CN109870767A - 一种光栅型单纤三向复用器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅型单纤三向复用器。第一光栅滤波器的输出端依次经第一单模连接光波导、第一模式滤波器、第二单模连接光波导与第二光栅滤波器的输入端相连接，第二光栅滤波器的输出端依次经第三单模连接光波导、弯曲波导和第二模式滤波器后与第三光栅滤波器的输入端连接，第三光栅滤波器的下载端为第三输出波导；输入波导作为两个通道信号的输入端口和一个通道信号的输出端口，第一输出波导作为输入端口，第二输出波导作为输出端口，第三输出波导作为输出端口；且所述的第一第二模式滤波器为弯曲波导。本发明能减小通道之间的串扰，获得一个低插损、低串扰的片上单纤三向复用器，具有工艺简单，结构简单、低插损、低串扰等优点。

Description

一种光栅型单纤三向复用器

技术领域

本发明属于光通信领域，具体涉及一种光栅型的单纤三向复用器。

背景技术

随着广播电视网和互联网的逐渐发展和融合，数据业务对带宽的需求日益增长。在现在光通信系统中，光纤到户(Fiber To The Home，FTTH)是一种直接把光纤接到用户家中的传输方法，解决的是“最后一公里”的信息传输。单纤三向复用器是无源光网络方式FTTH的一个核心器件，其主要功能是将波长为1550nm的下行模拟CATV信号、波长为1490nm的下行数字信号和波长为1310nm的上行终端用户传输信号复用到同一根光纤中，从而实现“三网融合”。

目前实际应用的单纤三向复用器是由分离式元件耦合而成的，具有成本高、不易封装和尺寸大等缺点，远不能满足未来光学器件的发展。基于平面光波导的片上单纤三向复用器因具有易加工、小尺寸和低成本等特点而备受关注，目前在设计单纤三向复用器中最大的困难则是需要满足在国际通信协议ITU-T G.984.2标准的要求，即1310nm、1490nm和1550nm通道分别对应要有100nm、20nm和10nm的带宽要求。同时，为了更好的与激光器和探测器集成，需要在满足带宽要求的同时，保证整体器件的低插损、低串扰。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种光栅型单纤三向复用器，尤其是针对适用于国际通信协议ITU-T G.984.2标准的通信。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括输入波导、第一模式滤波器、第二模式滤波器、第一输出波导、第二输出波导、第三输出波导、第一光栅滤波器、第二光栅滤波器和第三光栅滤波器；输入波导与第一光栅滤波器的输入端相连接，第一光栅滤波器的下载端为第一输出波导，第一光栅滤波器的输出端依次经第一单模连接光波导、第一模式滤波器、第二单模连接光波导与第二光栅滤波器的输入端相连接，第二光栅滤波器的下载端为第二输出波导，第二光栅滤波器的输出端依次经第三单模连接光波导、弯曲波导和第二模式滤波器后与第三光栅滤波器的输入端连接，第三光栅滤波器的下载端为第三输出波导，第三光栅滤波器的输出端连接输出波导；输入波导作为1490nm和1550nm通道信号的输入端口，同时也是1310nm通道信号的输出端口，第一输出波导作为1310nm通道信号的输入端口，第二输出波导作为1490nm通道信号的输出端口，第三输出波导作为1550nm通道信号的输出端口；且所述的第一模式滤波器和第二模式滤波器均采用弯曲波导结构。

1310nm通道信号作为上传信号，1490nm和1550nm通道信号作为下载信号，单纤三向复用器能够实现双向通信传输。

本发明中针对模式解复用器进行了改进，将演化区窄锥形光波导两侧的波导做成了S形弯曲波导结构，同时将多个光栅滤波器共同串联连接制成了针对国际通信协议ITU-TG.984.2标准的单纤三向复用器，具有低插损的优势。

本发明中两个模式滤波器均采用弯曲波导结构，能够降低串扰，获得低串扰的复用器。

本发明中在两个光栅滤波器之间连接上模式滤波器，通过滤除残余的高阶模式，能减小通道之间的串扰，获得低插损、低串扰的单纤三向复用器。

所述的三个光栅滤波器均包括一个模式解复用器、两根光栅后渐变光波导和反对称多模波导光栅；模式解复用器主要由多模组合波导和弯曲渐变组合波导组成，弯曲渐变组合波导位于多模组合波导旁，多模组合波导包括依次连接的输入多模光波导、演化区宽锥形光波导和输出多模光波导，输入多模光波导经演化区宽锥形光波导和输出多模光波导的一端连接，输入多模光波导连接渐变光波导的一端，渐变光波导的另一端作为光栅滤波器的输入端；弯曲渐变波导均主要由前S形弯曲波导结构、演化区窄锥形光波导和后S形弯曲光波导结构依次连接组成，后S形弯曲光波导一端作为光栅滤波器的下载端，后S形弯曲光波导另一端经演化区窄锥形光波导和前S形弯曲波导结构连接，后S形弯曲光波导、演化区窄锥形光波导和前S形弯曲波导结构分别对应位于输入多模光波导、演化区宽锥形光波导和输出多模光波导附近旁，多模组合波导中的演化区宽锥形光波导与弯曲渐变波导中的演化区窄锥形光波导靠近并发生超模演化，使得对应的演化区宽锥形光波导和演化区窄锥形光波导形成演化区；第一光栅前渐变光波导和第一光栅后渐变光波导的一端分别连接在反对称多模波导光栅的输入端和输出端，第一光栅前渐变光波导的另一端连接到输出多模光波导的另一端，第一光栅后渐变光波导的另一端作为光栅滤波器的输出端。

所述的第二光栅滤波器和第三光栅滤波器中的反对称多模波导光栅采用切趾光栅结构，切趾光栅通过两侧光栅齿的轴向上的横移的高斯分布实现切趾，从而获得高边模抑制比的滤波器，进而能减小1490nm信号通道和1550nm信号通道之间的串扰。

所述的第一光栅滤波器、第二光栅滤波器和第三光栅滤波器的反对称多模波导光栅的中心谐振波长分别为1310nm、1490nm和1550nm，三者的带宽分别为100nm、20nm和10nm。

所述的反对称多模波导光栅10、23、36能实现TE₀模式反向耦合为TE₁模式，满足相位匹配条件(n₀+n₁)/2＝λ/Λ，式中n₀为TE₀模式的有效折射率，n₁为TE₁模式有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期。

本发明的有益效果是：

本发明将1310nm通道信号、1490nm通道信号和1550nm通道信号通过级联光栅滤波器复用到一个波导中，实现片上单纤三向复用器。

本发明通过调节光栅的周期和齿深度，获得对应的通道带宽，可以很好的满足国际通信协议ITU-T G.984.2标准的要求。

本发明通过引入模式滤波器和切趾光栅可以减小通道间的串扰，可以获得一个低串扰、低损耗的单纤三向复用器。

本发明可以用平面集成光波导工艺制作，只需要一次刻蚀完成，工艺简便、成本低，性能高，损耗小，并且与传统CMOS工艺兼容，具有大规模生产的潜力。

附图说明

图1是光栅型单纤三向复用器的整体结构示意图。

图2是光栅滤波器示意图。

图3是光栅型单纤三向复用器的工作原理示意图。

图4是实施例器件各反对称多模波导光栅的仿真结果图。

图中：a为第一光栅滤波器，b为第二光栅滤波器，c为第三光栅滤波器；1、12、14、25、38为5个单模光波导，2、9、11、15、22、24、28、35、37为9个渐变光波导，13、27为2个模式滤波器，26为弯曲波导；

3为第一模式解复用器的输入多模光波导，4为第一模式解复用器的演化区宽锥形光波导，5为第一模式解复用器的输出多模波导，6为第一模式解复用器的后S型弯曲光波导，7为第一模式解复用器的演化区窄锥形光波导，8为第一模式解复用器的前S型弯曲光波导，10为第一反对称多模波导光栅；

16为第二模式解复用器的输入多模光波导，17为第二模式解复用器的演化区宽锥形光波导，18为第二模式解复用器的输出多模波导，19为第二模式解复用器的后S型弯曲光波导，20为第二模式解复用器的演化区窄锥形光波导，21为第二模式解复用器的前S型弯曲光波导，23为第二反对称多模波导光栅；

29为第三模式解复用器的输入多模光波导，30为第三模式解复用器的演化区宽锥形光波导，31为第三模式解复用器的输出多模波导，32为第三模式解复用器的后S型弯曲光波导，33为第三模式解复用器的演化区窄锥形光波导，34为第三模式解复用器的前S型弯曲光波导，36为第三反对称多模波导光栅。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明具体实施包括三个级联的光栅滤波器，即第一光栅滤波器a、第二光栅滤波器b和第三光栅滤波器c，三个光栅滤波器头尾依次相连，相连的两个光栅滤波器之间包括一个模式滤波器(13和27)，利用弯曲波导26使结构更紧凑。

具体包括输入波导1、第一模式滤波器13、第二模式滤波器27、第一输出波导6、第二输出波导19、第三输出波导32、第一光栅滤波器a、第二光栅滤波器b和第三光栅滤波器c；输入波导1经第一渐变光波导2与第一光栅滤波器a的输入端相连接，第一光栅滤波器的a的下载端为第一输出波导6，第一光栅滤波器a的输出端依次经第一单模连接光波导12、第一模式滤波器13、第二单模连接光波导14与第二光栅滤波器b的输入端相连接，第二光栅滤波器b的下载端为第二输出波导19，第二光栅滤波器b的输出端依次经第三单模连接光波导25、弯曲波导26和第二模式滤波器27后与第三光栅滤波器c的输入端连接，第三光栅滤波器c的下载端为第三输出波导32，第三光栅滤波器c的输出端连接输出波导38；输入波导1作为1490nm和1550nm通道信号的输入端口，同时也是1310nm通道信号的输出端口，第一输出波导6作为1310nm通道信号的输入端口，第二输出波导19作为1490nm通道信号的输出端口，第三输出波导32作为1550nm通道信号的输出端口；且第一模式滤波器13和第二模式滤波器27均采用弯曲波导结构。

所使用的两个模式滤波器13和27参数完全相同，弯曲半径为10μm，波导宽度为450nm。

如图2所示，三个光栅滤波器a、b、c均包括一个模式解复用器、一根光栅前渐变光波导、一根光栅后渐变光波导和一个反对称多模波导光栅；模式解复用器主要由多模组合波导和弯曲渐变组合波导组成，弯曲渐变组合波导位于多模组合波导旁，多模组合波导包括依次连接的输入多模光波导3/16/29、演化区宽锥形光波导4/17/30和输出多模光波导5/18/31，多模光波导3/16/29经演化区宽锥形光波导4/17/30和输出多模光波导5/18/31的一端连接，输入多模光波导3/16/29连接渐变光波导2/14或者第二模式滤波器27的一端，渐变光波导2/14或者第二模式滤波器27的另一端作为光栅滤波器的输入端；弯曲渐变波导均主要由前S形弯曲波导结构8/21/34、演化区窄锥形光波导7/20/33和后S形弯曲光波导6/19/32结构依次连接组成，后S形弯曲光波导6/19/32一端作为光栅滤波器的下载端，后S形弯曲光波导6/19/32另一端经演化区窄锥形光波导7和前S形弯曲波导结构8连接，后S形弯曲光波导6、演化区窄锥形光波导7和前S形弯曲波导结构8分别对应位于输入多模光波导3/16/29、演化区宽锥形光波导4/17/30和输出多模光波导5/18/31附近旁，多模组合波导中的演化区宽锥形光波导4/17/30与弯曲渐变波导中的演化去窄锥形光波导7/20/33靠近并发生超模演化，使得对应的演化区宽锥形光波导4/17/30和演化区窄锥形光波导7/20/33形成演化区；光栅前渐变光波导9/22/35和光栅后渐变光波导11/24/37的一端分别连接在反对称多模波导光栅10/23/36的输入端和输出端，光栅前渐变光波导9/22/35的另一端连接到输出多模光波导5/18/31的另一端，第一光栅后渐变光波导11/24/37的另一端作为光栅滤波器的输出端。

第一光栅滤波器a、第二光栅滤波器b和第三光栅滤波器c的头部还分别设有第一渐变光波导2、第二渐变光波导15和第三渐变光波导28，第一渐变光波导2、第二渐变光波导15和第三渐变光波导28分别连接到输入多模光波导3、16、29的输入端。

第一光栅滤波器a的反对称多模波导光栅采用完全反对称结构，能避免入射正向TE₀模式与反向TE₀模式的耦合，减小复用器在1490nm和1550nm通道信号的损耗。

第二光栅滤波器b和第三光栅滤波器c中的反对称多模波导光栅采用切趾光栅结构，切趾光栅通过两侧光栅齿的轴向上的横移的高斯分布实现切趾，从而获得高边模抑制比的滤波器，进而能减小1490nm信号通道和1550nm信号通道之间的串扰。

第一光栅滤波器a、第二光栅滤波器b和第三光栅滤波器c的反对称多模波导光栅的中心谐振波长分别为1310nm、1490nm和1550nm，三者的带宽分别为100nm、20nm和10nm。

如图2所示，以第一光栅滤波器为例，光栅滤波器的基本结构如图。模式解复用器和反对称多模波导光栅之间用渐变波导9连接。图中左边端口为输入端口，右边端口为输出端口，左下端口为下载端口。模式解复用器由多模组合波导(4，5，6)和弯曲渐变组合波导(6，7，8)组成，右端输入的TE₁模式可以复用到左下端口的TE₀模式输出，通过选取演化区波导宽度和长度，保证演化区的绝热演化，可以获得大带宽、低插损的模式解复用器。反对称多模波导光栅满足TE₀与反向TE₁的相位匹配条件，输入TE₀在布拉格谐振条件附近可以反向耦合成TE₁模式，通过选取光栅总体宽度、光栅齿深度和光栅周期，可以获得需求的中心波长和带宽。

下面说明本发明作为单纤三向复用器时的工作过程：

本发明的工作原理如图3所示，当工作在1310nm通道时，基模信号从O₁端口上传，经第一模式解复用器后复用成TE₁模式，后经第一反对称多模波导光栅后反向耦合成反向的TE₀模式，并最终从最左端输出。对于其他两个信道的信号，1490nm和1550nm的信号从输入端口输入，两个信道的信号由于远离第一光栅滤波器的布拉格波长，从而基本上可以无损的通过第一光栅滤波器。当1490nm通道的信号通过第二光栅滤波器时，1490nm通道的信号可以在第二多模波导光栅中反向耦合成反向TE₁模式，并经第二模式解复用器后复用成TE₀模式，并在O₂端口输出，此时1550nm通道的信号可以无损耗的通过第二光栅滤波器。同样的，1550nm通道信号可以在O₃端口输出，最终实现单纤三向复用器的功能。由于1490nm和1550nm通道之间间隔较小，两个光栅均采用了高斯切趾的方式，抑制边模抑制比，从而减小通道间的串扰。另外，由于模式解复用器可能存在不完全的(解)复用，1490nm和1550nm通道信号之间可能存在串扰，并有可能形成法布里-珀罗谐振，通过引入弯曲波导，滤除可能残余的TE₁模式，从而获得一个低插损、低损耗的单纤三向复用器。

本发明具体实施例如下：

选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层材料均为SiO₂，厚度为2μm、折射率为1.4404；上包层材料为SU-8，厚度为1.2μm、折射率为1.57。

对于第一模式解复用器，选取演化区宽锥形波导两侧宽度分别为0.45μm、0.55μm，演化区窄锥形波导两侧宽度分别为0.25μm、0.12μm，三段的长度分别为15μm、35μm和5μm，宽窄两锥形光波导之间的间隔保持0.2μm不变，前S型波导与光波导之间的最大间隔为0.5μm，后S型波导与光波导之间的最大间隔为1.2μm。

对于第二模式解复用器，选取演化区宽锥形波导两侧宽度分别为0.48μm、0.72μm，演化区窄锥形波导两侧宽度分别为0.26μm、0.12μm，三段的长度分别为20μm、35μm和5μm，宽窄两锥形光波导之间的间隔保持0.2μm不变，前S型波导与光波导之间的最大间隔为0.5μm，后S型波导与光波导之间的最大间隔为1.2μm。

对于第二模式解复用器，结构参数选取与第二模式解复用器一致。

对于第一反对称多模波导光栅，选取参数为光栅总宽度为850nm，光栅齿深度为265nm，光栅周期为280nm，光栅周期数为40，光栅占空比为0.5。

对于第二反对称多模波导光栅，选取参数为光栅总宽度为1100nm，光栅齿深度为240nm，光栅周期为300nm，光栅周期数为280，光栅占空比为0.5。

对于第三反对称多模波导光栅，选取参数为光栅总宽度为1100nm，光栅齿深度为180nm，光栅周期为314nm，光栅周期数为310，光栅占空比为0.5。

对于第二反对称多模波导光栅和第三反对称多模波导光栅，采用了相位切趾的方案，切趾形式为高斯切趾。

经三维时域有限差分算法对器件的第一反对称多模波导光栅、第二反对称多模波导光栅和第三反对称多模波导光栅进行了仿真验证。图4(a)–4(c)对应为第一反对称多模波导光栅、第二反对称多模波导光栅和第三反对称多模波导光栅的仿真结果，由图可知本发明的器件在1310nm、1490nm和1550nm通道分别可以获得100nm、20nm和10nm的3dB带宽，三个通道均有平顶的响应，三个通道的插入损耗均<0.5dB，对于1490nm和1550nm通道的串扰均>-45dB。由此可见，本发明的器件可以获得一个具有低插损、低串扰的单纤三向复用器。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种光栅型单纤三向复用器，其特征在于：包括输入波导(1)、第一模式滤波器(13)、第二模式滤波器(27)、第一输出波导(6)、第二输出波导(19)、第三输出波导(32)、第一光栅滤波器(a)、第二光栅滤波器(b)和第三光栅滤波器(c)；输入波导(1)与第一光栅滤波器(a)的输入端相连接，第一光栅滤波器(a)的输出端依次经第一单模连接光波导(12)、第一模式滤波器(13)、第二单模连接光波导(14)与第二光栅滤波器(b)的输入端相连接，第二光栅滤波器(b)的输出端依次经第三单模连接光波导(25)、弯曲波导(26)和第二模式滤波器(27)后与第三光栅滤波器(c)的输入端连接，第三光栅滤波器(c)的下载端为第三输出波导(32)，第三光栅滤波器(c)的输出端连接输出波导(38)；输入波导(1)作为1490nm和1550nm通道信号的输入端口，同时也是1310nm通道信号的输出端口，第一输出波导(6)作为1310nm通道信号的输入端口，第二输出波导(19)作为1490nm通道信号的输出端口，第三输出波导(32)作为1550nm通道信号的输出端口；且所述的第一模式滤波器(13)和第二模式滤波器(27)均采用弯曲波导结构。

2.根据权利要求1所述的一种光栅型单纤三向复用器，其特征在于：

所述的三个光栅滤波器(a、b、c)均包括一个模式解复用器、一根光栅前渐变光波导、一根光栅后渐变光波导和反对称多模波导光栅；模式解复用器主要由多模组合波导和弯曲渐变组合波导组成，弯曲渐变组合波导位于多模组合波导旁，多模组合波导包括依次连接的输入多模光波导(3/16/29)、演化区宽锥形光波导(4/17/30)和输出多模光波导(5/18/31)，输入多模光波导(3/16/29)经演化区宽锥形光波导(4/17/30)和输出多模光波导(5/18/31)的一端连接，输入多模光波导(3/16/29)连接渐变光波导(2/15/28)的一端，渐变光波导(2/15/28)的另一端作为光栅滤波器的输入端；弯曲渐变波导均主要由前S形弯曲波导结构(8/21/34)、演化区窄锥形光波导(7/20/33)和后S形弯曲光波导(6/19/32)结构依次连接组成，后S形弯曲光波导(6/19/32)一端作为作为光栅滤波器的下载端，多模组合波导中的演化区宽锥形光波导(4/17/30)与弯曲渐变波导中的演化区窄锥形光波导(7/20/33)靠近并发生超模演化，使得演化区宽锥形光波导(4/17/30)和演化区窄锥形光波导(7/20/33)形成演化区；光栅前渐变光波导(9/22/35)和光栅后渐变光波导(11/24/37)的一端分别连接在反对称多模波导光栅(10/23/36)的输入端和输出端，光栅前渐变光波导(9/22/35)的另一端连接到输出多模光波导(5/18/31)的另一端，光栅后渐变光波导(11/24/37)的另一端作为光栅滤波器的输出端。

3.根据权利要求1所述的一种光栅型单纤三向复用器，其特征在于：

所述的第二光栅滤波器(b)和第三光栅滤波器(c)中的反对称多模波导光栅采用切趾光栅结构，切趾光栅通过两侧光栅齿的轴向上的横移的高斯分布实现切趾。

4.根据权利要求1所述的一种光栅型单纤三向复用器，其特征在于：

所述的第一光栅滤波器(a)、第二光栅滤波器(b)和第三光栅滤波器(c)的反对称多模波导光栅的中心谐振波长分别为1310nm、1490nm和1550nm，三者的带宽分别为100nm、20nm和10nm。

5.根据权利要求1所述的一种光栅型单纤三向复用器，其特征在于：

所述的反对称多模波导光栅10、23、36能实现TE₀模式反向耦合为TE₁模式，满足相位匹配条件(n₀+n₁)/2＝λ/Λ，式中n₀为TE₀模式的有效折射率，n₁为TE₁模式有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期。