[发明专利]一种三维垂直耦合光模式转换‑隔离复合器件

说明书

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种三维垂直耦合光模式转换-隔离复合器件。

背景技术

采用光纤或波导作为传输媒介的光通信技术是满足当前飞速增长的通讯和数据传输的必要手段。与传统通信系统相比，光纤以及波导通信系统具有频带宽、传输容量大、传输损耗小、误码率低和抗电磁干扰能力强等优势。特别是波分复用技术(WDM)在光网络中的应用，有效地实现了光传输网络的扩容。

光放大器与波分复用技术相结合的方式结构简单，具有良好的传输性能，为宽带和超长距离传输提供了基础。现有长距离传输系统大部分是基于单模光纤进行的，但预测单模光纤传输系统在2020年左右将会出现容量危机。随着信息流量爆炸式增长，利用这种方法的传输容量已经接近极限。由于时间、频率、偏振利用率已接近极限，因此，需采用新技术才有可能进一步提高光纤的传输容量。在一个空间正交的模式中增加一个自由度的方法，即模分复用技术，可有效增加带宽。模分复用技术是利用不同的光模式来传输更多的信息，目前为止，模分复用技术是在有线传输中唯一没有被有效利用的方法，己经成为了光纤与波导通信的发展方向之一，并被大量的相关文献报道。

光隔离器又称光单向器，是一种非互易传输的光纤或波导无源器件。在光纤通讯系统中总是存在很多原因产生的反向光，例如光发射机中光源所发出的信号光，通常是以活动连接器的形式耦合到光纤线路中去，接头中光纤端面间隙会使约4％的反射光向着光源传输。这类反向光的存在，导致光路系统间产生自耦合效应，使激光器的工作变得不稳定和产生反射噪声，光放大器增益发生变化和产生自激，造成整个光纤通信系统无法正常工作。若在激光器输出端和光放大器输入或输出端连接上光隔离器，就可以使问题得到解决。因此，光隔离器的基本功能就是实现光信号的正向传输，同时抑制反向传输，即具有不可逆性。通常情况下，光在各向同性和各向异性介质中的光路是可逆的，因此，光隔离器的设计必须考虑如何打破其可逆性。

目前所采用的光隔离器是利用磁光材料对光偏振态调整的非互易性实现光的不可逆传输。但其结构复杂，对磁光材料性能要求较高，工艺制作困难；由于大多采用永磁体，尺寸较大；并且仅能实现光隔离作用。目前，可同时实现光隔离和不同模式之间转换的器件还未被提出。随着信息技术的发展，结合模分复用技术与光隔离技术于一体，且制作工艺简单的器件具有很大发展潜力。

发明内容

本发明要解决的问题是设计紧凑的器件结构，利用低成本材料和简单工艺，制备可同时实现光隔离，以及光在不同模式之间转换的复合器件，在实现光隔离效果的同时拓展传输信息的容量。类似与电路中的二极管功能，并且由于模式的转化增加了光通信的传输容量。

本发明通过如下技术方案实现：

一种三维垂直耦合光模式转换-隔离复合器件，包括包层、上芯层波导及下芯层波导，包层覆盖上、下两芯层波导，波导上方包层覆盖的厚度为0.5—1μm；包层、上芯层波导及下芯层波导的折射率分别为n、n₁、n₂，其中n₁>n₂>n；上、下芯层波导的截面尺寸相同；上、下芯层波导呈X节垂直耦合结构，两芯层波导之间的垂直距离为0.5—0.8μm，两芯层波导之间的角度为0.8—1.0°。

进一步地，所述的包层、上芯层波导、下芯层波导的材料均为聚合物材料。

进一步地，该复合器件的长度为1000μm-3000μm。

该复合器件的工作原理如下：