CN101672987B - 光隔离器、光分插复用器和光合束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光隔离器、光分插复用器和光合束器，其中，光隔离器包括依次串接的输入波导、含磁光材料的波导光栅和输出波导；光分插复用器包括上述光隔离器、主输入端、第一环路器、第二环路器、主输出端、下载端和上传端，其中，主输入端、第一环路器、光隔离器、第二环路器和主输出端依次串接，上述下载端与第一环路器相连，上述上传端与第二环路器相连。光合束器包括上述光隔离器、第一输入端、第二输入端、含磁光材料的光环路器和输出端，其中第一输入端、光隔离器和输出端串行连接，第二输入端与含磁光材料的光环路器相连。上述光隔离器、光分插复用器和光合束器体积小，机械稳定性好。

Description

光隔离器、光分插复用器和光合束器

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光隔离器、光分插复用器和光合束器。 

背景技术

随着光通信技术的快速发展和全光通信网的产业需求，小型化、功能化、组件化和集成化是光器件发展的必然趋势，而且随着光通信系统规模的扩大，基于集成光学的光隔离器和环形器为反向隔离、双向传输、多路信道灵活交换提供了各种可能，如基于波分复用技术的系统容量升级对传统单波长器件提出了新的要求，要求光学元件不仅能够实现隔离功能，而且能够对多个波长，尤其是等频率间隔的光波可以同时进行处理，实现这些器件的一般方法是借助于磁光材料的非互易效应，让光波的模式在前向传输和后向传输之间产生一个相位偏差，回避光路的可逆性。 

目前广泛应用于光通信领域的隔离器是一种利用磁光材料的器件，随着新一代光纤通信系统的不断完善，在光通信系统中具有十分重要作用的体材料型磁光器件逐渐暴露出体积大、机械稳定性差、难以集成等缺点，因而，为实现光学处理和通信系统的高密度集成，波导型非互易器件吸引了大量关注。目前人们把磁光非互易效应引入到各种结构和器件中，如传统波导结构马赫-曾德干涉仪(MZI)、磁光多模干涉器(MMI)、微环等来实现相应的非互易功能，其中，基于磁光MZI干涉型光隔离器是一最基本型的光隔离器，在这种结构中，入射光在分支处分成振幅相等、相位相同的两束光，当磁化方向垂直与光传播方向时，纵向磁波(TM)模将产生非互易现象；选择合适的波导长度，使磁光效应产生的相移为-π/2；同时设计合适的两臂长度，使 光经过两臂后的相移差为π/2。因此正向传输的光在出分支处的总相移为零，两光干涉相长；而反向传输的光在出射分支处的总相移为π，两光干涉相消，实现了隔离反向光的功能。另外，利用波长依赖的磁光相位阻滞(Retarder)器和常规的法拉弟旋转器、半波片等组合，即在常规的基于法拉弟旋转器的分离光学元件组成的光隔离器中，引入一个波长依赖的磁光相位阻滞实现正反向传输的非互易波长特性。 

但发明人在实现上述技术方案的过程中发现：上述MZI干涉型光隔离器和常规的基于法拉弟旋转器的分离光学元件组成的光隔离器都存在一定缺陷，如常规的MZI干涉型光隔离器对光波的波长不具有非互易滤波特性，即正反传输滤波特性中的中心波长一般不会发生偏移，只有当多个这种MZI干涉光隔离器级联后才能实现中心波长的偏移，且该隔离器体积较大；常规的基于法拉弟旋转器的分离光学元件组成的光隔离器采用分离光学元件组成，体积较大，稳定性差。 

另外，在光信息处理系统(如光通信)中，光分束、合束器件是最常用的器件，对于光分束器较简单，如Y分叉波导型分束器件，但光合束器尤其是无泄漏损耗的合束器就不容易实现了。根据光路的可逆性可知，直接利用一个普通的介质波导型的3dB分束器件反向使用时，一般不能作为合束器来使用，因为不管从哪一端输入都不能达到100％合束目的，理论上至少有50％的光能量在分叉处由于激励高次模而泄漏到衬底，除非两合束的光波具备相干相长的条件(即波长相同而且相位相等)。对于波长相等或非常相近，而且相位差无恒定关系的两光束，要实现无泄漏的合束，现有的方法是利用偏振特性来实现，也就是偏振合束器，但它要求先得将两光束转换为相互正交的偏振模式。另外，还有基于磁光微谐振腔的多波长光隔离器，该基本结构是在MZI干涉性的基础上，引入与波长敏感的微谐振环构成，利用磁光谐振环的环绕模式间的传播常数非互易特性，实现了对多个波长的隔离功能。但该方案对制作工艺要求高。

发明内容

本发明提供一种光隔离器、光分插复用器和光合束器，以实现上述隔离器体积小、稳定性好，光合束器无泄露损耗，且制作工艺简单。 

本发明提供了一种光隔离器，该光隔离器包括依次串接的输入波导、含磁光材料的波导光栅和输出波导，所述含磁光材料的波导光栅用于通过磁光效应产生非互易相移，以使正反传输中能通过的中心波长发生偏移且正反传输的带宽相同。 

上述光隔离器，采用半导体平面工艺制作，易集成和规模化制作，而且所含元部件少，因而体积较小，机械稳定性好。 

本发明提供了一种光分插复用器，该光分插复用器包括上述光隔离器、主输入端、第一环路器、第二环路器、主输出端、下载端和上传端，其中，主输入端、第一环路器、光隔离器、第二环路器和主输出端依次串接，所述下载端与第一环路器相连，所述上传端与第二环路器相连。 

上述光分插复用器在上述光隔离器的基础上，集成了光环路器等设备，使得该光分插复用器具有体积小、易集成等优点，并且可上载信号波长与下载信号波长不同的可重构的光分叉复用器(ROADM)结构。 

本发明提供了一种光合束器，该光合束器包括上述光隔离器、第一输入端、第二输入端、含磁光材料的光环路器和输出端，其中第一输入端、光隔离器、含磁光材料的光环路器和输出端串行连接，第二输入端与含磁光材料的光环路器相连。 

上述光合束器在上述光隔离器的基础上，集成了含磁光材料的光环路器等设备，使得该合束器对波长相同或接近相同、无固定相位关系的光束实现无泄漏损耗地合束，无需先进行偏振转换；同时，该合束器结构简单，且制作工艺简单。 

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 

附图说明

图1为本发明光隔离器实施例的结构示意图； 

图2为本发明磁光波导结构实施例一的结构示意图； 

图3为本发明磁光波导结构实施例二的结构示意图； 

图4为本发明实施例中磁光波导和外加磁场位置关系的示意图； 

图5为本发明实施例中波导光栅的反射和透射特性的示意图； 

图6为本发明脊型磁光波导实施例的截面图； 

图7为本发明实施例中正反向传输波长特性的示意图； 

图8为本发明光分插复用器实施例的结构示意图； 

图9为本发明实施例中在不同外加磁场下对应的波长特性的示意图； 

图10为本发明光合束器实施例的结构示意图。 

具体实施方式

如图1所示，为本发明光隔离器实施例的结构示意图，该光隔离器包括依次串接的输入波导111、含磁光材料的波导光栅112和输出波导113。 

其中，上述含磁光材料的波导光栅可以为普通介质波导光栅在需要磁光效应部分的波导表面溅射或键合(Bonding)磁光材料构成的磁光波导光栅，该种光栅可以通过如下两种方法来获得，第一种方法：采用平面光波导回路(PLC)工艺制作普通介质波导光栅，然后在其需要磁光效应部分的波导表面，采用溅射或键合的磁光材料来构成具有非互易特性的磁光波导，上述普通介质波导光栅和磁光波导结合构成磁光波导光栅；第二种方法：先制作磁光平面波导，然后采用PLC工艺制作波导光栅结构来实现，如采用SOI材料作为介质波导，下限制SiO2层厚度大于1微米，Si波导芯层厚度200-350nm，先采用光刻方法制作普通的波导光栅，然后采用键合的方法，在Si表面键合上厚度为300-600nm磁光材料掺铈(Ce)的钇铁石榴石(Yig)等，形成的磁光波导结构如图2所示。另外，上述含磁光材料的波导光栅为在磨抛掉一侧包层的光纤光栅上溅射或键合磁光材料构成的磁光波导光栅，该波导光栅可以直接在光纤光栅波导上制作，即磨抛掉光纤光栅包层a一侧的大部分， 然后采用溅射或键合的磁光材料来实现，其具体结构如图3所示，所述磁光材料c的厚度h为300-600nm，即所述磁光材料的下表面与距离光纤光栅芯层b最近的切面的距离m可根据所用磁光的材料的折射率不同，选择0-500nm不等。 

在磁场的作用下，物质的电磁特性如磁导率、介电常数、磁化强度、磁畴结构、磁化方向等会发生变化，因而使通向该物质的光的传输特性也随之发生变化。磁光效应就是指光通过磁场或磁矩作用下的物质时，其传输特性的变化。如图4所示，为本发明实施例中磁光波导和外加磁场位置关系的示意图，箭头表示外加磁场方向，光在透过磁光波导101时，介电常数张量(y，z)分量不再为零，即产生了非零回转矢量γ，γ＝nλΘ_F/π，Θ_F＝FHL，其中，n为磁光材料的折射率，λ为传播波长，Θ_F为单位长度的法拉第旋转角，H为磁场强度，L为材料长度，F为材料的贾尔德系数。当正反向传播常数会发生变化，即产生所谓的非互易相移(NPS)。由微扰理论可得到NPS表达式，对纵向电波(TE)模、TM模分别有： 

$\mathrm{\δ}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{TE}}=\frac{\mathrm{\ω}{\mathrm{\ϵ}}_o}{N{\mathrm{\β}}_{\mathrm{TE}}}\∫\∫{\mathrm{\γ}}_x{E_y}^{*}{\∂}_y{E}_y\mathrm{dxdy},$ $\mathrm{\δ}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{TM}}=-\frac{\mathrm{\ω}{\mathrm{\ϵ}}_o}{N{\mathrm{\β}}_{\mathrm{TM}}}\∫\∫{\mathrm{\γ}}_y{E_x}^{*}{\∂}_x{E}_x\mathrm{dxdy}---\left(1\right)$

其中，  $N=\frac{1}{2}{\∫\∫[E\×H*+E*\×H]}_z\mathrm{dxdy}$

同时，根据波导光栅的工作原理，当入射波与反射波的传播常数满足布拉格反射条件时，由普通介质材料组成的互易波导，其反射和透射的典型波长特性如图5所示，而且正反向传输时，反射和透射的中心波长不会发生变化，其中102表示波导光栅的反射特性，103表示波导光栅的透射特性。因而，结合磁光波导的非互易特性和光栅波导对波长敏感的特性制作的光隔离器是一种具有非互易波长特性的光隔离器。若采用如图6所示的磁光材料c为Ce:Yig，折射率为2.225，上包层d为空气，衬底e为SiO2，折射率1.455的脊型磁光波导光栅，根据公式(1)，在透明边界条件下，采用有限差分法可以 计算该波导的有效折射率变化量。当截面各参数：H＝3μm，h＝1.4μm，W＝1.4μm，length＝6000μm，Period＝0.355μm，△W＝0.05μm，γ＝0.0091时，其中，H为脊波导的厚度，W为脊波导的宽度，W-h为脊高，参数length代表光栅的长度，Period代表光栅的周期，△W为光栅处波导宽度差，得到有效折射率变化量约为1.12×10^-3；再利用耦合模理论和转移矩阵法分析光栅，该光栅在以上参数下的正反向传输频谱特性如图7所示，正向传输时波导光栅中心波长约1548.9nm，带宽约0.4nm(-20dB)；反向传输时该波导光栅中心波长偏移至波长1549.7nm波段，带宽也约0.4nm(-20dB)，正反传输的中心波长发生了约0.8nm的偏移，从而回避了光路的可逆性，其中104表示正向传输波长特性，105表示反向传输波长特性。 

上述光隔离器，基于波导光栅的波长非互易特性能较好地选择波长，同时采用半导体平面工艺易集成和规模化制作，而且所含元部件少，因而其体积较小，机械稳定性好。 

如图8所示，为本发明光分插复用器实施例的结构示意图，该光分插复用器(OADM)包括上述光隔离器11、主输入端12、第一环路器13、第二环路器14、主输出端15、下载端16和上传端17，其中，主输入端12、第一环路器13、光隔离器11、第二环路器14和主输出端15依次串接，所述下载端16与第一环路器13相连，所述上传端17与第二环路器14相连。 

其中，上述光隔离器同本发明光隔离器实施例的结构相同，在此不赘述；上述OADM下载端下载的波长和上传端上传的波长可以不同，实现可重构的光分叉复用器；而且采用磁场控制，还可实现波长的可变。由于通过外加磁场M的强度H的变化可以控制回转矢量γ，从而达到调节中心波长非互易量△λ的目的。不同磁场下，相应地获得不同的非互易波长特性如图9所示，其中，|γ|为回转矢量的大小，H>0/H<0表示外加磁场方向向上/下，forward/backward表示光正/反方向传播；基于以下数据|γ|＝0.0091、H>0、正方向传播，或H<0、反方向传播的λ1波长；|γ|＝0、H＝0、正方向或反方向传播 的λ2波长；|γ|＝0.0091、H>0、正方向传播，或H<0、反方向传播的λ3波长；可调波长范围可达1548.9nm～1549.7nm。 

在可调范围内，通过调节外加磁场大小和方向，选择让某一频段的光束通过或被反射，相应地选择下载和上传的信号波段。例：若需要下载波段λ1，只需使外加磁场方向向上(H>0)，|γ|＝0.0091，那么这一波段的光束从主输入端输入，经过第一环路器后被光栅反射再经过第第一环路器从下载端下载；若需要上传波段λ3，只需使外加磁场H＝0，|γ|＝0，信号从上传端经第二环路器上传后被波导光栅反射再经第二环路器从主输出端输出，而与常规的基于普通光栅的OADM相比，后者只能上传同下载端相同波长的信号。 

上述光分插复用器在上述光隔离器的基础上，集成了光环路器等设备，使该OADM可以上传与下载端不同波长的信号，且通过对磁场大小的控制，还能对上载波长进行可控；可拓宽光上下插分复用系统的应用范围；另外，由于光隔离器的体积小，使得该光分插复用器也具有体积小、易集成等优点。 

如图10所示，为本发明光合束器实施例的结构示意图，该光合束器包括上述光隔离器11、第一输入端21、第二输入端22、含磁光材料的光环路器23和输出端24，其中第一输入端21、光隔离器11、光环路器23和输出端24串行连接，第二输入端22与含磁光材料的光环路器23相连。 

其中，上述光隔离器同本发明光隔离器实施例的结构相同，在此不赘述；上述光环路器为磁光多模干涉波导(MMI)光环路器，所述光环路器中的磁光材料可以为含铈的钇铁石榴石等，光环路器中的磁光材料和光隔离器中的磁光材料可以相同，也可以不同。 

另外，上述光合束器也可采用PLC技术实现，相对现有的偏振合束器，本发明的光合束器无需偏振转换，即可实现相同或非常接近相同的光束的无泄漏合束，且无需相位相同的要求。如图10所示，选择光隔离器11，使得波段λ1信号通过第一输入端21经过光隔离器11能透过进入光环路器23，从输出端24输出；通过第二输入端22输入的另一波段λ1信号经过光环路器23 输出后，反向进入光隔离器11，然后被反射重新进入光环路器23，并且也从输出端24输出，从而实现了无泄漏地合束。上述合束器在需要合束的光路中使用，可以减少由于普通合束器产生的泄漏损耗，提高光信号的利用率。由于在光交换系统中合束器的使用非常普遍，因此，能实现无泄漏，而且可利用成熟的平面工艺制作无需进行偏振转换的合束器，在光信息处理、光通信等领域有着非常重要的应用价值，特别对在未来基于硅芯片上的单片集成的光子系统/模块中的应用有重要的价值。 

上述光合束器在上述光隔离器的基础上，集成了含磁光材料的光环路器等设备，使得该合束器对波长相同或接近相同、无固定相位关系的光束无泄漏损耗地合束，且无需先进行偏振转换；同时，该合束器结构简单，且制作工艺简单。 

最后所应说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照优选实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光隔离器，其特征在于包括依次串接的输入波导、含磁光材料的波导光栅和输出波导，所述含磁光材料的波导光栅用于通过磁光效应产生非互易相移，以使正反传输中能通过的中心波长发生偏移且正反传输的带宽相同。

2.根据权利要求1所述的光隔离器，其特征在于所述含磁光材料的波导光栅为直接由磁光材料构成的磁光波导光栅或普通介质波导光栅在需要磁光效应部分的波导表面溅射或键合磁光材料构成的磁光波导光栅。

3.根据权利要求1所述的光隔离器，其特征在于所述含磁光材料的波导光栅为在磨抛掉一侧包层的光纤光栅上溅射或键合磁光材料构成的磁光波导光栅。

4.根据权利要求2所述的光隔离器，其特征在于所述波导光栅为脊型磁光波导光栅，所述磁光材料为含铈的钇铁石榴石，厚度为300-600nm，衬底为二氧化硅。

5.根据权利要求3所述的光隔离器，其特征在于所述磁光材料的厚度为300-600nm，所述磁光材料的下表面与距离光纤光栅芯层最近的切面的距离为0-500nm。

6.一种包含权利要求1-5任一光隔离器的光分插复用器，其特征在于还包括主输入端、第一环路器、第二环路器、主输出端、下载端和上传端，其中，主输入端、第一环路器、光隔离器、第二环路器和主输出端依次串接，所述下载端与第一环路器相连，所述上传端与第二环路器相连。

7.根据权利要求6所述的光分插复用器，其特征在于所述下载端下载的波长和上传端上传的波长不同。

8.一种包含权利要求1-5任一光隔离器的光合束器，其特征在于还包括第一输入端、第二输入端、含磁光材料的光环路器和输出端，其中第一输入端、光隔离器、含磁光材料的光环路器和输出端串行连接，第二输入端与含磁光材料的光环路器相连。

9.根据权利要求8所述的光合束器，其特征在于所述光环路器为磁光多模干涉波导光环路器，所述光环路器中的磁光材料包括含铈的钇铁石榴石。

10.根据权利要求9所述的光合束器，其特征在于所述光环路器中的磁光材料和光隔离器中的磁光材料相同或不同。

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