CN103197387B - 基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器 - Google Patents
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Abstract
基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器，包括输入尾纤、输出尾纤、分下尾纤和插入尾纤。还包括3条完全相同的单模波导，其中第一波导为主波导，包含两个完全相同的光折变长周期光栅，分别在第一波导的左右两端，且两个光折变长周期光栅间有一定距离；第二波导具有与第一波导左端完全相同的光折变长周期光栅，且完全对齐；第三波导具有与第一波导右端完全相同的光折变长周期光栅，且完全对齐。光栅包括基底，所述基底为X或Y切Z传的LiNbO3晶体，基底上设置包层，包层上设置Z向布置的单模波导，单模波导上制作光折变光栅。第一波导的两个端面分别与所述输入尾纤和输出尾纤连接，第二波导的右端与分下尾纤连接，第三波导的左端与插入尾纤连接。
Description
技术领域
本发明涉及集成光学领域与光通信无源器件领域，尤其涉及基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器。
背景技术
在波分复用(WDM)光纤系统中，光分插复用器(OADM)是一个关键器件。它从传输线路中有选择性地分下通往本地的特定波长光信号，同时上载本地发往另一节点的特定波长光信号。OADM是实现大容量、高速率全光网通信的关键节点器件，在WDM光网络系统中有着广泛的应用。
光分插复用器（OADM）的解决方案主要分为基于分立器件型和基于集成器件型两大类。
基于分立器件的OADM，一般采用分立的透镜、棱镜、反射镜等构成，通过调整光束出射方向来达到分插滤波功能。由于制造容易、成本低，目前已经实现的OADM大多采用分立器件制作。但该类器件体积偏大，实现光束精确对准难度较高，器件的插入损耗较大。
根据所使用材料的不同，已见报道的基于集成技术的OADM主要有三大类：
一种是通过在半导体材料上制作波导或者是微结构来实现光信号的滤波、耦合和分插复用，比如阵列波导光栅和MEMS光开关阵列。此类OADM集成度高，支持的信道数目多。而且，它所使用的制造设备与半导体激光器、半导体微电子器件兼容，因此可实现更高集成度的光电子集成。但不论是制造装备、制造工艺还是所使用的半导体材料，其成本都很高，而且受目前制作能力的限制，性能也不够稳定，距实用化还有一段距离。
另一种成本更低的集成OADM是基于光纤器件的。如利用光纤布拉格光栅（FBG）加两个光环行器实现一种OADM，整个器件插入损耗较低（～1.0dB），但是由于使用了光环行器而使得成本较高。还有一种将长周期光纤光栅（LPFG）应用到OADM中，利用了两个LPFG间的包层模式耦合实现了一个波长选择耦合器，从而实现了波长的分插复用。但是，严格维持两根光纤的相对位置对于器件封装是一个很大的挑战，也很难通过扩大光纤数量来增加输出端口数量。
还有一种集成OADM是通过在铌酸锂或聚合物材料基底上制作波导或者是微结构来实现的，如声光可调谐滤波器（AOTF）就是一个极具吸引力的方案，但其具有边模抑制比低、插入损耗大等缺点，而且同样存在着制造成本高昂，制造工艺复杂，性能不够稳定等问题。
迄今为止，虽然已经实现的OADM大多采用分立器件制作，而已见报道的基于集成技术的OADM由于成本高，工艺复杂，性能不稳定等问题，距实用化还有一段距离，但毫无疑问集成化才是光通信器件的发展方向。关键是要找到一种制作工艺简单、成本低廉的集成方案。
发明内容
为了克服现有的基于集成器件的分插复用器结构复杂、制作困难和材料重复利用率低等不足，本发明提供一种简化结构、制作方便、材料重复利用率较高的基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器。
为了解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器，包括输入尾纤、输出尾纤、插入尾纤和分下尾纤。所述基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器还包括3条完全相同的光波导。所述3条完全相同的光波导均为单模波导,其中第一波导为主波导，具有两个完全相同的光折变长周期光栅，分别位于第一波导的左右两端，且两个光折变长周期光栅间有一定距离；第二波导具有与第一波导左端完全相同的光折变长周期光栅，且完全对齐；第三波导具有与第一波导右端完全相同的光折变长周期光栅，且完全对齐。
所述光折变长周期波导光栅包括基底，所述基底为X或Y切Z传的LiNbO3晶体；所述基底上设置包层；所述包层中设置Z向布置的单模波导；所述单模波导上制作光折变光栅。
进一步，所述第一波导的两端分别与所述的输入和输出尾纤粘合固定连接，所述第二波导的右端与所述的分下尾纤粘合固定连接，所述第三波导的左端与所述的插入尾纤粘合固定连接。
进一步，所述第一波导的两端分别与所述的输入和输出尾纤通过夹具固定连接，所述第二波导的右端与所述的分下尾纤通过夹具固定连接，所述第三波导的左端与所述的插入尾纤通过夹具固定连接。
再进一步，利用有效折射率法确定单模波导和包层的几何尺寸、导模参数和有效折射率。
更进一步，利用长周期波导光栅的耦合理论，确定波导间的耦合系数，波导间距和光栅长度。
根据单模波导的有效折射率和包层的有效折射率，利用长周期波导光栅的相位匹配条件，确定对应各个分下或插入信号波长时的光栅周期，最后采用双光束干涉方法制作出光折变光栅。
本发明的技术构思为：用双光束干涉方法制作光折变光栅，装置和工艺简单，而且利用光折变光栅在暗条件下可保持数年的特性，方便使用且性能可靠。另外，利用铌酸锂晶体中光折变光栅可以擦除和再建立的特点，通过改变记录角度，就可以得到新的光栅周期，达到对分下和插入不同波长信号的目的，从而提高材料的重复利用率。
本发明的有益效果主要体现在：1、只需利用双光束干涉就可制作长周期波导光栅，不需要在铌酸锂晶体上加装电极等复杂结构，也避免了利用刻蚀等复杂的集成光学工艺制作光栅，使得制造技术简单；2、光折变光栅可以擦除和再建立，可以改变分插复用器选择的波长，从而提高材料的重复利用率。
附图说明
图1是本发明基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器的结构示意图。
图2是本发明双光束干涉法制作光折变光栅示意图。
图3是本发明基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器应用装置示意图。
图4是本发明基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器应用波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。
实施例1
参照图1～图3，一种基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器，包括输入尾纤103和输出尾纤109，分下尾纤110和插入尾纤101。所述光折变长周期波导光栅的分插复用器还包括3条完全相同的波导：波导1为主波导，包含两个完全相同的光折变长周期光栅，分别在波导1的左右两端，左端光栅为102，右端光栅为108，两个光折变长周期光栅间有一定距离；波导2具有与波导1左端完全相同的光折变长周期光栅104，且完全对齐；波导3具有与波导1右端完全相同的光折变长周期光栅107，且完全对齐。
所述光折变长周期波导光栅包括基底106，所述基底106为X或Y切Z传的LiNbO3晶体，所述基底106上设置包层105，所述包层105上设置Z向布置的波导1、2、3。
所述波导1的两个端面分别与所述输入尾纤103和输出尾纤109粘合固定连接，所述波导2的右端与分下尾纤110粘合固定连接，所述波导3的左端与插入尾纤101粘合固定连接。
利用有效折射率法可确定波导1、2、3和包层105的几何尺寸、导模参数和有效折射率。利用长周期波导光栅的模式理论，确定长周期光栅的长度L和波导的间距d。
根据波导1、2、3的有效折射率和包层的有效折射率，利用长周期波导光栅的相位匹配条件，确定对应各个滤波波长时的光栅周期Λm，采用双光束干涉方法制作出光折变光栅。
参照图1～图4，分插复用器的制作和应用包括以下步骤：
步骤1铌酸锂基底单模波导的制作
参照图1，本发明中使用的波导是以铌酸锂晶体106为基底，经过第一次扩钛形成包层105，再经第二次扩钛分别形成波导1、2和3；波导1上制作的光栅102和108，波导2上制作的光栅104，波导3上制作的光栅107，都是光折变光栅。
步骤2掩模版的制作
参照图2，根据长周期光栅的间隔d，达到100%耦合所需的光栅长度L，还有光分插复用的结构以及波导的大小，制作出图2中所示结构的掩模版，该掩模版的主要功能是挡住波导上不需要光照射的部分，以便形成特定位置的光栅。
步骤3光折变长周期波导光栅的制作
参照图2，首先将掩模版完全对齐地覆盖在波导上，被掩模版挡住的地方无法接触到光，没有遮挡的地方可以接收到光。然后利用记录光201，通过分束镜202反射到203上，又经203反射后形成一路干涉光205入射到掩模版上。而通过分束镜202之后的另一束光经过反射镜204反射之后形成另一路干涉光206也入射到掩模版表面。干涉光205和206中未被掩模版遮挡的光在铌酸锂表面四个位置处同时形成干涉条纹，条纹间距为Λm，条纹总长度为L，最后通过光折变效应同时形成光折变长周期波导光栅102、104、107和108。
步骤4分插复用器的制作和应用
参照图1，在制作成功的光折变长周期波导光栅的波导1两端面分别加上输入尾纤103和输出尾纤109，波导2的右端加上分下尾纤110，波导3的左端加上插入尾纤101，这样就制成了基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器。尾纤103和109，110和101是直接对准并粘合固定在波导上的。
参照图3和图4，假设输入的波分复用信号光为λ1,λ2,λ3,λ4（图4（a）），且共振波长为λ3，所述的波分复用信号先耦合进输入尾纤103中，再耦合进波导1中，则共振波长λ3会在波导1的光折变长周期光栅102的作用下，耦合到整个波导片的包层模式中，该包层模式又在波导2的光折变长周期光栅104的作用下，耦合到波导2的导模中，从而可以在分下尾纤110端口处接收到光信号λ3（图4（c）），即分下信号。其余的非共振波长λ1,λ2,λ4（图4（b））将从尾纤109输出。如果同时在插入尾纤101端口插入信号λ'3（图4（d）），同理，该信号的导模会在波导3的光折变长周期107的作用下耦合到整个波导片的包层模式中，然后该包层模式会在波导1的光折变长周期光栅108的作用下耦合到波导1的导模中，从而可以从尾纤109端口接收到信号光λ1,λ2,λ'3,λ4（图4（e））。即该器件可以实现插入和分下的功能，即分插复用。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：在制作成功的光折变长周期波导光栅的波导1两端面分别加上输入尾纤103和输出尾纤109，波导2的右端加上分下尾纤110，波导3的左端加上插入尾纤101，这样就制成了基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器。尾纤103和109，110和101是通过夹具固定后、直接对准紧贴在波导端面上。本实施例的其他结构和实现方式与实施例1完全相同。
Claims (5)
1.一种基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器，包括输入尾纤、输出尾纤、插入尾纤和分下尾纤，所述基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器还包括3条完全相同的单模波导，其中第一波导为主波导，包含两个完全相同的光折变长周期光栅，分别在第一波导的左右两端，且两个光折变长周期光栅间有一定距离；第二波导具有与第一波导左端完全相同的光折变长周期光栅，且完全对齐；第三波导具有与第一波导右端完全相同的光折变长周期光栅，且完全对齐；所述光折变长周期波导光栅包括基底，所述基底为X或Y切Z传的LiNbO3晶体，所述基底上设置包层，所述包层上设置Z向布置的单模波导，所述单模波导上制作光折变光栅；所述第一波导的两个端面分别与所述输入尾纤和输出尾纤连接，所述第二波导的右端与所述的分下尾纤连接，所述第三波导的左端与所述的插入尾纤连接。
2.如权利要求1所述的基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器，其特征在于：所述第一波导的两端分别与所述的输入和输出尾纤粘合固定连接，所述第二波导的右端与所述的分下尾纤粘合固定连接，所述第三波导的左端与所述的插入尾纤粘合固定连接。
3.如权利要求2所述的基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器，其特征在于：所述第一波导的两端分别与所述的输入和输出尾纤通过夹具固定连接，所述第二波导的右端与所述的分下尾纤通过夹具固定连接，所述第三波导的左端与所述的插入尾纤通过夹具固定连接。
4.如权利要求3所述的基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器，其特征在于：利用长周期波导光栅的耦合理论，确定了第一波导、第二波导和第三波导之间的间距，同时也确定了光折变长周期波导光栅的长度。
5.如权利要求4所述的基于光折变长周期波导光栅的光分插复用器，其特征在于：利用有效折射率法确定单模波导和包层的几何尺寸、导模参数和有效折射率。
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