CN104317001A - 多通道密集型波分复用-解复用器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道密集型波分复用-解复用器。输入波导与光学梳状滤波器的输入端相连，两个输出端并分别通过第一、第二连接波导与各自第一、第二平板波导相连接，在第一、第二平板波导之间连接有一组阵列波导，第一输出波导组中每条输出波导的一端均连接在第一平板波导的一端上，第一输出波导组与第一连接波导连接在第一平板波导的同一端；第二输出波导组中每条输出波导的一端与第二平板波导的一端上，第二输出波导组与第二连接波导连接在第一平板波导的同一端。本发明具有结构简单、设计方便且小尺寸、高性能，亦未引入额外的复杂工艺，在器件尺寸未显著增加的基础上实现了通道数的翻倍。

Description

多通道密集型波分复用-解复用器

技术领域

本发明涉及一种平面光波导集成器件，尤其是涉及一种多通道密集型波分复用-解复用器。

背景技术

众所周知，光作为载波在长距离通信已经取得巨大成功，并正在向短距离光通信范畴推进，如光纤到户(FTTH)、光互连等系统。在这些光通信系统中，为了获得更大数据传输量，人们已经发展了多种复用技术，包括波分复用、偏振复用、时分复用等。

其中，波分复用(WDM)技术在长距离光纤通信中已经取得巨大成功，其核心器件是波分复用-解复用器件，而其中最具代表性的便是阵列波导光栅。传统的阵列波导光栅依次由输入波导、输入平板波导、阵列波导、输出平板波导和输出波导连接组成，复合光从输入波导入射，进入平板波导并发散传输，然后耦合到波导阵列中的各条波导。相邻阵列波导存在一定光程差，从而对各波长的光产生不同的位相差，实现光栅的色散功能。经过输出平板波导后，不同波长的光会聚于阵列波导光栅像面上的不同点，然后再耦合到对应位置的输出波导，即可将不同波长的光从不同输出波导输出，实现了不同波长的光的分离，这就是波分解复用的功能。反过来，就可以实现波分复用功能。

随着通信容量需求的日益增长，密集波分复用成为关键技术。然而密集型波分复用器件的实现并不容易，主要存在器件尺寸大、性能不好等不足。为了解决这一问题，常用的解决办法是引入一种所谓的“光学梳状滤波器”，并与两个匹配的波分复用器件相结合。利用光学梳状滤波器先将入射的通道间隔为Δλ_ch的一系列波长分成两组，即奇数组、偶数组。奇数组、偶数组中各通道波长的间隔为2Δλ_ch。再将奇数组、偶数组分别接入到各自对应的波分复用器件，进而被分开。

上述现有技术中，需采用两个波分复用器件，导致模块尺寸大、结构复杂，而且两个波分复用器件的中心波长由于制备工艺误差往往难以匹配。因此，亟需发展新的多通道密集型波分复用-解复用器模块，从而在获得超高通信数据容量的同时，降低该复用模块复杂度及其成本。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种多通道密集型波分复用-解复用器模块。

本发明采用的技术方案是：

包括输入波导、光学梳状滤波器、第一连接波导、第二连接波导、第一平板波导、第二平板波导、一组阵列波导、包含有N条输出波导的第一输出波导组、包含有N条输出波导的第二输出波导组；输入波导与光学梳状滤波器的输入端相连，光学梳状滤波器的两个输出端并分别经第一连接波导、第二连接波导后连接到第一平板波导、第二平板波导的一端；第一输出波导组中每条输出波导的一端均连接在第一平板波导的一端上，第一输出波导组与第一连接波导连接在第一平板波导的同一端；第二输出波导组中每条输出波导的一端与第二平板波导的一端上，第二输出波导组与第二连接波导连接在第一平板波导的同一端；第一平板波导与第二平板波导的另一端之间连接有一组阵列波导；光信号从输入波导输入或者从第一输出波导组和第二输出波导组输入。

作为波分解复用器，所述的输入波导为输入端，第一输出波导组和第二输出波导组为输出端；作为波分复用器，第一输出波导组和第二输出波导组为输入端，所述的输入波导为输出端。

作为波分解复用器，所述的光学梳状滤波器将入射到输入波导的中心波长为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、…、λ_n、…、λ_2N的一组光信号分成中心波长为λ₁、λ₃、…、λ_2N-1的奇数组光信号和中心波长为λ₂、λ₄、…、λ_2N的偶数组光信号的两个通道；奇数组光信号依次经第一连接波导、第一平板波导、阵列波导、第二平板波导后从第二输出波导组中各输出波导的输出端依次输出；偶数组光信号依次经第二连接波导、第二平板波导、阵列波导、第一平板波导后从第一输出波导组中各输出波导的输出端依次输出。

所述的奇数组光信号的波长间隔与偶数组光信号的波长间隔相同，均为从输入波导输入的该组光信号的波长间隔的两倍。

所述光学梳状滤波器为马赫-泽德干涉仪。

所述光学梳状滤波器为微环滤波器。

所述的阵列波导任意相邻的两个波导长度差相同。

所述第一输出波导组的输入端位置x_o(I)由下式决定：

$x_{o\left(I\right)}=\frac{L_{\mathrm{FPR}}}{n_s{d}_g}(n_g\mathrm{\ΔL}-\mathrm{m\λ})-x_{i\left(\mathrm{II}\right)}$

式中n_g为阵列波导基模有效折射率、n_s为第一平板波导/第二平板波导基模有效折射率，d_g为阵列波导输入端、输出端处的相邻阵列波导间距，L_FPR为第一平板波导、第二平板波导的长度，x_i(II)为第二连接波导输入波导输出端的位置，m为干涉级次，λ为工作波长，λ＝λ₂、λ₄、…、λ_2N；ΔL为阵列波导中相邻波导的长度差。

所述第二输出波导组的输入端位置x_o(II)由下式决定：

$x_{o\left(\mathrm{II}\right)}=\frac{L_{\mathrm{FPR}}}{n_s{d}_g}(n_g\mathrm{\ΔL}-\mathrm{m\λ})-x_{i\left(I\right)}$

式中，n_g为阵列波导基模有效折射率、n_s为第一平板波导/第二平板波导基模有效折射率，d_g为阵列波导输入端、输出端处的相邻阵列波导间距，L_FPR为第一平板波导、第二平板波导的长度，x_i(I)为第一连接波导输出端的位置，m为干涉级次，λ为工作波长，λ＝λ₁、λ₃、…、λ_2N-1；ΔL为阵列波导中相邻波导的长度差。

本发明具有的有益效果是：

本发明具有结构简单、设计方便，亦未引入额外的复杂工艺，并能实现通道数增加一倍，且器件尺寸未显著增加。

附图说明

图1是本发明的波分复用-解复用器的结构示意图。

图2为马赫-泽德干涉仪型的光学梳状滤波器结构示意图。

图3为光学梳状滤波器采用单微环型的实施例图。

图4为光学梳状滤波器采用双微环型的实施例图。

图5为本发明的实施例制成器件的示意图。

图6为实施例经测试的频谱响应图。

图中：1、一条输入波导，2、光学梳状滤波器，3a、第一连接波导，3b、第二连接波导，4a、第一平板波导，4b、第二平板波导，5、一组阵列波导，6a、第一输出波导组，6b、第二输出波导组。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括输入波导1、光学梳状滤波器2、第一连接波导3a、第二连接波导3b、第一平板波导4a、第二平板波导4b、一组阵列波导5、包含有N条输出波导的第一输出波导组6a、包含有N条输出波导的第二输出波导组6b；输入波导1与光学梳状滤波器2的输入端相连，光学梳状滤波器2的两个输出端并分别经第一连接波导3a、第二连接波导3b后连接到第一平板波导4a、第二平板波导4b的一端；第一输出波导组6a中每条输出波导的一端均连接在第一平板波导4a的一端上，第一输出波导组6a与第一连接波导3a连接在第一平板波导4a的同一端；第二输出波导组6b中每条输出波导的一端与第二平板波导4b的一端上，第二输出波导组6b与第二连接波导3b连接在第一平板波导4a的同一端；第一平板波导4a与第二平板波导4b的另一端之间连接有一组阵列波导5；光信号从输入波导1输入或者从第一输出波导组6a和第二输出波导组6b输入。本发明的输入波导1、作为输出波导的第一输出波导组6a和第二输出波导组6b是可逆的。

作为波分解复用器，输入波导1为输入端，第一输出波导组6a和第二输出波导组6b为输出端；作为波分复用器，第一输出波导组6a和第二输出波导组6b为输入端，输入波导1为输出端。

作为波分解复用器时，光学梳状滤波器2将入射到输入波导1的中心波长为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、…、λ_n、…、λ_2N的一组光信号分成中心波长为λ₁、λ₃、…、λ_2N-1的奇数组光信号和中心波长为λ₂、λ₄、…、λ_2N的偶数组光信号的两个通道；奇数组光信号依次经第一连接波导3a、第一平板波导4a、阵列波导5、第二平板波导4b后从第二输出波导组6b中各输出波导的输出端依次输出；偶数组光信号依次经第二连接波导3b、第二平板波导4b、阵列波导5、第一平板波导4a后从第一输出波导组6a中各输出波导的输出端依次输出。

上述奇数组光信号的波长间隔与偶数组光信号的波长间隔相同，均为从输入波导1输入的该组光信号的波长间隔的两倍，即：入射到输入波导1的中心波长为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、…、λ_n、…、λ_2N的一组光的波长间隔为Δλ_ch，则中心波长为λ₁、λ₃、…、λ_2N-1的奇数组光信号的波长间隔为2Δλ_ch，中心波长为λ₂、λ₄、…、λ_2N的偶数组光信号的波长间隔为2Δλ_ch。

如图4所示，阵列波导5任意相邻的两个波导长度差相同，长度差为常数ΔL。

光学梳状滤波器2为马赫-泽德干涉仪或者微环滤波器。马赫-泽德干涉仪如图2所示；微环滤波器如图3和图4所示，可以是单微环结构或者其级联结构，如图4的双微环结构。

第一输出波导组6a的输入端位置x_o(I)由下式1决定：

$x_{o\left(I\right)}=\frac{L_{\mathrm{FPR}}}{n_s{d}_g}(n_g\mathrm{\ΔL}-\mathrm{m\λ})-x_{i\left(\mathrm{II}\right)}---\left(1\right)$

式中，n_g为阵列波导基模有效折射率，n_s为第一平板波导/第二平板波导基模有效折射率，d_g为阵列波导输入端、输出端处的相邻阵列波导间距，L_FPR为第一平板波导、第二平板波导的长度，x_i(II)为第二连接波导3b输出端的位置，m为干涉级次，λ为工作波长，λ＝λ₂、λ₄、…、λ_2N；ΔL为阵列波导5中相邻波导的长度差。

第二输出波导组6b的输入端位置x_o(II)由下式2决定：

$x_{o\left(\mathrm{II}\right)}=\frac{L_{\mathrm{FPR}}}{n_s{d}_g}(n_g\mathrm{\ΔL}-\mathrm{m\λ})-x_{i\left(I\right)}---\left(2\right)$

式中，n_g为阵列波导基模有效折射率，n_s为第一平板波导/第二平板波导基模有效折射率，d_g为阵列波导输入端、输出端处的相邻阵列波导间距，L_FPR为第一平板波导、第二平板波导的长度，x_i(I)为第一连接波导3a输出端的位置，m为干涉级次，λ为工作波长，λ＝λ₁、λ₃、…、λ_2N-1；ΔL为阵列波导5中相邻波导的长度差。

本发明作为解复用器的工作过程为如下：

中心波长为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、…、λ_n、…、λ_2N的一组光信号入射到光学梳状滤波器2的输入波导1。光学梳状滤波器2将其分成中心波长为λ₁、λ₃、…、λ_2N-1的奇数组光信号和中心波长为λ₂、λ₄、…、λ_2N的偶数组光信号，分别进入到第一连接波导3a、第二连接波导3b；

进入到第一连接波导3a的奇数组光信号λ₁、λ₃、…、λ_2N-1继续传播进入到第一平板波导4a并发散传输，然后耦合到阵列波导5，经由阵列波导5后，进入到第二平板波导4b。由于阵列波导的色散，不同波长的光聚焦第二平板波导4b末端的不同位置，波长为λ_2n-1的光信号耦合到到第二输出波导组6b中的第n个输出波导。

进入到第二连接波导3b的偶数组光信号λ₂、λ₄、…、λ_2N继续传播进入到第二平板波导4b并发散传输，然后耦合到阵列波导5，经由阵列波导5后，进入到第一平板波导4a。由于阵列波导的色散，不同波长的光聚焦第一平板波导4a末端的不同位置，波长为λ_2n的光信号耦合到到第一输出波导组6a中的第n个输出波导。

由此可见，从同一输入光波导入射的中心波长为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、…、λ_n、…、λ_2N的一组光的各个通道最后分别从第二输出波导组6b的N条输出波导、第一输出波导组6a的N条输出波导输出。

根据光路可逆性，本发明也用作复用器，其工作过程与作为解复用的过程相反，具体如下：

中心波长为λ₁、λ₃、…、λ_2N-1的N个通道的光信号和中心波长为λ₂、λ₄、…、λ_2N的N个通道的光信号分别一一入射到第一输出波导组6a中N条波导和第二输出波导组6b中N条波导中。

进入到第一输出波导组6a中N条波导的中心波长为λ₁、λ₃、…、λ_2N-1的光信号继续传播进入到第一平板波导4a并各自发散传输，然后各自耦合到阵列波导5，经由阵列波导5后，各自进入到第二平板波导4b。由于阵列波导的色散，中心波长为λ₁、λ₃、…、λ_2N-1的光信号全部耦合到第一连接波导3a；

进入到第二输出波导组6b中N条波导的中心波长为λ₂、λ₄、…、λ_2N的光信号继续传播进入到第二平板波导4b并各自发散传输，然后各自耦合到阵列波导5，经由阵列波导5后，各自进入到第一平板波导4a。由于阵列波导的色散，中心波长为λ₂、λ₄、…、λ_2N的光信号全部耦合到第二连接波导3b；第一连接波导3a中传输的一组光信号与第二连接波导3b传输的另一组光信号分别入射到光学梳状滤波器2，并全部从与光学梳状滤波器2连接的输入波导1输出。

本发明的一种多通道密集型波分复用-解复用器的具体实施例如下：

在此，选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导作为输入波导和输出波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层材料是SiO₂，厚度为2μm、折射率为1.4404；其包层为空气，折射率为1.0。

采用的阵列波导光栅的相关参数为：N＝9，通道间隔Δλ_ch＝1.6nm，阵列波导以及输出波导宽度均为460nm，阵列波导基模有效折射率n_g＝2.377341617，第一平板波导和第二平板波导基模有效折射率为n_s＝2.847688，阵列波导输入端、输出端处的相邻阵列波导间距d_g＝1.6μm，第一平板波导、第二平板波导的长度L_FPR＝100μm，干涉级次m＝20，阵列波导5中相邻波导的长度差ΔL＝13.088μm。

第一连接波导3a输出端的位置x_i(I)＝-11.09μm，第二连接波导3b输出端的位置x_i(II)＝-9.86μm，第一输出波导组6a的输入端位置依次为x_o(I)＝-7.40、-4.93、-2.47、0.00、2.47、4.93、7.40、9.86、12.33μm，第二输出波导组6b的输入端位置依次为x_o(II)＝-7.40、-4.93、-2.47、0.00、2.47、4.93、7.40、9.86、12.33μm。

对于如图2所示的马赫-泽德干涉仪型光学梳状滤波器，两臂长度差设为172.81μm，其输出端的输出频谱的自由频谱范围为3.2nm，从而可将入射的一组光分成通道间隔为3.2nm的奇数组和偶数组。

最后制成的波分复用-解复用器件如图5所示，每组输出波导有9条，共有18个输出通道。如图5所示，由于马赫-泽德干涉仪的尺寸很小，因此增加之后的总器件尺寸未显著增加，而通道总数增加了一倍。

图6为其测试频谱响应，共有18个通道，通道间隔为1.6nm，将原有的单个平板波导的9个通道增加为18个通道，实现了通道数的翻倍，具有显著的技术效果。

实施例的马赫-泽德干涉仪也可替换为如图3所示的单微环形型光学梳状滤波器，微环长度为172.81μm，其两个输出端为直通端和下载端，其自由频谱范围为3.2nm，可将入射的一组光分成通道间隔为3.2nm的奇数组和偶数组。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多通道密集型波分复用-解复用器，其特征在于：

包括输入波导(1)、光学梳状滤波器(2)、第一连接波导(3a)、第二连接波导(3b)、第一平板波导(4a)、第二平板波导(4b)、一组阵列波导(5)、包含有N条输出波导的第一输出波导组(6a)、包含有N条输出波导的第二输出波导组(6b)；

输入波导(1)与光学梳状滤波器(2)的输入端相连，光学梳状滤波器(2)的两个输出端并分别经第一连接波导(3a)、第二连接波导(3b)后连接到第一平板波导(4a)、第二平板波导(4b)的一端；第一输出波导组(6a)中每条输出波导的一端均连接在第一平板波导(4a)的一端上，第一输出波导组(6a)与第一连接波导(3a)连接在第一平板波导(4a)的同一端；第二输出波导组(6b)中每条输出波导的一端与第二平板波导(4b)的一端上，第二输出波导组(6b)与第二连接波导(3b)连接在第一平板波导(4a)的同一端；第一平板波导(4a)与第二平板波导(4b)的另一端之间连接有一组阵列波导(5)；光信号从输入波导(1)输入或者从第一输出波导组(6a)和第二输出波导组(6b)输入。

2.根据权利要求1所述的一种多通道密集型波分复用-解复用器，其特征在于：作为波分解复用器，所述的输入波导(1)为输入端，第一输出波导组(6a)和第二输出波导组(6b)为输出端；作为波分复用器，第一输出波导组(6a)和第二输出波导组(6b)为输入端，所述的输入波导(1)为输出端。

3.根据权利要求1所述的一种多通道密集型波分复用-解复用器，其特征在于：作为波分解复用器，所述的光学梳状滤波器(2)将入射到输入波导(1)的中心波长为λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、…、λ_n、…、λ_2N的一组光信号分成中心波长为λ₁、λ₃、…、λ_2N-1的奇数组光信号和中心波长为λ₂、λ₄、…、λ_2N的偶数组光信号的两个通道；奇数组光信号依次经第一连接波导(3a)、第一平板波导(4a)、阵列波导(5)、第二平板波导(4b)后从第二输出波导组(6b)中各输出波导的输出端依次输出；偶数组光信号依次经第二连接波导(3b)、第二平板波导(4b)、阵列波导(5)、第一平板波导(4a)后从第一输出波导组(6a)中各输出波导的输出端依次输出。

4.根据权利要求3所述的一种多通道密集型波分复用-解复用器，其特征在于：所述的奇数组光信号的波长间隔与偶数组光信号的波长间隔相同，均为从输入波导(1)输入的该组光信号的波长间隔的两倍。

5.根据权利要求1所述的一种多通道密集型波分复用-解复用器，其特征在于：所述光学梳状滤波器(2)为马赫-泽德干涉仪。

6.根据权利要求1所述的一种多通道密集型波分复用-解复用器，其特征在于：所述光学梳状滤波器(2)为微环滤波器。

7.根据权利要求1所述的一种多通道密集型波分复用-解复用器，其特征在于：所述的阵列波导(5)任意相邻的两个波导长度差相同。

8.根据权利要求1所述的一种多通道密集型波分复用-解复用器，其特征在于：所述第一输出波导组(6a)的输入端位置x_o(I)由下式决定：

$x_{o\left(I\right)}=\frac{L_{\mathrm{FPR}}}{n_s{d}_g}(n_g\mathrm{\ΔL}-\mathrm{m\λ})-x_{i\left(\mathrm{II}\right)}$

式中n_g为阵列波导基模有效折射率、n_s为第一平板波导/第二平板波导基模有效折射率，d_g为阵列波导输入端、输出端处的相邻阵列波导间距，L_FPR为第一平板波导、第二平板波导的长度，x_i(II)为第二连接波导(3b)输入波导输出端的位置，m为干涉级次，λ为工作波长，λ＝λ₂、λ₄、…、λ_2N；ΔL为阵列波导(5)中相邻波导的长度差。

9.根据权利要求1所述的一种多通道密集型波分复用-解复用器，其特征在于：所述第二输出波导组(6b)的输入端位置x_o(II)由下式决定：

$x_{o\left(\mathrm{II}\right)}=\frac{L_{\mathrm{FPR}}}{n_s{d}_g}(n_g\mathrm{\ΔL}-\mathrm{m\λ})-x_{i\left(I\right)}$

式中，n_g为阵列波导基模有效折射率、n_s为第一平板波导/第二平板波导基模有效折射率，d_g为阵列波导输入端、输出端处的相邻阵列波导间距，L_FPR为第一平板波导、第二平板波导的长度，x_i(I)为第一连接波导(3a)输出端的位置，m为干涉级次，λ为工作波长，λ＝λ₁、λ₃、…、λ_2N-1；ΔL为阵列波导(5)中相邻波导的长度差。