一种基于定向耦合的多层波导路由交换设计方法与流程

couplers”中，如图6所示，空间光耦合的器件，也是控制不同的耦合区长度来实现相位匹配条件的控制，最终实现模分复用与解复用。


技术实现要素：

8.上述

背景技术：
介绍中，所有光波导的共同特征是，同一器件中的光波导结构、尺寸是不同的，利用结构尺寸的不同来达到不同的相位匹配条件，从而实现不同需求，并且因为这些器件是存在特定的相位匹配条件，不满足条件的光不能完成光路的转换，因此在进行光路转换时，不满足相位匹配条件的光会损失掉，引入较大损耗不能用于光路由交换，本发明的目的在于提供一种基于定向耦合的多层波导路由交换设计方法，根据该方法设计的光波导结构尺寸完全一样，光波导中传输的光可以实现所有能量的转换。
9.本发明的目的可以采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种基于定向耦合的多层波导路由交换设计方法，多根波导分别位于多个波导层，控制各个波导芯层结构尺寸以及波导间的相对位置，使得波导耦合区的芯层结构尺寸相同以满足相位匹配条件、耦合区处的波导间隔较小以能够发生耦合作用，根据耦合间隔调整耦合区长度，使得波导之间能够高效耦合。
10.进一步的，通过建立多层波导模型并进行能量耦合仿真，确定在波导之间传递的能量完全转换或转换程度最大化时光波行进距离为耦合长度，并确定波导之间能够高效耦合的耦合区波导间隔及波导长度，波导光通路布线时耦合区的长度为最小耦合长度的奇数倍。
11.进一步的，每层的波导与其他层的波导一一对应，中间层波导与对应的上层波导、下层波导之间各自形成对应的耦合区，使得光信号依次通过下层波导、中间层波导、上层波导进行传输实现多层波导间路由交换。
12.进一步的，每层设置一根波导，中间层波导为s形波导，上层波导、下层波导均为直线形波导，s形波导的其中一个端部下方与下层波导匹配使两波导满足相位匹配条件实现光能量耦合转换，另一个端部上方与上层波导匹配使两波导满足相位匹配条件实现光能量耦合转换。
13.进一步的，每层设置多根波导，中间层波导为s形波导，上层波导、下层波导均为直线形波导，中间层波导与上层波导、下层波导一一对应，且s形波导的其中一个端部下方与下层波导匹配使两波导满足相位匹配条件实现光能量耦合转换，另一个端部上方与对应的上层波导匹配使两波导满足相位匹配条件实现光能量耦合转换。
14.进一步的，所述s形波导两端部为直线段，直线段与对应的直线形波导耦合，直线形波导在空间上相互平行，使得s形波导的两端部与对应的上下层直线形波导形成耦合区。
15.进一步的，所述直线形波导、s形波导的截面均为相同的长方形或正方形。
16.进一步的，在两个相邻层的波导中，其中一层有多根波导，在该层中不相邻的两个波导同另一层的同一根波导耦合。
17.进一步的，相邻层的波导中，上层波导为s形波导，s形波导两端均为直线段，其中一个直线段与下层的其中一根直线形波导相匹配耦合，另一个直线段与下层的另一根直线形波导相匹配耦合。
18.进一步的，相邻层的波导中，上层的波导为u形波导，u形波导两端均为直线段，其
中一个直线段与下层的其中一根直线形波导匹配耦合，另一个直线段与下层的另一根直线形波导匹配耦合。
19.与现有技术相比，该发明的有益之处在于：根据本发明设计多层波导结构，该波导结构中的波导对应匹配的结构尺寸相等，在满足相位匹配条件的同时，在光路中能量耦合转换时损耗少；通过控制波导的结构尺寸、间隔的距离、耦合区长度，可以灵活地对多层波导结构进行布线，满足不同的需求；并且该多层波导结构中的波导分多层设置，加工工艺简单，降低了加工成本。
20.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
21.图1为现有技术中的微环谐振器的谐振能量转移示意图；
22.图2为现有技术中的一种基于非对称定向耦合的两模式模分复用器的示意图；
23.图3为现有技术中的一种基于非对称定向耦合技术的三模式模分复用结构模型的示意图；
24.图4为现有技术中的一种基于非对称定向耦合技术的三模式模分复用结构模型的示意图；
25.图5为现有技术中的4波长波分复用的器件的示意图；
26.图6a为现有技术中的空间光模分复用耦合器件的示意图；
27.图6b为图6a中不同位置的截面的示意图；
28.图7a、7b为在本发明中设计的光波导模分复用结构模型在波导间隔较小时的光波导能量耦合仿真结果示意图；
29.图8a、8b分别为根据本发明设计的多层波导信号传输模型的示意图；
30.图9为图8a、8b的仿真结果示意图；
31.图10为根据本发明设计的多层波导信号级联传输模型的示意图；
32.图11a、11b分别为根据本发明设计的光信号经不同层信号路由转换后在同一层输出的模型图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.根据本发明一种基于定向耦合的多层波导路由交换设计方法，在仿真软件中建立光波导模分复用结构模型，共建立两个模型，这两个模型的光波导芯层截面结构尺寸不相同，光源波长设置为1310nm，以对应模型中的其中一个光波导的起始端作为输入进行耦合仿真，两个模型的仿真结果分别如图7a、7b所示。从图中观察得知，当光波导间隔较小时，光波导间能量发生能量相互转化，且耦合效率均在99％之上。定义能量完全转换或转换程度
最大化时，即，耦合效率最高时，光波的行进距离为耦合长度，需要根据对应模型的耦合间隔调整耦合区长度，以实现高耦合效率。
35.根据上述仿真结果，提出基于能量定向耦合的多层光波导间信号传输模型。多根波导分别位于多个波导层，控制光波导的芯层结构尺寸和光波导间的相对位置，使得耦合区的波导对应位置的结构尺寸相同，即，相互匹配的波导芯层结构尺寸对应相同，使光波导两两之间满足相位匹配条件。两波导匹配位置的耦合区处的两波导间隔较小，保证能够发生耦合反应，同时控制耦合区长度为最小耦合长度的奇数倍，以提高耦合效率。确定好上述参数之后，建立该模型。
36.如图8a和图8b所示为根据本发明设计的两个实施例模型，这两个模型均包括不在同一平面上的两个直线形波导、一个s形波导，图8a、图8b两者所示的模型的光波导芯层截面形状尺寸不同，以图中所示位置关系为例进行说明，其中左侧直线形波导位于s形波导下方，定义为左侧下层波导，右侧直线形波导位于s形波导上方，定义为右侧上层波导。图8a的模型中，所有光波导的截面均为相同的长方形，光波导耦合区之间均采用较宽的面；图8b中的模型中，所有光波导的截面均为正方形。s形波导的其中一直线段的下表面与左侧下层波导的上表面相匹配，并在该位置处使该s形波导与左侧下层波导耦合，形成耦合区；s形波导的另一直线段的上表面与右侧上层波导的下表面相匹配，并在该位置处使s形波导与右侧上层波导耦合，形成耦合区。s形波导两端均为直线段，直线段与对应直线形波导耦合，两个直线形波导在空间上相互平行，s形波导只有两端部与对应的直线形波导匹配使两波导在耦合区实现光能量耦合转换。对左侧下层波导输入光信号，此时光信号就可从左侧下层波导耦合到s形波导，再经s形波导耦合到右侧上层波导，实现光信号的路由交换。
37.对上述两个结构模型进行仿真，仿真结果如图9所示，其中左侧三个示意图依次代表该模型中左侧下层波导、s形波导、右侧上层波导的能量变化。最右侧的示意图中，file_1、file_2、file_3依次代表左侧下层波导、s形波导、右侧上层波导中的能量变化曲线。其中，该模型的监视器分别设置在不同高度的水平面内，fille_1监视路径为最下层光波导平面，file_2监视路径为中间层光波导平面，file_3监视路径为最上层光波导平面。从图9中可以看出，左侧下层波导中的能量在对应耦合区逐渐减弱至接近0，s形波导在与左侧下层波导耦合的耦合区中，能量逐渐增大，并传递至下一个与右侧上层波导耦合的耦合区中；在s形波导与右侧上层波导之间的耦合区中，s形波导中的能量逐渐减小至0，对应的，右侧上层波导中的能量逐渐增大。结合仿真结果可以看出，在合理控制光波导布线及耦合区参数情况下，光信号能量在左侧下层波导中逐渐减小至0，在s形波导中，先从0增至最大，再减小至0，在右侧上层波导中，逐渐从0增大至最大，综上所述，光信号能量从最下方的左侧下层波导经过中间的s形波导传递到最上方的右侧上层波导中，实现光信号在多层光波导中的路由交换。
38.由于上述s形波导的结构尺寸和直线形波导的结构尺寸完全一样，两者之间满足相位匹配条件，左侧下层波导中的所有光能量都可以转换传输到右侧上层波导中去。根据上述模型及仿真结果，在上述多层光波导间信号传输模型的基础上创建一种多层波导间信号级联传输模型。
39.如图10所示为多层波导间信号级联传输模型的示意图，左侧下层波导共设置三个，且位于同一平面，右侧上层波导共设置三个，且位于同一平面，左侧下层波导中的三个
波导从左至右依次与右侧上层波导中的三个波导一一对应，且对应的波导之间通过中间层对应的s形波导耦合连接。图10中所示的级联是向右方向进行的，光信号从左侧下层波导中输入，s形波导向右侧偏移，将光信号向右传递至对应的右侧上层波导中。在中间层的s形波导向左偏时，级联结构根据同样原理，也可以向左偏，在另一实施例中，可以根据需要，所有s形波导向左偏，因此，这种方案具备向左或向右偏移的可行性。在其他实施例中，可以根据需要设置多层波导，只要保证多层波导之间满足上述基于定向耦合方案中的匹配耦合条件即可。
40.在基于能量定向耦合的光波导布线方案中，各个波导可以使用不同尺寸的光波导芯层结构，只需要在设计时，匹配耦合的波导之间对应的结构形状尺寸相同，使得光波导之间满足相位匹配条件。根据对应的耦合长度，设置耦合区长度，并对耦合长度进行仿真并绘制布线图，可以根据需要，将确定长度的耦合区移植到多层模型任意位置，因此该方法设计的模型具有可移植性。因此，多层光波导的信号既可以在同一层输出，也可以在不同层输出，可根据需求进行定制。
41.如图11a、11b所示分别为根据本设计方法制作的另外两个实施例，这两个模型的光信号经不同层信号路由转换后在同一层输出，每个模型中的各根波导的芯层截面形状尺寸均相同，以图中所示的波导位置关系为例进行说明。这两个模型均设置有两层波导，且这两层波导相邻，下层均为三根平行设置的直线形波导。如图11a所示，该模型的上层波导为s形波导，s形波导两端均为直线段，其中一个直线段与左侧的直线形波导相匹配耦合，另一个直线段与右侧的直线形波导相匹配耦合；光信号从左侧直线形波导的一端输入，通过耦合作用，光信号传入s形波导，光信号在s形波导中传输，并与另一个直线形波导发生耦合作用后从该直线形波导的另一端输出，该模型中的输入端与输出端不在同一侧。如图11b所示，上层的波导为u形波导，u形波导两端均为直线段，其中一个直线段与左侧的直线形波导匹配耦合，另一个直线段与右侧的直线形波导匹配耦合；光信号从左侧或右侧的直线形波导的一端输入，通过耦合作用，光信号传入u形波导，光信号在u形波导中传输，并与另一个直线形波导发生耦合作用后从该直线形波导中输出，该模型的输入端与输出端位于同一侧。上述两个模型表明，光信号经过不同层信号路由转换后可以在不同侧或同一侧输出，并且可以改变光信号输出的方向，可以满足不同需求的多层波导路由交换。
42.在采用本发明的设计方法设计建立光波导模分复用结构模型后，可以采用对应的工艺制备对应的器件。
43.尽管已经展示和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。