CN105467518B - 一种可调光功分比的星型耦合器及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调光功分比的星型耦合器及其实现方法。本发明的星型耦合器包括一路输入光波导、多路输出光波导、以及位于输入光波导与多路输出光波导之间的自由传播区和输出光波导入口过渡区。本发明克服了原有星型耦合器结构输出功率比受到限制的问题，通过计算机仿真模拟，调整自由传播区半径、输出光波导入口过渡区的入口端宽度及间距等参数，可以实现任意输出功率比的星型耦合器设计。与此同时，本发明器件结构紧凑、插入损耗小、易于加工和实现。

Description

一种可调光功分比的星型耦合器及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种可调光功分比的星型耦合器及其实现方法，涉及光通信、光互联以及光器件集成领域。
背景技术
1×N光学耦合器在光通信系统、光纤有线电视网(CATV)、光无源网络(PON)、光局域网等领域中被广泛应用，因而成为光通信系统与光信息处理系统中的关键器件(KramerG,Pesavento G.Ethernet passive optical network(EPON):building a next-generation optical access network[J].Communications Magazine IEEE,2002,40(2):66-73)。在这里，我们使用N表示光学耦合器的输出路数。在N为2m(m为正整数)的情况下，可以采用以1×2光学耦合器为基本单元的级联型结构构成1×N光学耦合器。但这种级联型结构不仅在N的取值上受到限制，而且器件的尺寸和插入损耗会随N的增大而大幅度增加，实现复杂度也随之明显提高。
针对以上问题，C.Dragone等人于1989年提出了一种直接实现1×N光学耦合器的集成光学器件(Dragone C,Henry C H,KaminowI P,et al.Efficient multichannelintegrated optics star coupler on silicon[J].Photonics Technology LettersIEEE,1989,1(8):241-243)。该器件被命名为星型耦合器(Star Coupler)，其结构包含输入波导阵列、输出波导阵列和处于中心的自由传播区(如图1所示)。该器件的优势在于器件尺寸和插入损耗受N取值的影响很小，即在N值较大的情况下仍可保持较小的器件尺寸和较低的插入损耗。但是由于该器件依赖光在自由传播区(FPR)的传播过程，光由输入波导阵列进入自由传播区而后耦合到输出波导阵列，输出波导阵列的输出光功率自然呈现高斯形分布，功率分配的结果受到限制。
发明内容
针对星型耦合器功率分配结果分布受到限制的问题，本发明提出了一种可调光功分比的星型耦合器及其实现方法。采用本发明的实现步骤，在集成材料、输入/输出波导宽度及输出路数取值确定的条件下，通过计算机仿真模拟，调整自由传播区半径、输出光波导入口过渡区的入口端宽度及间距等参数，可以实现任意输出功率比的星型耦合器设计。
一种可调光功分比的星型耦合器设置在集成材料上，其基本结构包括：一路输入光波导、多路输出光波导、输入输出光波导之间的自由传播区以及输出光波导入口过渡区。输出光波导入口过渡区与自由传播区连接的一端(后称为输出光波导入口过渡区的入口端)沿以输入波导中心O为圆心,R为半径的圆弧分布。输入光波导的输入端波导宽度一般根据对应集成材料设定。各路输出光波导的输出端波导宽度一般取值相同，但也可以不同；各路输出光波导入口过渡区的入口端宽度的取值可以相同也可以不同。输出光波导入口过渡区的波导宽度在输出光波导入口过渡区的长度范围Lt内逐渐变化，并在输出光波导入口过渡区的出口端与输出光波导宽度一致。其中，长度范围Lt需要在计算机仿真中满足在一定的输出光波导入口过渡区的入口端宽度取值范围内，保证输出光波导入口过渡区的损耗近似为零或小于一设定值。输出光波导入口过渡区的入口端各路波导端口可紧密排布，也可留有一定间隔，且各间隔不一定相等，但间隔取值一般不超过各路输出光波导入口过渡区的入口端宽度的最小值。输出光波导路数可为奇数或偶数。
本发明通过计算机仿真模拟，实现可调光功分比的星型耦合器的步骤如下：
步骤一：根据集成材料波导特征确定输入光波导的输入端波导宽度，根据需求确定输出光波导路数、各路输出光波导的输出端波导宽度和过渡区入口端间距取值范围(如有，设为(Wsn)min到(Wsn)max)。设置合理的输出光波导入口过渡区长度取值和输出光波导入口过渡区的入口端宽度的取值范围(设为(Wn)min到(Wn)max)，使其满足在计算机仿真中损耗近似为零或小于一设定值。在设计过程中，我们希望输出光波导入口过渡区的入口端宽度取值范围尽量大，这样后续调整范围大，容易操作，但同时会造成入口端和出口端宽度差距变大。为使过渡区损耗几乎为零，输出光波导入口过渡区的入口端和出口端宽度差距越大，过渡区需要的长度越长，器件尺寸也会随之增加。因此，我们需要在调整范围和器件尺寸间找到平衡点，二者兼顾。一般来说，可以根据功率分配需求预估输出光波导入口过渡区的入口端宽度的取值范围，以此为基础并以在计算机仿真中损耗近似为零或小于一设定值为条件确定输出光波导入口过渡区长度取值，如果在后续步骤中，预估取值范围无法满足要求，则返回本步骤，增大输出光波导入口过渡区的入口端宽度的取值范围，同时增加输出光波导入口过渡区长度取值，以满足损耗要求。
步骤二：确定自由传播区半径。在计算机仿真模拟中，将各路输出光波导入口过渡区的入口端宽度统一设置为其取值范围的中间值(设为)，各路输出光波导入口过渡区的入口端间距设置为其取值范围的中间值(设为设置一定的自由传播区半径，并在各路输出光波导输出端设置功率监视器。调整自由传播区半径的取值，使得输出光波导在满足排布需求的情况下，各路接收到的总功率最大。其中，自由传播区半径的调整范围的最小值为其中α为自由传播区对过渡区入口端所在圆弧的张角；调整步进应大于或等于器件实际加工中的最小精度。其中，各路接收到的总功率是指各路输出光波导输出端功率监视器仿真得到的功率值的加和。
步骤三：依据需求的光功分比确定各路接收光功率。以最大总功率为基准，按照各路需求的光功分比确定各路输出光波导接收光功率的归一化功率值，然后根据该归一化功率值和步骤二的最大总功率，确定各路输出光波导接收功率。
步骤四：确定各路输出光波导过渡区入口端宽度及间距。通过仿真，不断在步骤一设置的取值范围内修正和调整各路过渡区入口端宽度和间距，使其满足步骤三中确定的各路接收光功率。如对于某路或某几路输出光波导，在取值范围内均无法调整出步骤三中确定的各路接收光功率值，则返回步骤二，重新确定自由传播区半径和接收最大总功率，再次进行调整。若仍不能调整出需求的光功分比，则返回步骤一，重新预估输出光波导入口过渡区的入口端宽度的取值范围，重新以此为基础并以在计算机仿真中损耗近似为零或小于一设定值为条件确定输出光波导入口过渡区长度取值继续进行调整，直至得到需求的光功分比。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本发明可以实现任意输出功率比的星型耦合器设计。本发明克服了原有星型耦合器结构输出功率比受到限制的问题，通过计算机仿真模拟，调整自由传播区半径、输出光波导入口过渡区的入口端宽度及间距等参数，可以实现任意输出功率比的星型耦合器设计。与此同时，本发明器件结构紧凑、插入损耗小、易于加工和实现。
附图说明
图1为过渡区入口紧密排布的星型耦合器结构示意图。
图2为过渡区入口留有一定间隔的星型耦合器结构示意图。
图3为实施例中设计的星型耦合器光输入时的光场分布图。
图4为实施例中设计的星型耦合器输出光功率值与需求光功率值的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
针对星型耦合器功率分配结果分布受限的问题，本发明提出了一种可调光功分比的星型耦合器及其实现方法。采用本发明的实现步骤，在集成材料、输入/输出波导宽度及N取值确定的条件下，可以实现任意输出功率比的星型耦合器设计。
一种可调光功分比的星型耦合器设置在集成材料上，其基本结构包括：一路光波导输入端、N路光波导输出端、输入输出光波导之间的自由传播区以及输出光波导入口过渡区。
图1为该星型耦合器结构示意图，其中输入与输出光波导之间构成自由传播区，输出光波导入口过渡区与自由传播区连接的一端(后称为过渡区入口)沿以输入波导中心为圆心、R为半径的圆弧分布。Wi表示输入光波导的输入端波导宽度，一般根据对应集成材料设定。Won表示第n路输出光波导的输出端波导宽度，一般取值相同，但也可以不同；Wn表示第n路输出光波导入口过渡区的入口端宽度，各路取值可以相同也可以不同。Lt表示输出光波导入口过渡区的长度，输出光波导入口过渡区的波导宽度在此长度范围内逐渐变化，并在输出光波导入口过渡区的出口端端与输出光波导宽度一致。各路输出光波导入口过渡区的入口端可如图1所示紧密排布，也可如图2所示留有一定间隔，且各间隔不一定相等，但一般不超过各路输出光波导入口过渡区的入口端宽度的最小值。图1和图2以N为奇数时为例示意，但并不是输出光波导排布的必需方式，即本发明也适用于N为偶数的情况。
本发明通过计算机仿真模拟，实现可调光功分比的星型耦合器的步骤如下：
步骤一：根据集成材料波导特征确定Wi，根据需求确定输出光波导路数N、各路的Won＝0.6μm和输出光波导入口过渡区的入口端间距取值范围(如有，设为(Wsn)min到(Wsn)max)。设置合理的输出光波导入口过渡区长度取值和输出光波导入口过渡区入口端宽度的取值范围((Wn)min到(Wn)max)，使其满足在计算机仿真中损耗几乎为零。在设计过程中，我们希望输出光波导入口过渡区入口端宽度取值范围尽量大，这样后续调整范围大，容易操作，但同时会造成入口端和出口端宽度差距变大。为使过渡区损耗几乎为零，输出光波导入口过渡区的入口端和出口端宽度差距越大，过渡区需要的长度越长，器件尺寸也会随之增加。因此，我们需要在调整范围和器件尺寸间找到平衡点，二者兼顾。一般来说，可以根据功率分配需求预估输出光波导入口过渡区的入口端宽度的取值范围，以此为基础并以在计算机仿真中损耗近似为零或小于一设定值为条件确定输出光波导入口过渡区长度取值，如果在后续步骤中，预估取值范围无法满足要求，则返回本步骤，增大输出光波导入口过渡区的入口端宽度的取值范围，同时增加输出光波导入口过渡区长度取值，以满足损耗要求。
步骤二：确定自由传播区半径R。在计算机仿真模拟中，将各路输出光波导入口过渡区的入口端宽度统一设置为取值范围的中间值(设为)，过渡区入口间距设置为其取值范围的中间值(设为)，设置一定的自由传播区半径，在各路输出光波导输出端设置功率监视器。调整R的取值，使得输出光波导在满足排布需求的情况下，各路接收到的总功率最大，并将该最大值用Pmax表示。其中，自由传播区半径的调整范围的最小值为其中α为自由传播区对过渡区入口端所在圆弧的张角；调整步进应大于或等于器件实际加工中的最小精度。其中，各路接收到的总功率是指各路输出光波导输出端功率监视器仿真得到的功率值的加和。
步骤三：依据需求的光功分比确定各路接收光功率。以Pmax为基准，按照各路需求的光功分比确定各路的归一化功率值。
步骤四：确定各路过渡区入口宽度及间距。通过仿真，不断在步骤一设置的取值范围内修正和调整各路过渡区入口宽度和间距，使其满足步骤三中确定的各路接收光功率。如对于某路或某几路输出光波导，在取值范围内均无法调整出步骤三中确定的各路接收光功率值，则返回步骤二，重新确定自由传播区R和最大接收总功率Pmax，再次进行调整。若仍不能调整出需求的光功分比，则返回步骤一，重新预估输出光波导入口过渡区的入口端宽度的取值范围，重新以此为基础并以在计算机仿真中损耗近似为零或小于一设定值为条件确定输出光波导入口过渡区长度取值继续进行调整，直至得到需求的光功分比。
在本实施例中，星型耦合器设置在SOI(Silicon-on-insulator，绝缘体上的硅结构)材料上，根据材料特征设置，根据需求设置N＝16，各路输出端光波导宽度均设置为Won＝0.6μm，各路过渡区入口端间距为零。在保证过渡区损耗几乎为零的条件下确定Lt＝10μm，的取值范围为0.6μm到1.2μm。
设计后的星型耦合器光输入时的光场分布图如图3所示。设置R＝21μm，通过调整过渡区入口端宽度可以实现输出光功分比与需求的光功分比完全一致，如图4所示。

Claims (2)

1.一种可调光功分比的星型耦合器的实现方法，其步骤为：
1)根据集成材料波导特征设置输入光波导的输入端波导宽度，根据需求设置输出光波导的路数、各路输出光波导的输出端波导宽度和输出光波导入口过渡区内的各路波导入口端宽度和间距的取值范围，在计算机中创建一仿真星型耦合器；
2)调整该仿真星型耦合器的输出光波导入口过渡区的长度取值和输出光波导入口过渡区内的各路波导入口端宽度取值，使该仿真星型耦合器的输出光波导入口过渡区的损耗小于设定值或接近零；
3)设置该仿真星型耦合器的自由传播区半径，并在各路输出光波导的输出端设置功率监视器；调整自由传播区半径的取值，使得各路输出光波导接收到的总功率最大；
4)根据设定的光功分比确定各路输出光波导接收功率的归一化功率值，然后根据归一化功率值和步骤3)的最大总功率确定各路输出光波导的接收功率；
5)调整输出光波导过渡区内的各路波导入口端宽度及间距，使得各路输出光波导的接收功率满足步骤4)中确定的接收功率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果步骤5)中，某路或某几路输出光波导的接收功率无法满足步骤4)中确定的接收功率，则重新确定自由传播区半径和接收的最大总功率，再次调整输出光波导过渡区内的各路波导入口端宽度及间距，使得各路输出光波导的接收功率满足步骤4)中确定的接收功率。
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