模分复用设计区域参数优化方法、复用/解复用器及系统与流程

本发明涉及微纳光电子元器件，尤其是涉及模分复用设计区域参数优化方法、复用/解复用器及系统。

背景技术：

1、由于光学非线性和光纤熔融效应的影响，基于单模光纤的通信系统的传输容量已经接近极限（约 100 tbit/s）。随着近年来 5g 技术、云计算、大数据、人工智能等新型技术的迅猛发展，基于单模光纤的通信系统已越来越难以满足日益增长的通信流量需求。为了解决这一问题，多种复用技术被相继提出，如波分复用（wavelength divisionmultiplexing, wdm）、模分复用（mode division multiplexing, mdm）等。wdm技术的发展时间长，目前已经十分成熟并早已投入商用。1310 nm和1550 nm波长分离（解复用）和组合（复用）是许多光学应用中的重要功能。一个重要的例子是光纤到户应用，其中1550 nm和1310 nm波长可分别用于传输数据/语音和视频。

2、然而，wdm的发展受到了光纤放大器的带宽以及光纤非线性效应的限制，此外，wdm系统中每个波长通道都需要一个独立的激光源和一个驱动器，当涉及到更多的波长信道时，将大大提高通信系统的成本和复杂度，这些因素都限制了wdm技术对于通信系统传输容量的提升限度。模分复用技术是将相互独立的不同模式作为信息的载体，少模光纤作为信息的传输媒介，能在有限的空间内提供更多数据的复用功能。同时，mdm基于少模光纤，在制造难易度、布线、维护等方面与标准smf系统更兼容。近年来，为了更大幅度地提升通信网络传输能力，混合复用的概念也被提出，即将wdm与mdm复用技术相结合，实现信道数量的成倍增加，并取得了较多的研究进展。

3、wdm与mdm混合复用技术的实现离不开关键的波分-模分混合复用器。对于实现覆盖1310 nm和1550 nm波长的波分-模分混合复用器来说，1310 nm和1550 nm的波分复用器已经可以通过多种结构实现（goto n., yip g. l. y-branch wavelength multi/demultiplexer for gamma =1.30 and 1.55 μm[j]. electronics letters, 1990, 26(2):102-103.）（tervonen a., poyhonen. p. a guided-wave mach-zehnderinterferometer structure for wavelength multiplexing[j]. ieee photonicstechnology letters, 1991, 3(6): 516-518.）（ibrahim m. h. , lee s. y., chin m.k., et al. multimode interference wavelength multi/demultiplexer for 1310 and1550 nm operation based on bcb 4024-40 photodefinable polymer[j]. opticscommunications, 2007, 273(2):383-388.）。但是对于模分复用部分，尤其是为实现波分和模分的混合复用下的模分复用部分，由于波长跨度大，现有的基于传统光子器件设计规则的模分复用器很难同时工作于1310 nm和1550 nm波长下。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的模分复用设计区域参数优化方法、复用/解复用器及系统，实现波分和模分的混合复用/解复用，能对模式混合、波长混合的光进行解复用，有效提高了通信系统的信道数量，增大光纤通信容量。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种模分复用设计区域参数优化方法，方法包括以下步骤：

4、s1、设置模分复用设计区域的初始状态，从多模波导向模分复用设计区域输入对应模式的光，将此时计算得到的品质因子作为最大品质因子，所述品质因子与不同波长输入下，光从多模波导经过对应的模分复用设计区域后，对应的单模波导分别输出的te0模式正相关，其中，多模波导通过模分复用设计区域与单模波导连接，单模波导、模分复用设计区域和光的模式一一对应；

5、s2、对每个单元依次进行迭代，更新最大品质因子，得到该次迭代下的结果品质因子；

6、s3、将s2中得到的该次迭代下的结果品质因子作为最大品质因子，重复s2，直至迭代结束条件。

7、进一步地，若s1中输入的光的波长为1310 nm或1550 nm，1310 nm波长下，与s1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的te0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导输出的te0模式的透射率，再减去该多模波导输出的s1中输入的模式的透射率，该差作为第一品质因子参数；1550 nm波长下，与s1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的te0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导输出的te0模式的透射率，再减去该多模波导输出的s1中输入的模式的透射率，该差作为第二品质因子参数，0.5倍的第一品质因子参数与0.5倍的第二品质因子参数之和为品质因子。

8、进一步地，s2的具体步骤为：

9、改变一个单元的状态，计算改变后的品质因子，将改变后的品质因子和最大品质因子进行比较，若改变后的品质因子大于最大品质因子，则将单元的状态保持为改变后的状态，并将改变后的品质因子作为新的最大品质因子，反之则保持单元的状态为之前未改变的状态；对每个单元依次执行上述步骤后，得到该次迭代下的结果品质因子。

10、进一步地，单元的状态为分为刻蚀和不刻蚀，改变一个单元的状态具体为：将状态为刻蚀的单元的状态改变为不刻蚀，或将状态为不刻蚀的单元的状态改变为刻蚀。

11、进一步地，所述迭代结束条件为：经过预设的迭代次数后，最后两次迭代得到的结果品质因子不再增大，或达到预设的最大迭代次数。

12、本发明的另一方面，提出一种波分-模分混合复用/解复用器，包括分为多段的多模波导和至少一个单模波导，多模波导通过模分复用设计区域与单模波导连接，单模波导、模分复用设计区域和光的模式一一对应，多模波导的一端和每个单模波导分别连接不同的波分复用/解复用器，模分复用设计区域被划分为多个单元，每个模分复用设计区域的单元的状态采用上述方法确定，具体步骤为：

13、s1、设置模分复用设计区域的初始状态，从多模波导的另一端向模分复用设计区域输入对应模式的光，将此时计算得到的品质因子作为最大品质因子，所述品质因子与不同波长输入下，光从多模波导经过对应的模分复用设计区域后，对应的单模波导分别输出的te0模式正相关；

14、s2、对每个单元依次进行迭代，更新最大品质因子，得到该次迭代下的结果品质因子；

15、s3、将s2中得到的该次迭代下的结果品质因子作为最大品质因子，重复s2，直至迭代结束条件；

16、s4、重复s1-s3，直至确定所有模分复用设计区域的单元的状态。

17、进一步地，单模波导之间设有一定距离，多模波导基于单模波导的位置分为多段，以最靠近s1中输入光的一端的多模波导为第一段多模波导，第一段多模波导对应的模分复用设计区域为第一模分复用设计区域，并以此类推；

18、若 s1中输入的光的波长为1310 nm或1550 nm，1310 nm波长下，与s1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的te0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导向下一段多模波导输出的te0模式的透射率，再减去该多模波导向下一段多模波导输出的s1中输入的模式的透射率，该差作为第一品质因子参数；1550 nm波长下，与s1的模分复用设计区域连接的单模波导输出的te0模式的透射率，减去连接该模分复用设计区域的多模波导向下一段多模波导输出的te0模式的透射率，再减去该多模波导向下一段多模波导输出的s1中输入的模式的透射率，该差作为第二品质因子参数，0.5倍的第一品质因子参数与0.5倍的第二品质因子参数之和为品质因子。

19、进一步地，s2的具体步骤为：

20、改变一个单元的状态，计算改变后的品质因子，将改变后的品质因子和最大品质因子进行比较，若改变后的品质因子大于最大品质因子，则将单元的状态保持为改变后的状态，并将改变后的品质因子作为新的最大品质因子，反之则保持单元的状态为之前未改变的状态；对每个单元依次执行上述步骤后，得到该次迭代下的结果品质因子。

21、进一步地，单元的状态为分为刻蚀和不刻蚀，改变一个单元的状态具体为：将状态为刻蚀的单元的状态改变为不刻蚀，或将状态为不刻蚀的单元的状态改变为刻蚀。

22、进一步地，多模波导、单模波导和单模波导对应的模分复用设计区域形成波导层，波导层的上层为上包层，波导层的下层为衬底层，单元的状态为刻蚀时，单元的内部的材料为上包层的材料，单元的状态为不刻蚀时，单元的内部的材料为衬底层的材料，刻蚀时，刻蚀的深度与波导层的厚度相同。

23、进一步地，上包层的材料为空气，波导层的材料为硅，衬底层的材料为二氧化硅。

24、进一步地，二氧化硅衬底层的厚度为3μm，硅波导层的厚度为220nm。

25、进一步地，模分复用设计区域为矩形，组成模分复用设计区域的单元为正方形。

26、进一步地，正方形的边长为100 nm，矩形的模分复用设计区域被划分为70×10个单元或75×12个单元。

27、进一步地，第一段多模波导同时允许不同模式的光通过，当复用/解复用器实现n个模式的复用/解复用，第一段多模波导的宽度被设计为允许n种不同模式的光通过。

28、进一步地，以s1中从多模波导的另一端输入与对应模式的光的方向为正方向，在正方向上，每一段多模波导的波导宽度逐渐降低。

29、进一步地，光进入第m段多模波导经过对应某一模式的第m个模分复用设计区域后进入第m+1段多模波导，第m段多模波导允许通过的光的模式为n个模式的光去除已经经过的所有模分复用设计区域对应的光的模式。

30、进一步地，所述迭代结束条件为：经过预设的迭代次数后，最后两次迭代得到的结果品质因子不再增大，或达到预设的最大迭代次数。

31、进一步地，所述波分复用/解复用器为多模干涉器mmi或微环或光栅。

32、进一步地，所述波分复用/解复用器的输出/输入端分别对应不同的波长，当s1中输入的光的波长为1310 nm或1550 nm时，输出/输入端分别对应1310 nm和1550 nm。

33、进一步地，多模波导的一端和每个单模波导通过弯曲波导分别与不同的波分复用/解复用器连接。

34、本发明的另一方面，还提出一种通信系统，包括复用器、光纤和解复用器，复用器和解复用器都采用上述的波分-模分混合复用/解复用器，复用器的输出端连接光纤的输入端，光纤的输出端连接解复用器的输入端，输入复用器的输入端的光的波长与模式与解复用器输出端输出的光的波长与模式一一对应。

35、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

36、本发明采用与不同波长下对应的多模波导经过模分复用设计区域后，对应的单模波导输出的te0模式正相关的品质因子，实现两种不同波长下的模分复用/解复用，并将其与波分复用器相结合，实现波分和模分的混合复用，有效提高了通信系统的信道数量，增大光纤通信容量。