[发明专利]一种多模波导及其设计方法

说明书

本发明涉及一种多模波导及其设计方法，该多模波导包括波导芯层和覆盖层，该波导芯层由D段圆弧连接而成，D≥3，其相邻圆弧在连接点处有共同切线，所述圆弧的曲率半径在整体上呈由起始段至终段不规则地、跃变型减小的趋势，多模波导所支持的任一模式的传输损耗均不高于5％，任意两个模式间的串扰不高于‑20dB。本发明的多模波导能够大幅减小多模波导损耗，大幅减小波导的曲率半径，降低模间串扰，从根本上打破了使用既定数学曲线其曲率半径变化范围较为固定，变化程度难以大幅调节的缺点。

技术领域

本发明涉及光通信领域，具体涉及一种多模波导及其设计方法。

背景技术

近期，网络信息爆炸式增长，原有的网络已经越来越难以满足当今的需求。传统的集成电路存在带宽小，传输功耗较大等缺点。相比于电子，以光子为载体有着很大的优势。光信息的传输拥有更大的带宽和更低的传输功耗。

光通信技术已经在几十年里迅速发展，支撑着我们日益信息化的社会和经济。当今信息的发展，对单根光纤的信息容量扩展有了急速膨胀的要求。模式复用(MDM)在同一波长中有不同的模式，对不同模式进分复用和分离，可以在此基础上进一步增加信息量，于是就有了MDM这个技术来解决上述单根光纤容量问题。模分复用传输系统是在1根少模光纤中存在多个并行信道，这样就将传输的容量扩展了多倍。由于不同的信道属于不同模式，这样在同等传输容量的条件下，非线性效应的影响要小的多，这样就减小了由于非线性效应导致的信噪比恶化。MDM系统中，要求在同一波导中能够支持不同模式的传输，当传输光经过未经特殊设计的弯曲波导时候，会产生很大的损耗和模式间串扰。因此设计出支持多种模式传输的弯曲波导对MDM系统有很重要的意义。

传统的模式复用一般是横向模式复用，即对横向的多个模式进行复用与解复用，它支持的模式越多，波导的弯曲半径就越大，器件的尺寸也要越大。近年来国内外很多课题组提出很多方法来优化片上波导的弯曲。比如利用特殊曲线改变弯曲形状，在弯曲波导前后或弯曲部分的波导芯层上方设计纳米微细结构等方法。传统弯曲波导大多数使用圆形，其曲率为常数；芬兰VTT实验室采用欧拉螺线曲线设计曲率渐变的弯曲波导；浙江大学的戴道锌课题组通过对弯曲波导对曲线形状进行优化，用欧拉曲线代替传统圆形曲线。通过采用改变曲线形状，设计曲率渐变的弯曲波导曲线形状，在一定程度上可以减少弯曲波导损耗。采用缓和曲线，可以减少由于中心模场不匹配引起的损耗，又能在同样转弯条件下减小弯曲半径，且相比于在波导芯层上面增添纳米结构此种方法工艺简单，只需要一次蚀刻，不需增加曝光及蚀刻步骤。上文列举的两个课题组均是利用现有的某种特定数学函数设计曲率渐变的弯曲波导，对曲率半径的变化限制较大，虽然可在一定程度下减小弯曲波导部分损耗，但是程度较低。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种大幅减小多模波导损耗，较大程度减小曲率半径，降低模间串扰的多模波导及其设计方法。基于该目的本发明至少提供如下技术方案：

一种多模波导，该多模波导包括波导芯层和覆盖层，所述覆盖层包裹所述波导芯层，所述波导芯层的折射率高于所述覆盖层，所述波导芯层具有厚度和宽度，其特征在于，所述厚度在垂直方向上支持单个模式，所述宽度在水平方向上支持多模式，该波导芯层由D段圆弧连接而成，D≥3，其相邻圆弧在连接点处有共同切线，所述圆弧的曲率半径在整体上呈由起始段至终段不规则地、跃变型减小的趋势，所述多模波导所支持的任一模式的传输损耗均不高于5％，任意两个模式间的串扰不高于-20dB。

在一具体实施方式中，所述圆弧具有曲率半径R_i，R_i≥R_i+1，且至少存在一个i满足R_i＞R_i+1，i＝1，……，D-1。

所述波导芯层选自Si、Si₃N₄、GaAs以及InP中的至少一种；所述覆盖层选自空气、SiO₂以及聚合物中的至少一种。

在一具体实施方式中，所述波导芯层中圆弧的段数D≥10。