[发明专利]一种在多模波导中实现多模准相位匹配四波混频的方法

说明书

本发明公开了一种在多模波导中实现多模准相位匹配四波混频的方法。本发明首先确定基模和高阶模对应的四波混频过程的目标信号光波长，再利用仿真软件对不同宽度的直波导的本征模式进行仿真，接着计算获得基模和高阶模分别对应的四波混频过程中直波导宽度‑相位失配量的关系曲线，再利用本发明提出的多模相位失配量等式确定直波导宽度，利用直波导长度与相位失配量的关系确定直波导长度，最终在多模波导中同时实现基模和高阶模的四波混频过程的准相位匹配。本发明以硅波导为例进行了仿真计算，结果显示可以在覆盖整个C波段以及大部分L波段的范围内实现高效率的多模波长转换，克服了现有的多模波长转换研究中存在的转换带宽较窄的问题。

技术领域

本发明涉及了属于光通信技术领域的一种在波导中实现相位匹配四波混频的方法，具体涉及了一种在多模波导中实现多模准相位匹配四波混频的方法。

背景技术

波长转换在在波长路由的光通信系统中不可或缺，当两个具有相同波长的信号到达同一节点时，波长会发生阻塞。为了实现波长的重用，可以在此节点上通过波长转换，将其中一个波长上携带的信息复制到另一个空闲的波长上继续传输。随着近十年来集成光波导技术的飞速发展，基于片上光波导器件的全光波长转换研究逐渐兴起。其中四波混频效应(Four Wave Mixing,FWM)由于其对高阶调制格式透明而受到了大量的关注。

在波导中实现高效率的FWM首先要实现相位匹配。主流的相位匹配方法多是调整波导尺寸进行色散管理，在目标波段范围内获得接近零的色散。目前大多数研究只针对波导中的基模，对基模的色散管理技术已较为成熟。随着片上混合复用概念的提出，针对多模波导的研究日趋火热，多模波长转换的研究也已提上日程。2014年，Ding Yunhong等人在多模硅波导中实现了模式选择的全光波长转换，尝试对TE₀和TE₁两个模式同时进行色散管理。但高阶模较差的色散特性导致要在宽带内同时实现基模和高阶模的相位匹配极为困难，因此目前多模波长转换的研究只能停留在演示阶段，距离实际应用还较为遥远。

2013年，Yannick Lefevre提出了在存在较大相位失配量的情况下实现高效率的FWM的方案，称之为准相位匹配(Quasi Phase Matching，QPM)，这种方法借鉴了二阶非线性过程中常用的准相位匹配的思想，但和周期极化反转不同的是，它通过波导宽度周期性改变的类光栅结构实现了色散的周期性变化，起到了和周期性畴反转类似的效果，从而在硅波导中实现了在1.3μm到1.9μm的近红外范围内的任意波长处的高效FWM(波长转换效率大于-23dB)。2014年，Yannick Lefevre又提出了对两个任意FWM过程同时实现准相位匹配的方法，但仍只是针对一个波导模式的两个不同泵浦波长的FWM过程。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在多模波导中实现多模准相位匹配四波混频的方法。本发明的最终多模波导采用波导宽度周期性变化的类光栅结构，能够同时对多模波导的TE₀和TE₁两个模式的FWM过程实现准相位匹配。仿真结果显示，两个模式的波长转换效率均可达到-16dB，带宽均可覆盖整个C波段。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

所述的多模波导是包括了两段直波导以及两段直波导之间的锥形波导，本发明的具体步骤如下：

1)确定基模和高阶模的目标信号光、泵浦光和闲频光波长，然后基于当前目标信号光、泵浦光和闲频光处理获得当前目标信号光下基模和高阶模分别对应的四波混频过程中直波导宽度-相位失配量的关系曲线；

2)根据当前目标信号光下基模和高阶模分别对应的四波混频过程中直波导宽度-相位失配量的关系曲线，选择两个直波导宽度W₁和W₂，使得当前目标信号光处两种宽度的直波导分别在基模和高阶模对应的四波混频过程中的相位失配量满足多模相位失配量等式；