CN107229095B - 一种可调2×2光分路器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调2×2光分路器，包括衬底，在衬底上设置有输入波导单元、耦合波导单元和输出波导单元；输入波导单元通过耦合波导单元与输出波导单元连接；且耦合波导单元包括耦合波导组件、热调制组件和隔热组件。本发明具有以下有益效果：1）可以实现任意分光比例调节。2）只有一级定向耦合器结构，损耗低、尺寸紧凑，且易于和其它器件集成。3）通过热调制组件实现不同电压调节，进行可实现不同波长下分光比调节。

Description

一种可调2×2光分路器
技术领域
本发明属于光纤到户无源光网络技术领域，具体涉及一种用于光纤到户用户分配的可调2×2光分路器。
背景技术
随着4k视频、AR/VR技术、互联网+、大数据、云服务等业务快速发展，宽带网络向超带宽、智能化、多业务的方向发展，极大刺激传输网络带宽容量的增加，大力推动光纤到户的发展。在光纤到户无源光网络中，需要大量的分路器来进行光路分配，而在一些特殊的场景，需要可调光分路器，实现动态灵活的光路分配。现有可调光分路器一般采用电光、声光或利用热光多模干涉结构的形式，电光、声光技术工艺复杂、不利于规模化生产。热光多模干涉结构的可调光分路器需要多级分支或耦合结构，尺寸较大，调制深度不够，且只能工作在特定的波长。
发明内容
本发明针对现有可调分路器调节复杂、尺寸较大、且工艺复杂，提出了一种结构紧凑、且易于集成、不同波长任意光分比调节的可调2×2光分路器。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种可调2×2光分路器，包括衬底，在衬底上设置有输入波导单元、耦合波导单元和输出波导单元；输入波导单元通过耦合波导单元与输出波导单元连接；且耦合波导单元包括耦合波导组件、热调制组件和隔热组件。
所述耦合波导组件包括第一耦合波导和第二耦合波导；在第一耦合波导和第二耦合波导之间的衬底上设置有隔热组件，且第一耦合波导和第二耦合波导关于隔热组件对称设置；所述热调制组件包括第一热调制结构和第二热调制结构，第一热调制结构设置在衬底上并位于第一耦合波导的外侧，第二热调制结构设置在衬底上并位于第二耦合波导的外侧。
所述输入波导单元包括第一输入波导和第二输入波导，第一输入波导和第二输入波导对称设置在衬底上；且所述第一输入波导包括第一直线波导、第一弧形波导Ⅰ和第一弧形波导Ⅱ；第一直线波导的一端作为进光端口，第一直线波导的另一端与第一弧形波导Ⅰ的一端接触连接；第一弧形波导Ⅰ的另一端与第一弧形波导Ⅱ的一端接触连接，第一弧形波导Ⅱ的另一端与第一耦合波导的一端接触连接，第一耦合波导的另一端与输出波导单元的第一输出波导连接；所述第二输入波导包括第二直线波导、第二弧形波导Ⅰ和第二弧形波导Ⅱ，第二直线波导的一端作为另一进光端口，第二直线波导的另一端与第二弧形波导Ⅰ的一端接触连接，第二弧形波导Ⅰ的另一端与第二弧形波导Ⅱ的一端接触连接，第二弧形波导Ⅱ的另一端与第二耦合波导的一端接触连接，第二耦合波导的另一端与输出波导单元的第二输出波导连接。
所述第一直线波导与第一弧形波导Ⅰ的接触端处、第一弧形波导Ⅱ与第一耦合波导的接触处、第二直线波导与第二弧形波导Ⅰ的接触处、第二弧形波导Ⅱ与第二耦合波导的接触处均设置有位错Ⅰ；第一弧形波导Ⅰ与第一弧形波导Ⅱ的接触处、第二弧形波导Ⅰ与第二弧形波导Ⅱ的接触处均设置有位错Ⅱ，位错Ⅱ的位错值为位错Ⅰ的位错值的两倍。
所述输出波导单元包括第一输出波导和第二输出波导；第一输出波导和第二输出波导对称设置；所述第一输出波导包括第三直线波导、第三弧形波导Ⅰ和第三弧形波导Ⅱ，第三弧形波导Ⅱ的一端与第一耦合波导的另一端接触连接，第三弧形波导Ⅱ的另一端与第三弧形波导Ⅰ的一端接触连接，第三弧形波导Ⅰ的另一端与第三直线波导的一端接触连接，第三直线波导的另一端作为一个输出端口；所述第二输出波导包括第四直线波导、第四弧形波导Ⅰ和第四弧形波导Ⅱ，第四弧形波导Ⅱ的一端与第二耦合波导的另一端接触连接，第四弧形波导Ⅱ的另一端与第四弧形波导Ⅰ的一端接触连接，第四弧形波导Ⅰ的另一端与第四直线波导的一端接触连接，第四直线波导的另一端作为另一个输出端口。
所述第三直线波导与第三弧形波导Ⅰ的接触处、第三弧形波导Ⅱ与第一耦合波导的接触处、第四直线波导与第四弧形波导Ⅰ的接触处、第四弧形波导Ⅱ与第二耦合波导的接触处均设置有位错Ⅰ；第三弧形波导Ⅰ与第三弧形波导Ⅱ的接触处、第四弧形波导Ⅰ与第四弧形波导Ⅱ的接触处均设置有位错Ⅱ；位错Ⅱ的位错值为位错Ⅰ的位错值的两倍。
所述衬底的材料为二氧化硅、硅、SOI、磷化铟或半导体聚合物等其他半导体材料。
所述输入波导单元、耦合波导单元和输出波导单元均由波导材料制作而成，所述波导材料为二氧化硅、硅、铟镓砷磷或半导体聚合物等其他半导体材料。
输入波导单元的输入波导之间的间距、输出波导单元的输出波导之间的间距均为127μm的整数倍或250μm的整数倍。
本发明具有以下有益效果：1）可以实现任意分光比例调节。2）只有一级定向耦合器结构，损耗低、尺寸紧凑，且易于和其它器件集成。3）通过热调制组件实现不同电压调节，进行可实现不同波长下分光比调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明可调2×2光分路器的结构示意图一。
图2为本发明可调2×2光分路器的结构示意图二。
图3为本发明弧形波导与直线波导连接部分示意图。
图4为本发明弧形波导与直线波导连接部分损耗随位错变化趋势图。
图5为本发明两种工作模式下静态输出光谱；其中，图（a）为第一种工作模式下的静态输出光谱，图（b）为第二种工作模式下的静态输出光谱。
图6为本发明第一种工作模式下耦合波导不同折射率时输出通道功率变化趋势图。
图7为本发明第二种工作模式下耦合波导不同折射率时输出通道功率变化趋势图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，一种可调2×2光分路器，包括衬底1，所述衬底1的材料为二氧化硅、硅、SOI、磷化铟或半导体聚合物等其他半导体材料。
在衬底1上设置有输入波导单元2、耦合波导单元3和输出波导单元4；输入波导单元2通过耦合波导单元3与输出波导单元4连接；且耦合波导单元3包括耦合波导组件、热调制组件和隔热组件。所述输入波导单元2、耦合波导单元3和输出波导单元4均由波导材料制作而成，所述波导材料为二氧化硅、硅、铟镓砷磷或半导体聚合物等其他半导体材料。在本实施例中，波导材料为不同掺杂的二氧化硅材料，折射率差为0.36%，其计算公式见式（1），其中芯层为掺锗的二氧化硅材料，折射率为n1=1.4502，上下包层为掺硼、磷的二氧化硅材料，折射率为n2=1.445，波导截面尺寸为7μm×7μm。
（1）。
且输入波导单元2的输入波导之间的间距、输出波导单元4的输出波导之间的间距均为127μm的整数倍或250μm的整数倍。
所述耦合波导组件包括第一耦合波导3-1和第二耦合波导3-2；在第一耦合波导3-1和第二耦合波导3-2之间的衬底上设置有隔热组件3-5，且第一耦合波导3-1和第二耦合波导3-2关于隔热组件对称设置；所述热调制组件包括第一热调制结构3-3和第二热调制结构3-4，第一热调制结构3-3设置在衬底1上并位于第一耦合波导3-1的外侧，第二热调制结构3-4设置在衬底1上并位于第二耦合波导3-2的外侧。在本实施例中，耦合波导长度为L，第一热调制结构3-3和第二热调制结构3-4的宽度均为为W1，隔热组件3-5宽度为W2，第一耦合波导3-1和第二耦合波导3-2的距离为G1，第一热调制结构3-3与第一耦合波导3-1，第二热调制结构3-4与第二耦合波导3-2之间的距离都为G2。隔热组件3-5和第一耦合波导3-1、隔热组件3-5和第二耦合波导3-2的距离均为G3。本实施例中为了防止在热调制组件工作过程中对另外一个波导产生影响，引入了隔热组件，保证了不同波长下可调分束比。在保证耦合波导耦合条件下，选择第一耦合波导3-1和第二耦合波导3-2距离G1为8μm。为保证隔热组件3-5制作过程中不影响波导结构，隔热组件3-5和第一耦合波导3-1、隔热组件3-5和第二耦合波导3-2的距离均为G3，G3为2μm，相应的隔热组件3-5的宽度W2为4μm。
所述输入波导单元2包括第一输入波导5和第二输入波导6，第一输入波导5和第二输入波导6对称设置在衬底1上；且所述第一输入波导5包括第一直线波导5-1、第一弧形波导Ⅰ5-2和第一弧形波导Ⅱ5-3；第一直线波导5-1的一端作为进光端口，第一直线波导5-1的另一端与第一弧形波导Ⅰ5-2的一端接触连接；第一弧形波导Ⅰ5-2的另一端与第一弧形波导Ⅱ5-3的一端接触连接，第一弧形波导Ⅱ5-3的另一端与第一耦合波导3-1的一端接触连接，第一耦合波导3-1的另一端与输出波导单元4的第一输出波导7连接；所述第二输入波导6包括第二直线波导6-1、第二弧形波导Ⅰ6-2和第二弧形波导Ⅱ6-3，第二直线波导6-1的一端作为另一进光端口，第二直线波导6-1的另一端与第二弧形波导Ⅰ6-2的一端接触连接，第二弧形波导Ⅰ6-2的另一端与第二弧形波导Ⅱ6-3的一端接触连接，第二弧形波导Ⅱ6-3的另一端与第二耦合波导3-2的一端接触连接，第二耦合波导3-2的另一端与输出波导单元4的第二输出波导8连接。
所述第一直线波导5-1与第一弧形波导Ⅰ5-2的接触端处、第一弧形波导Ⅱ5-3与第一耦合波导3-1的接触处、第二直线波导6-1与第二弧形波导Ⅰ6-2的接触处、第二弧形波导Ⅱ6-3与第二耦合波导3-2的接触处均设置有位错Ⅰ；第一弧形波导Ⅰ5-2与第一弧形波导Ⅱ5-3的接触处、第二弧形波导Ⅰ6-2与第二弧形波导Ⅱ6-3的接触处均设置有位错Ⅱ，位错Ⅱ的位错值为位错Ⅰ的位错值的两倍。
所述输出波导单元4包括第一输出波导7和第二输出波导8；第一输出波导7和第二输出波导8对称设置；所述第一输出波导7包括第三直线波导7-1、第三弧形波导Ⅰ7-2和第三弧形波导Ⅱ7-3，第三弧形波导Ⅱ7-3的一端与第一耦合波导3-1的另一端接触连接，第三弧形波导Ⅱ7-3的另一端与第三弧形波导Ⅰ7-2的一端接触连接，第三弧形波导Ⅰ7-2的另一端与第三直线波导7-1的一端接触连接，第三直线波导7-1的另一端作为一个输出端口；所述第二输出波导8包括第四直线波导8-1、第四弧形波导Ⅰ8-2和第四弧形波导Ⅱ8-3，第四弧形波导Ⅱ8-3的一端与第二耦合波导3-2的另一端接触连接，第四弧形波导Ⅱ8-3的另一端与第四弧形波导Ⅰ8-2的一端接触连接，第四弧形波导Ⅰ8-2的另一端与第四直线波导8-1的一端接触连接，第四直线波导8-1的另一端作为另一个输出端口。
所述第三直线波导7-1与第三弧形波导Ⅰ7-2的接触处、第三弧形波导Ⅱ7-3与第一耦合波导3-1的接触处、第四直线波导8-1与第四弧形波导Ⅰ8-2的接触处、第四弧形波导Ⅱ8-3与第二耦合波导3-2的接触处均设置有位错Ⅰ；第三弧形波导Ⅰ7-2与第三弧形波导Ⅱ7-3的接触处、第四弧形波导Ⅰ8-2与第四弧形波导Ⅱ8-3的接触处均设置有位错Ⅱ；位错Ⅱ的位错值为位错Ⅰ的位错值的两倍。
因弧形波导弯曲的存在，光场发生倾斜，在弧形波导与弧形波导、弧形波导与直线波导连接处会引起额外辐射损耗。为减小器件损耗，本发明引入了位错结构，并对位错结构进行了优化，图3是弧形波导与直线波导连接部分示意图，图4是在不同位错结构下损耗的变化趋势，从图4中可以看出位错从0逐渐增大时，损耗有一个逐渐下降的趋势，增大到一定值时损耗增加，这主要是由于位错过大导致光场偏移较大，引起损耗增大。在本实施例中，选取位弧形波导与直线波导的位错Ⅰ的位错值S=0.2μm，弧形波导与弧形波导连接处是两个弯曲场的匹配，其位错Ⅱ的位错值为位错Ⅰ的位错值的2倍。
下面以两个工作模式进行说明，第一种工作模式为静态工作下两个输出通道分束比50%:50%（波长1.55μm），此时耦合波导长度L为3300μm，其静态模拟输出功率如图5（a）所示。
第二种工作模式是静态工作下两个输出通道分束比0%:100%（波长1.55μm），此时耦合波导长度L为7000μm。其静态模拟输出功率如图5（b）所示。
在第一种工作模式下，通过热调制组件（3-3、3-4）分别对耦合波导（3-1、3-2）进行热调制，通过改变耦合波导（3-1、3-2）的折射率，达到不同的分光比。本实施例选取了1.55μm、1.58μm、1.62μm、1.65μm不同波长下进行了模拟分析，采用三维束传播法进行模拟，图6是第一种工作模式下耦合波导不同折射率变化时两个输出通道功率变化趋势，其中Δn为正值代表第一热调制结构工作，Δn为负值代表第二热调制结构工作。从图6中可以看出，在1.55μm波长下，静态时两输出通道分束比50%:50%，通过调节热调制组件，折射率变化值Δn=+/-0.00053时，两输出通道分束比为50%:50%，实现了50%:50%~100%:0%任意分光比调节。在1.65μm波长下，静态时两输出通道分束比25%:75%，通过调节第一热调制结构，折射变化Δn=+/-0.00056时，两输出通道分束比100%:0%，实现了从25%:75%~100%:0%任意分光比调节。通过上面讨论可以看出，在波长1.55μm~1.65μm范围实现了任意分束比调节。
在第二种工作模式下，图7是第二种工作模式下耦合波导不同折射率变化时两个输出通道功率变化趋势，其中Δn为正值代表第一热调制结构工作，Δn为负值代表第二热调制结构工作。从图7中可以看出，在1550nm波长下，静态时两输出通道分束比0%:100%，通过调节热调制组件，折射率变化值Δn=+/-0.00025时，两输出通道分束比为100%:0%，实现了0%:100%~100%:0%任意分光比调节。在1650nm波长下，静态时两输出通道分束比19%:81%，通过调节第一热调制结构，折射变化Δn=+/-0.00025时，两输出通道分束比100%:0%，实现了19%:81%~100%:0%任意分光比调节。通过上面讨论可以看出，在波长1.55μm~1.65μm范围实现了任意分束比调节。
上述两种模式和结构只是选取代表作为分析，本发明可以通过结构参数设计可以实现任意波长下的任意分光比调节。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可调2×2光分路器，其特征在于：包括衬底（1），在衬底（1）上设置有输入波导单元（2）、耦合波导单元（3）和输出波导单元（4）；输入波导单元（2）通过耦合波导单元（3）与输出波导单元（4）连接；且耦合波导单元（3）包括耦合波导组件、热调制组件和隔热组件；所述输入波导单元（2）包括第一输入波导（5）和第二输入波导（6），第一输入波导（5）和第二输入波导（6）对称设置在衬底（1）上；且所述第一输入波导（5）包括第一直线波导（5-1）、第一弧形波导Ⅰ（5-2）和第一弧形波导Ⅱ（5-3）；第一直线波导（5-1）的一端作为进光端口，第一直线波导（5-1）的另一端与第一弧形波导Ⅰ（5-2）的一端接触连接；第一弧形波导Ⅰ（5-2）的另一端与第一弧形波导Ⅱ（5-3）的一端接触连接，第一弧形波导Ⅱ（5-3）的另一端与第一耦合波导（3-1）的一端接触连接，第一耦合波导（3-1）的另一端与输出波导单元（4）的第一输出波导（7）连接；所述第二输入波导（6）包括第二直线波导（6-1）、第二弧形波导Ⅰ（6-2）和第二弧形波导Ⅱ（6-3），第二直线波导（6-1）的一端作为另一进光端口，第二直线波导（6-1）的另一端与第二弧形波导Ⅰ（6-2）的一端接触连接，第二弧形波导Ⅰ（6-2）的另一端与第二弧形波导Ⅱ（6-3）的一端接触连接，第二弧形波导Ⅱ（6-3）的另一端与第二耦合波导（3-2）的一端接触连接，第二耦合波导（3-2）的另一端与输出波导单元（4）的第二输出波导（8）连接。
2.根据权利要求1所述的可调2×2光分路器，其特征在于：所述耦合波导组件包括第一耦合波导（3-1）和第二耦合波导（3-2）；在第一耦合波导（3-1）和第二耦合波导（3-2）之间的衬底上设置有隔热组件（3-5），且第一耦合波导（3-1）和第二耦合波导（3-2）关于隔热组件对称设置；所述热调制组件包括第一热调制结构（3-3）和第二热调制结构（3-4），第一热调制结构（3-3）设置在衬底（1）上并位于第一耦合波导（3-1）的外侧，第二热调制结构（3-4）设置在衬底（1）上并位于第二耦合波导（3-2）的外侧。
3.根据权利要求1所述的可调2×2光分路器，其特征在于：所述第一直线波导（5-1）与第一弧形波导Ⅰ（5-2）的接触端处、第一弧形波导Ⅱ（5-3）与第一耦合波导（3-1）的接触处、第二直线波导（6-1）与第二弧形波导Ⅰ（6-2）的接触处、第二弧形波导Ⅱ（6-3）与第二耦合波导（3-2）的接触处均设置有位错Ⅰ；第一弧形波导Ⅰ（5-2）与第一弧形波导Ⅱ（5-3）的接触处、第二弧形波导Ⅰ（6-2）与第二弧形波导Ⅱ（6-3）的接触处均设置有位错Ⅱ，位错Ⅱ的位错值为位错Ⅰ的位错值的两倍。
4.根据权利要求1所述的可调2×2光分路器，其特征在于：所述输出波导单元（4）包括第一输出波导（7）和第二输出波导（8）；第一输出波导（7）和第二输出波导（8）对称设置；所述第一输出波导（7）包括第三直线波导（7-1）、第三弧形波导Ⅰ（7-2）和第三弧形波导Ⅱ（7-3），第三弧形波导Ⅱ（7-3）的一端与第一耦合波导（3-1）的另一端接触连接，第三弧形波导Ⅱ（7-3）的另一端与第三弧形波导Ⅰ（7-2）的一端接触连接，第三弧形波导Ⅰ（7-2）的另一端与第三直线波导（7-1）的一端接触连接，第三直线波导（7-1）的另一端作为一个输出端口；所述第二输出波导（8）包括第四直线波导（8-1）、第四弧形波导Ⅰ（8-2）和第四弧形波导Ⅱ（8-3），第四弧形波导Ⅱ（8-3）的一端与第二耦合波导（3-2）的另一端接触连接，第四弧形波导Ⅱ（8-3）的另一端与第四弧形波导Ⅰ（8-2）的一端接触连接，第四弧形波导Ⅰ（8-2）的另一端与第四直线波导（8-1）的一端接触连接，第四直线波导（8-1）的另一端作为另一个输出端口。
5.根据权利要求4所述的可调2×2光分路器，其特征在于：所述第三直线波导（7-1）与第三弧形波导Ⅰ（7-2）的接触处、第三弧形波导Ⅱ（7-3）与第一耦合波导（3-1）的接触处、第四直线波导（8-1）与第四弧形波导Ⅰ（8-2）的接触处、第四弧形波导Ⅱ（8-3）与第二耦合波导（3-2）的接触处均设置有位错Ⅰ；第三弧形波导Ⅰ（7-2）与第三弧形波导Ⅱ（7-3）的接触处、第四弧形波导Ⅰ（8-2）与第四弧形波导Ⅱ（8-3）的接触处均设置有位错Ⅱ；位错Ⅱ的位错值为位错Ⅰ的位错值的两倍。
6.根据权利要求1所述的可调2×2光分路器，其特征在于：所述衬底（1）的材料为二氧化硅、硅、SOI、磷化铟或半导体聚合物。
7.根据权利要求1所述的可调2×2光分路器，其特征在于：所述输入波导单元（2）、耦合波导单元（3）和输出波导单元（4）均由波导材料制作而成，所述波导材料为二氧化硅、硅、铟镓砷磷或半导体聚合物。
8.根据权利要求1或7所述的可调2×2光分路器，其特征在于：输入波导单元（2）的输入波导之间的间距、输出波导单元（4）的输出波导之间的间距均为127μm的整数倍或250μm的整数倍。
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