CN112394448B - 光栅耦合器及通信系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光栅耦合器及通信系统。本申请的光栅耦合器包括：耦合光栅，所述耦合光栅具有第一端口、第二端口、第三端口；第一波导，与所述第一端口连接；第二波导，与所述第二端口连接；第三波导，与所述第三端口连接；其中，所述第一波导、第二波导、第三波导成夹角设置。通过耦合光栅输出端口与第一波导、第二波导、第三波导连接，实现信号的耦合，能够实现双波段的耦合双工，有效的提高耦合效率，并且增大了光纤耦合器的工作波段范围；同时，对于偏振不确定的下行信号接收实现了偏振无关的接收耦合。

Description

光栅耦合器及通信系统

技术领域

本申请涉及硅光器件领域，尤其是一种光栅耦合器及通信系统。

背景技术

相关技术中，为了解决光栅耦合器的带宽限制，使用集成式无源光网络收发器和片上波导放大的多波段光栅结构，但是其结构往往比较复杂，并且耦合效率相对较低。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种光栅耦合器，能够同时工作在双波段，扩大了光纤耦合器的工作波段范围，并且能够有效的提高耦合的效率。

本申请还提出一种具有上述光栅耦合器的通信系统。

根据本申请的第一方面实施例的光栅耦合器，包括：耦合光栅，所述耦合光栅具有第一端口、第二端口、第三端口；第一波导，与所述第一端口连接；第二波导，与所述第二端口连接；第三波导，与所述第三端口连接；其中，所述第一波导、第二波导、第三波导成夹角设置。

根据本申请第一方面实施例的光栅耦合器，至少具有如下技术效果：通过耦合光栅输出端口与第一波导、第二波导、第三波导连接，实现信号的耦合，能够实现双波段的耦合双工，有效的提高耦合效率，并且增大了光纤耦合器的工作波段范围；同时，对于偏振不确定的下行信号接收实现了偏振无关的接收耦合。

根据本申请的一些实施例，所述光栅耦合器还包括：第一模斑大小转换器，所述第一模斑大小转换器一端与所述第一端口连接，另一端与所述第一波导连接；第二模斑大小转换器，所述第二模斑大小转换器一端与所述第二端口连接，另一端与所述第二波导连接；第三模斑大小转换器，所述第三模斑大小转换器一端与所述第三端口连接，另一端与所述第三波导连接；

根据本申请的一些实施例，所述第一波导与所述第二波导垂直设置。

根据本申请的一些实施例，所述第三波导与所述第一波导、所述第二波导的夹角均为135度。

根据本申请的一些实施例，所述第一波导、所述第二波导的传输波段为长波长波段，所述第三波导的传输波段为短波长波段。

根据本申请的一些实施例，所述耦合光栅的形状为含有三个直角的五边形。

根据本申请的一些实施例，所述耦合光栅表面刻蚀图案为圆形。

根据本申请的一些实施例，还包括：单模光纤，设置于所述耦合光栅刻蚀有圆形图案的一侧。

根据本申请的一些实施例，还包括：反射结构，设置于所述第二波导远离所述耦合光栅的一侧。

根据本申请的第二方面实施例的通信系统，包括根据本申请上述第一方面实施例的光栅耦合器。

根据本申请实施例的通信系统，至少具有如下有益效果：能够应用于无源光网络通信链路中，能够实现双波段信号的耦合，并且芯片上的双波段信号能够实现合束输出，从而有效的提高信号的耦合效率；减少了光栅耦合器使用的数量，缩小了系统的体积。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请做进一步的说明，其中：

图1为本申请实施例光栅耦合器的结构示意图；

图2为图1应用于光纤阵列的结构示意图；

图3为本申请实施例光栅耦合器第一端口、第二端口的传输效率光谱图；

图4为本申请实施例光栅耦合器第三端口的传输效率光谱图。

附图标记：

耦合光栅100、第一端口110、第二端口120、第三端口130、第一波导210、第二波导220、第三波导230、第一模斑大小转换器310、第一模斑大小转换320、第一模斑大小转换330、单模光纤400、反射结构500。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。

本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

下面参考图1和图2描述本申请实施例的光栅耦合器。

如图1所示，根据本申请实施例的光栅耦合器，包括：耦合光栅100，所述耦合光栅100具有第一端口110、第二端口120、第三端口130；第一波导210，与所述第一端口110连接；第二波导220，与所述第二端口120连接；第三波导230，与所述第三端口130连接；其中，所述第一波导210、第二波导220、第三波导230成夹角设置。

例如，如图1所示，光栅耦合器由耦合光栅100、波导组成，耦合光栅100与波导位于同一平面上，可用于集成无源光网络收发器中上行信号与下行信号的耦合双工。耦合光栅100的形状为五边形，其中耦合光栅100具有三个端口，分别是第一端口110、第二端口120、第三端口130，波导分为第一波导210、第二波导220、第三波导230，第一波导210与第一端口110连接，第二波导220与第二端口120连接，第三波导230与第三端口130连接。来自光纤的下行信号通过该光栅耦合器后，被分解为两个垂直方向的偏振光，分别耦合至第一波导210、第二波导220；来自芯片的上行信号通过该光栅耦合器后，从耦合光栅100的第三端口130输入，耦合至光纤中。光纤垂直设置于光栅耦合器上方，用于传输上、下行信号。

根据本申请实施例的光栅耦合器，能够同时工作在双波段波长，拓宽了其应用范围；同时，耦合光栅具有三个端口，与三个波导对应连接，能够实现双波段上、下行信号双工的耦合，并且能够实现不同端口的光线分束。

在本申请的一些实施例中，光栅耦合器还包括：第一模斑大小转换器，第一模斑大小转换器一端与第一端口连接，另一端与第一波导连接；第二模斑大小转换器，第二模斑大小转换器一端与第二端口连接，另一端与第二波导连接；第三模斑大小转换器，第三模斑大小转换器一端与第三端口连接，另一端与第三波导连接。

例如，如图1所示，模斑大小转换器设置于耦合光栅100与波导之间，用于实现耦合光栅100与波导的连接。第一模斑大小转换器310一端与第一端口110连接，另一端与第一波导210连接；第二模斑大小转换器320一端与第二端口120连接，另一端与第二波导220连接；第三模斑大小转换器330一端与第三端口130连接，另一端与第三波导230连接，其中模斑大小转换器、耦合光栅100、波导位于同一平面上。模斑大小转换器的形状为梯形板状结构，第一模斑大小转换器310长度长的底边与耦合光栅100的第一端口110耦合，长度短的底边与第一波导210耦合，同理将第二模斑大小转换器320、第三模斑大小转换器330分别设置于第二端口120与第二波导220、第三端口130与第三波导230之间。光线从单模光纤400入射到耦合光栅100后，经过第一模斑大小转换器310和第二模斑大小转换器320后，经过第一波导210、第二波导220传输出去；来自芯片的光信号经过第三模斑大小转换器330后，由单模管光纤传输出去。模斑大小转换器能够实现耦合光栅100与波导之间的连接，减少光从光纤到芯片、从芯片到光纤发生的光损耗，提高耦合效率。

在本申请的一些实施例中，第一波导与第二波导垂直设置。例如，如图1所示，第一波导210与第二波导220互相垂直，用于对下行信号进行偏振无关的耦合输入。来自光纤的下行信号经过耦合光栅100后可以被分解为两个互相垂直的偏振光，通过第一模斑大小转换器310、第二模斑大小转换器320后，耦合到第一波导210、第二波导220，从而实现下行信号的耦合。其中来自光纤的下行信号可以是任意偏振光，因此在进行耦合时，不需要考虑下行信号的偏振状态，解决了普通光栅耦合器接收端需要控制偏振状态的问题，有效提高耦合的效率。

在本申请的一些实施例中，第三波导与第一波导、第二波导的夹角均为135度。例如，如图1所示，第一波导210与第二波导220互相垂直，第三波导230与第一波导210、第二波导220均成135度角，用于对上行信号的耦合输出。来自第三波导230的光纤，经过第三模斑大小转换器330后进入耦合光栅100，耦合至单模光纤400中。对于上行信号，由于芯片的波导模式较为稳定，因此耦合输出至芯片外仅需要考虑单偏振态的信号，提供了一个专门用于与下行信号不同的端口用于发送耦合输出，提高了耦合效率，同时实现了双波段上、下行信号双工的耦合。

在本申请的一些实施例中，第一波导、第二波导的传输波段为长波长波段，第三波导的传输波段为短波长波段。例如，来自光纤的下行信号为任意偏振状态的长波长波段经过光栅耦合器后，被分解为两个垂直方向的偏振光，由耦合光栅的第一端口、第二端口，耦合至第一波导、第二波导，长波长波段的波段范围在1000m至10000m之间。其中，分解后的偏振光通过第一模斑大小转换器、第二模斑转换器后实现芯片与波导的连接。来自芯片的上行信号为单偏振态的短波长波段经过光栅耦合器后，由耦合光栅的第三端口耦合至单模光纤中，短波长波段的波段范围在10m至100m之间。通过该光栅耦合器能够同时工作在双波段，提高了光栅耦合器的应用范围，并且能够实现信号不同端口的分束。

在本申请的一些实施例中，耦合光栅的形状为含有三个直角的五边形。例如，如图1所示，耦合光栅100的形状为五边形，其中三个角为90度，另外两个角均为135度，斜边对应的直角的两个直角边长度相等。两个直角边对应的为耦合光栅100的第一端口110和第二端口120，分别与形状为梯形的第一模斑大小转换器310、第二模斑大小转换器320的底边连接，第一模斑大小转换器310、第二模斑大小转换器320的另一底边与第一波导210、第二波段连接，从而实现光纤与波导的耦合；斜边对应的为耦合光栅100的第三端口130，与形状为梯形的第三模斑大小转换器330的底边连接，第三模斑大小转换器330的另一底边与第三波导230连接，从而实现波导与光纤的耦合。通过将耦合光栅100设置为五边形，且设置有三个端口，从而能够实现双波段的双工通信，并且减少耦合过程中的损耗，实现高效的双工通信。

在本申请的一些实施例中，耦合光栅表面刻蚀图案为圆形。例如，如图1所示，耦合光栅100表面刻蚀有若干个圆形图案，若干个圆形图案成阵列式排列在耦合光栅100的表面。

在本申请的一些实施例中，还包括：单模光纤，设置于耦合光栅刻蚀有圆形图案的一侧。例如，如图1所示，单模光纤400与耦合光栅100刻蚀有图案的一侧连接，用于将来自芯片的上行信号传输出去、将下行信号传输至耦合光栅100进行耦合。

在本申请的一些实施例中，还包括：反射结构，设置于第二波导远离耦合光栅的一侧。例如，如图1和图2所示，对于光纤阵列，将多个光栅耦合器与其耦合，为了减小芯片所占的面积，在第二波导220远离耦合光栅100的一侧设置有反射结构500，如反光镜，用于将第二波导220的传输方向改为与第一波导210传输方向相同，从而能够减小芯片的面积并且利于光纤阵列的平行放置。同时，光纤阵列能够进一步提高信号的传输能力。

在一些实施例中，本申请实施例提供了一种通信系统，包括上述实施例中任一所述的光栅耦合器。

使用本申请光栅耦合器的通信系统，能够应用于无源光网络通信链路中，实现双波段信号的耦合，并且芯片上的双波段信号能够实现合束输出，从而有效的提高信号的耦合效率；减少了光栅耦合器使用的数量，缩小了系统的体积。

下面参考图1至图4以一个具体的实施例详细描述根据本申请实施例的光栅耦合器，值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本申请的具体限制。

如图1至图4所示，光栅耦合器由耦合光栅100、波导、模斑大小转换器组成，并且耦合光栅100、波导与模斑大小转换器位于同一水平面上。耦合光栅100的形状为五边形，其中三个角为90度，另外两个角均为135度，斜边对应的直角的两个直角边长度相等。两个直角边对应的为耦合光栅100的第一端口110和第二端口120，分别与形状为梯形的第一模斑大小转换器310、第二模斑大小转换器320的底边连接，第一模斑大小转换器310、第二模斑大小转换器320的另一底边与第一波导210、第二波段连接；斜边对应的为耦合光栅100的第三端口130，与形状为梯形的第三模斑大小转换器330的底边连接，第三模斑大小转换器330的另一底边与第三波导230连接。

光栅耦合器表面刻蚀有若干个圆形图案，若干个圆形图案成阵列式排列在耦合光栅100的表面。光栅耦合器还包括单模光纤400，设置于耦合光栅100刻蚀有圆形图案的一侧。

第一波导210与第二波导220互相垂直，来自光纤的下行信号经过光栅耦合器后被分解为两个垂直方向的偏振光，分别耦合至第一波导210、第二波导220，其下行信号可以为任意偏振态的光信号；第三波导230与第一波导210、第二波导220均成135度夹角，来自芯片的上行信号经过光栅耦合器后，被耦合至单模光纤400中。

当本实施例的光栅耦合器应用于光纤阵列时，为了提高传输能力，将多个光栅耦合器平行放置，并设置有反射结构500，比如反光镜。反射结构500设置于第二波导220远离耦合光栅100的一侧，改变第二波导220的传输方向，使其与第一波导210的传输方向相同，从而能够有效减小芯片的面积。

根据本申请实施例的光栅耦合器，能够同时在双波段进行工作，用于系统的上行链路与下行链路的传输，减少了耦合器的使用数量，增大了应用范围、提高了系统的利用效率。对于下行信号无需选择偏振状态，上、下行信号传输效率均在45％至50％之间，有效的提高了耦合效率。

上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (8)

1.光栅耦合器，其特征在于，包括：

耦合光栅，所述耦合光栅具有第一端口、第二端口、第三端口；所述耦合光栅的形状为含有三个直角的五边形；

第一波导，与所述第一端口连接；

第二波导，与所述第二端口连接；

第三波导，与所述第三端口连接；

第一模斑大小转换器，所述第一模斑大小转换器一端与所述第一端口连接，另一端与所述第一波导连接；

第二模斑大小转换器，所述第二模斑大小转换器一端与所述第二端口连接，另一端与所述第二波导连接；

第三模斑大小转换器，所述第三模斑大小转换器一端与所述第三端口连接，另一端与所述第三波导连接；

其中，所述第一波导、第二波导、第三波导成夹角设置，所述五边形的五个角依次分别为：直角、直角、直角、135度角、135度角，所述五边形的三个直角之间的两个公共直角边分别为所述耦合光栅的所述第一端口和所述第二端口，所述五边形的两个135度角之间的斜边为所述耦合光栅的所述第三端口。

2.根据权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于，所述第一波导与所述第二波导垂直设置。

3.根据权利要求2所述的光栅耦合器，其特征在于，所述第三波导与所述第一波导、所述第二波导的夹角均为135度。

4.根据权利要求3所述的光栅耦合器，其特征在于，所述第一波导、所述第二波导的传输波段为长波长波段，所述第三波导的传输波段为短波长波段。

5.根据权利要求4所述的光栅耦合器，其特征在于，所述耦合光栅表面刻蚀图案为圆形。

6.根据权利要求5所述的光栅耦合器，其特征在于，还包括：

单模光纤，设置于所述耦合光栅刻蚀有圆形图案的一侧。

7.根据权利要求1至6所述的光栅耦合器，其特征在于，还包括：

反射结构，设置于所述第二波导远离所述耦合光栅的一侧。

8.通信系统，其特征在于，包括根据权利要求1至7中任一项所述的光栅耦合器。

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