CN117434652A - 一种低串扰低温漂的粗波分复用器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低串扰低温漂的粗波分复用器。粗波分复用器由两级滤波器级联而成。每个滤波器由三组不等臂的马赫‑曾德尔干涉仪级联而成。每组马赫‑曾德尔干涉仪由功率分束器和移相器通过弯曲波导级联而成。其中功率分束器包括四根耦合波导、四根渐变过渡波导和两根宽度不同的相移波导。通过设置耦合波导和相移波导的长度组合可以实现任意比例分光。所提出的功率分配器可以实现宽带分光，因而降低了波分复用器的串扰。在二级滤波器中，每组马赫‑曾德尔干涉仪中采用条形波导移相器，在一级滤波器中，每组马赫‑曾德尔干涉仪中采用槽波导移相器。通过槽波导和负热光系数包层材料的使用，可以减小温度对中心波长的影响。
Description
技术领域
本发明涉及集成光电子器件领域，具体涉及一种低串扰低温漂的粗波分复用器。
背景技术
波分复用技术是将一系列载有信息但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤进行传输，在接收端再将各个波长不同的光信号分开的通信技术。由于独立信号由不同波长的光承载，因此带宽会扩大数倍，增强了通信系统的容量，被看作一种很有前途的技术。
在集成电路概念的启示下，集成光路尝试将常见的分立光学器件在半导体上实现。硅基是目前使用最广泛的光集成材料。由于绝缘体上硅具有高折射率差、低插入损耗、低成本等优势，硅基波分复用器成为光电子器件的研究热点。
根据波长间隔的不同，波分复用器可以分为粗波分复用器、中等波分复用器、密集波分复用器等等。粗波分复用器的波长间隔是20 nm，根据国际电信联盟的规定，在O波段的粗波分复用器件的中心波长是1271 nm、1291 nm、1311 nm、1331 nm、1351 nm。粗波分复用器最大的优势在于结构紧凑、成本低，经常被应用于短距离通信当中。中等波分复用器是基于粗波分复用器，每个中心波长左右各偏移6 nm。密集波分复用器的通道间隔更为紧凑，为1.6 nm或更低，经常被应用于长距离传输。
粗波分复用器的实现方式有基于级联布拉格光栅、基于多模干涉耦合器、基于级联马赫曾德尔干涉仪等等。基于级联布拉格光栅的粗波分复用器是基于布拉格光栅能够反射特定波长的光的原理，通过控制布拉格光栅的切趾方案，实现带宽的调整，优势是可控性强，但对加工精度要求高。基于多模干涉耦合器的粗波分复用器是利用多模干涉耦合器的自映像原理，能够在特定位置出现特定波长的复制像，从而将各波长的光分开，优点是结构简单、加工简便，但输出光谱不平顶，带宽很窄。基于级联马赫曾德尔干涉仪的粗波分复用器基于多次干涉的原理能够实现宽带分光、损耗低、输出光谱平顶，但由于器件中会采用功率分束器，受到功率分束器的耦合比色散的影响，波分复用器会产生较大的串扰。同时，由于硅具有较大的热光系数，采用硅基实现的粗波分复用器在温度发生变化时，都会产生较大的波长偏移，称为温漂。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目是提供一种高性能的硅基粗波分复用器，能够实现低串扰和低温漂。
一种低串扰低温漂的粗波分复用器，由两级滤波器级联而成，其中一级滤波器包括第一滤波器；二级滤波器包括第二滤波器和第三滤波器；每级滤波器都由三组马赫-曾德尔干涉仪结构级联而成；每组马赫-曾德尔干涉仪包括功率分束器和移相器；所述的功率分束器和移相器均基于绝缘体上的单晶硅薄膜平台，包层材料为负热光系数的材料。
所述弯曲输入波导与第一滤波器中的第一功率分束器中的耦合输入上波导相连；第一滤波器中的第四功率分束器中的耦合输出上波导与弯曲连接上波导相连，弯曲连接上波导与第二滤波器中的第五功率分束器中的耦合输入上波导相连；第二滤波器中的第八功率分束器中的耦合输出上波导与第一输出通道的第一输出波导相连；第二滤波器中的第八功率分束器中的耦合输出下波导与第二输出通道的第二输出波导相连；第一滤波器中的第四功率分束器中的耦合输出下波导与弯曲连接下波导相连，弯曲连接下波导与第三滤波器中的第九功率分束器中的耦合输入上波导相连；第三滤波器中的第十功率分束器第十二功率分束器中的耦合输出上波导与第三输出通道的第三输出波导相连；第三滤波器中的第十功率分束器第十二功率分束器中的耦合输出下波导与第四输出通道的第四输出波导相连。
所述波分复用器由七根连接波导、十六个功率分束器、三个槽波导移相器和六个条形波导移相器构成；其中，一级滤波器中采用槽波导移相器，二级滤波器中采用条形波导移相器。
第一滤波器由第一功率分束器、第一槽波导移相器、第二功率分束器、第二槽波导移相器、第三功率分束器、第三槽波导移相器、第四功率分束器首尾相连而成。第二滤波器由第五功率分束器、第一条形波导移相器、第六功率分束器、第二条形波导移相器、第七功率分束器、第三条形波导移相器、第八功率分束器首尾相连而成。第三滤波器由第九功率分束器、第四条形波导移相器、第十功率分束器、第五条形波导移相器、第十一功率分束器、第六条形波导移相器、第十二功率分束器首尾相连而成。第一滤波器与第二滤波器、第三滤波器分别通过弯曲连接上波导、弯曲连接下波导连接而成。
所述的基于紧凑型MZI的功率分束器中，所述的耦合输入上波导用于连接光场的输入；耦合输入上波导、耦合输入下波导分别与渐变输入上波导、渐变输入下波导连接；渐变输入上波导、渐变输入下波导分别与相移上波导、相移下波导连接；相移上波导、相移下波导分别与渐变输出上波导、渐变输出下波导连接；渐变输出上波导、渐变输出下波导分别与耦合输入上波导、耦合输出下波导连接而成。
所述的基于紧凑型MZI的功率分束器，光信号通过耦合输入上波导时会耦合到耦合输入下波导中；接着光信号会分别通过渐变输入上波导和渐变输入下波导；随后进入到相移上波导和相移下波导中进行相位补偿；最后，两束光经过渐变输出上波导和渐变输出下波导后进入耦合输出上波导和耦合输出下波导输出。
所述的基于紧凑型MZI的功率分束器，光信号在相移上波导和相移下波导中传输时不发生耦合，由于两根相移波导的宽度不同，导致光信号分别经过两根波导产生的相位差不同；相移上波导和相移下波导采用宽度不同长度相同的波导实现了紧凑型的MZI；通过采用MZI的相位补偿改善功率分束器的波长依赖性，能够实现宽带的功率分配；通过设置相移波导、和耦合输入输出波导的长度能够实现不同的分光比。
所述的粗波分复用器中共采用了两种移相器，分别为槽波导移相器和条形波导移相器；第一滤波器中采用的三组移相器均为槽波导移相器，第二滤波器和第三滤波器中采用的六组移相器均为条形波导移相器；每个滤波器中采用的第一组移相器是相移波导在上臂的移相器，采用的第二组和第三组移相器是相移波导在下臂的移相器。
所述的槽波导移相器，第一渐变输入左波导、第一渐变输入中波导、第一渐变输入右波导构成了条形波导-槽波导上转换器；第二渐变输入左波导、第二渐变输入中波导、第二渐变输入右波导构成了条形波导-槽波导下转换器；第一渐变输出左波导、第一渐变输出中波导、第一渐变输出右波导构成了槽波导-条形波导下转换器；第二渐变输出左波导、第二渐变输出中波导、第二渐变输出中波导组成了槽波导-条形波导上转换器；左相移槽波导和右相移槽波导组成了相移槽波导；第一弯曲波导通过条形波导-槽波导上转换器与相移槽波导连接；再通过槽波导-条形波导上转换器与第四弯曲波导连接；第四弯曲波导经过第三补偿波导和第六弯曲波导连接构成移相器上臂；第二弯曲波导直接连接条形波导-槽波导下转换器和槽波导-条形波导下转换器；再通过第一补偿波导与第三弯曲波导连接；第三弯曲波导经过第二补偿波导和第五弯曲波导连接构成移相器下臂。
所述的条形波导移相器，第七弯曲波导与第一相移条形波导相连；第一相移条形波导与第九弯曲波导相连；第九弯曲波导与第二相移条形波导相连；第二相移条形波导与第十一弯曲波导相连，构成了移相器上臂；第十弯曲波导相连；第十弯曲波导与第十二弯曲波导相连，构成了移相器下臂。
本发明的有益效果：
（1）本发明基于绝缘体上的单晶硅薄膜平台，并采用负热光系数材料作为包层，通过负热光系数的包层材料和槽波导的结合能够有效抑制硅材料受温度的影响，在温度变化60℃时，中心波长基本保持不变，改变率是4.7 pm/℃；
（2）本发明采用了基于紧凑型MZI的功率分束器，通过MZI的相位补偿改善定向耦合器耦合比的波长依赖性，实现宽带功率分配；
（3）本发明采用多个级联的马赫曾德尔干涉仪结构，多次干涉，获得平顶的输出光谱；
附图说明
图1是低串扰低温漂的粗波分复用器的一种结构示意图。
图2是第一滤波器101的一种结构示意图。
图3是第二滤波器102的一种结构示意图。
图4是第三滤波器103的一种结构示意图。
图5是功率分束器的一种结构示意图。
图6是第一功率分束器201与传统功率分束器的耦合比随波长变化的对比图。
图7是第二功率分束器202与传统功率分束器的耦合比随波长变化的对比图。
图8是第三功率分束器203与传统功率分束器的耦合比随波长变化的对比图。
图9是槽波导移相器的一种结构示意图。
图10是条形波导移相器的一种结构示意图。
图11是常温（20℃）下低串扰低温漂的1×4硅基粗波分复用器的光谱透过率图。
图12是低串扰低温漂的1×4硅基粗波分复用器在低温（-10℃）时和高温（50℃）时光谱透过率对比图。
图标分别是：弯曲输入波导1、第一滤波器101、弯曲连接上波导2、弯曲连接下波导3、第二滤波器102、第三滤波器103、第一输出波导4、第二输出波导5、第三输出波导6、第四输出波导7、耦合输入上波导8、耦合输入下波导9、渐变输入上波导10、渐变输入下波导11、相移上波导12、相移下波导13、渐变输出上波导14、渐变输出下波导15、耦合输出上波导16、耦合输出下波导17、第一弯曲波导18、第二弯曲波导19、第一渐变输入左波导20、第二渐变输入左波导21、第一渐变输入中波导22、第二渐变输入中波导23、第一渐变输入右波导24、第二渐变输入右波导25、左相移槽波导26、第一渐变输出左波导27、右相移槽波导28、第一渐变输出中波导29、第二渐变输出左波导30、第一渐变输出右波导31、第二渐变输出中波导32、第一补偿波导33、第二渐变输出右波导34、第三弯曲波导35、第四弯曲波导36、第二补偿波导37、第三补偿波导38、第五弯曲波导39、第六弯曲波导40、第七弯曲波导41、第八弯曲波导42、第一相移条形波导43、第九弯曲波导44、第二相移条形波导45、第十弯曲波导46、第十一弯曲波导47、第十二弯曲波导48；
第一功率分束器201、第二功率分束器202、第三功率分束器203、第四功率分束器204、第五功率分束器205、第六功率分束器206、第七功率分束器207、第八功率分束器208、第九功率分束器209、第十功率分束器210、第十一功率分束器211、第十二功率分束器212。
第一槽波导移相器301、第二槽波导移相器302、第三槽波导移相器303；
第一条形波导移相器401、第二条形波导移相器402、第三条形波导移相器403、第四条形波导移相器404、第五条形波导移相器405、第六条形波导移相器406。
具体实施方式
下面结合附图和低串扰低温漂的粗波分复用器的实施实例对本发明做进一步的说明。
本发明公开了一种低串扰低温漂的单端口输入、四端口输出的硅基粗波分复用器。粗波分复用器由两级滤波器级联而成。每个滤波器由三组不等臂的马赫-曾德尔干涉仪级联而成。每组马赫-曾德尔干涉仪由功率分束器和移相器通过弯曲波导级联而成。其中功率分束器包括四根耦合波导、两根渐变输入波导、两根渐变输出波导和两根宽度不同的相移波导。通过设置耦合波导和相移波导的长度组合可以实现任意比例分光。所提出的功率分配器可以实现宽带分光，因而降低了波分复用器的串扰。在二级滤波器中，每组马赫-曾德尔干涉仪中采用条形波导移相器，由两根相移条形波导和六根弯曲波导组成。而在一级滤波器中，每组马赫-曾德尔干涉仪中采用槽波导移相器，移相器由六根弯曲波导、一根相移槽波导、三根补偿波导、六个渐变输入波导和六个渐变输出波导组成。通过槽波导和负热光系数材料的使用，可以减小温度对中心波长的影响。本发明可以通过设置每个马赫-曾德干涉仪中移相波导的长度，实现四个端口都输出指定中心波长的低串扰低温漂的粗波分复用器。
低串扰低温漂的1×4硅基粗波分复用器基于绝缘体上单晶硅薄膜（Silicon-on-Insulator，SOI），其芯层为220 nm厚的硅材料，折射率为3.46；下包层采用厚度2 um的二氧化硅材料，折射率为1.45；上包层采用厚度1 um的SU8有机物层，折射率为1.58，也可以采用其它具有负热光系数的材料；在此实施例中波导传输TE偏振的基模。
图1是低串扰低温漂的1×4硅基粗波分复用器的结构示意图（俯视），由两级滤波器级联而成，第一级滤波器包括第一滤波器101，第二级滤波器包括第二滤波器102和第三滤波器103。每组滤波器由四个功率分束器和三个移相器穿插首尾相连而成。第一滤波器101中采用的是槽波导移相器，第二滤波器102和第三滤波器103中采用的是条形波导移相器。
低串扰低温漂的1×4硅基粗波分复用器从输入到输出包括弯曲输入波导1、第一滤波器101、弯曲连接上波导2、弯曲连接下波导3、第二滤波器102、第三滤波器103、第一输出波导4、第二输出波导5、第三输出波导6和第四输出波导7。其中，弯曲输入波导1与第一滤波器101相连；第一滤波器101的两个输出端口分别与弯曲连接上波导2和弯曲连接下波导3之一相连；弯曲连接上波导2与第二滤波器102相连；第二滤波器102的两个输出端口分别与第一输出波导4和第二输出波导5之一相连；弯曲连接下波导3与第三滤波器103相连；第三滤波器103的两个输出端口分别与第三输出波导6和第四输出波导7之一相连。
弯曲输入波导1、弯曲连接上波导2、弯曲连接下波导3、第一输出波导4、第二输出波导5、第三输出波导6和第四输出波导7的波导宽度均为500 nm；弯曲输入波导1的横向跨度为Lx1=6 μm， 纵向跨度为Ly1= 1 μm；弯曲连接上波导2和弯曲连接下波导3的横向跨度为Lx2= 25 μm，纵向跨度为Ly2= 45 μm；第一输出波导4、第二输出波导5、第三输出波导6和第四输出波导7的横向跨度为Lx3= 25 μm，纵向跨度为Ly3= 95 μm。
图2是第一滤波器101的结构示意图（俯视），第一滤波器101由第一功率分束器201、第一槽波导移相器301、第二功率分束器202、第二槽波导移相器302、第三功率分束器203、第三槽波导移相器303和第四功率分束器204首尾依次相连而成。
图3是第二滤波器102的结构示意图（俯视），第二滤波器102由第五功率分束器205、第一条形波导移相器401、第六功率分束器206、第二条形波导移相器402、第七功率分束器207、第三条形波导移相器403和第八功率分束器208首尾依次相连而成。
图4是第三滤波器103的结构示意图（俯视），第三滤波器103由第九功率分束器209、第四条形波导移相器404、第十功率分束器210、第五条形波导移相器405、第十一功率分束器211、第六条形波导移相器406和第十二功率分束器212首尾依次相连而成。
图5是基于紧凑型MZI的功率分束器的结构示意图（俯视），功率分束器包括相应的两根耦合输入波导、两根渐变输入波导、两根相移波导、两根渐变输出波导和两根耦合输出波导。其中，耦合输入上波导8、渐变输入上波导10、相移上波导12、渐变输入上波导14、耦合输出上波导16依次相连；耦合输入下波导9、渐变输入下波导11、相移下波导13、渐变输出下波导15、耦合输出下波导17依次相连。
耦合波导（耦合输入上波导8、耦合输入下波导9、耦合输出上波导16、耦合输出下波导17）的波导宽度为w1= 500 nm；耦合输入上波导8、耦合输入下波导9之间的间距以及耦合输出上波导16、耦合输出下波导17之间的间距均为Gap1= 130 nm；渐变输入上波导10的左端宽度为w1= 500 nm，右端宽度为w2= 600 nm，渐变输出上波导14与其对称，两端波导宽度刚好相反；渐变输入下波导11的左端宽度为w1= 500 nm，右端宽度为w3= 400 nm，渐变输出下波导15与其对称，两端波导宽度刚好相反；渐变输入上波导10、渐变输入下波导11、渐变输入上波导14、渐变输出下波导15的长度Ltp= 2 μm；相移上波导12、相移下波导13的宽度分别为w2= 600 nm和w3= 400 nm。
第一功率分束器201、第五功率分束器205和第九功率分束器209完全相同，耦合波导的长度均为L1= 15.1 μm，相移上波导12、相移下波导13的长度均为L2= 5.05 μm；第二功率分束器202、第三功率分束器203、第六功率分束器206、第七功率分束器207、第十功率分束器210和第十一功率分束器211完全相同，耦合波导的长度均为L3= 8.92 μm，相移上波导12、相移下波导13的长度均为L4= 5.43 μm；第四功率分束器204、第八功率分束器208和第十二功率分束器212完全相同，耦合波导的长度均为L5= 5.1 μm，相移上波导12、相移下波导13的长度均为L6= 0.27 μm。
图6是第一功率分束器201与传统功率分束器的耦合比随波长变化的对比图。本实例采用的第一功率分束器201的耦合比在1240 nm至1360 nm波长范围内为0.45至0.55，与传统的功率分束器相比，能够实现宽带分光。
图7是第二功率分束器202与传统功率分束器的耦合比随波长变化的对比图。本实例采用的第二功率分束器202的耦合比在1240 nm至1360 nm波长范围内为0.17至0.22，与传统的功率分束器相比，能够实现宽带分光。
图8是第三功率分束器203与传统功率分束器的耦合比随波长变化的对比图。本实例采用的第一功率分束器201的耦合比在1240 nm至1360 nm波长范围内为0.03至0.05，与传统的功率分束器相比，能够实现宽带分光。
图9是相移槽波导在上臂的槽波导移相器的结构示意图（俯视），槽波导移相器包括六根弯曲波导（18、19、35、36、39、40）、两根渐变输入左波导（20、21）、两根渐变输入中波导（22、23）、两根渐变输入右波导（24、25）、两根渐变输出左波导（27、30）、两根渐变输出中波导（29、32）、两根渐变输出右波导（31、34）、一根相移槽波导（26、28）、三根补偿波导（33、37、38）。其中，第一渐变输入左波导20、第一渐变输入中波导22、第一渐变输入右波导24构成了条形波导-槽波导上转换器；第二渐变输入左波导19、第二渐变输入中波导21、第二渐变输入右波导23构成了条形波导-槽波导下转换器；第一渐变输出左波导27、第一渐变输出中波导29、第一渐变输出右波导31构成了槽波导-条形波导下转换器；第二渐变输出左波导30、第二渐变输出中波导32、第二渐变输出中波导34组成了槽波导-条形波导上转换器。第一槽波导移相器301是相移槽波导在上臂的移相器，第二槽波导移相器302、第三相移槽波导303是相移槽波导在下臂的移相器。
第一弯曲波导18、第二弯曲波导19、第五弯曲波导39、第六弯曲波导40的弯曲半径R = 5 μm，波导宽度为w1= 500 nm，弯曲角度θ1= 90°；第三弯曲波导35、第四弯曲波导36的弯曲半径R = 5 μm，波导宽度为w1= 500 nm，弯曲角度θ2= 180°；第一渐变输入左波导20、第二渐变输入左波导21、第一渐变输入右波导24、第二渐变输入右波导25、第一渐变输出左波导27、第二渐变输出左波导30、第一渐变输出右波导31、第二渐变输出右波导34的两端宽度分别为w4= 80 nm，w5= 230 nm，纵向跨度为Ly4= 15.5 μm；第一渐变输入中波导22、第二渐变输入中波导23、第一渐变输出中波导29、第二渐变输出中波导32是等腰梯形结构，两端宽度分别为w1= 500 nm和w4= 80 nm，整个器件的纵向长度，即梯形的高为Ly5= 12 μm；槽波导-条形波导转换器和条形波导-槽波导转换器中在连接槽波导一端的间距，即第一渐变输入左波导20和第一渐变输入右波导24、第二渐变输入左波导21和第二渐变输入右波导25、第一渐变输出左波导27和第一渐变输出右波导31、第二渐变输出左波导30和第二渐变输出右波导34在连接槽波导一端的间距为Gap2= 120 nm；槽波导-条形波导转换器和条形波导-槽波导转换器中在连接条形波导的一端的间距，即第一渐变输入左波导20和第一渐变输入中波导22、第一渐变输入中波导22和第一渐变输入右波导24、第二渐变输入左波导21和第二渐变输入中波导23、第二渐变输入中波导23和第二渐变输入右波导25、第一渐变输出左波导27和第一渐变输出中波导29、第一渐变输出中波导29和第一渐变输出右波导31、第二渐变输出左波导30和第二渐变输出中波导32、第二渐变输出中波导32和第二渐变输出右波导34在条形波导一端的间距为Gap3= 80 nm；槽波导中间槽的宽度Gap2= 120 nm，左相移槽波导26、右相移槽波导28的宽度均为w5= 230 nm；第一补偿波导33、第二补偿波导37、第三补偿波导38的波导宽度为w1= 500 nm，补偿波导38的长度等于补偿波导33和37的长度和，即L38= L33+ L37，这是为了使上下臂条形波导总长度相同，不产生额外的相位差，因此，相位将都由槽波导产生。
第一槽波导移相器301的相移槽波导长度∆L301= 12.51 μm，第一补偿波导33、第二补偿波导37、第三补偿波导38的长度分别为L33_301= 6.255 μm，L37_301= 37.255 μm，L38_301= 43.51 μm；第二槽波导移相器302的相移槽波导长度∆L302= -22.50 μm，第一补偿波导33、第二补偿波导37、第三补偿波导38的长度分别为L33_302= 11.25 μm，L37_302= 42.25 μm，L38_302= 53.50 μm；第三槽波导移相器303的相移槽波导长度∆L303= -22.21 μm，第一补偿波导33、第二补偿波导37、第三补偿波导38的长度分别为L33_303= 11.105 μm，L37_303=42.105 μm，L38_303= 53.21 μm；相移槽波导长度大于0表示在上臂，小于0表示在下臂。
图10是相移条形波导在上臂的条形波导移相器的结构示意图（俯视），条形波导移相器包括六根弯曲波导（41、42、44、46、47、48）和两根相移条形波导（43、45）。第一条形波导移相器401是相移条形波导在上臂的移相器，第二条形波导移相器402、第三条形波导移相器是相移条形波导在下臂的移相器。
第七弯曲波导41、第八弯曲波导42、第十一弯曲波导47、第十二弯曲波导48的弯曲半径R = 5 μm，波导宽度为w1= 500 nm，弯曲角度θ1= 90°；第九弯曲波导44、第十弯曲波导46的弯曲半径R = 5 μm，波导宽度为w1= 500 nm，弯曲角度θ2= 180°；第一条形波导移相器401的相移条形波导长度∆L401= 6.20 μm，即第一相移条形波导43、第二相移条形波导45的长度为L43_401= L45_401= 3.10 μm；第二条形波导移相器402的相移条形波导长度∆L402=10.01 μm，即第一相移条形波导43、第二相移条形波导45的长度为L43_402= L45_402= 5.005 μm；第三条形波导移相器403的相移条形波导长度∆L403= 9.78 μm，即第一相移条形波导43、第二相移条形波导45的长度为L43_403= L45_403= 4.89 μm；第四条形波导移相器404的相移条形波导长度∆L404= 6.07 μm，即第一相移条形波导43、第二相移条形波导45的长度为L43_404= L45_404= 3.035 μm；第五条形波导移相器405的相移条形波导长度∆L405= 9.77 μm，即第一相移条形波导43、第二相移条形波导45的长度为L43_405= L45_405= 4.885 μm；第六条形波导移相器406的相移条形波导长度∆L406= 9.55 μm，即第一相移条形波导43、第二相移条形波导45的长度为L43_406= L45_406= 4.775 μm。
在本发明中，光信号由弯曲输入波导1输入，进入第一滤波器101中，先通过第一功率分束器201后，部分能量耦合至耦合输出下波导17；耦合输出上波导16中的光信号经过第一槽波导移相器301中的第一弯曲波导18和条形波导-槽波导上转换器后进入相移槽波导，随后通过槽波导-条形波导上转换器后经过第四弯曲波导36和第三补偿波导38进入第六弯曲波导40；耦合输出下波导17中的光信号直接通过条形波导-槽波导下转换器和槽波导-条形波导下转换器，经过第一补偿波导33、第三弯曲波导35和第二补偿波导37进入第五弯曲波导39；此时，第五弯曲波导39、第六弯曲波导40中的两路光信号具有固定的相位差，在第二功率分束器202中发生干涉，在经过第二槽波导移相器302中再次产生固定的相位差，在第三功率分束器203中发生第二次干涉，在经过第三槽波导移相器303中第三次产生固定的相位差，在第四功率分束器204中发生第三次干涉，一些特定波长的光信号相干相长，另一些特定波长的光相干相消，输出光信号中1291 nm和1331 nm波长的光通过弯曲连接上波导2与第二滤波器102连接，输出光信号中1271 nm和1311 nm波长的光通过弯曲连接下波导3与第三滤波器103连接；1291 nm与1331 nm的光进入第二滤波器102中发生与第一滤波器101中类似的过程，1291 nm波长的光通过第一通道的第一输出波导4输出；1331 nm波长的光通过第二通道的第二输出波导5输出；类似地，1271 nm与1311 nm波长的光通过弯曲连接下波导3进入第三滤波器103中发生与第一滤波器101中类似的过程，1271 nm波长的光通过第三通道的第三输出波导6输出； 1311 nm波长的光通过第四通道的第四输出波导7输出。
图11是常温（20℃）下低串扰低温漂的1×4硅基粗波分复用器的光谱透过率的仿真结果图，本实例通过采用基于紧凑型MZI的功率分束器能够实现较低的串扰，低于-20dB。
图12是低串扰低温漂的1×4硅基粗波分复用器在低温（-10℃）时和高温（50℃）时光谱透过率的仿真对比图，本实例通过对槽波导移相器和SU8包层的使用，也可以采用其它具有负热光系数的包层材料，能够实现在温度变化60℃时，中心波长基本不发生变化，中心波长随温度的改变率低至4.7 pm/℃。
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 (10)
1.一种低串扰低温漂的粗波分复用器，其特征在于：所述波分复用器由两级滤波器级联而成，其中一级滤波器包括第一滤波器（101）；二级滤波器包括第二滤波器（102）和第三滤波器（103）；每级滤波器都由三组马赫-曾德尔干涉仪结构级联而成；每组马赫-曾德尔干涉仪包括功率分束器和移相器；所述的功率分束器和移相器均基于绝缘体上的单晶硅薄膜平台，包层材料为负热光系数的材料。
2.根据权利要求1所述的低串扰低温漂的粗波分复用器，其特征在于：弯曲输入波导（1）与第一滤波器（101）中的第一功率分束器（201）中的耦合输入上波导（8）相连；第一滤波器（101）中的第四功率分束器（204）中的耦合输出上波导（16）与弯曲连接上波导（2）相连，弯曲连接上波导（2）与第二滤波器（102）中的第五功率分束器（205）中的耦合输入上波导（8）相连；第二滤波器（102）中的第八功率分束器（208）中的耦合输出上波导（16）与第一输出通道的第一输出波导（4）相连；第二滤波器（102）中的第八功率分束器（208）中的耦合输出下波导（17）与第二输出通道的第二输出波导（5）相连；第一滤波器（101）中的第四功率分束器（204）中的耦合输出下波导（17）与弯曲连接下波导（3）相连，弯曲连接下波导（3）与第三滤波器（103）中的第九功率分束器（209）中的耦合输入上波导（8）相连；第三滤波器（103）中的第十功率分束器（210）第十二功率分束器（212）中的耦合输出上波导（16）与第三输出通道的第三输出波导（6）相连；第三滤波器（103）中的第十功率分束器（210）第十二功率分束器（212）中的耦合输出下波导（17）与第四输出通道的第四输出波导（7）相连。
3.根据权利要求1所述的低串扰低温漂的粗波分复用器，其特征在于：所述波分复用器由七根连接波导、十六个功率分束器、三个槽波导移相器和六个条形波导移相器构成；其中，一级滤波器中采用槽波导移相器，二级滤波器中采用条形波导移相器。
4.根据权利要求1所述的低串扰低温漂的粗波分复用器，其特征在于：第一滤波器（101）由第一功率分束器（201）、第一槽波导移相器（301）、第二功率分束器（202）、第二槽波导移相器（302）、第三功率分束器（203）、第三槽波导移相器（303）、第四功率分束器（204）首尾相连而成；第二滤波器（102）由第五功率分束器（205）、第一条形波导移相器（401）、第六功率分束器（206）、第二条形波导移相器（402）、第七功率分束器（207）、第三条形波导移相器（403）、第八功率分束器（208）首尾相连而成；第三滤波器（103）由第九功率分束器（209）、第四条形波导移相器（404）、第十功率分束器（210）、第五条形波导移相器（405）、第十一功率分束器（211）、第六条形波导移相器（406）、第十二功率分束器（212）首尾相连而成；第一滤波器（101）与第二滤波器（102）、第三滤波器（103）分别通过弯曲连接上波导（2）、弯曲连接下波导（3）连接而成。
5.根据权利要求4所述的低串扰低温漂的粗波分复用器，其特征在于：所述的基于紧凑型MZI的功率分束器中，所述的耦合输入上波导（8）用于连接光场的输入；耦合输入上波导（8）、耦合输入下波导（9）分别与渐变输入上波导（10）、渐变输入下波导（11）连接；渐变输入上波导（10）、渐变输入下波导（11）分别与相移上波导（12）、相移下波导（13）连接；相移上波导（12）、相移下波导（13）分别与渐变输出上波导（14）、渐变输出下波导（15）连接；渐变输出上波导（14）、渐变输出下波导（15）分别与耦合输入上波导（16）、耦合输出下波导（17）连接而成。
6.根据权利要求4所述的低串扰低温漂的粗波分复用器，其特征在于：所述的基于紧凑型MZI的功率分束器，光信号通过耦合输入上波导（8）时会耦合到耦合输入下波导（9）中；接着光信号会分别通过渐变输入上波导（10）和渐变输入下波导（11）；随后进入到相移上波导（12）和相移下波导（13）中进行相位补偿；最后，两束光经过渐变输出上波导（14）和渐变输出下波导（15）后进入耦合输出上波导（16）和耦合输出下波导（17）输出。
7.根据权利要求4所述的低串扰低温漂的粗波分复用器，其特征在于：所述的基于紧凑型MZI的功率分束器，光信号在相移上波导（12）和相移下波导（13）中传输时不发生耦合，由于两根相移波导的宽度不同，导致光信号分别经过两根波导产生的相位差不同；相移上波导（12）和相移下波导（13）采用宽度不同长度相同的波导实现了紧凑型的MZI；通过采用MZI的相位补偿改善功率分束器的波长依赖性，能够实现宽带的功率分配；通过设置相移波导和耦合输入输出波导的长度能够实现不同的分光比。
8.根据权利要求1所述的低串扰低温漂的粗波分复用器，其特征在于：所述的粗波分复用器中共采用了两种移相器，分别为槽波导移相器和条形波导移相器；第一滤波器（101）中采用的三组移相器均为槽波导移相器，第二滤波器（102）和第三滤波器（103）中采用的六组移相器均为条形波导移相器；每个滤波器中采用的第一组移相器是相移波导在上臂的移相器，采用的第二组和第三组移相器是相移波导在下臂的移相器。
9.根据权利要求1所述的低串扰低温漂的粗波分复用器，其特征在于：所述的槽波导移相器，第一渐变输入左波导（20）、第一渐变输入中波导（22）、第一渐变输入右波导（24）构成了条形波导-槽波导上转换器；第二渐变输入左波导（19）、第二渐变输入中波导（21）、第二渐变输入右波导（23）构成了条形波导-槽波导下转换器；第一渐变输出左波导（27）、第一渐变输出中波导（29）、第一渐变输出右波导（31）构成了槽波导-条形波导下转换器；第二渐变输出左波导（30）、第二渐变输出中波导（32）、第二渐变输出中波导（34）组成了槽波导-条形波导上转换器；左相移槽波导（26）和右相移槽波导（28）组成了相移槽波导；第一弯曲波导（18）通过条形波导-槽波导上转换器与相移槽波导连接；再通过槽波导-条形波导上转换器与第四弯曲波导（36）连接；第四弯曲波导（36）经过第三补偿波导（38）和第六弯曲波导（40）连接构成移相器上臂；第二弯曲波导（19）直接连接条形波导-槽波导下转换器和槽波导-条形波导下转换器；再通过第一补偿波导（33）与第三弯曲波导（35）连接；第三弯曲波导（35）经过第二补偿波导（37）和第五弯曲波导（39）连接构成移相器下臂。
10.根据权利要求1所述的低串扰低温漂的粗波分复用器，其特征在于：所述的条形波导移相器，第七弯曲波导（41）与第一相移条形波导（43）相连；第一相移条形波导（43）与第九弯曲波导（44）相连；第九弯曲波导（44）与第二相移条形波导（45）相连；第二相移条形波导（45）与第十一弯曲波导（47）相连，构成了移相器上臂；第十弯曲波导（46）相连；第十弯曲波导（46）与第十二弯曲波导（48）相连，构成了移相器下臂。
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