[發明專利]一種在多模波導中實現多模準相位匹配四波混頻的方法

在審

• 申請號: 202210021569.0
• 申請日: 2022-01-10
• 公開（公告）號: CN114265259A
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 高士明;趙義;陳寶寶
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G02F1/365
• 分類號: G02F1/365;G02F1/35
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種在多模波導中實現多模準相位匹配四波混頻的方法。本發明首先確定基模和高階模對應的四波混頻過程的目標信號光波長，再利用仿真軟件對不同寬度的直波導的本征模式進行仿真，接著計算獲得基模和高階模分別對應的四波混頻過程中直波導寬度?相位失配量的關系曲線，再利用本發明提出的多模相位失配量等式確定直波導寬度，利用直波導長度與相位失配量的關系確定直波導長度，最終在多模波導中同時實現基模和高階模的四波混頻過程的準相位匹配。本發明以硅波導為例進行了仿真計算，結果顯示可以在覆蓋整個C波段以及大部分L波段的范圍內實現高效率的多模波長轉換，克服了現有的多模波長轉換研究中存在的轉換帶寬較窄的問題。

技術領域

本發明涉及了屬于光通信技術領域的一種在波導中實現相位匹配四波混頻的方法，具體涉及了一種在多模波導中實現多模準相位匹配四波混頻的方法。

背景技術

波長轉換在在波長路由的光通信系統中不可或缺，當兩個具有相同波長的信號到達同一節點時，波長會發生阻塞。為了實現波長的重用，可以在此節點上通過波長轉換，將其中一個波長上攜帶的信息復制到另一個空閑的波長上繼續傳輸。隨著近十年來集成光波導技術的飛速發展，基于片上光波導器件的全光波長轉換研究逐漸興起。其中四波混頻效應(Four Wave Mixing,FWM)由于其對高階調制格式透明而受到了大量的關注。

在波導中實現高效率的FWM首先要實現相位匹配。主流的相位匹配方法多是調整波導尺寸進行色散管理，在目標波段范圍內獲得接近零的色散。目前大多數研究只針對波導中的基模，對基模的色散管理技術已較為成熟。隨著片上混合復用概念的提出，針對多模波導的研究日趨火熱，多模波長轉換的研究也已提上日程。2014年，Ding Yunhong等人在多模硅波導中實現了模式選擇的全光波長轉換，嘗試對TE₀和TE₁兩個模式同時進行色散管理。但高階模較差的色散特性導致要在寬帶內同時實現基模和高階模的相位匹配極為困難，因此目前多模波長轉換的研究只能停留在演示階段，距離實際應用還較為遙遠。

2013年，Yannick Lefevre提出了在存在較大相位失配量的情況下實現高效率的FWM的方案，稱之為準相位匹配(Quasi Phase Matching，QPM)，這種方法借鑒了二階非線性過程中常用的準相位匹配的思想，但和周期極化反轉不同的是，它通過波導寬度周期性改變的類光柵結構實現了色散的周期性變化，起到了和周期性疇反轉類似的效果，從而在硅波導中實現了在1.3μm到1.9μm的近紅外范圍內的任意波長處的高效FWM(波長轉換效率大于-23dB)。2014年，Yannick Lefevre又提出了對兩個任意FWM過程同時實現準相位匹配的方法，但仍只是針對一個波導模式的兩個不同泵浦波長的FWM過程。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種在多模波導中實現多模準相位匹配四波混頻的方法。本發明的最終多模波導采用波導寬度周期性變化的類光柵結構，能夠同時對多模波導的TE₀和TE₁兩個模式的FWM過程實現準相位匹配。仿真結果顯示，兩個模式的波長轉換效率均可達到-16dB，帶寬均可覆蓋整個C波段。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

所述的多模波導是包括了兩段直波導以及兩段直波導之間的錐形波導，本發明的具體步驟如下：

1)確定基模和高階模的目標信號光、泵浦光和閑頻光波長，然后基于當前目標信號光、泵浦光和閑頻光處理獲得當前目標信號光下基模和高階模分別對應的四波混頻過程中直波導寬度-相位失配量的關系曲線；

2)根據當前目標信號光下基模和高階模分別對應的四波混頻過程中直波導寬度-相位失配量的關系曲線，選擇兩個直波導寬度W₁和W₂，使得當前目標信號光處兩種寬度的直波導分別在基模和高階模對應的四波混頻過程中的相位失配量滿足多模相位失配量等式；