CN106054339B - 一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法，采用调整Y分支弯曲半径和缝隙，平横短波和长波泄露损耗和辐射损耗，改善Y分支波长相关损耗，实现了超宽谱范围内波长不敏感Y分支结构，通过Y分支级联，形成超宽谱波长不敏感的1×N光分路器结构，实现超宽谱范围内波长平坦化。

Description

一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法
技术领域
本发明属于光纤到户光分配器件技术领域，具体涉及一种平面光波导的超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法。
背景技术
随着三网融合、光纤到户（FTTH）的大力发展，光分路器作为FTTH解决方案无源光网络系统（PON）的关键器件，越来越受到关注。但随着人民上网速率、带宽的要求愈来愈高，传统工作在1310nm、1490nm和1550nm光通信系统已不能满足人们的需求。同时对于一些工作在特殊波段的通信系统，需要相应波段的光分路器，这就需要工作于更宽波长范围的光分路器。传统的光分路器工作在1250nm~1650nm波长范围内，且边缘波长处性能较差，无法满足更宽的波长范围。
发明内容
本发明要解决的是传统光分路器的波长范围有限和波长相关损耗较大，从而提供一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法，包括如下步骤：
步骤1：选择光分路器的波导材料并计算波导材料的相对折射率差Δn。
步骤2：根据步骤1选择的波导材料，利用三维光束传播法仿真单模波导传输条件，得出高阶模截止条件，从而确定波导宽度及厚度。
步骤3：根据步骤2得出的波导宽度和截面尺寸，利用弯曲波导损耗公式，计算出最小弯曲半径，并根据最小弯曲半径构造光分路器的Y分支结构。
弯曲波导损耗公式具体如下：
其中，A θ 为弯曲损耗，Δn为波导材料相对折射率差，R为波导弯曲半径，ε为相对介电常数，n 1 为波导芯区材料折射率，λ 0 为真空中光传输波长。
步骤4：在最小弯曲半径±30%~50%范围内对光分路器的Y分支结构进行超宽谱扫描，得到损耗随波长的变化趋势，并计算波长相关损耗WDL。
步骤5：对光分路器的Y分支结构不同缝隙进行扫描，得到损耗随缝隙变化趋势。
步骤6：根据步骤4和步骤5，调整缝隙和弯曲半径，得到波长不敏感的弯曲半径，并平衡长波、短波的泄露和辐射损耗，得到波长不敏感的Y分支结构。
步骤7：将波长不敏感的Y分支结构作为基本单元，通过级联方式形成1×N型光分路器结构。
在步骤1中，所述波导材料为二氧化硅波导材料，相对折射率差为0.45%；所述二氧化硅波导材料的芯层、衬底和包层的折射率分别为1.4502、1.445和1.445。
在步骤1中，所述波导材料的芯层和包层材料为硅或二氧化硅或磷化铟或砷化镓。
所述波导材料的相对折射率差Δn的计算公式如下：
其中，是芯层折射率，是包层和衬底折射率。
在步骤2中，在相对折射率差0.45%下，所述波导宽度为8μm，所述截面尺寸8μm×8μm。
在相对折射率差0.45%时，所述最小弯曲半径为15mm。
在步骤4中，所述波长相关损耗WDL的计算公式如下：
其中，i为输出通道的编号，P out 为输出通道功率。
在相对折射率差0.45%时，所述波长不敏感的弯曲半径为16mm。
本发明在选定波导材料的情况下，首先用基于三维光束传播法的Rsoft软件仿真单模波导传输条件，从而确定波导宽度及截面尺寸；然后利用弯曲波导损耗，计算出最小弯曲半径；在最小弯曲半径附近进行超宽谱扫描，得到损耗随弯曲半径的变化趋势；对Y分支缝隙扫描，得到损耗随缝隙的变化趋势；通过调整合适缝隙和弯曲半径，平衡长波短波的泄露和辐射损耗，得到波长不敏感Y分支结构；将Y分支作为基本单元，通过级联方式形成1×N型光分路器结构。
本发明采用调整Y分支弯曲半径和缝隙，平横短波和长波泄露损耗和辐射损耗，改善Y分支波长相关损耗，实现了超宽谱范围内波长不敏感Y分支结构，通过Y分支级联，形成超宽谱波长不敏感的1×N光分路器结构，实现超宽谱范围内波长平坦化。
附图说明
图1为本发明中Y分支结构的光分路器结构示意图。
图2为本发明中0.45%折射率下波导模式折射率随宽度变化趋势图。
图3为本发明中Y分支结构损耗随弯曲半径变化趋势图。
图4为本发明中Y分支结构损耗随分支缝隙变化趋势图。
图5为本发明中优化后Y分支结构损耗随波长变化趋势。
图6为本发明中Y分支结构级联形成的1×8波长不敏感光分路器结构。
图7为本发明中 1×8波长不敏感光分路器结构的损耗随波长变化趋势。
具体实施方式
实施例：
一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法，包括如下步骤：
步骤1：选择光分路器的波导材料并计算波导材料的相对折射率差Δn。
所述波导材料为二氧化硅波导材料，折射率差为0.45%；所述二氧化硅波导材料的芯层、衬底和包层的折射率分别为1.4502、1.445和1.445。
在本实施例中，所述波导材料的芯层和包层材料还可为硅或二氧化硅或磷化铟或砷化镓。
所述波导材料的相对折射率差Δn的计算公式如下：
其中，是芯层折射率，是包层和衬底折射率。
步骤2：根据步骤1选择的波导材料，利用基于三维光束传播法Rsoft软件仿真单模波导传输条件，得出高阶模截止条件，从而确定波导宽度及厚度；
从图2中可以看出，在波导宽度大约8.4μm时，出现了1阶模，可以认为单模条件为小于8.4μm，为满足单模条件，在折射率差0.45%下，所述波导宽度width为8μm，所述截面尺寸8μm×8μm。
步骤3：根据步骤2得出的波导宽度和截面尺寸，利用弯曲波导损耗公式，计算出最小弯曲半径，并根据最小弯曲半径构造光分路器的Y分支结构。
弯曲波导损耗公式具体如下：
其中，A θ 为弯曲损耗，Δn为波导材料相对折射率差，R为波导弯曲半径，ε为相对介电常数，n 1 为波导芯区材料折射率，λ 0 为真空中光传输波长。
计算得出，在相对折射率差0.45%时，所述最小弯曲半径为15mm。
步骤4：在最小弯曲半径±30%~50%范围内对光分路器的Y分支结构进行超宽谱扫描，得到损耗随弯曲半径的变化趋势,并计算波长相关损耗WDL。
所述波长相关损耗WDL的计算公式如下：
其中，i为输出通道的编号，P out 为输出通道功率。
在本实施例中，采用1×2 Y分支结构，如图1所示。并选取Y分支结构的弯曲半径的变化范围为10mm~20mm，利用三维光束传播法（Three-Dimension Beam PropagationMethod,3D-BPM）对Y分支结构进行模拟，模拟结果如图3所示。
从图3可以看出，弯曲半径较小时，由于长波辐射损耗较大，长波损耗相对偏大。
步骤5：对光分路器的Y分支结构不同缝隙进行扫描，得到损耗随缝隙变化趋势。
由于光刻工艺的限制，小于1微米缝隙重复性较差，考虑到工艺重复性，选取Y分支结构的缝隙变化范围从1~5μm，利用三维光束传播法（Three-Dimension Beam PropagationMethod,3D-BPM）对不同缝隙Y分支结构进行模拟，结果如图4所示。
从图4中可以看出，在缝隙较大时，由于短波损耗主要集中在波导中心部分，泄露损耗较大，导致缝隙偏大时损耗偏大。
步骤6：根据步骤4和步骤5，调整缝隙和弯曲半径，得到波长不敏感的弯曲半径，并平衡长波、短波的泄露和辐射损耗，得到波长不敏感的Y分支结构。
结合步骤4和步骤5得出的损耗随弯曲半径和缝隙变化趋势，弯曲半径较小时，由于长波辐射损耗较大，长波损耗相对偏大。在缝隙较大时，由于短波损耗主要集中在波导中心部分，泄露损耗较大，导致缝隙偏大时损耗偏大。利用这一现象，通过调整弯曲半径和缝隙，平衡不同波长下辐射损耗和泄露损耗，达到超超宽谱范围波长不敏感。
图5为优化后1×2Y分支损耗随波长变化趋势，从图5中可以看出，在超宽谱波长1.05μm~1.75μm波长范围内，短波和长波损耗基本保持一致， Y分支波长相关损耗WDL<0.01dB。
步骤7：将波长不敏感的Y分支结构作为基本单元，通过级联方式形成1×N型光分路器结构。
图6是，1×2Y分支结构级联形成的1×8波长不敏感光分路器结构。图7是1×8波长不敏感光分路器结构的损耗随波长变化趋势，因输出波导对称，输出只选取了前四个通道，从图7中可以看出，在超宽谱波长1.05μm~1.75μm波长范围内，1×8波长不敏感光分路器波长相关损耗WDL<0.13dB。

Claims (8)

1.一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：选择光分路器的波导材料并计算波导材料的相对折射率差 Δn；
步骤2：根据步骤1选择的波导材料，利用三维光束传播法仿真单模波导传输条件，得出高阶模截止条件，从而确定波导宽度及厚度；
步骤3：根据步骤2得出的波导宽度和截面尺寸，利用弯曲波导损耗公式，计算出最小弯曲半径，并根据最小弯曲半径构造光分路器的Y分支结构；
弯曲波导损耗公式具体如下：
其中，A θ 为弯曲损耗，Δn为波导材料相对折射率差，R为波导弯曲半径，ε为相对介电常数，n 1 为波导芯区材料折射率，λ 0 为真空中光传输波长；
步骤4：在最小弯曲半径±30%~50%范围内对光分路器的Y分支结构进行超宽谱扫描，得到损耗随波长的变化趋势，并计算波长相关损耗WDL；
步骤5：对光分路器的Y分支结构不同缝隙进行扫描，得到损耗随缝隙变化趋势；
步骤6：根据步骤4和步骤5，调整缝隙和弯曲半径，得到波长不敏感的弯曲半径，并平衡长波、短波的泄露和辐射损耗，得到波长不敏感的Y分支结构；
步骤7：将波长不敏感的Y分支结构作为基本单元，通过级联方式形成1×N型光分路器结构。
2.根据权利要求1所述的一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法，其特征在于：在步骤1中，所述波导材料为二氧化硅波导材料，相对折射率差为0.45%；所述二氧化硅波导材料的芯层、衬底和包层的折射率分别为1.4502、1.445和1.445。
3.根据权利要求1所述的一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法，其特征在于：在步骤1中，所述波导材料的芯层和包层材料为硅或二氧化硅或磷化铟或砷化镓。
4.根据权利要求2所述的一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法，其特征在于：所述波导材料的相对折射率差Δn的计算公式如下：
其中，是芯层折射率，是包层和衬底折射率。
5.根据权利要求1所述的一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法，其特征在于：在步骤2中，在相对折射率差0.45%下，所述波导宽度为8μm，所述截面尺寸8μm×8μm。
6.根据权利要求1或5所述的一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法，其特征在于：在相对折射率差0.45%时，所述最小弯曲半径为15mm。
7.根据权利要求1所述的一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法，其特征在于：在步骤4中，所述波长相关损耗WDL的计算公式如下：
其中，i为输出通道的编号，P out 为输出通道功率。
8.根据权利要求1或7所述的一种超宽谱波长不敏感光分路器的设计方法，其特征在于：在相对折射率差0.45%时，所述波长不敏感的弯曲半径为16mm。
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