CN111830628A - 粗波分复用/解复用器及光通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种粗波分复用/解复用器及光通信设备，粗波分复用/解复用器至少包括通过一阶自映像效应进行输出的一阶输出波导区及通过二阶自映像效应进行输出的二阶输出波导区；本发明的粗波分复用/解复用器，通过将输出波导分成具有不同阶数的输出波导区，增大了输出通道数，在不增加多模波导的尺寸的前提下，提高了单个AMMI的波分复用/解复用能力；进一步的，通过增大相邻的输出波导所输出的中心波长的间隔，可在提高集成度的同时，保持器件性能，以避免增大串扰；从而本发明可提供插入损耗低、器件尺寸小、设计及工艺制作简单的粗波分复用/解复用器。

Description

粗波分复用/解复用器及光通信设备

技术领域

本发明属于光通信与硅基光电子领域，涉及一种粗波分复用/解复用器及光通信设备。

背景技术

粗波分复用(Coarse wavelength division multiplexing，简称CWDM)，又称稀疏波分复用、疏波分复用，是一种利用光复用器将在不同光纤中传输的波长复用到一根光纤中传输的技术，在光通信领域具有广泛的应用，如5G前传光网络、光模块、数据中心等。

AMMI(Angled Multimode Interferometer，简称AMMI)是一种利用多模波导自映像效应实现粗波分复用/解复用的硅基光电子器件。其基本结构为：输入波导与输出波导平行放置，并分别与多模波导的水平轴向方向具有一定的夹角。其应用的基本原理为：不同波长的光，经多模波导传输后，出现自映像的位置不同，在相应位置放置输出波导，即可将不同波长的光在空间上分开。AMMI与其他基于集成光学的粗波分复用/解复用器相比，如阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，简称AWG)，AMMI具有插入损耗低、器件尺寸小、设计及制造工艺简单的优势。但AMMI受到倾斜角、多模波导长度、宽度等因素的影响，基于单个AMMI的粗波分复用/解复用器输出通道数较小(通常为3通道或4通道)，限制了它的进一步应用。

因此，如何在维持AMMI粗波分复用/解复用器的尺寸优势的前提下，提高输出通道数、实现多波长的分光，是亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种粗波分复用/解复用器及光通信设备，用于解决现有技术中难以在维持AMMI粗波分复用/解复用器的尺寸优势的前提下，提高输出通道数、实现多波长的分光的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种粗波分复用/解复用器，包括：

多模波导，所述多模波导的宽度为W_MDW；

输入波导，所述输入波导与所述多模波导相连，且所述输入波导与所述多模波导的水平轴向方向具有夹角；

输出波导区，所述输出波导区中的输出波导与所述多模波导相连，且所述输出波导与所述输入波导平行设置，所述输出波导区至少包括通过一阶自映像效应进行输出的一阶输出波导区及通过二阶自映像效应进行输出的二阶输出波导区，所述输出波导区的最高阶数为m；

其中，所述多模波导的宽度W_MDW与基于多模波导一阶自映像效应的粗波分复用/解复用器的多模波导的宽度W_MDW′的关系为

可选地，在同一所述输出波导区中，相邻的所述输出波导的中心波长的间隔Δλ与基于多模波导一阶自映像效应的粗波分复用/解复用器的相邻的输出波导的中心波长的间隔Δλ′的关系为Δλ＝mΔλ′。

可选地，所述输出波导区的阶数m的范围包括m≥3。

可选地，同一所述输出波导区中的所述输出波导的通道数n的范围包括6≥n≥1。

可选地，所述输入波导与所述多模波导通过宽度渐变的锥形波导连接，所述输出波导与所述多模波导通过宽度渐变的锥形波导连接。

可选地，所述输入波导包括宽度渐变的锥形波导，所述输出波导包括宽度渐变的锥形波导。

可选地，波导芯层的材料包括氮化硅、氮氧化硅、二氧化硅、硅中的一种，所述波导芯层的折射率大于所述波导包层。

可选地，所述多模波导包括条形波导或脊型波导，所述输入波导包括条形波导或脊型波导，所述输出波导包括条形波导或脊型波导。

本发明还提供一种采用上述的粗波分复用/解复用器的光通信设备。

如上所述，本发明的粗波分复用/解复用器及光通信设备，在粗波分复用/解复用器中，通过多模波导的多阶自映像效应，将输出波导分成具有不同阶数的输出波导区，增大了输出通道数，在不增加多模波导的尺寸的前提下，提高了单个AMMI的复用/解复用能力；进一步的，通过增大相邻的输出波导所输出的中心波长的间隔，可在提高集成度的同时，保持器件性能，以避免增大串扰。因此，本发明可提供插入损耗低、器件尺寸小、设计及工艺制作简单的粗波分复用/解复用器。

附图说明

图1显示为本发明中基于多模波导多阶自映像效应的粗波分复用/解复用器的结构示意图。

图2显示为基于多模波导一阶自映像效应的粗波分复用/解复用器的波导芯层的结构示意图。

图3显示为基于多模波导两阶自映像效应的粗波分复用/解复用器的波导芯层的结构示意图。

元件标号说明

100、100’ 波导芯层

101、101’ 输入波导

102、102’ 一阶输出波导区

103 二阶输出波导区

104、104’ 多模波导

200 衬底

300 波导下包层

400 波导上包层

1’、2’、3’、4’、1、2、3、输出波导的通道4、5、6、7、8

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

参阅图1，本实施例提供一种粗波分复用/解复用器，所述粗波分复用/解复用器包括衬底200、波导芯层100、波导下包层300及波导上包层400。

作为示例，所述波导芯层100的材料包括氮化硅、氮氧化硅、二氧化硅、硅中的一种；所述波导下包层300或所述波导上包层400的材料的折射率小于波导芯层，有关所述波导芯层100及波导包层的材料的选择，此处不作过分限制。

作为示例，所述输入波导101与所述多模波导104通过宽度渐变的锥形波导连接，所述输出波导与所述多模波导104通过宽度渐变的锥形波导连接。

具体的，本实施例中，所述输入波导101及所述输出波导均采用条形波导，且分别通过锥形波导与所述多模波导104进行连接，以通过所述锥形波导，实现模斑转换和绝热光传输，但并非局限于此，所述输入波导101及所述输出波导也可采用锥形波导，且可通过如条形波导与所述多模波导104进行连接。

作为示例，所述多模波导104包括条形波导或脊型波导，所述输入波导101包括条形波导或脊型波导，所述输出波导包括条形波导或脊型波导。

具体的，本实施例中，所述粗波分复用/解复用器以条形波导作为示例进行说明，但并非局限于此，所述粗波分复用/解复用器也可包括脊型波导，即所述多模波导104可包括条形波导或脊型波导，所述输入波导101可包括条形波导或脊型波导，所述输出波导可包括条形波导或脊型波导，此处不作过分限制，可根据需要进行选择。

参阅图3，本实施例提供一种基于多模波导两阶自映像效应的粗波分复用/解复用器，所述波导芯层100包括依次连接的输入波导101、多模波导104、通过一阶自映像效应进行输出的一阶输出波导区102及通过二阶自映像效应进行输出的二阶输出波导区103。其中，所述多模波导104的宽度为W_MDW；所述输入波导101与所述多模波导104相连，且所述输入波导101与所述多模波导104的水平轴向方向具有夹角θ_t；所述输出波导区中的输出波导与所述多模波导104相连，且所述输出波导与所述输入波导101平行设置。

参阅图2，为进一步的解释说明本发明的所述粗波分复用/解复用器，本实施例还提供了基于多模波导一阶自映像效应的粗波分复用/解复用器。所述基于多模波导一阶自映像效应的粗波分复用/解复用器包括波导芯层100’，所述波导芯层100’包括依次连接的输入波导101’、多模波导104’、通过一阶自映像效应进行输出的一阶输出波导区102’。其中，所述多模波导104’的宽度为W_MDW′，长度为L_i′；所述输入波导101’与所述多模波导104’相连，且所述输入波导101’与所述多模波导104’的水平轴向方向具有夹角θ_t′；所述一阶输出波导区102’中的输出波导与所述多模波导104’相连，且所述输出波导与所述输入波导101’平行设置。本实施例中，以所述一阶输出波导区102’中所包括的所述输出波导的通道数为4作为示例，以进行解释说明，即包括通道1’、通道2’、通道3’、通道4’，且所述通道所对应的输出的光的中心波长分别为λ₁′，λ₂′，λ₃′，λ₄′，其中，将相邻的中心波长的间隔记做Δλ′。

其中，在所述粗波分复用/解复用器中，所述多模波导的宽度W_MDW与基于多模波导一阶自映像效应的粗波分复用/解复用器的所述多模波导的宽度W_MDW′的关系为

m代表在所述粗波分复用/解复用器中所述输出波导区的最高阶数。

本实施例的所述粗波分复用/解复用器，采用多模波导的多阶自映像效应，将输出波导分成具有不同阶数的输出波导区，以增大输出通道数n，从而在不增加所述多模波导104的尺寸的前提下，提高单个AMMI的复用/解复用能力。

具体的，根据多模干涉原理，中心波长为λ的光，从所述输入波导101进入所述多模波导104后，自映像点出现的水平轴向位置为：

其中，m代表自映像效应的阶数，n_eff代表所述多模波导104内基模的有效折射率，W_MDW代表所述多模波导104的宽度。

由公式(1)可知，当自映像效应的阶数m与中心波长λ不同时，输入基模场的自映像点在所述多模波导104的水平轴向上所出现的位置L是不同的。根据这一原理，在各波长自映像点的位置放置所述输出波导，即可将不同波长的光在所述多模波导104的水平轴向上进行分离，从而实现波分复用/解复用。

作为示例，所述输出波导区的阶数m的范围包括m≥3。

具体的，如图2，AMMI(Angled Multimode Interferometer，简称AMMI)利用的是一阶自映像效应，即m＝1，此时仅包括所述一阶输出波导区102’，所述输出波导的通道数较少，一般单个AMMI只能实现3波长或者4波长的粗波分复用/解复用，如图2中，所述输出波导的通道总数为4，即所输出的中心波长分别为λ₁′，λ₂′，λ₃′，λ₄′。参阅图3，本实施例中，为了增加单个AMMI波长复用/解复用的所述输出波导的通道数，利用AMMI的两阶自映像效应，即m＝2，此时包括一阶输出波导区102及二阶输出波导区103。由图3可知，本实施例中，通过所述粗波分复用/解复用器，所述输出波导的通道数增多，由图2中原先的4通道变为图3中的8通道，即包括位于所述一阶输出波导区102中的中心波长分别为λ₁，λ₃，λ₅，λ₇的输出波导通道，通道1、通道3、通道5、通道7，以及中心波长分别为λ₂，λ₄，λ₆，λ₈的输出波导通道，通道2、通道4、通道6、通道8，以实现8波长光的复用/解复用。

本实施例中，由于m＝2，所述多模波导104的宽度W_MDW缩小为原来的

倍，即满足

因此，所述多模波导104的水平轴向的长度L_i相较于仅进行一阶自映像效应的AMMI中的L_i′而言，L_i基本不变，即可增加所述输出波导的通道数，由4通道转变为8通道。但所述粗波分复用/解复用器的阶数m的取值并非局限于此，如在另一实例中，根据需要，所述输出波导区的阶数m也可为3、4、5、6等，即共包含m个所述输出波导区，一阶输出波导区、二阶输出波导区、……m阶输出波导区，以增加所述输出波导区的个数，从而进一步的增加所述输出波导的通道数n，实现更多波长的复用/解复用。

作为示例，同一所述输出波导区中的所述输出波导的通道数n的范围包括6≥n≥1。

具体的，本实施例中，在同一所述输出波导区中，如所述第一输出波导区102及第二输出波导区103中的所述输出波导的通道数n均为4，即分别包括位于所述第一输出波导区102中的输出波导通道，通道1、通道3、通道5、通道7及位于所述第二输出波导区103中的输出波导通道，通道2、通道4、通道6、通道8，但并非举行与此，所述同一所述输出波导区中的所述通道数n也可为1、2、3、5等，此处不作过分限制。如也可以利用AMMI两阶自映像效应实现6通道的粗波分复用，并利用一阶自映像效应输出λ₁，λ₃，λ₅(一阶输出波导区)，利用二阶自映像效应输出λ₂，λ₄，λ₆，(二阶输出波导区)等。

作为示例，在同一所述输出波导区中，相邻的所述输出波导的中心波长的间隔Δλ与基于多模波导一阶自映像效应的粗波分复用/解复用器的相邻的中心波长的间隔Δλ′的关系为Δλ＝mΔλ′。

具体的，根据AMMI一阶自映像效应的公式，即上述公式(1)，当m＝1时，所述输出波导所输出的中心波长分别为λ₁′，λ₂′，λ₃′，λ₄′的光时，所述输出波导所对应的所述多模波导104’的水平轴向位置分别：

由公式(6)可知，中心波长λ′越长，在所述多模波导104’的水平轴向上所对应的自映像点的轴向距离L′越短，即

图2中通道1’，通道2’，通道3’，通道4’，分别代表输出的中心波长为λ₄′＞λ₃′＞λ₂′＞λ₁′。图3中通道1，通道2，通道3，通道4，通道5，通道6，通道7，通道8，分别代表输出的中心波长为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅，λ₆，λ₇，λ₈，其中λ₇＞λ₅＞λ₃＞λ₁，λ₈＞λ₆＞λ₄＞λ₂。

因此，由于利用单个AMMI的两阶自映像效应时，AMMI的长度L_i取决于二阶自映像点m＝2时最短波长的水平轴向位置。由于m从1增加到2，由公式(1)可知，在其他参数不变的情况下，L_i变为之前的2倍，即L_i＝2L_i′。为了使两阶自映像AMMI的长度和一阶自映像AMMI的长度大致相等，所述多模波导104的宽度W_MDW变为之前的

倍。由公式(6)可知，所述多模波导104的宽度由W_MDW变为

因此，同一所述输出波导区中，相邻的所述输出波导的通道水平轴向间隔dL变为之前的

会增大输出通道间的串扰，进一步的，为了不减小所述输出波导的通道水平轴向间隔dL，以避免增大所述输出波导之间的相互串扰，因此，将中心波长的间隔Δλ变成之前的2倍，即Δλ＝2Δλ′，且利用AMMI的一阶自映像效应输出λ₁，λ₃，λ₅，λ₇,，利用AMMI的二阶自映像效应输出λ₂，λ₄，λ₆，λ₈，从而所述多模波导104的长度L_i几乎保持不变，所述多模波导104的宽度变为

倍，且在同一所述输出波导区中，相邻的所述输出波导的通道水平轴向间隔dL不变，从而通过在同一所述输出波导区中增大相邻的所述输出波导所输出的中心波长的间隔Δλ，在提高集成度的同时，可保持器件性能，以避免增大串扰。

同理，也可以将一阶输出波导区与二阶输出波导区的波长互换，即利用AMMI的二阶自映像效应输出λ₁，λ₃，λ₅，λ₇(二阶输出波导区)，利用AMMI的一阶自映像效应输出λ₂，λ₄，λ₆，λ₈(一阶输出波导区)，此处不作赘述。

本实施例还提供一种光通信设备，所述光通信设备包括上述粗波分复用/解复用器，其中，所述光通信设备包括互联网数据中心的收发模块、QSFP+40GLR4 TOSA/ROSA、QSFP28+100G LR4 TOSA/ROSA等，但并非局限于此，且所述光通信设备可应用于5G前传光网络，但并非局限于此。

综上所述，本发明的粗波分复用/解复用器及光通信设备，在粗波分复用/解复用器中，通过多模波导的多阶自映像效应，将输出波导分成具有不同阶数的输出波导区，以增大输出通道数，在不增加多模波导的尺寸的前提下，增大了单个AMMI的复用/解复用能力；进一步的，通过增大相邻的输出波导所输出的中心波长的间隔，可在提高集成度的同时，保持器件性能，以避免增大串扰。因此，本发明可提供插入损耗低、器件尺寸小、设计及工艺制作简单的粗波分复用/解复用器。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种粗波分复用/解复用器，其特征在于，包括：

多模波导，所述多模波导的宽度为W_MDW；

输入波导，所述输入波导与所述多模波导相连，且所述输入波导与所述多模波导的水平轴向方向具有夹角；

输出波导区，所述输出波导区中的输出波导与所述多模波导相连，且所述输出波导与所述输入波导平行设置，所述输出波导区至少包括通过一阶自映像效应进行输出的一阶输出波导区及通过二阶自映像效应进行输出的二阶输出波导区，所述输出波导区的最高阶数为m；

其中，所述多模波导的宽度W_MDW与基于多模波导一阶自映像效应的粗波分复用/解复用器的多模波导的宽度W_MDW′的关系为

2.根据权利要求1所述的粗波分复用/解复用器，其特征在于：在同一所述输出波导区中，相邻的所述输出波导的中心波长的间隔Δλ与基于多模波导一阶自映像效应的粗波分复用/解复用器的相邻的输出波导的中心波长的间隔Δλ′的关系为Δλ＝mΔλ′。

3.根据权利要求1所述的粗波分复用/解复用器，其特征在于：所述输出波导区的阶数m的范围包括m≥3。

4.根据权利要求1所述的粗波分复用/解复用器，其特征在于：同一所述输出波导区中的所述输出波导的通道数n的范围包括6≥n≥1。

5.根据权利要求1所述的粗波分复用/解复用器，其特征在于：所述输入波导与所述多模波导通过宽度渐变的锥形波导连接，所述输出波导与所述多模波导通过宽度渐变的锥形波导连接。

6.根据权利要求1所述的粗波分复用/解复用器，其特征在于：所述输入波导包括宽度渐变的锥形波导，所述输出波导包括宽度渐变的锥形波导。

7.根据权利要求1所述的粗波分复用/解复用器，其特征在于：波导芯层的材料包括氮化硅、氮氧化硅、二氧化硅、硅中的一种，且所述波导芯层的折射率大于所述波导包层。

8.根据权利要求1所述的粗波分复用/解复用器，其特征在于：所述多模波导包括条形波导或脊型波导，所述输入波导包括条形波导或脊型波导，所述输出波导包括条形波导或脊型波导。

9.一种采用如权利要求1～8任一项所述的粗波分复用/解复用器的光通信设备。

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