高速光纤波分-模分混合复用传输系统复用/解复用器研究

Wavelength division multiplexing (WDM) and mode division multiplexing (MDM) technology can be employed simultaneously to enhance the transmission rate and capacity of the optical communication system effectively. As a key component in the high-speed, large-capacity WDM-MDM optical communication system, an hybrid wavelength and mode division multiplexer/demultiplexer (MUX/DEMUX) has distinct advantages including a low loss, a low crosstalk, a high extinction ratio and a high reliability. Based on our previous studies, a MUX/DEMUX can realize an hybrid WDM-MDM transmission by utilizing photonic crystal (PC). Therefore a novel hybrid wavelength and mode division MUX/DEMUX composed of WDM and MDM regions based on 2-D lattice PC is proposed in this project. Through the establishment of WDM-MDM theory model and structural analysis for the PC-based MUX/DEMUX, the mode conversion properties of an asymmetric parallel waveguide according to quasi phase-matching principle as well as the optical intergrated way of a WDM waveguide with a MDM waveguide can be researched. To optimize the structure parameters, the finite-difference time-domain (FDTD) method can be applied to study the the coupling efficiency and the mapping relation of fixed quantity between the structure parameters and the transmission performance indexes. In addition, the methods of fabrication can be investigated so as to make the preparation of the test hybrid wavelength and mode division MUX/DEMUX. Consequently the prospective, exploratory research work will be of great significance in improving the capacity of the optical communication system and constructing optical future networks.

波分-模分复用技术可以有效地提升光通信系统的传输速率和容量。在高速大容量波分-模分光通信系统中，低损耗、低串扰、高消光比和可靠性高的波分-模分集成复用（解复用）器是关键问题，我们的前期研究发现利用光子晶体可以解决波分-模分集成复用问题。为此本项目提出一种基于光子晶体的波分-模分集成复用（解复用）器，该复用器由基于二维晶格光子晶体的波分复用区和模分复用区构成。研究光子晶体波分-模分混合解复用与复用的理论模型和复用（解复用）器的结构，根据准相位匹配原理研究不对称平行波导间的模式转换特性和波分复用波导区与模分复用波导区的耦合方式；运用时域有限差分法和光束传播法研究结构参数与传输性能指标之间的定量映射关系和耦合效率，优化结构参数；研究制作方法，制备光子晶体波分-模分集成复用器试验样品。开展此项具有前瞻性、探索性的研究工作，对于提高光通信系统容量、构建未来光网络具有重要意义。

随着物联网、云计算、自动驾驶、虚拟现实等流量消耗型应用的快速兴起，通信系统对传输容量、传输速率的需求呈现爆炸式增长，因此需要强大的光纤传输网作为支撑，从而满足其超大容量、超快速率的传输要求。空分复用技术应运而生，它采用少模、多芯或是两者结合的方式增加单根光纤所能够传输的信道数，可以极大地提高系统的传输容量和频谱效率。结合波分、模分复用技术，实现波分-模分混合复用/解复用将是突破容量瓶颈的关键技术之一。.基于光子晶体和纳米线波导的波分-模分混合复用/解复用器，采用具有高品质因数的光子晶体谐振腔进行波分复用/解复用，并利用纳米线波导进行模分复用/解复用，最终实现了波分和模分复用/解复用器件的片上集成。. 构建了微腔-波导耦合简化模型，推导了光子晶体谐振腔型波分复用/解复用器件的耦合模理论。研究了波导-波导耦合机制，提出了通过增大波导间距来抑制非对称定向耦合型模分复用/解复用器件中模式串扰的方法。研究了光子晶体波导非对称定向耦合型模分复用/解复用器件在不连续波长处具有高插入损耗的原因，发现周期性介质微扰导致了耦合传输谱的剧烈抖动。对比了纳米线波导型模分复用/解复用器的传输特性，发现后者拥有相对平滑的耦合传输谱，因此更适用于波分-模分混合复用/解复用器件。. 从耦合模方程出发，导出了适用于PC WMMUX/DEWMMUX的耦合模理论（Coupled Mode Theory, CMT），并用该理论分析得到实现高效WMDM时，器件的关键参数的选取条件。分别研究了三种不同结构的PC WMMUX/DEWMMUX，通过优化器件的结构和结构参数，将波长间隔从240nm减小至10nm，信道数从4个拓展至8个。研究结果表明，该器件的插入损耗低于0.39dB；信道串扰低于-15.86dB，结构简单，性能优异。研究了基于光子晶体和纳米线波导的波分-模分混合复用/解复用集成器件。数值仿真结果表明，该类型器件不仅具有小波长信道间隔（0.8 nm）、大自由光谱范围（500 nm）、低插入损耗（1.0 dB）以及信道串扰小于-25.0 dB的性能特点，还具有非常紧凑的结构。