近些年移动互联网、物联网、大数据、云计算、人工智能等新技术的涌现,人们对光通信容量的要求随之不断提高。在传统复用技术的基础上,模分复用技术可以进一步实现光通信容量的成倍增加,因此具有非常好的应用价值和研究意义。其中,模分复用器与模式转换器作为模分复用技术中重要的单元器件,近年来受到研究人员的广泛关注。此外,相比于传统光波导,亚波长光栅波导具有更平坦的色散谱,使其在增大器件的带宽方面有着广泛应用。本文以小型化、高性能为目标,设计了基于亚波长光栅的模分复用器和模式转换器。具体工作如下:
（1）首先,本文介绍了模分复用器和模式转换器的国内外研究进展、光波导理论以及电磁场仿真方法。详细介绍了有限时域差分法（Finite Difference Time Domain,FDTD）的原理以及利用FDTD计算亚波长光栅波导模式有效折射率的方法。
（2）提出了基于亚波长光栅三波导定向耦合器的TM模分复用器,实现了TM0和TM1的模式复用。在该设计方案中,利用亚波长光栅结构使得器件的带宽得到提升,引入中央波导缩短了器件耦合区的长度,在输入波导的后端引入模式阻挡器降低了器件的串扰。利用FDTD对该器件进行了仿真优化,结果表明器件的耦合区长度为14μm,在工作波长1550nm处,该器件的插损为0.7 d B,串扰为-35.9 d B,在插损小于3 d B并且串扰小于-15 d B的条件下,该器件的工作带宽为270 nm（1400 nm～1670 nm）。
（3）提出了基于亚波长光栅刻蚀槽的模式转换器。首先设计了TE0-TE2的模式转换器,在该设计方案中,利用亚波长光栅结构使得器件的带宽得到提升,通过引入V型刻蚀槽缩短了器件模式转换区的长度;随后在TE0-TE2模式转换器的基础上设计了TE0-TE1模式转换器;最后通过并联TE0-TE2与TE0-TE1模式转换器实现了TE0-TE3的模式转换功能。结合粒子群优化算法与FDTD对器件的结构参数进行了仿真优化,结果表明器件模式转换区的长度为6.8μm,在工作波长1550 nm处,器件的插损均小于0.96d B,串扰均小于-20 d B,在插损小于1 d B并且串扰小于-15 d B的条件下,工作带宽均大于160 nm。
本文所提出的模分复用器与模式转换器具有低插损、低串扰、大带宽、小尺寸的优点,在模分复用系统中具有广泛的应用前景。
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