CN101950048A - 一种1×16低弯曲损耗光波导功分器模版 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弯曲损耗低的1×16光功分器的模版及其设计方法，包括弯曲部分二维方程、弯曲部分线宽、弯曲部分长度和弯曲部分宽度；所述弯曲部分方程是七次幂函数方程；所述弯曲部分线宽是均匀微米量级光滑宽带状、所述弯曲部分长度是第一支弯曲开始到最后一支弯曲结束的水平长度；所述弯曲部分宽度是每支弯曲部分末端与水平的距离。

Description

一种1×16低弯曲损耗光波导功分器模版

技术领域：

本发明属于集成光波导的技术领域，尤其是一种低传输损耗、信号功率均匀输出和可复制的集成光波导的模版。

背景技术：

国外在光功分器和耦合器方面的研究开始于上世纪70年代，这方面比较领先的有美国、日本、韩国、德国和西欧等一些发达国家。这些国家主要研究铌酸锂镀钛光波导、硅基二氧化硅光波导、InGaAsP/InP光波导和聚合物光波导。对1×8、1×16、1×32等多分支光功分器和耦合器主要采用的是余弦和反三角函数的S型光路，未有专利记载利用高次幂函数对S型模版降低弯曲损耗。

国内，对耦合器的研制主要采用离子交换工艺制作出了基于级联Y分支结构的1×4、1×8、1×16、1×32的功分器和耦合器。对1×8、1×16、1×32等多分支光功分器和耦合器主要采用的是余弦和反三角函数的S型光路，对高次幂函数的S型光路研究甚少。

S型光路波导是光功分器和耦合器的基础部分，它的光波传输损耗直接影响多分支的光功分器和耦合器的功率和性能。损耗越低，光功分器和耦合器的功率和性能就越高。传统的对1×8、1×16、1×32等多分支光功分器和耦合器主要采用余弦和反三角函数的S型光路，其光波损耗值并非最低。

发明内容：

本发明的目的在于根据现有技术的不足提供一种一种1×16低弯曲损耗光波导功分器模版。

本发明采用如下技术方案实现发明目的：

一种1×16低弯曲损耗光波导功分器模版，包括S型光波导路径，所述S型光波导路径采用七次幂函数设计，实现输出功率损耗低于0.15dB/cm。

所述的低弯曲损耗光波导功分器模版，利用七次幂函数设计的S型光波导路径，是基于级联S分支结构的1×16多路分支，由直波导和弯曲波导两部分组成，对于弯曲波导，存在一个使弯曲损耗最小的弯曲结构函数，所述弯曲结构函数为七次幂函数：

$y=-\frac{20h_i}{{L_i}^7}{x}^7+\frac{70h_i}{{L_i}^6}{x}^6-\frac{84h_i}{{L_i}^5}{x}^5+\frac{35h_i}{{L_i}^4}{x}^4.$

所述的低弯曲损耗光波导功分器模版，所述七次幂函数的数据误差范围为：(L_i，h_i)[i＝1，2，3，4]，其中

所述的低弯曲损耗光波导功分器模版，所述功分器模版属于级联S分支结构，共4连级。

通过这种设计，可以实现光学系统的微型化、稳定性、易集成和均匀化的目的。得到一种低传输损耗、信号功率均匀输出和可复制的集成光波导的模版。

附图说明：

图1是分支波导结构示意图。

图2是用matlab绘制的七次幂函数。

图3是用matlab模拟的1×16七次幂光波导功分器模板的路径。

图4是用工程软件CAD绘制的1×16数据图。

图5是图4的局部放大图。

附图符号说明：A代表直线与上半部分第一支弯曲交点，B代表直线与上半部分第二支弯曲交点，C代表直线与上半部分第三支弯曲交点，D代表直线与上半部分第一支弯曲交点，h₁代表上半第一支弯曲末端与水平垂直距离，h₂代表上半第二支弯曲末端与水平垂直距离，h₃代表上半第三支弯曲末端与水平垂直距离，h₄代表上半第四支弯曲末端与水平垂直距离，L₁代表上半第一支弯曲曲线水平距离，L₂代表上半第二支弯曲曲线水平距离，L₃代表上半第三支弯曲曲线水平距离，L₄代表上半第四支弯曲曲线水平距离。

具体实施方式：

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图1所示，是本发明S型坐标示意图，h代表弯曲末端沿Y轴方向的长度，L代表弯曲路径水平Y轴方向的长度。

根据损耗理论，可知波导弯曲的总损耗是弯曲结构的泛函，对于给定的位置及要求，必存在一个使弯曲损耗最小的弯曲结构函数y(x)。优化的波导弯曲结构应该具有的基本条件为：结构函数、导函数和曲率函数均连续，并在此基础上略去端点(曲率半径为0)的过渡损耗，将弯曲区的纯弯曲损耗降至最低，并且考虑将两个相反的S型弯曲结构合并时产生的耦合损耗降至最低。

若给定结构函数的边界条件(长为L，分支曲线最大间距为2h的区域)，考虑消去端点处的过渡损耗，可令曲率半径在端点处的值为无穷大，从曲率半径的表达式可知二阶导函数的值为0.即：y”(0)＝0，y″(L)＝0.对于分支耦合损耗，如果光路分支能够从无间隙开始分离开去，将获得最大的耦合效率，分支损耗最小。故在不考虑线宽的情况下，从无间隙开始分开意味着弯曲结构在端点处的分支角为0(一阶导函数为0)。即：y′(0)＝0，y′(L)＝0

同时，由弯曲结构本身可知，在端点处的值分别为0和h.即：

y(0)＝0，y(L)＝h

为了求解七次幂函数引入初始条件：

由所述边界条件，按照数学理论，可满足7次幂函数的求解，故可假设弯曲结构的方程为：y＝ax⁷+bx⁶+cx⁵+dx⁴+ex³+fx²+gx+h故求得每个弯曲结构函数均为：

如图2所示。

可以得到第一个S型弯曲结构的函数(以耦合点A为坐标原点)如图3所示，其中L₁＝20mm，h₁＝0.4mm(0≤x≤20mm)

第二个S型弯曲结构的函数(以耦合点B为坐标原点)

其中L₂＝12mm，h₂＝0.2mm(0≤x≤12mm)

第三个S型弯曲结构的函数(以耦合点C为坐标原点)

其中L₃＝8mm，h₃＝0.1mm(0≤x≤8mm)

第四个S型弯曲结构的函数(以耦合点D为坐标原点)

其中L₄＝6mm，h₄＝0.05mm(0≤x≤6mm)

再根据对称性就可以求出整个1×16光波导的路径。如图4、图5所示，用工程软件CAD精确的绘制出1×16光波导的路径，然后把CAD文件转换成GDS格式文件之后将其导入到海德堡光刻机中，在铬版用激光光刻出1×16低损耗光波导功分器模版。

Claims (4)

1.一种1×16低弯曲损耗光波导功分器模版，包括S型光波导路径，其特征在于，所述S型光波导路径采用七次幂函数设计，实现输出功率损耗低于0.15dB/cm。

2.根据权利要求1所述的低弯曲损耗光波导功分器模版，其特征在于利用七次幂函数设计的S型光波导路径，是基于级联S分支结构的1×16多路分支，由直波导和弯曲波导两部分组成，对于弯曲波导，存在一个使弯曲损耗最小的弯曲结构函数，所述弯曲结构函数为七次幂函数：

$y=-\frac{20h_i}{{L_i}^7}{x}^7+\frac{70h_i}{{L_i}^6}{x}^6-\frac{84h_i}{{L_i}^5}{x}^5+\frac{35h_i}{{L_i}^4}{x}^4.$

3.根据权利要求2中所述的低弯曲损耗光波导功分器模版，其特征在于，所述七次幂函数的数据误差范围为：(L_i，h_i)[i＝1，2，3，4]，

其中

4.根据权利要求2所述的低弯曲损耗光波导功分器模版，其特征在于，所述功分器模版属于级联S分支结构，共4连级。

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