[发明专利]一种基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器

说明书

一种用于模分复用系统的基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器，属于集成光学技术领域。从下至上依次由硅衬底、聚合物下包层、聚合物波导芯层、聚合物上包层和调制电极组成；沿光的传播方向，聚合物波导芯层依次由输入少模直波导、输入锥形波导、多模波导、输出锥形波导和输出少模直波导组成；加热电极位于多模波导侧上方的聚合物上包层之上或位于多模波导3的侧方的聚合物上包层之中。当对加热电极进行调制时，光在多模波导中的干涉效果发生变化，在多模波导的输出端为基模和高阶模的混合光，由于高阶模无法通过输出少模波导输出，从而使得输出光功率发生衰减。该衰减器模式不敏感，在相同调制温度和波长下对两种模式的衰减相同。

技术领域

本发明属于集成光学技术领域，具体涉及一种用于模分复用系统的基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器。

背景技术

光纤通信具有制作成本较低、带宽大以及传输损耗小等诸多优点，因此得到了非常快速的发展，尤其是在远距离传输的部分。研制全光学的信息传输及处理系统已经成为未来光纤通信技术发展的一个大方向。然而，随着大数据、5G通信等技术的发展，需要传输的数据量呈指数增长，于是，光通信的多种自由度被开发出来，例如波分复用、偏分复用等，这虽然很大程度的增加了信道传输容量，但是，与日益增长的数据传输的需求相比，单模光纤的通信容量仍有不足。因此，便需要开发新的自由度，于是模分复用应运而生。

模分复用技术是利用少模光纤(Few-Mode Fiber,FMF)或者是多模光纤(Multi-Mode Fiber,MMF)中互不相同的模式来传递信息，这些模式彼此正交，彼此互不影响，可以在少模光纤或者多模光纤中同时传输，不同的模式可以传递不同的信息，这样便使得数据传输容量成倍增加，达到了为通信系统扩容的目的。模分复用系统涵盖了多种光学器件，模分复用器、模式调制器、滤模器、弯曲波导、交叉波导、可变光衰减器等，其中可变光衰减器可以对光信号进行处理和控制，是模分复用系统中非常重要的器件之一。

随着光通信技术的发展，性能更好、成本更低、集成度更高的可变光衰减器的研制成为了一个研究热点。已经实现的可变光衰减器，主要基于可调谐衍射光栅技术、基于液晶技术、基于磁光技术、基于全光纤技术以及基于平面光波导技术。其中，基于平面光波导技术的可变光衰减器具有设计灵活的优点，且成本较低、插入损耗小、模式相关损耗小；但是，目前能够应用于模分复用系统，对模式不敏感的可变光衰减器的研究还比较缺乏。

通过热光效应实现可调谐的光集成器件，主要选用热光系数较大的材料作为聚合物波导芯层。聚合物波导芯层的折射率随着器件温度的变化而变化，从而实现器件的可调谐。通过热光效应实现可调谐的光集成器件是一种较为常见的方式，且其制作工艺相对简单。由于聚合物材料的热光系数往往比二氧化硅或者硅材料的热光系数大几个数量级，所以使用聚合物材料来实现基于热光效应的可调谐光集成器件往往可以得到更大的可调谐范围和较低的功耗。而且，聚合物波导的制作工艺简单，制作成本低廉，这也为器件今后的实际应用创造了有利条件。

Multimode Interfrence(MMI)结构是平面光波导器件中最基本的器件结构之一，在平面光波导型可变光衰减器领域应用广泛，具有重要的应用价值。多模干涉现象是一种经典的光学现象，在干涉极大值处模场的宽度会显著变小，横向波面对光的抑制能力加强，形成自成像。基于MMI结构的可变光衰减器的工作原理为通过热光效应，改变波导的有效折射率，进而改变多模波导内光的干涉效果，实现输出光的衰减。基于MMI结构的平面光波导型可变光衰减器同时具备低工艺要求、低价格、低损耗、低串扰、结构紧凑等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于MMI结构的模式不敏感的可变光衰减器，用于实现LP₀₁、LP_11b两种模式信号光的不敏感的衰减。与无机材料相比，聚合物材料具有较大的热光系数，这有效减小了器件的驱动功率。而且，聚合物材料的制备工艺与半导体工艺相兼容，这有利于器件的功能化集成和批量生产，而且成本低廉，因而本发明具有重要的实际应用价值。