CN109856724A - 一种基于亚波长光栅的平面光波导波分复用器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于亚波长光栅的平面光波导波分复用器。本发明是激光器输入光源经过输入波导进入由亚波长光栅结构组成的波分单元，将某个波段的光信号反向耦合，通过连接波导后，进行光信号的输出探测，其余光信号将通过波分单元继续向前传输，同样经过具有亚波长光栅结构的波分单元，进行不同光信号的反向耦合输出，第M个波分单元同样取得不同的光信号。因此，通过M个级联的波分单元，共可以取得M个不同波长的信号的输出，实现具有M通道的波分解复用器，根据光可逆性原理，此结构能够形成复用器。本发明具有易于集成、结构紧凑、能耗低、成本低等特点，能很好地满足现代大容量光通信系统的实际应用需求。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种基于亚波长光栅的平面光波导波分复用器。
背景技术
随着人类对现代数据服务的需求日益增长，急需加快建设高速率、大容量的光通信网络和数据中心的步伐。以复用为主要技术手段的光网络器件是关键之一。波分复用作为目前较成熟的技术，在光通信网络中应用广泛，新型波分复用器需要具有易于集成化、能耗低、成本低等特点。
平面光波导集成的波分复用器可以满足新型复用器的需求。CMOS工艺兼容的平面波导集成，可以形成大批量生产，更有利于降低成本，节约能耗。与片上激光器、调制器、探测器集成，可以形成集成度非常高的芯片，推动了系统的小型化发展。因此，片上波长复用技术比较关键且有很大前景。亚波长光栅结构的平面波导结构理论自提出以来备受青睐，基于亚波长光栅结构的平面光波导技术的波分复用器有不同于其他结构的技术优势，具有频谱平顶、带宽调谐范围大、结构紧凑的特点。因此，基于平面光波导技术的亚波长光栅结构的波分复用器具有较大的市场潜力。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于亚波长光栅的平面光波导波分复用器。本发明采用的是亚波长光栅结构实现波分，结合平面光波导易于集成化、能耗低、成本低等优势，实现片上波分复用功能。
本发明提出的基于亚波长光栅的平面光波导波分复用器，该器件由如下部分构成：输入光源(1)、输入连接波导(2)、亚波长光栅波分单元(3)、输出连接波导(4)、输出探测单元(5)、第二个通道的波分单元(6)、第M个通道的波分单元(7)。
其基本原理是，可激光器输入光源(1)经输入连接波导(2)进入由亚波长光栅结构组成的亚波长光栅波分单元(3)，将某个波段的光信号反向耦合，通过输出连接波导(4)后，光信号进入输出探测单元(5)，其余光信号将通过亚波长光栅波分单元(3)继续向前传输，同样经过具有亚波长光栅结构的第二个通道的波分单元(6)，进行不同光信号的反向耦合输出，第M个通道的波分单元(7)同样取得不同的光信号。因此，通过M个级联的波分单元，共可以取得M个不同波长的信号的输出，实现具有M通道的波分解复用器。
所述的输入光源(1)为可调谐激光器，可具有片上集成的特点。
所述的亚波长光栅波分单元(3)是亚波长光栅形成的定向耦合器结构，将所需的信号光通过反向耦合的方式实现选取。
所述的输出连接波导(4)具有从亚波长光栅波导结构向普通单模波导结构绝热过渡的作用，实现信号的低损输出。
所述的输出探测单元(5)，是可对光信号进行读取的光电探测器。将亚波长光栅波分单元(3)所选择的光信号进行探测，实现某个波长的光信号输出。
所述的所有波导均为平面集成光波导。
本发明具有的有益的效果是：
(1)基于平面光波导技术的波分复用器件，具有器件结构紧凑，与CMOS工艺兼容，易于单片集成光源、探测器，成本低等特点。
(2)采用亚波长光栅的结构，使得波分复用单元的结构紧凑，具有带宽调谐范围大，频谱平顶的特点，从而减小波分复用系统复杂度。
(3)通过亚波长光栅的优化设计，从而对频谱进行切趾，以减小通道间串扰，提高器件性能。
附图说明
图1是本发明基于亚波长光栅的平面光波导波分复用器的示意图。
图中：输入光源(1)、输入连接波导(2)、亚波长光栅波分单元(3)、输出连接波导(4)、输出探测单元(5)、第二个通道的波分单元(6)、第M个通道的波分单元(7)。
图2是亚波长光栅波分单元的示意图。
图3是四通道波分复用器的仿真频谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于亚波长光栅的平面光波导波分复用器，自左向右依次包括输入光源(1)、输入连接波导(2)、亚波长光栅波分单元(3)、输出连接波导(4)、输出探测单元(5)、第二个通道的波分单元(6)、第M个通道的波分单元(7)。可激光器输入光源(1)经输入连接波导(2)进入由亚波长光栅结构组成的亚波长光栅波分单元(3)，将某个波段的光信号反向耦合，通过输出连接波导(4)后，光信号进入输出探测单元(5)，其余光信号将通过亚波长光栅波分单元(3)继续向前传输，同样经过具有亚波长光栅结构的第二个通道的波分单元(6)，进行不同光信号的反向耦合输出，第M个通道的波分单元(7)同样取得不同的光信号。因此，通过M个级联的波分单元，共可以取得M个不同波长的信号的输出，实现具有M通道的波分解复用器。
所述的第二个通道的波分单元(6)，内包含了亚波长光栅波分单元(3)和输出探测单元(5)的结构，实现第2个不同的波长信号输出。
所述的第M个通道的波分单元(7)，内包含了波分单元(3)和输出探测单元(5)的结构，实现第M个不同的波长信号输出。
所述的输出连接波导(4)具有从亚波长光栅波导结构向普通单模波导结构绝热过渡的作用，实现信号的低损输出。
所述的输出探测单元(5)，是可对光信号进行读取的光电探测器。将亚波长光栅波分单元(3)所选择的光信号进行探测，实现某个波长的光信号输出。
所述的亚波长光栅波分单元(3)是亚波长光栅形成的定向耦合器结构，将所需的信号光通过反向耦合的方式实现选取。具体是由亚波长光栅的波导和布拉格光栅构成。如图2所示，下方是具有布拉格光栅的普通单模波导，上方是具有布拉格光栅的亚波长光栅波导，距离很近的两根波导形成定向耦合器，对需要的波长形成反向耦合输出。
为了抑制反向耦合器中的正向耦合，两个波导进行了非对称设计。另外，为了抑制波导光栅内反射形成的旁瓣，两个波导分别进行了切趾的设计。通过设计可以提高边模抑制比，较小通道间信号串扰。
如图2所示，切趾可通过如下方法实现，其中两个波导的距离g(n)满足：
其中，N为光栅的周期数，R和a是常数。式(2)中，g0为耦合器初始波导距离。
另外，普通波导上的布拉格光栅单边位移ΔL(n)满足：
其中，T为波导光栅的周期。
实施例：
以四通道波分复用器为例，仿真得到经过光栅经过切趾优化后的频谱图。如图3所示，四个通道都具有11nm的平顶带宽，并且在此带宽内，四个通道的插入损耗均小于0.5dB，相邻通道间串扰小于-25dB，非相邻通道间串扰小于-35dB，性能优异。根据所述方法，改变设计光栅的结构参数，如光栅周期、光栅宽度等，可以得到不同波长、不同带宽的反向耦合频谱，通过级联M个反向耦合器，可以获得M通道数的波分复用器。最终优化得到的基于亚波长光栅结构的波分复用器具有频谱平顶、带宽调谐范围大、结构紧凑的特点，能够满足通信标准的需求。
Claims (7)
1.一种基于亚波长光栅的平面光波导波分复用器，其特征在于自左向右依次包括输入光源(1)、输入连接波导(2)、亚波长光栅波分单元(3)、输出连接波导(4)、输出探测单元(5)、第二个通道的波分单元(6)、第M个通道的波分单元(7)；可激光器输入光源(1)经输入连接波导(2)进入由亚波长光栅结构组成的亚波长光栅波分单元(3)，将某个波段的光信号反向耦合，通过输出连接波导(4)后，光信号进入输出探测单元(5)，其余光信号将通过亚波长光栅波分单元(3)继续向前传输，同样经过具有亚波长光栅结构的第二个通道的波分单元(6)，进行不同光信号的反向耦合输出，第M个通道的波分单元(7)同样取得不同的光信号；因此，通过M个级联的波分单元，共可以取得M个不同波长的信号的输出，实现具有M通道的波分解复用器。
2.根据权利要求1所述的一种基于亚波长光栅的平面光波导波分复用器，其特征在于所述的亚波长光栅波分单元(3)是亚波长光栅形成的定向耦合器结构，将所需的信号光通过反向耦合的方式实现选取，且亚波长光栅波分单元(3)由亚波长光栅的波导和布拉格光栅构成，下方是具有布拉格光栅的普通单模波导，上方是具有布拉格光栅的亚波长光栅波导，距离很近的两根波导形成定向耦合器，对需要的波长形成反向耦合输出。
3.根据权利要求2所述的一种基于亚波长光栅的平面光波导波分复用器，其特征在于：
为了抑制反向耦合器中的正向耦合，两根波导进行非对称设计；同时为了抑制波导光栅内反射形成的旁瓣，两根波导分别进行了切趾设计，提高边模抑制比。
4.根据权利要求3所述的一种基于亚波长光栅的平面光波导波分复用器，其特征在于通过如下方法实现切趾，其中两根波导的距离g(n)满足：
其中，N为光栅的周期数，R和a是常数；式(2)中，g0为耦合器初始波导距离；
另外，普通波导上的布拉格光栅单边位移ΔL(n)满足：
其中，T为波导光栅的周期。
5.根据权利要求1所述的一种基于亚波长光栅的平面光波导波分复用器，其特征在于：
所述的第二个通道的波分单元(6)，内包含了亚波长光栅波分单元(3)和输出探测单元(5)的结构，实现第2个不同的波长信号输出；
所述的第M个通道的波分单元(7)，内包含了波分单元(3)和输出探测单元(5)的结构，实现第M个不同的波长信号输出。
6.根据权利要求1所述的一种基于亚波长光栅的平面光波导波分复用器，其特征在于：
所述的输出连接波导(4)具有从亚波长光栅波导结构向普通单模波导结构绝热过渡的作用，实现信号的低损输出。
7.根据权利要求1所述的一种基于亚波长光栅的平面光波导波分复用器，其特征在于：所述的输出探测单元(5)，可对光信号进行读取的光电探测器，将亚波长光栅波分单元(3)所选择的光信号进行探测，实现某个波长的光信号输出。
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