CN110426788A - 一种无热粗波分复用器件 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种无热粗波分复用器件，包括一组或多组级联的滤波单元，每组滤波单元包括一个MZ滤波器，所述MZ滤波器包括第一波导臂和第二波导臂，其中：第一波导臂设置有用于传输第一模式光波的第一模式波导；第二波导臂设置有用于传输第二模式光波的第二模式波导；第一模式光波通过第一模式波导传输的光程与第二模式光波通过第二模式波导传输的光程的差值满足预设的时延要求和温度不敏感要求。本申请利用不同模式光波的热光系数差异补偿MZ滤波器不等长的上下两臂的热光影响，使得温度对两臂时延的影响相同，从而满足了粗波分复用器件的无热条件，从根本上解决了温度对中心波长的影响，且工艺简单、温度无关、尺寸小、容差大。

Description

一种无热粗波分复用器件
技术领域
本申请涉及但不限于光通信技术领域，尤其涉及一种无热粗波分复用器件。
背景技术
波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)是一种增强数据通信链路容量的技术。对于WDM，独立信号由不同波长承载，这使带宽按时间扩展。近年来，利用硅波导的超高折射率对比和成熟的制造技术，在硅平台上开发了许多WDM器件。然而，硅WDM器件面临的挑战之一在于由于热敏感或者硅波导制造的不均匀性引起的波长漂移。因此，需要进行波长微调和调谐以确保波长对准，这可能会导致成本和功耗增加。在光通信网络中已经提出了具有20nm信道间隔的粗波分复用(Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM)技术，其放宽了激光波长的准确性和外部温度变化。这种CWDM技术已应用于硅平台上的器件，以放松对精确热控制和严格制造工艺的要求，从而降低成本和功耗。
无热和平顶传输是硅WDM器件的两个主要要求。目前，使用级联环形谐振器、阵列的多模干涉(MultiMode Interference，MMI)辅助孔径波导光栅(Arrayed WaveguideGrating，AWG)、马赫曾德(Mach-Zehnder，MZ)滤波器多级干涉以及平坦定向耦合器(Directional Coupler，DC)DC和MZ的组合等方法都有效地实现了通带平坦化。但硅材料具有较大的热光系数，硅的折射率对环境温度的改变较为敏感，工业级模块环境问题的温度范围为233K至358K。在1.3um波长295K的温度下，体硅的热光系数是1.94e-4。这使得模式的等效折射率随环境温度的改变而变化，进而对CWDM器件的性能产生显著影响。
针对无热CWDM器件，已报道的方案有：利用负热光材料(如二氧化钛TiO2等)与硅集成；热调谐；级联多种波导等。这些方案都是以增加通带的平坦性为出发点，以减小温漂对器件性能的影响，实际上并没有解决温度引起的波长漂移问题；并且，这些方案具有工艺上难以实现量产，器件尺寸偏大，工艺复杂，成本高等不足。因此，设计一种新型的、工艺简单、温度无关、尺寸小、容差大的CWDM器件迫在眉睫。
发明内容
本申请提供了一种无热粗波分复用器件，能够从根本上解决温度对中心波长的影响，且工艺简单、温度无关、尺寸小、容差大。
本申请提供了一种无热粗波分复用器件，包括一组或多组级联的滤波单元，每组所述滤波单元包括一个马赫曾德MZ滤波器，所述MZ滤波器包括第一波导臂和第二波导臂，其中：
所述第一波导臂设置有用于传输第一模式光波的第一模式波导；所述第二波导臂设置有用于传输第二模式光波的第二模式波导；
所述第一模式光波通过第一模式波导传输的光程，与所述第二模式光波通过第二模式波导传输的光程的差值满足预设的时延要求和温度不敏感要求。
在一种示例性实施例中，所述每组滤波单元还包括分光器和合光器，其中：
所述分光器的输入端连接所述无热粗波分复用器件的输入端或上一级滤波单元所述第一波导臂的输出端和所述第二波导臂的输出端，分光器的输出端分别连接所述第一波导臂的输入端和所述第二波导臂的输入端；
所述合光器的输入端分别连接所述第一波导臂的输出端和所述第二波导臂的输出端，所述合光器的输出端作为连接下一级滤波单元所述第一波导臂的输入端和所述第二波导臂的输入端，或作为所述无热粗波分复用器件的输出端。
在一种示例性实施例中，所述分光器为定向耦合器或Y型分光器；所述合光器为定向耦合器或Y型分光器。
在一种示例性实施例中，所述第一模式为TE0模，所述第二模式为TE1模；
所述第一波导臂和所述第二波导臂分别设置有两个模式转换器，其中，一个模式转换器为TE0模到TE1模的第一模式转换器，另一个模式转换器为TE1模到TE0模的第二模式转换器。
在一种示例性实施例中，所述第一模式波导的波导宽度为第一波导宽度，所述第二模式波导的波导宽度为第二波导宽度，所述第一波导宽度不等于所述第二波导宽度。
在一种示例性实施例中，所述第一波导宽度为1000纳米，所述第二波导宽度为600纳米。
在一种示例性实施例中，所述第一波导臂和所述第二波导臂分别设置两个波导转换器。
在一种示例性实施例中，所述预设的时延要求为：
(nTE1(λ)·LTE1-nTE0(λ)·LTE0)·k0-m·2π＝delay(λ)；
所述预设的温度不敏感要求为：
(ΔnTE1(λ)·LTE1-ΔnTE0(λ)·LTE0)·k0＝0；
其中，λ为介质中的波长，nTE1(λ)为TE1模的有效折射率，LTE1为TE1模走过的长度，nTE0(λ)为TE0模的有效折射率，LTE0为TE0模走过的长度，m为干涉级数，delay(λ)为波长λ对应的时延，ΔnTE1(λ)为不同温度下的TE1模的有效折射率变化值，ΔnTE0(λ)为不同温度下的TE0模的有效折射率变化值，k0为真空中的波矢，k0＝2π/λ0，λ0为真空中的光波长。
与相关技术相比，本申请的一种无热粗波分复用器件，通过在MZ滤波器的一个波导臂上设置用于传输第一模式光波的第一模式波导，另一个波导臂上设置用于传输第二模式光波的第二模式波导，并使得所述第一模式光波通过第一模式波导传输的光程与所述第二模式光波通过第二模式波导传输的光程的差值满足预设的时延要求和温度不敏感要求，利用了不同模式光波的热光系数差异补偿MZ滤波器不等长的上下两臂的热光影响，使得温度对两臂时延的影响相同，从而满足粗波分复用器件的无热条件，从根本上解决了温度对中心波长的影响，具有工艺简单、温度无关、尺寸小、容差大等明显优势。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为现有CWDM器件中MZ单级结构示意图；
图2为本发明实施例的一种无热CWDM器件单级滤波单元结构示意图；
图3为本发明实施例的另一种无热CWDM器件单级滤波单元结构示意图；
图4为本发明实施例的TE0模、TE1模、TM0模的热光系数随波导宽度的变化曲线示意图；
图5为本发明实施例的无热CWDM器件中MZ单级结构对称性布局示意图；
图6为本发明实施例的一种基于MZ级联的无热CWDM器件结构示意图；
图7是基于本发明实施例的无热CWDM器件级联实现4通道波分复用的原理示意图。
具体实施方式
本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。
图1为现有的CWDM器件中MZ单级结构示意图。由于MZ的上下两臂长度差ΔL的存在，使得上下两支波导不对称，温度对传播时延的影响也发生了不对称，从而导致MZ的时延差依赖于温度的变化，使得CWDM光谱发生温度漂移现象。
如图2所示，本发明实施例提供了一种无热粗波分复用器件，包括一组或多组级联的滤波单元，每组所述滤波单元包括一个MZ滤波器，所述MZ滤波器包括第一波导臂和第二波导臂，其中：
所述第一波导臂设置有用于传输第一模式光波的第一模式波导；所述第二波导臂设置有用于传输第二模式光波的第二模式波导；
所述第一模式光波通过第一模式波导传输的光程，与所述第二模式光波通过第二模式波导传输的光程的差值满足预设的时延要求和温度不敏感要求。
在一种示例性实施例中，所述每组滤波单元还包括分光器和合光器，其中：
所述分光器的输入端连接所述无热粗波分复用器件的输入端或上一级滤波单元所述第一波导臂的输出端和所述第二波导臂的输出端，分光器的输出端分别连接所述第一波导臂的输入端和所述第二波导臂的输入端；
所述合光器的输入端分别连接所述第一波导臂的输出端和所述第二波导臂的输出端，所述合光器的输出端作为连接下一级滤波单元所述第一波导臂的输入端和所述第二波导臂的输入端，或作为所述无热粗波分复用器件的输出端。
在该实施例的一示例中，所述分光器为定向耦合器或Y型分光器；所述合光器为定向耦合器或Y型分光器。所述分光器和合光器是具有特定耦合比或分光比(具体的耦合比或分光比值在CWDM器件的设计中确定)的器件。
在一种示例性实施例中，所述第一模式为TE0模，所述第二模式为TE1模；
所述第一波导臂和所述第二波导臂分别设置有两个模式转换器，其中，一个模式转换器为TE0模到TE1模的第一模式转换器，另一个模式转换器为TE1模到TE0模的第二模式转换器。
通过在第一波导臂和第二波导臂分别设置有两个模式转换器，保证了两个波导臂的结构对称性。
在一种示例性实施例中，所述第一模式波导的波导宽度为第一波导宽度，所述第二模式波导的波导宽度为第二波导宽度，所述第一波导宽度不等于所述第二波导宽度。
在该实施例的一示例中，所述第一波导宽度为1000纳米(nanometer，nm)，所述第二波导宽度为600纳米。
在一种示例性实施例中，所述第一波导臂和所述第二波导臂分别设置两个波导转换器。
在一种示例性实施例中，所述预设的时延要求为：
(nTE1(λ)·LTE1-nTE0(λ)·LTE0)·k0-m·2π＝delay(λ)；
所述预设的温度不敏感要求为：
(ΔnTE1(λ)·LTE1-ΔnTE0(λ)·LTE0)·k0＝0；
其中，λ为介质中的波长，nTE1(λ)为TE1模的有效折射率，LTE1为TE1模走过的长度，nTE0(λ)为TE0模的有效折射率，LTE0为TE0模走过的长度，m为干涉级数，delay(λ)为波长λ对应的时延，ΔnTE1(λ)为不同温度下的TE1模的有效折射率变化值，ΔnTE0(λ)为不同温度下的TE0模的有效折射率变化值，k0为真空中的波矢，k0＝2π/λ0，λ0为真空中的光波长。
如图3所示，本发明实施例提供了一种无热CWDM器件，所述无热CWDM器件由多组DC和MZ延迟线级联组成，本申请通过改变MZ上下波导的热光系数，即利用不同宽度波导中的不同模式热光系数差异，补偿不等长的上下两臂的热光影响，使得温度对两臂时延的影响相同，从而满足无热条件；满足无热条件的MZ的两臂仍然存在时延差，通过成倍的调节两臂长度，使得时延差满足CWDM的设计要求。
本申请通过改变MZ上下波导的热光系数，即利用不同宽度波导中的不同模式热光系数差异，补偿不等长的上下两臂的热光影响，使得温度对两臂时延的影响相同，从而能在较短的长度范围内，同时满足MZ的时延要求和温度不敏感设计，即满足以下两个方程：
(nTE1(λ)·LTE1-nTE0(λ)·LTE0)·k0-m·2π＝delay(λ)满足CWDM臂长时延要求
(ΔnTE1(λ)·LTE1-ΔnTE0(λ)·LTE0)·k0＝0满足无热设计
其中：nTE1(λ)为TE1模的有效折射率，LTE1为TE1模走过的长度，nTE0(λ)为TE0模的有效折射率，LTE0为TE0模走过的长度，k0为真空中的波矢，m为干涉级数。时延delay(λ)在CWDM器件的设计中已经确定，通过拟合LTE1和LTE2与m的数值，尽可能使得上述两个方程在整个波长范围内偏差最小即可。
一般情况下，两臂的热光系数差越大，则两臂长差越大，故较短的MZ臂长就可以满足CWDM的时延差要求。从图4看出，不同波导宽度对应不同模式下的热光系数不同，同一模式热光系数变化平坦，代表宽度容差较大，因此基于不同模式的热光系数差异能够满足较大的宽度容差要求。
图5是本发明实施例的CWDM器件中MZ单级结构对称性布局示意图。如图5所示，MZ上下两臂呈对称结构，工艺均匀性好。本申请通过改变MZ上下波导的热光系数，即利用不同宽度波导中的不同模式热光系数差异，补偿不等长的上下两臂的热光影响，使得温度对两臂时延的影响相同，从而满足无热条件。本申请基于同一材料，不同波导结构，具有不同模式的热光系数的差异，实现相位补偿功能，没有引入其它器件，因此尺寸较小。相比于其他CWDM器件，本申请从根本上解决了温度对中心波长的影响，具有工艺简单、温度无关、尺寸小、容差大等明显优势。
图6为本发明实施例的一种基于MZ级联的无热CWDM器件的结构示意图。该无热CWDM器件由5个不同耦合系数的DCs和4个不同长度差的MZs组成。DC的作用是分配光功率，通过设计特定的耦合比，实现平坦的输出光谱。MZ通过上下两臂不同长度差的设计，可以选择需要输出的波长。根据TE0和TE1的热光系数随宽度变化的结果，1000nm宽度波导的TE0和600nm宽度波导的TE1能够满足较大的热光系数差异和波导宽度容差需求。因此本申请选用1000nm宽波导的TE0模与600nm宽波导的TE1模的热光系数差异完成热光补偿。采用该方式进行热光补偿，需要在MZ两臂上引入420nm波导的TE0->600nm波导的TE1的模式转换器和420nm波导的TE0->1000nm波导的TE0的波段转换器(Taper)。为了保证上下两臂的结构对称性，按如图4方式布局MZ。本实施例基于O波段(1310nm)无热CWDM设计，但设计原理同样也适用于其他波段，如C波段(1550nm)、L波段(1600nm)等。
工作方式如下：首先包含λ1，λ2，λ3，λ4四种波长的输入光从DC1端口输入，并由DC1进行功率分配，分2路进入MZ1，该两路光信号经过不同的路径后产生特定的相位差，特定的波长就从不同的端口输出，进入到DC2，MZ2，并以相同的工作原理一直到DC5，最终从DC5的直通(through)端和交叉(cross)端分别输出特定的波长，完成了滤波功能。
本实施例中，整个CWDM器件波导材质为硅，包层为氧化硅，波导的高度均为220nm，波导宽度根据设计有420nm、600nm、1000nm。DC中间距(Gap)为250nm，弯曲波导采用3微米(μm)半径的贝塞尔弯曲。本申请中涉及的结构有，TE0到TE1的模式转换器，以及两种波导宽度转换Taper(包括420nm->600nmTaper和420nm->1000nmTaper)。图6所示的无热CWDM器件总共需要8对模式转换器件。
图7是基于本申请的无热CWDM器件两级级联实现的4通道波分复用结构示意图，由A、B、C这3个无热CWDM器件组成，以单级两步方式实现4通道波分复用功能。为降低复杂性，无热CWDM器件A、B、C的DC参数一致；B、C的上下两臂长度差ΔL是A的上下两臂长度差的一半，为了满足B、C直通端和交叉端要求，需要对相位进行一定的微调。相比于其他CWDM器件级联，本申请的无热CWDM器件级联后输出谱线的中心波长更加准确。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (8)

1.一种无热粗波分复用器件，其特征在于，包括一组或多组级联的滤波单元，每组所述滤波单元包括一个马赫曾德MZ滤波器，所述MZ滤波器包括第一波导臂和第二波导臂，其中：
所述第一波导臂设置有用于传输第一模式光波的第一模式波导；所述第二波导臂设置有用于传输第二模式光波的第二模式波导；
所述第一模式光波通过第一模式波导传输的光程，与所述第二模式光波通过第二模式波导传输的光程的差值满足预设的时延要求和温度不敏感要求。
2.根据权利要求1所述的无热粗波分复用器件，其特征在于，所述每组滤波单元还包括分光器和合光器，其中：
所述分光器的输入端连接所述无热粗波分复用器件的输入端或上一级滤波单元所述第一波导臂的输出端和所述第二波导臂的输出端，分光器的输出端分别连接所述第一波导臂的输入端和所述第二波导臂的输入端；
所述合光器的输入端分别连接所述第一波导臂的输出端和所述第二波导臂的输出端，所述合光器的输出端作为连接下一级滤波单元所述第一波导臂的输入端和所述第二波导臂的输入端，或作为所述无热粗波分复用器件的输出端。
3.根据权利要求2所述的无热粗波分复用器件，其特征在于，所述分光器为定向耦合器或Y型分光器；所述合光器为定向耦合器或Y型分光器。
4.根据权利要求1所述的无热粗波分复用器件，其特征在于，所述第一模式为TE0模，所述第二模式为TE1模；
所述第一波导臂和所述第二波导臂分别设置有两个模式转换器，其中，一个模式转换器为TE0模到TE1模的第一模式转换器，另一个模式转换器为TE1模到TE0模的第二模式转换器。
5.根据权利要求1所述的无热粗波分复用器件，其特征在于，所述第一模式波导的波导宽度为第一波导宽度，所述第二模式波导的波导宽度为第二波导宽度，所述第一波导宽度不等于所述第二波导宽度。
6.根据权利要求5所述的无热粗波分复用器件，其特征在于，所述第一波导宽度为1000纳米，所述第二波导宽度为600纳米。
7.根据权利要求5所述的无热粗波分复用器件，其特征在于，所述第一波导臂和所述第二波导臂分别设置两个波导转换器。
8.根据权利要求1至7任一所述的无热粗波分复用器件，其特征在于，所述预设的时延要求为：
(nTE1(λ)·LTE1-nTE0(λ)·LTE0)·k0-m·2π＝delay(λ)；
所述预设的温度不敏感要求为：
(ΔnTE1(λ)·LTE1-ΔnTE0(λ)·LTE0)·k0＝0；
其中，λ为介质中的波长，nTE1(λ)为TE1模的有效折射率，LTE1为TE1模走过的长度，nTE0(λ)为TE0模的有效折射率，LTE0为TE0模走过的长度，m为干涉级数，delay(λ)为波长λ对应的时延，ΔnTE1(λ)为不同温度下的TE1模的有效折射率变化值，ΔnTE0(λ)为不同温度下的TE0模的有效折射率变化值，k0为真空中的波矢，k0＝2π/λ0，λ0为真空中的光波长。
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