本公開屬于光通訊領域，涉及一種基于正弦空間調制的陣列波導。

背景技術：

陣列波導是實現光器件如波分復用器、光學相控陣列等的基本結構，高密度的陣列波導有助于波分復用器波長分辨率和光學相控陣列性能的提高。另一方面，空分復用可以進一步提高光通信和光互連的通信容量，其需要高密度無串擾的多模波導或者陣列波導。因而實現陣列波導的高密度、低串擾是提高光器件性能的關鍵。

傳統的陣列波導的波導寬度和波導間隔都相等，一般為了保證相鄰波導之間沒有耦合，將其間隔設置的較大，那么導致陣列波導需要占用很大的面積，不利于集成。之后有研究提出了一種改進的波導超晶格結構，使波導的寬度彼此不同，可以在較小波導間隔下實現陣列波導的高密度低串擾傳輸，但是這種結構的每個波導寬度都需要特殊的設計，不利于工程化、成本較高。另外也有研究提出利用彎曲波導來實現小間隔，并且降低各個波導之間的串擾，從而減小其占用面積，但是該結構對波導的彎曲半徑有限制，使得能夠高密度低串擾傳輸的波導數目有限。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本公開提供了一種基于正弦空間調制的陣列波導，以至少部分解決以上所提出的技術問題。

(二)技術方案

根據本公開的一個方面，提供了一種基于正弦空間調制的陣列波導，包括：至少兩條并行傳輸的波導；其中，至少兩條并行傳輸的波導在空間上沿著傳輸方向經由正弦波調制。

在本公開的一些實施例中，至少兩條并行傳輸的波導的調制參數滿足：至少兩條并行傳輸的波導的對稱耦合模式和反對稱耦合模式的有效傳播常數差等于零，使相鄰波導間無耦合。

在本公開的一些實施例中，調制參數包括：波導寬度，相鄰波導間隔，正弦空間調制振幅以及正弦空間調制周期。

在本公開的一些實施例中，至少兩條并行傳輸的波導的調制參數滿足：

其中，δβeff為對稱耦合模式和反對稱耦合模式的有效傳播常數差；βeven為對稱耦合模式的傳播常數；βodd為反對稱耦合模式的傳播常數；j0為零階貝塞爾函數；neff為單獨一根波導存在的模式的有效折射率；w為波導寬度；d為波導間隔；a為正弦空間調制振幅；t為正弦空間調制周期。

在本公開的一些實施例中，至少兩條并行傳輸的波導的調制參數還滿足：最小曲率半徑的值為最大，使波導的傳輸損耗最小，其中，最小曲率半徑滿足：

rmin＝t²/4π²a

其中，rmin為最小曲率半徑。

在本公開的一些實施例中，至少兩條并行傳輸的波導具有相同的尺寸。

在本公開的一些實施例中，所有波導在空間上由相同的調制參數進行調制。

在本公開的一些實施例中，至少兩條并行傳輸的波導中，相鄰兩個波導之間的間隔相等。

在本公開的一些實施例中，波導為平面波導或非平面波導。

在本公開的一些實施例中，平面波導為以下波導類型中的一種：條波導、脊波導、圓波導、橢圓波導以及狹縫波導；或非平面波導包括光纖。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發明提供的基于正弦空間調制的陣列波導，至少具有以下有益效果之一：

1、在兩條相鄰的波導間隔很小的情況下，它們之間會存在對稱以及非對稱的耦合，通過將陣列波導在空間上進行正弦調制，可以保證兩條波導并行無耦合傳輸，顯著減小了陣列波導的占地面積，同時還保證了高密度、無串擾；

2、相鄰波導的波導尺寸和波導間隔都相等，波導尺寸選擇自由，易于設計，且陣列波導的數目可以無限擴展；

3、通過選擇正弦空間調制的參數，可以使最小彎曲半徑盡可能的大，從而降低傳輸損耗。

附圖說明

圖1為根據本公開第一實施例包括2個正弦空間調制周期，16條并行傳輸波導的陣列波導結構示意圖。

圖2為根據本公開一些實施例采用有限時域差分方法模擬的陣列波導光譜輸出曲線，其中，該波導陣列為圖1所示的陣列波導結構，光分別從16條波導輸入。

圖3為根據本公開第二實施例包括1個正弦空間調制周期，2條并行傳輸波導的陣列波導結構示意圖。

圖4為根據本公開一些實施例采用有限時域差分方法模擬的陣列波導光譜輸出曲線，其中，該波導陣列為圖3所示的陣列波導結構，光從其中的一個波導輸入。

【符號說明】

101～116：第一實施例中第1根到第16根并行傳輸的波導；

201：第二實施例中第一根并行傳輸的波導；

202：第二實施例中第二根并行傳輸的波導；

310：第一個正弦空間調制周期；

320：第二個正弦空間調制周期；

t：正弦空間調制周期；

a：正弦空間調制振幅；

w：波導寬度；

g：波導間隔。

具體實施方式

本公開提供了一種基于正弦空間調制的陣列波導，在波導間隔很小的情況下，通過將陣列波導在空間上進行正弦調制，并選擇調制參數，保證了相鄰的兩條波導并行無耦合傳輸，既實現了高密度、低串擾，又顯著減小了陣列波導的占地面積，并且還能通過優化設置調制參數以減小傳輸損耗。

為使本公開的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步詳細說明。

在本公開的第一個示例性實施例中，提供了一種基于正弦空間調制的陣列波導。

圖1為根據本公開第一實施例包括2個正弦空間調制周期，16條并行傳輸波導的陣列波導結構示意圖。如圖1所示，本公開提出了一種基于正弦空間調制的陣列波導包括：至少兩條并行傳輸的波導；且所有波導在空間上沿著傳輸方向經由正弦波調制。

下面對本實施例的基于正弦空間調制的陣列波導進行詳細介紹。

本公開中并行傳輸的波導數目不做限制，可以無限擴展，在實際實施過程中，優選2～100條之間的任何正整數，包括2條和100條；在本實施例中，并行傳輸的波導數目為16個，且該波導為條波導；而本公開的波導涵蓋平面波導或非平面波導，其中，平面波導包括：條波導、脊波導、圓波導、橢圓波導和狹縫波導等，非平面波導可以是光纖；

正弦波在空間上調制所有波導的周期這里稱作正弦空間調制周期t，正弦波在空間上調制所有波導的振幅這里稱作正弦空間調制振幅a，正弦空間調制周期t為正整數，小于相同參數下兩條直波導耦合周期，實現對陣列波導的1個或多個周期調制，在本實施例中，正弦空間調制周期為2個；

本實施例中選用的16條并行傳輸波導的尺寸和相鄰兩個波導之間的間隔都相等，且16條并行傳輸波導經過相同的空間調制，即具有相同的正弦空間調制周期t和正弦空間調制振幅a，如圖1中呈現的其他波導在空間上等價于某一條波導平移的狀態；

此外，本實施例的基于正弦空間調制的陣列波導基于絕緣體上硅(soi)材料，頂硅層的厚度為220nm。

該基于正弦空間調制的陣列波導的調制參數的設計原則為：高密度、低串擾，因此要求相鄰兩個并行傳輸的波導之間的波導間隔盡可能的小，而且相鄰波導之間沒有耦合，并且使波導的最小彎曲半徑盡可能的大，以減小傳輸損耗。

根據耦合模理論，當兩條具有相同尺寸的波導間隔較小時，波導內原有的模式會相互耦合形成對稱模式和反對稱模式，這兩個模式具有不同的傳播常數，在傳輸時會相互干涉。當存在正弦空間調制時，對稱模式和反對稱模式的有效傳播常數差可以用貝塞爾函數表示，取適當的調制參數，可以使得對稱模式和反對稱模式的有效傳播常數差等于零，即對稱模式和反對稱模式之間沒有干涉，此時可以保證兩條波導無耦合傳輸。

依據耦合模理論獲得相鄰波導之間沒有耦合的調制參數，具體方法如下：

當兩條具有相同的尺寸的直波導間隔較小時，兩條波導內原有的模式會相互耦合，并形成對稱和反對稱兩個新的耦合模式，這兩個耦合模式的傳播常數可以分別表示為βeven和βodd，當存在正弦空間調制時，這兩個模式的有效傳播常數差可以表示為如下表達式：

其中，δβeff為對稱耦合模式和反對稱耦合模式的有效傳播常數差；βeven為對稱耦合模式的傳播常數；βodd為反對稱耦合模式的傳播常數；j0為零階貝塞爾函數；neff為單獨一根波導存在的模式的有效折射率；w為波導寬度；d為波導間隔；a為正弦空間調制振幅；t為正弦空間調制周期；

取對稱耦合模式和反對稱耦合模式的有效傳播常數差等于零的調制參數值，即為滿足相鄰波導之間沒有耦合的調制參數。

更進一步，在保證兩條波導無耦合傳輸的正弦調制參數下，波導的最小曲率半徑可以計算為rmin＝t²/4π²a，選取適當的調制周期和調制振幅使最小彎曲半徑盡可能的大，從而可以獲得較小的傳輸損耗。

依據上面的設計方法，本實施例中波導寬度為500nm，波導間隔為400nm，調制周期為15μm，調制振幅為624nm；以上調制參數的設置使得相鄰的兩個波導之間沒有耦合；而非相鄰波導之間的間隔大于等于1.3μm，再加上正弦空間調制的抑制耦合作用，可以認為非相鄰波導之間也無耦合，因此，該實施例的基于正弦空間調制的陣列波導實現了高密度、無串擾，此外，此時波導傳輸的最小彎曲半徑約為9μm，波導的傳輸損耗較小。

圖2為根據本公開一些實施例采用有限時域差分方法模擬的陣列波導光譜輸出曲線，其中，該波導陣列為圖1所示的陣列波導結構，光分別從16條波導輸入。由圖2可知，從不同波導輸入的情況下，有限時域差分仿真結果表明波導之間的耦合在-30db以下，且插入損耗很小。

在本公開的第二個示例性實施例中，提供了一種基于正弦空間調制的陣列波導。在此實施例中，區別于第一實施例，只采用兩根并行傳輸的條波導，在一個正弦空間調制周期下進行結構設計。圖3為根據本公開第二實施例包括1個正弦空間調制周期，2條并行傳輸波導的陣列波導結構示意圖。如圖3所示，該陣列波導的波導為條波導，波導寬度500nm，波導間隔400nm，調制周期為15μm，按照公式(1)計算，使對稱模式和反對稱模式的有效傳播常數差為0的調制振幅為644nm，結合有限時域差分方法，選擇調制振幅為624nm，此時兩波導之間的串擾最小。圖4為根據本公開一些實施例采用有限時域差分方法模擬的陣列波導光譜輸出曲線，其中，該波導陣列為圖3所示的陣列波導結構，光從其中的一個波導輸入。當光從波導201輸入時，兩根波導光譜輸出曲線如圖4所示，在1500nm～1600nm波長范圍內，串擾小于-38db。

本實施例中該陣列波導也是基于絕緣體上硅(soi)材料，頂層硅的厚度為220nm。

需要強調的是，以上實施例中提到的陣列波導的波導數目以及正弦空間調制周期是可變的，隨著實際情況進行選擇；承載波導的soi材料也是作為一個例子進行說明，實際應用中可以采用本領域常見的技術手段；此外，作為較佳實施例，以上將相鄰波導的波導尺寸和波導間隔都設置為相等，是出于波導尺寸選擇自由，易于設計的角度，實際應用中可以做相應變化，只要其調制參數滿足相鄰波導之間沒有耦合的條件即可。

綜上所述，本公開提供了一種基于正弦空間調制的陣列波導，在波導間隔很小的情況下，通過將陣列波導在空間上進行正弦調制，并選擇調制參數，保證了相鄰的兩條波導并行無耦合傳輸，既實現了高密度、低串擾，又顯著減小了陣列波導的占地面積，并且還能通過優化設置調制參數以減小傳輸損耗。

應注意，貫穿附圖，相同的元素由相同或相近的附圖標記來表示。在上述描述中，一些具體實施例僅用于描述目的，而不應該理解為對本公開有任何限制，而只是本公開實施例的示例。在可能導致對本公開的理解造成混淆時，將省略常規結構或構造。應注意，圖中各部件的形狀和尺寸不反映真實大小和比例，而僅示意本公開實施例的內容。

應該注意的是上述實施例對本公開進行說明而不是對本公開進行限制，并且本領域技術人員在不脫離所附權利要求的范圍的情況下可設計出替換實施例。在權利要求中，不應將位于括號之間的任何參考符號構造成對權利要求的限制。單詞“包括”不排除存在未列在權利要求中的元件或步驟。

以上所述的具體實施例，對本公開的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為公開的具體實施例而已，并不用于限制本公開，凡在本公開的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本公開的保護范圍之內。