以通常计算的是光波模式在波导中的有效折射率。

基于二维正方晶格介质柱型的光子晶体模分复用/解复用器具有以下优势：器件尺寸小、仅有微米量级，易于光学集成、插入损耗低，模式之间的串扰小、稳定性和可靠性强。

二维光子晶体模分复用/解复用器通过调整非常规单模波导区的介质柱半径及折射率来实现模式之间的相位匹配。当非常规单模波导区的介质柱半径及其折射率发生变化时，非常规单模波导仍仅允许基模进行传输，但基模在非常规单模波导中的有效折射率将会随之发生变化。通过对有效折射率的调整，达到相位匹配的条件，从而实现模式之间的耦合转换。

发明内容

技术问题：本发明目的是提出一种基于二维正方晶格介质柱型光子晶体的模分复用与解复用器，其利用相位匹配原理，实现了两个模式之间的模分复用和解复用，增大了光波导的传输容量。

技术方案:为了适应高集成、大容量光通信系统的发展，能够在光波导器件中同时传输多个模式的光信号，我们提出了一种基于二维正方晶格介质柱型光子晶体的模分复用/解复用器，使其能够复用两个模式，具有实际的应用价值。传统的光子晶体波导器件仅仅能进行一个模式的传输，譬如基于微腔耦合的波分复用系统；而在硅基波导系统中，虽然已经有很多关于模分复用系统的设计，但其尺寸受其传输机理限制不能做的更小。本发明采用两种方式构成波导：一是移除介质柱形成线缺陷构成波导；二是改变介质柱的半径及折射率从而形成波导。再辅以选取合适的耦合长度，从而实现基于二维正方晶格介质柱型光子晶体的模分复用/解复用器。

本发明的一种基于光子晶体的模分复用与解复用器包括二维正方晶格结构光子晶体(1)、常规单模波导(2)、常规多模波导(3)、非常规单模波导(4)、模式耦合(5)；其中，二维正方晶格结构光子晶体(1)是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体；在二维正方晶格结构光子晶体(1)中移除一排介质柱构成常规单模波导(2)；在二维正方晶格结构光子晶体(1)中移除三排介质柱构成常规多模波导(3)；在二维正方晶格结构光子晶体(1)中改变一排介质柱的半径及折射率构成非常规单模波导(4)；非常规单模波导(4)、与常规单模波导(2)之间相隔一排介质柱，这一区域为模式耦合(5)。

非常规单模波导(4)的构成方式，它区别于常规引入线缺陷的方法，而是通过改变介质柱的半径及折射率来实现的，这样的结构更加方便进行相匹配调整。

常规单模波导(2)与常规多模波导(3)的连接方式是一种对称连接方式，这样的结构有利于抑制光波通过两个波导时由模式失配引起的反射损耗。

基于二维正方晶格介质柱型光子晶体的模分复用/解复用器包括二维正方晶格介质柱型光子晶体、常规单模波导区、常规多模波导区、非常规单模波导区、模式耦合区。该模分复用/解复用器的复用过程是：一束基模光沿着常规单模波导入射，而另一束基模光沿着非常规单模波导入射，常规单模波导和非常规单模波导之间相隔两排介质柱。由于基模光在常规单模波导和非常规单模波导中的有效折射率不等，所以两束基模光之间几乎不发生耦合。在模式耦合区，由于基模光束在非常规单模波导中的有效折射率与一阶模光束在常规多模波导中的有效折射率相等，满足相位匹配条件，所以非常规单模波导中传播的基模光通过模式耦合区时会耦合进常规多模波导中并转变成一阶模；而基模光束在非常规单模波导中的有效折射率与基模光束在常规多模波导中的有效折射率不等，不满足相位匹配条件，所以在常规多模波导中传播的基模光束经过耦合区时不发生耦合。这样便实现了两种模式的复用。解复用是复用的逆过程。