CN108594364A - 基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器及方法，涉及光通信器件领域。该3dB分合束器包括光输入端、模式转换器、狭缝波导、渐变波导组件和光输出端，狭缝波导、渐变波导组件和光输出端均沿光传输方向对称分布，模式转换器、狭缝波导、渐变波导组件的中部形成一条整体狭缝，模式转换器将光输入端中的基模转换为狭缝波导模式，由狭缝波导进行传输，渐变波导组件将狭缝波导模式平均地耦合到光输出端中，从而实现1.4～2.2um的超宽带宽的低损耗3dB分合束。本发明能实现1.4～2.2um的超宽带宽的3dB分束合束，提高带宽，降低制备难度和成本，结构尺寸小，易于大规模集成。

Description

基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器及方法
技术领域
本发明涉及光通信器件领域，具体是涉及一种基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器及方法。
背景技术
超宽带宽3dB分合束器是光通信系统中的一个重要器件。低损耗、结构尺寸小和宽带的3dB分合束器在光开关、复用/解复用器、调制器中得到了广泛的应用。但是，对于传统的3dB分合束器来说，其分光比会随着波长的变化而改变，影响了该器件在大带宽范围内的应用。目前常用的3dB分合束器主要有以下几种类型：基于Y分支的3dB分合束器、基于方向耦合器的3dB分合束器、基于多模干涉仪的3dB分合束器和基于渐变波导宽度的3dB分合束器。
基于Y分支的3dB分合束器，器件结构简单，而且可以实现超宽带宽的3dB分合束，也可能使器件两侧的分光均匀，但是由于存在精细结构，为了获得好的分光性能，需要很高的加工精度，制备困难，制备成本很高。
基于多模干涉仪的3dB分合束器，通过多模干涉实现光波的分合束，但是由于不同波长的多模干涉区的长度不同，因此对于特定长度的3dB分合束器来说，其带宽有限，需要针对不同的波长分别设计，而且结构尺寸较大，难以实现大规模集成。
基于方向耦合器的3dB分合束器，结构简单，不需要特别精确的结构，降低了器件的制备难度和成本，但是与基于多模干涉的3dB分合束器一样，基于方向耦合器的3dB分合束器的分光比也会变随着波长的变化而改变，存在带宽受限的问题。
基于渐变波导宽度的3dB的分合束器，可以提高带宽，但是需要很长的渐变波导长度，难以降低器件的结构尺寸，提高集成度。
因此，现有的3dB分合束器需要很高的制备精度、较长的波导长度，带宽较小，结构尺寸大，难以大规模集成。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器及方法，能够实现1.4～2.2um的超宽带宽的3dB分束合束，提高带宽，降低制备难度和成本，结构尺寸小，易于实现大规模的集成。
本发明提供一种基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器，包括光输入端、模式转换器、狭缝波导、渐变波导组件和光输出端，狭缝波导、渐变波导组件和光输出端均沿光传输方向对称分布，模式转换器、狭缝波导、渐变波导组件的中部形成一条整体狭缝，模式转换器将光输入端中的基模转换为狭缝波导模式，由狭缝波导进行传输，渐变波导组件将狭缝波导模式平均地耦合到两侧的光输出端中，实现1.4～2.2um的超宽带宽的3dB分合束器。
在上述技术方案的基础上，所述模式转换器由第一渐变波导、第一窄波导、第一渐变波导与第一窄波导之间的第一狭缝构成，狭缝波导由第二窄波导、第三窄波导、第二窄波导与第三窄波导之间的第二狭缝构成，渐变波导组件由第二渐变波导、第三渐变波导、第二渐变波导与第三渐变波导之间的第三狭缝构成，光输出端包括第一输出波导和第二输出波导，光输入端、第一渐变波导、第二窄波导、第二渐变波导、第一输出波导顺次相连，第一窄波导、第三窄波导、第三渐变波导、第二输出波导顺次相连，第一狭缝、第二狭缝、第三狭缝宽度相同，共同形成一条整体狭缝。
在上述技术方案的基础上，所述整体狭缝的宽度在100～250nm之间。
在上述技术方案的基础上，所述模式转换器中的第一渐变波导、第一窄波导和第一狭缝，用于实现光输入端中的基模到狭缝波导中狭缝波导模式的转换；所述第一渐变波导与光输入端连接之处的宽度一致。
在上述技术方案的基础上，所述狭缝波导中的第二窄波导与第三窄波导沿光传输方向对称分布，且第二窄波导的宽度与第三窄波导的宽度相同。
在上述技术方案的基础上，所述第二窄波导的宽度与第三窄波导的宽度均小于350nm，以防止在该区域产生高阶模式而增加器件的损耗。
在上述技术方案的基础上，所述渐变波导组件中的第二渐变波导与第三渐变波导沿光传输方向对称分布，第二渐变波导、第三渐变波导均为梯形波导结构，且宽度沿着光传播方向逐渐增加，用于将狭缝波导模式平均地耦合到两侧的第一输出波导、第二输出波导中，或者将两侧的第一输出波导、第二输出波导中的基模耦合到狭缝波导的第二窄波导、第三窄波导和第二狭缝中，形成狭缝波导模式，由狭缝波导进行传输。
在上述技术方案的基础上，所述光输出端中的第一输出波导与第二输出波导沿光传输方向对称分布，第一输出波导、第二输出波导均为弯曲波导。
在上述技术方案的基础上，所述第一输出波导与第二渐变波导连接之处的宽度一致，第二输出波导与第三渐变波导连接之处的宽度一致。
本发明还提供一种应用在上述3dB分合束器的基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束方法，包括以下步骤：
入射光从光输入端入射时，入射光经由模式转换器中的第一渐变波导、第一窄波导和第一狭缝，从光输入端中的基模转换为狭缝波导中的狭缝波导模式，由狭缝波导进行传输，再经由渐变波导组件的第二渐变波导、第三渐变波导和第三狭缝，将该狭缝波导模式平均耦合到光输出端的第一输出波导、第二输出波导中，实现超宽带宽的3dB分束；
入射光从光输出端一侧入射时，从第一输出波导、第二输出波导入射的基模分别经由渐变波导组件中的第二渐变波导、第三渐变波导和第三狭缝，耦合到狭缝波导的第二窄波导、第三窄波导和第二狭缝中，狭缝波导将基模转换为狭缝波导模式进行传输，然后经由模式转换器中的第一渐变波导、第一窄波导和第一狭缝，将狭缝波导模式转换为光输入端中的基模，实现超宽带宽的3dB合束。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明中的3dB分合束器包括光输入端、模式转换器、狭缝波导、渐变波导组件和光输出端，狭缝波导、渐变波导组件和光输出端均沿光传输方向对称分布，模式转换器、狭缝波导、渐变波导组件的中部形成一条整体狭缝，模式转换器将光输入端中的基模转换为狭缝波导模式，由狭缝波导进行传输，渐变波导组件将狭缝波导模式平均地耦合到光输出端中，从而实现1.4～2.2um的超宽带宽的低损耗3dB分合束，提高带宽。
(2)本发明没有精细结构，不需要高精度的光刻工艺，降低了3dB分合束器的制备难度和成本。
(3)本发明的结构尺寸小，易于实现大规模的集成。
附图说明
图1是本发明实施例中基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器的结构示意图。
附图标记：1-光输入端；2-模式转换器，201-第一渐变波导，202-第一窄波导，203-第一狭缝；3-狭缝波导，301-第二窄波导，302-第三窄波导，303-第二狭缝；4-渐变波导组件，401-第二渐变波导，402-第三渐变波导，403-第三狭缝；5-光输出端，501-第一输出波导，502-第二输出波导。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器，包括光输入端1、模式转换器2、狭缝波导3、渐变波导组件4和光输出端5，狭缝波导3、渐变波导组件4和光输出端5均沿光传输方向对称分布，模式转换器2、狭缝波导3、渐变波导组件4的中部形成一条整体狭缝，模式转换器2将光输入端1中的基模转换为狭缝波导模式，由狭缝波导3进行传输，渐变波导组件4将狭缝波导模式平均地耦合到两侧的光输出端5中，实现1.4～2.2um的超宽带宽的3dB分合束器，而且不需要很高的光刻精度，降低了3dB分合束器的制备难度和成本。
参见图1所示，模式转换器2由第一渐变波导201、第一窄波导202、第一渐变波导201与第一窄波导202之间的第一狭缝203构成，狭缝波导3由第二窄波导301、第三窄波导302、第二窄波导301与第三窄波导302之间的第二狭缝303构成，渐变波导组件4由第二渐变波导401、第三渐变波导402、第二渐变波导401与第三渐变波导402之间的第三狭缝403构成，第一狭缝203、第二狭缝303、第三狭缝403宽度相同，共同形成一条整体狭缝。
模式转换器2由第一渐变波导201、第一窄波导202、第一渐变波导201与第一窄波导202之间的第一狭缝203构成，狭缝波导3由第二窄波导301、第三窄波导302、第二窄波导301与第三窄波导302之间的第二狭缝303构成，渐变波导组件4由第二渐变波导401、第三渐变波导402、第二渐变波导401与第三渐变波导402之间的第三狭缝403构成，光输出端5包括第一输出波导501和第二输出波导502，光输入端1、第一渐变波导201、第二窄波导301、第二渐变波导401、第一输出波导501顺次相连，第一窄波导202、第三窄波导302、第三渐变波导402、第二输出波导502顺次相连，第一狭缝203、第二狭缝303、第三狭缝403宽度相同，共同形成一条整体狭缝。
整体狭缝的宽度在100～250nm之间，尽可能接近制作工艺的最小尺寸，制作工艺的最小尺寸一般在100nm左右。
模式转换器2中的第一渐变波导201、第一窄波导202和第一狭缝203，用于实现光输入端1中的基模到狭缝波导3中狭缝波导模式的转换，而且模式转换器2要在大带宽范围内实现低损耗的模式转换，其中，第一渐变波导201与光输入端1连接之处的宽度一致。
狭缝波导3中的第二窄波导301与第三窄波导302沿光传输方向对称分布，且第二窄波导301的宽度与第三窄波导302的宽度相同，宽度不能太大，第二窄波导301的宽度与第三窄波导302的宽度均小于350nm，以防止在该区域产生高阶模式而增加器件的损耗。
渐变波导组件4中的第二渐变波导401与第三渐变波导402沿光传输方向对称分布，第二渐变波导401、第三渐变波导402均为梯形波导结构，且宽度沿着光传播方向逐渐增加，用于将狭缝波导模式平均地耦合到两侧的第一输出波导501、第二输出波导502中，或者将两侧的第一输出波导501、第二输出波导502中的基模耦合到狭缝波导3的第二窄波导301、第三窄波导302和第二狭缝303中，形成狭缝波导模式，由狭缝波导3进行传输。
光输出端5中的第一输出波导501与第二输出波导502沿光传输方向对称分布，第一输出波导501、第二输出波导502均为弯曲波导，第一输出波导501与第二渐变波导401连接之处的宽度一致，第二输出波导502与第三渐变波导402连接之处的宽度一致，能够减少损耗。
本发明还提供了一种应用在上述3dB分合束器的基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束方法，包括以下步骤：
入射光从光输入端1入射时，入射光经由模式转换器2中的第一渐变波导201、第一窄波导202和第一狭缝203，从光输入端1中的基模转换为狭缝波导3中的狭缝波导模式，由狭缝波导3进行传输，再经由渐变波导组件4的第二渐变波导401、第三渐变波导402和第三狭缝403，将该狭缝波导模式平均耦合到光输出端5的第一输出波导501、第二输出波导502中，实现超宽带宽的3dB分束；
入射光从光输出端5一侧入射时，从第一输出波导501、第二输出波导502入射的基模分别经由渐变波导组件4中的第二渐变波导401、第三渐变波导402和第三狭缝403，耦合到狭缝波导3中的第二窄波导301、第三窄波导302和第二狭缝303中，狭缝波导3将基模转换为狭缝波导模式进行传输，然后经由模式转换器2中的第一渐变波导201、第一窄波导202和第一狭缝203，将狭缝波导模式转换为光输入端1中的基模，实现超宽带宽的3dB合束。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器，其特征在于：包括光输入端(1)、模式转换器(2)、狭缝波导(3)、渐变波导组件(4)和光输出端(5)，狭缝波导(3)、渐变波导组件(4)和光输出端(5)均沿光传输方向对称分布，模式转换器(2)、狭缝波导(3)、渐变波导组件(4)的中部形成一条整体狭缝，模式转换器(2)将光输入端(1)中的基模转换为狭缝波导模式，由狭缝波导(3)进行传输，渐变波导组件(4)将狭缝波导模式平均地耦合到两侧的光输出端(5)中，实现1.4～2.2um的超宽带宽的3dB分合束器。
2.如权利要求1所述的基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器，其特征在于：所述模式转换器(2)由第一渐变波导(201)、第一窄波导(202)、第一渐变波导(201)与第一窄波导(202)之间的第一狭缝(203)构成，狭缝波导(3)由第二窄波导(301)、第三窄波导(302)、第二窄波导(301)与第三窄波导(302)之间的第二狭缝(303)构成，渐变波导组件(4)由第二渐变波导(401)、第三渐变波导(402)、第二渐变波导(401)与第三渐变波导(402)之间的第三狭缝(403)构成，光输出端(5)包括第一输出波导(501)和第二输出波导(502)，光输入端(1)、第一渐变波导(201)、第二窄波导(301)、第二渐变波导(401)、第一输出波导(501)顺次相连，第一窄波导(202)、第三窄波导(302)、第三渐变波导(402)、第二输出波导(502)顺次相连，第一狭缝(203)、第二狭缝(303)、第三狭缝(403)宽度相同，共同形成一条整体狭缝。
3.如权利要求2所述的基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器，其特征在于：所述整体狭缝的宽度在100～250nm之间。
4.如权利要求2所述的基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器，其特征在于：所述模式转换器(2)中的第一渐变波导(201)、第一窄波导(202)和第一狭缝(203)，用于实现光输入端(1)中的基模到狭缝波导(3)中狭缝波导模式的转换；所述第一渐变波导(201)与光输入端(1)连接之处的宽度一致。
5.如权利要求2所述的基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器，其特征在于：所述狭缝波导(3)中的第二窄波导(301)与第三窄波导(302)沿光传输方向对称分布，且第二窄波导(301)的宽度与第三窄波导(302)的宽度相同。
6.如权利要求5所述的基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器，其特征在于：所述第二窄波导(301)的宽度与第三窄波导(302)的宽度均小于350nm，以防止在该区域产生高阶模式而增加器件的损耗。
7.如权利要求2所述的基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器，其特征在于：所述渐变波导组件(4)中的第二渐变波导(401)与第三渐变波导(402)沿光传输方向对称分布，第二渐变波导(401)、第三渐变波导(402)均为梯形波导结构，且宽度沿着光传播方向逐渐增加，用于将狭缝波导模式平均地耦合到两侧的第一输出波导(501)、第二输出波导(502)中，或者将两侧的第一输出波导(501)、第二输出波导(502)中的基模耦合到狭缝波导(3)的第二窄波导(301)、第三窄波导(302)和第二狭缝(303)中，形成狭缝波导模式，由狭缝波导(3)进行传输。
8.如权利要求2所述的基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器，其特征在于：所述光输出端(5)中的第一输出波导(501)与第二输出波导(502)沿光传输方向对称分布，第一输出波导(501)、第二输出波导(502)均为弯曲波导。
9.如权利要求2所述的基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器，其特征在于：所述第一输出波导(501)与第二渐变波导(401)连接之处的宽度一致，第二输出波导(502)与第三渐变波导(402)连接之处的宽度一致。
10.一种应用在如权利要求2所述3dB分合束器的基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束方法，其特征在于，包括以下步骤：
入射光从光输入端(1)入射时，入射光经由模式转换器(2)中的第一渐变波导(201)、第一窄波导(202)和第一狭缝(203)，从光输入端(1)中的基模转换为狭缝波导(3)中的狭缝波导模式，由狭缝波导(3)进行传输，再经由渐变波导组件(4)的第二渐变波导(401)、第三渐变波导(402)和第三狭缝(403)，将该狭缝波导模式平均耦合到光输出端(5)的第一输出波导(501)、第二输出波导(502)中，实现超宽带宽的3dB分束；
入射光从光输出端(5)一侧入射时，从第一输出波导(501)、第二输出波导(502)入射的基模分别经由渐变波导组件(4)中的第二渐变波导(401)、第三渐变波导(402)和第三狭缝(403)，耦合到狭缝波导(3)的第二窄波导(301)、第三窄波导(302)和第二狭缝(303)中，狭缝波导(3)将基模转换为狭缝波导模式进行传输，然后经由模式转换器(2)中的第一渐变波导(201)、第一窄波导(202)和第一狭缝(203)，将狭缝波导模式转换为光输入端(1)中的基模，实现超宽带宽的3dB合束。
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