[發明專利]模式空間分離的新型光通訊波導

有效

• 申請號: 201310026924.4
• 申請日: 2013-01-21
• 公開（公告）號: CN103235360A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發明（設計）人: 彭茹雯;胡青;王牧
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

技術領域

本發明涉及光通訊和光波導設計領域，具體地說是涉及模式空間分離的新型光通訊波導。?

背景技術

二十世紀后期發展起來的光通訊技術將人類社會推進到信息時代。在光通訊系統中，光波導對傳輸信號起著限制、傳輸、耦合、調控等作用，是最基本的構成單元之一。近年來提出的用光子作為信息載體，實現全光網絡的遠景目標,需要研制小型化、集成化的高效率低損耗光波導。?

傳統的介質光波導靠全反射機制來傳導光波，要求光波導的纖芯折射率大于薄層折射率，傳統多模波導芯層直徑通常大于10微米，單模波導芯層直徑約為7.5-9.5微米，由于波導外層需要包覆多個保護層和緩沖層，波導直徑一般在100微米以上。這類光波導在光通信中起到了重要作用，但在小型化和集成化時卻遇到了瓶頸，因此，設計新型光學波導仍然是一項重要的科技任務。?

近年來，國內外在新型光波導的設計上開展了深入的研究，其中最大的成就是將光子晶體結構引入到光波導中來，設計出光子晶體波導，在波導中實現了光傳播的導帶和禁帶，并且把光波導的尺寸縮小到微米量級。自1992年Russell等人提出并隨后在實驗上制出光子晶體光纖至今，光子晶體光纖已被人們發展運用于多個運用領域（P.St.J.Russell,J.C.Knight,T.A.Birks,B.J.Mangan?and?W.J.Wadsworth“Recent?progress?in?photonic?crystal?fibers”,Optical?Fiber?Communication?Conference?ThG1-1(2000)）。例如，光子帶隙光纖（PBG-PCF）的導光機制可以實現光在空氣芯中傳播，避免了石英等芯層材料對光波的影響，能傳輸高能量的超短脈沖，可以應用于小型光子器件設計，微加工，生物醫療等領域；全內反射光纖（TIR-PCF）具有“不截止單模”的特點，實驗證實在337nm-1550nm波段內只有單模傳輸（T.A.Birks,J.C.Knight,P.St.J.Russell,“Endlessly?single-mode?photonic?crystal?fiber”,Opt.Lett.22,961(1997)），并且傳輸模式面積較大（J.C.Knight,T.A.Birks,R.F.Cregan,P.St.J.Russell?and?J.P.de?Sandro,“Large?mode?area?photonic?crystal?fiber”,Electronics?Letters.34,1347(1998)），在光纖激光器、光纖放大器等領域有著重要作用。?

然而，目前的各種光波導中，光波僅在芯層中傳輸，包層只起到阻止光波能量泄露的作用，從利用率的角度上并不高效。對于多模波導，傳輸模式在空間上混合，給模式分離帶來困難，不利于光波導與其他器件的集成。以上固有缺陷難以滿足光子器件小型化、集成化的需求，因此，設計一種既具有光子晶體光纖的優良性能，又能在空間上分離模式的低損耗小型化光通訊波導頗有應用價值。?

發明內容

本發明的目的在于提供一種能實現模式空間分離傳輸的低損耗通訊光波導結構方案，結構簡單高效，能用現有加工工藝實現。?

本發明的技術方案是：?

一種模式空間分離的新型光通訊波導，具有1550納米、1310納米和850納米三個低損耗傳輸窗口，包括芯層、包層，所述芯層為空氣層，其特征在于所述包層由折射率、厚度按Thue-Morse迭代規則變化的介質多層膜構成。?

進一步地，所述介質分別為硅和石英，硅和石英的厚度分別為70±4納米和100±5納米，硅和石英的排列順序為Thue-Morse序列第3代重復8次，波導外直徑為28.2±1.4微米。?

本發明的工作原理如下：?

光子晶體波導的包層由折射率不同的材料按一定周期排列而成，周期結構能產生光子能帶，對傳播的光波具有調制作用，表現為頻率在光子禁帶中的光波不能通過包層，成為局域在芯層中的傳播模；頻率在光子導帶中的光波能通過包層到達波導外部，成為泄露模。通過對包層周期結構的設計可以實現對傳播模式和傳播頻率的調控。光子晶體波導對光波能量有很好的局域性，但是所有模式的能量均被局域在芯層，即傳播模式在空間上不分離。?