CN105353465A - 一种基于阻抗匹配介质的无反射型光功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阻抗匹配介质的无反射型光功分器，该光功分器包括N-1个T型分路单元，N为大于或等于2的自然数，前一级T型分路单元的输出端和后一级T型分路单元的输入端连接，其特征在于T型分路单元由阻抗匹配介质构成，可实现无反射、超低损耗T型分路。在前一级T型分路单元的输出端与后一级T型分路单元的输入端之间设有直角拐弯单元，该直角拐弯单元由阻抗匹配介质构成，可实现超低损耗、无反射直角拐弯。本发明基于阻抗匹配介质，该介质通过特殊设计可实现不同材料间的阻抗匹配，而且可以根据需求调节阻抗，从而达到无反射效果。

Description

一种基于阻抗匹配介质的无反射型光功分器

技术领域

本发明涉及一种基于阻抗匹配介质的无反射型光功分器，属于集成光子器件技术领域。

背景技术

1×N光功分器是光纤到户无源接入网中连接光线路终端(OLT)和光网络终端(ONU)的关键无源器件。早期的功分器有光纤型功分器、透镜型功分器，体积较大、可靠性差、功分不均匀、不易集成、不易调整功率分配且分路数少等缺点。随着PLC技术的发展，出现了PLC型功分器。PLC型功分器是将PLC芯片和输入、输出光纤阵列(FA)封装而成。PLC工艺制作的PLC型光功分器，工作带宽较宽、损耗低、均匀性好、尺寸小、可靠性高、工艺兼容性好。不管出射端口的数目是多少，器件都可以封装成尺寸较小的一个功分器。

随着光通信技术的进展，传统PLC型光功分器已无法满足日益增长的需求。光功分器的插入损耗、附加损耗和尺寸都需要进一步降低，从而提高其性能。如何实现低损耗、结构紧凑、均匀功分、大分路数便成为了日益突出的问题。PLC型光波导实现T型分路及90°转弯时，由于大角度弯曲势必大大增加损耗，若要降低损耗，则必须采用纵向缓变结构，加长器件尺寸。此外，在加工制作中不可避免地引进一些误差，导致功分不均匀。因此，如何设计一种集成度高、损耗低的光功分器是十分关键的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于阻抗匹配介质的无反射型光功分器，该光功分器具有无反射特性，利用阻抗匹配介质材料实现超低损耗直角拐弯和T型分路，从而达到结构紧凑和损耗极低的效果。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于阻抗匹配介质的无反射型光功分器，该光功分器包括N-1个T型分路单元，N为大于或等于2的自然数，前一级T型分路单元的输出端和后一级T型分路单元的输入端连接；T型分路单元由阻抗匹配介质材料构成，实现无反射、超低损耗T型分路；在前一级T型分路单元的输出端与后一级T型分路单元的输入端之间设有直角拐弯单元，该直角拐弯单元由阻抗匹配介质材料构成，实现超低损耗、无反射直角拐弯；

所述阻抗匹配介质材料的连续阻抗函数为：

$k=1+\frac{z^{\′}}{d_1+x^{\′}tan\mathrm{\β}}(cos\mathrm{\β}-1)$

且满足如下坐标变换，即：将高为h、长为d的坐标变换矩形区变换至高为h、长分别为d₁和d₂的两个四边形区域，具体表达式如下：

x′＝x

y′＝y

$z^{\′}=\frac{z}{d}(\frac{d_2-d_1}{h}x+d_1)$

其中，β为等相位面逐渐偏转角度，(x',y',z')为空间坐标(x,y,z)经过坐标变换之后的坐标。

作为本发明的进一步优化方案，对于TE波，阻抗匹配介质材料通过调节磁导率的响应来实现。

作为本发明的进一步优化方案，对于TE波，阻抗匹配介质材料通过人工电磁材料SRRS来实现。

作为本发明的进一步优化方案，对于TM波，阻抗匹配介质材料的相对磁导率为1，是一个电响应的材料。

作为本发明的进一步优化方案，对于TM波，阻抗匹配介质材料通过金属线来实现。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明提出新型阻抗匹配介质材料，对于TE波，阻抗匹配介质材料可以保持介电常数不变，通过调节磁导率的响应来实现，可以通过人工电磁材料SRRS来实现；而对于TM波，阻抗匹配介质材料1的相对磁导率为1，只是一个电响应的材料，可以通过金属线来实现；

(2)本发明提出的T型分路单元利用阻抗匹配介质构成，一方面可以得到尺寸集成的分路单元；另一面阻抗匹配介质可实现无反射分路。一般传统分路单元基于Y型分支结构，相比于T型分路单元尺寸较大，而且基于普通半导体材料的PLC型Y分支结构无法设计得到无反射特性，从而具有较大的损耗。而本发明提出的基于阻抗匹配介质的T型分路单元可实现无反射特性，从而可得到集成度高和损耗极低的分路单元；

(2)本发明提出的直角拐弯单元基于阻抗匹配介质，同样可实现无反射和超低损耗拐弯传输。传统拐弯结构一般无法达到直角拐弯效果，要么损耗较大，要么需要特殊的结构，无反射镜等。本发明基于阻抗匹配介质，可容易的实现无反射低损耗的直角拐弯，从而提高了光功分器的集成度，降低了整个器件的损耗；

(3)本发明基于阻抗匹配介质，该介质通过特殊设计可实现不同材料间的阻抗匹配，而且可以根据需求调节阻抗，从而达到无反射效果。

附图说明

图1是1×N功分器结构示意图。

图2是T型分路器单元结构示意图。

图3是直角拐弯单元结构示意图。

图4是无反射的拐弯结构坐标变换。

图5是无反射的压缩/扩束坐标变换。

图6是T型分路器单元仿真分析结果。

图7是直角拐弯单元仿真分析结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1、2和3所示，本发明提供一种基于阻抗匹配介质的无反射型光功分器，该光功分器包括N-1个T型分路单元1，N为大于或等于2的自然数，前一级T型分路单元1的输出端和后一级T型分路单元1的输入端连接；T型分路单元1由阻抗匹配介质材料构成，实现无反射、超低损耗T型分路；在前一级T型分路单元1的输出端与后一级T型分路单元1的输入端之间设有直角拐弯单元2，该直角拐弯单元2由阻抗匹配介质材料构成，实现超低损耗、无反射直角拐弯。

所述阻抗匹配介质材料的连续阻抗函数为：

$k=1+\frac{z^{\′}}{d_1+x^{\′}tan\mathrm{\β}}(cos\mathrm{\β}-1)$

且满足如下坐标变换，即：将高为h、长为d的坐标变换矩形区变换至高为h、长分别为d₁和d₂的两个四边形区域，如图4所示，具体表达式如下：

x′＝x

y′＝y

$z^{\′}=\frac{z}{d}(\frac{d_2-d_1}{h}x+d_1)$

其中，β为等相位面逐渐偏转角度，(x',y',z')为空间坐标(x,y,z)经过坐标变换之后的坐标。

下面对本发明中的阻抗匹配介质材料的设计作进一步阐述：

对于一个给定的坐标变换x'＝x'(x)，阻抗匹配介质材料的相对介电常数ε^i′j′和相对磁导率μ^i′j′的计算表达式为：

${\mathrm{\ϵ}}^{i^{\′}{j}^{\′}}=|\det \left(A_i^{i^{\′}}\right){|}^{-1}{A}_i^{i^{\′}}{A}_j^{j^{\′}}{\mathrm{\ϵ\δ}}^{ij}/k$ (1.1)

${\mathrm{\μ}}^{i^{\′}{j}^{\′}}=|\det \left(A_i^{i^{\′}}\right){|}^{-1}{A}_i^{i^{\′}}{A}_j^{j^{\′}}{\mathrm{k\μ\δ}}^{ij}$

其中，ε为真空中相对介电常数，μ为真空中相对介电常数，k为波数，是x方向联系变换空间(x',y',z')和原空间(x,y,z)的矩阵元，是y方向联系变换空间(x',y',z')和原空间(x,y,z)的矩阵元，i、j分别指代x和y方向，δ^ij是delta函数。

首先，设计二维无反射的压缩/扩束元件，坐标变换示意图如图4所示，为了压缩沿+z方向传播的电磁波，实施这样的一个坐标变换，坐标变换沿x方向线性变化，可定义如下坐标变换：

$x^{\′}=x\[1-\frac{z}{d}\left(1-\mathrm{\γ}\right)\]$

y′＝y(1.2)

z′＝z

其中，γ为压缩系数，γ＜1对应压缩，γ＞1为扩束。

上述的坐标变换在边界z′＝0处连续，但是在z′＝d处不连续，数值模拟的结果证实了理论的分析，在此边界上有反射，压缩率越大，反射越强。Emiroglu和Kwon指出上述二维的坐标变换是个不对称的坐标变换，无论是TE波还是TM波输入，电场方向和磁场方向的坐标拉伸率在边界z′＝d不同，导致阻抗失配，Garcia结合传统的光学方法加入了四分之一波长抗反射膜，消除了阻抗失配带来的反射。下面我们用阻抗可调的变换光学理论来重新设计二维无反射的压缩/扩束元件，通过在虚拟空间设置合适的阻抗函数，使阻抗匹配介质在边界消除阻抗失配，不需要加入抗反射膜，用纯变换光学的方法可以实现阻抗匹配。

如图5所示，中间的Ⅰ区为阻抗匹配介质，简单起见，设与阻抗匹配介质连接的环境介质Ⅱ为空气，这也是最常见的一种情况，空气的介电常数和磁导率分别为ε₀和μ₀。

设虚拟空间中的介电常数和磁导率分别为ε^ij＝ε₀δ^ij/k和μ^ij＝kμ₀δ^ij，则阻抗匹配介质的相对介电常数和磁导率可以由变换公式(1.1)得：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{k}\left(\begin{array}{ccc}1-\frac{z^{\′}}{d}(1-\mathrm{\γ})+\frac{{(1-\mathrm{\γ})}^2{\mathrm{dx}}^{\′2}}{{\[d-z^{\′}(1-\mathrm{\γ})\]}^3}& 0& \frac{-(1-\mathrm{\γ}){\mathrm{dx}}^{\′}}{{\[d-z^{\′}(1-\mathrm{\γ})\]}^2}\\ 0& \frac{d}{d-z^{\′}(1-\mathrm{\γ})}& 0\\ \frac{-(1-\mathrm{\γ}){\mathrm{dx}}^{\′}}{{\[d-z^{\′}(1-\mathrm{\γ})\]}^2}0& 0& \frac{d}{d-z^{\′}(1-\mathrm{\γ})}\end{array}\right),---\left(1.3\right)$

以及

$\mathrm{\μ}=k\left(\begin{array}{ccc}1-\frac{z^{\′}}{d}(1-\mathrm{\γ})+\frac{{(1-\mathrm{\γ})}^2{\mathrm{dx}}^{\′2}}{{\[d-z^{\′}(1-\mathrm{\γ})\]}^3}& 0& \frac{-(1-\mathrm{\γ}){\mathrm{dx}}^{\′}}{{\[d-z^{\′}(1-\mathrm{\γ})\]}^2}\\ 0& \frac{d}{d-z^{\′}(1-\mathrm{\γ})}& 0\\ \frac{-(1-\mathrm{\γ}){\mathrm{dx}}^{\′}}{{\[d-z^{\′}(1-\mathrm{\γ})\]}^2}& 0& \frac{d}{d-z^{\′}(1-\mathrm{\γ})}\end{array}\right).---\left(1.4\right)$

为设置一个合适的阻抗函数k实现边界上的阻抗匹配，首先必须要计算在边界z＝0和z＝d的反射和透射系数。设平面波从压缩/扩束器的边界z′＝0，x′＝x₀入射，x₀为入射点，入射的角度为α，在虚拟空间中光线的入射轨迹方程为：x＝x₀+ztanα，而转换到其在变换空间中的轨迹方程为： $x^{\′}=x_0+z^{\′}tan\mathrm{\α}-\frac{x_0{z}^{\′}}{d}(1-\mathrm{\γ})-\frac{z^{\′2}tan\mathrm{\α}}{d}(1-\mathrm{\γ}).$

由折射定律得到，在入射边界z′＝0的折射角和入射角的关系为：

${\mathrm{tan\α}}_3=\frac{{\mathrm{dx}}^{\′}}{{\mathrm{dz}}^{\′}}=tan\mathrm{\α}-\frac{x_0}{d}(1-\mathrm{\γ})---\left(1.5\right)$

在出射边界z′＝d上折射角和α关系为：

${\mathrm{tan\α}}_1=\frac{{\mathrm{dx}}^{\′}}{{\mathrm{dz}}^{\′}}=(2\mathrm{\γ}-1)tan\mathrm{\α}-\frac{x_0}{d}(1-\mathrm{\γ})---\left(1.6\right)$

在出射边界z′＝d的折射角为：

${\mathrm{\α}}_3=arcsin\left(\frac{1}{\mathrm{\γ}}sin\mathrm{\α}\right).---\left(1.7\right)$

对于TE平面波，得到在入射边界z′＝0的反射和透射系数分别为：

$R_{TE}=\frac{1-\frac{1}{k}}{1+\frac{1}{k}},T_{TE}=\frac{2}{1+\frac{1}{k}}.---\left(1.8\right)$

在出射边界z′＝d的反射和透射系数分别为：

$R_{TE}=\frac{1-k\mathrm{\γ}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\α}\left(1-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2}\right)}}{1+k\mathrm{\γ}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\α}\left(1-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2}\right)}},T_{TE}=\frac{2}{1+k\mathrm{\γ}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\α}\left(1-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2}\right)}}---\left(1.9\right)$

对于TM平面波，在入射边界z′＝0的反射和透射系数为：

$R_{TM}=\frac{1-k}{1+k},T_{TM}=\frac{2}{1+k}.---\left(1.10\right)$

在出射边界z′＝d的反射和透射系数为：

$R_{TM}=\frac{1-\frac{\mathrm{\γ}}{k}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\α}(1-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2})}}{1+\frac{\mathrm{\γ}}{k}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\α}(1-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2})}},T_{TM}=\frac{2}{1+\frac{\mathrm{\γ}}{k}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\α}(1-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2})}}---\left(1.11\right)$

由式(1.8)和式(1.10)可以得到在入射边界z′＝0，无论是对于TE还是TM极化波，无反射满足的条件都是k＝1，原因是在这个边界上坐标变换是连续的；而在边界z′＝d上的坐标变换是不连续的，由式(1.9)和式(1.11)求得无反射的条件R_TE＝0和R_TM＝0分别为和为了同时满足所有边界上的无反射条件，并且要保证整个变换区域内介质的连续性，可以选择一个连续的阻抗函数，这样的函数有多种选择，对于不变的坐标变换，不同的阻抗函数k意味着不同的阻抗匹配介质，要选择k使得设计的阻抗匹配介质能方便实验实现。

可以选择1：

$k{|}_{TE}=\frac{d}{d-z^{\′}(1-\mathrm{\γ}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\α}(1-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2})})}---\left(1.12\right)$

$k{|}_{TM}=\frac{d-z^{\′}(1-\mathrm{\γ}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\α}(1-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2})})}{d}---\left(1.13\right)$

或者选择2：

$k{|}_{TE}=1-\frac{z^{\′}}{d}(1-\frac{1}{\mathrm{\γ}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\α}(1-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2})}})---\left(1.14\right)$

$k{|}_{TM}=1-\frac{z^{\′}}{d}(1-\mathrm{\γ}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\α}(1-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}^2})})---\left(1.15\right)$

注意到，对于垂直入射平面波(α＝0)，这是一种普遍遇到的情况，由式(1.12)和式(1.13)设置的阻抗函数使得阻抗匹配介质为简单参数的材料，设为材料1，而由式(1.14)和式(1.15)设置的阻抗函数不能使阻抗匹配介质为简单参数的材料，设为材料2，详见下表。

表不同阻抗函数设置下的阻抗匹配介质材料参数对比

其中，ε_xx、ε_yy、ε_xz、ε_zx、ε_zz分别为对应xx、yy、xz、zx和zz空间中的相对介电常数，μ_xx、μ_yy、μ_xz、μ_zx、μ_zz分别为对应xx、yy、xz、zx和zz空间中的相对磁导率。

对于TE波，阻抗匹配介质材料1参数的相对介电常数为1，只是一个磁响应的材料，这样可以保持介电常数不变，通过调节磁导率的响应来实现，这样的材料可以通过人工电磁材料SRRS来实现；而对于TM波，阻抗匹配介质材料1的相对磁导率为1，只是一个电响应的材料，可以通过金属线来实现。

为对本发明的技术方案作进一步阐述，对该实施例的基于阻抗匹配介质的无反射型光功分器进行仿真试验。利用有限元光束传播法(FE-BPM)，对本发明结构中的T型分路单元1和直角拐弯单元2进行了仿真，结果分别如图6和7所示。由图6可见，基于阻抗匹配介质的T型分路单元1可以实现无反射T型分路，其中通过计算显示损耗低于0.0044dB。由图7可见，基于阻抗匹配介质的直角拐弯单元2具有无反射特性，传输效率达到99％以上。由此可见，本发明的基于阻抗匹配介质的无反射型光功分器达到无反射特性，具有超低损耗，超高集成度。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于阻抗匹配介质的无反射型光功分器，其特征在于，该光功分器包括N-1个T型分路单元(1)，N为大于或等于2的自然数，前一级T型分路单元(1)的输出端和后一级T型分路单元(1)的输入端连接；T型分路单元(1)由阻抗匹配介质材料构成，实现无反射、超低损耗T型分路；在前一级T型分路单元(1)的输出端与后一级T型分路单元(1)的输入端之间设有直角拐弯单元(2)，该直角拐弯单元(2)由阻抗匹配介质材料构成，实现超低损耗、无反射直角拐弯；

所述阻抗匹配介质材料的连续阻抗函数为：

$k=1+\frac{z^{\′}}{d_1+x^{\′}tan\mathrm{\β}}(cos\mathrm{\β}-1)$

且满足如下坐标变换，即：将高为h、长为d的坐标变换矩形区变换至高为h、长分别为d₁和d₂的两个四边形区域，具体表达式如下：

x′＝x

y′＝y

$z^{\′}=\frac{z}{d}(\frac{d_2-d_1}{h}x+d_1)$

其中，β为等相位面逐渐偏转角度，(x',y',z')为空间坐标(x,y,z)经过坐标变换之后的坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于阻抗匹配介质的无反射型光功分器，其特征在于，对于TE波，阻抗匹配介质材料通过调节磁导率的响应来实现。

3.根据权利要求1所述的一种基于阻抗匹配介质的无反射型光功分器，其特征在于，对于TE波，阻抗匹配介质材料通过人工电磁材料SRRS来实现。

4.根据权利要求1所述的一种基于阻抗匹配介质的无反射型光功分器，其特征在于，对于TM波，阻抗匹配介质材料的相对磁导率为1，是一个电响应的材料。

5.根据权利要求1所述的一种基于阻抗匹配介质的无反射型光功分器，其特征在于，对于TM波，阻抗匹配介质材料通过金属线来实现。