CN1453952A - 平坦型波分复用器件 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信波分复用技术领域，特别是涉及一种具有宽带通、低损耗、低带通纹波的平顶型波分复用器件。它包括输入波导、自由传输区、阵列波导和输出波导，阵列波导位于两个自由传输区之间，输出波导经自由传输区与阵列波导相连接，其特征在于所述输入波导的尾端连接有锥形多模波导，多模波导的另一端与阵列波导相接。本发明与现有技术相比增设了锥形多模波导结构，因而有更多的优化选择，能得到具有大带通、低插损、低串扰、低带通纹波等性能的频谱响应。

Description

平坦型波分复用器件

                     技术领域

本发明属于光通信波分复用技术领域，特别是涉及一种具有宽带通、低损耗、低带通纹波的波分复用器件。

                     背景技术

波分复用/解复用技术是现代光通信技术的关键技术。波分复用/解复用是指将不同波长的光混合成复合光或将复合光中所包含的各波长的光分离出来。波分复用/解复用器件就是实现波分复用/解复用技术的器件。阵列波导光栅是一种传统集成型波分复用/解复用器件，传统的阵列波导光栅主要由输入波导1、自由传输区2、阵列波导3、自由传输区4和输出波导5组成，复合光从输入波导1入射，进入自由传输区2并发散传输，然后耦合到波导阵列3中的各条波导。相邻阵列波导存在一定长度差，从而对各波长的光产生不同的位相差，实现光栅的色散功能。经过第二个自由传输区后，不同波长的光会聚于阵列波导光栅像面上的不同点，然后再耦合到对应位置的输出波导，即可将不同波长的光从不同输出波导输出，实现了不同波长的光的分离，这就是波分解复用的功能。反过来，就可以实现波分复用功能。

按频谱响应的形状可将其分为两类：高斯型和平顶型。传统的波分复用器的频谱响应函数形状是高斯型。对于高斯型器件，其带通顶部比较尖锐，3dB带宽较小，典型值为通道间隔的30％-40％。当实际中心波长略偏离设计中心波长时，其透过率就可能迅速下降，因而对光通信系统中的激光光源波长的精度有非常高的要求。而要精确控制光源波长就必须有精确的温度控制系统，这样就大大增加了系统的成本，也就限制了波分复用器件的应用。

平顶型器件与高斯型器件相比，由于其3dB带宽可达60％以上，因而具有以下显著优点：允许高速调制、允许光源波长有一些偏离、对因温度引起的中心波长偏离不敏感、允许因偏振引起的少许波长偏离、允许系统串联多个DWDM或滤波器等器件而不引起系统性能的显著下降。

平顶型波分复用器件开发研究已在光通信技术领域的引起重点关注，现在已有多种方法可以实现频谱平坦化。

美国专利No.5,926,587公开的方法是利用两个极联光栅实现频谱平坦化。

美国专利No.5,706,377记载了利用Y分支实现频谱平坦化的方法，但Y分支中的尖角将增大器件的插损。

M.R.Amersfoort等发表的一篇题为“利用多模干涉器实现阵列波导滤波的带通平坦化”的文章中，介绍了采用多模波导干涉器(MMI)实现频谱平坦化的研究结果，由于MMI具有制作工艺简单、工艺容差大等优点，用MMI实现频谱平坦化是一种比较好的方法，可以通过调节MMI的宽度来实现不同的3dB的带宽。但通过增大MMI宽度来增大3dB带宽的同时，也进一步增大了器件的插损、带通内的纹波、串扰等，器件性能明显恶化，因此用MMI难以实现特别大的3dB带宽要求。

                     发明内容

本发明的目的克服上述实现频谱平坦化方法所存在是缺陷，提供一种具有宽带通、低损耗、低带通纹波的波分复用器件。

为了达到上述目的，本发明是采用这样的技术方案实现的：它包括输入波导、两个自由传输区、阵列波导和输出波导，阵列波导位于两个自由传输区之间，输出波导经自由传输区与阵列波导相连接，其特征在于所述输入波导的尾端连接有锥形多模波导，多模波导的另一端与第一个自由传输区相接。

本发明所述锥形多模波导的入口宽度为Wo，尾端宽度为W₁，其长度为L_taper三者的关系式为：Wo＝W₁-2L_tapertgα；其中α为锥形多模波导的锥度。

本发明与现有技术相比由于增设了锥形多模波导，因而有更多的优化选择，能得到具有大带通、低插损、低串扰、低带通纹波等性能的频谱响应。

本发明将结合附图和实施例作进一步说明。

                     附图说明

图1为现有技术中的波分复用器件结构示意图

图2为本发明所述平坦型波分复用器件的结构示意图

图3为本发明的锥形多模波导结构示意图

图4为本发明锥形多模波导中光场传输的BPM数值模拟结果图

图5为本发明的平坦化频谱与MMI实现的平坦化频谱对比图之一

图6为本发明的平坦化频谱与MMI实现的平坦化频谱对比图之二

                    具体实施方式

参照附图：本发明包括输入波导6、自由传输区8、阵列波导9、自由传输区10和输出波导11，阵列波导9位于两个自由传输区8、10之间，阵列波导9经自由传输区10与输出波导11相连接，其特征在于所述输入波导6的尾端连接有锥形多模波导7，多模波导7的另一端与自由传输区8相接。

所述锥形多模波导7的入口宽度为Wo，尾端宽度为W₁，其长度为L_taper。三者的关系式为：

                 Wo＝W₁-2L_tapertgα    (1)其中α为锥形多模波导7的锥度。

锥形多模波导7由于要产生多模干涉效应，因而其入口宽度Wo必须足够大，以保证有高阶模产生。由于锥形多模波导7的输入场是对称场(即单模输入波导6的基模)，故须激发2阶模，根据模式分析理论，应满足 $\sqrt{n_r^2-n_c^2}{k}_0{W}_0$ 即 $W_0>\frac{\mathrm{\λ}}{\sqrt{n_r^2-n_c^2}}---\left(2\right)$

锥形多模波导7的出口宽度W₁影响所成像双峰分开的距离，而此距离决定了频谱展宽程度，依据频谱展宽所要达到的程度，可以确定W₁。

当光从单模输入波导6进入锥形多模波导7后，激发高阶模式，在锥形多模波导7区域，各阶模之间发生干涉，形成所谓“自映像效应”，在锥形多模波导7尾端形成分开一定距离的两个像11、12。可以把AWG当作一个理想的成像系统，则在AWG的像面上也会形成具有双峰特征的场分布，这个场分布与输出波导的本征模叠加就能得到一个平坦的频谱响应。

锥形多模波导长度L_taper的一种确定方案：

锥形多模波导宽度W(z)用下式表示： $W\left(z\right)=W_1+(W_0-W_1)(1-\frac{z}{L_{\mathrm{taper}}}),----\left(3\right)$ 其中z是传输方向，W₀、W₁分别为锥形多模波导首尾宽度，L_taper是锥形多模波导的长度。

用局部正交模理论分析锥形波导的自映像效应。锥形多模波导中的第v阶模的传输常数β_v ${\mathrm{\β}}_v\≈k_0{n}_r-\frac{{(v+1)}^2{\mathrm{\π\λ}}_0}{{4n}_r{W}_e^2\left(z\right)},---\left(4\right)$ 其中n_r，n_c为波导芯层、包层等效折射率，k₀为真空中的波矢，λ₀为波长，W_cv(z)为z截面上的等效宽度，表示为

                 W_ev(z)＝W(z)+C，式中

经过锥形多模波导区域后第v阶模和第0阶模之间的相位差表示为如下积分： ${\mathrm{\Δ\φ}}_v={\∫}_0^{L_{\mathrm{taper}}}({\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\β}}_v)\·\mathrm{dz}---\left(5\right)$ 将(3)、(4)代入(5)，得 ${\mathrm{\Δ\φ}}_v=\frac{v(v+2)\mathrm{\π}}{{3L}_{\mathrm{\πeff}}}{L}_{\mathrm{taper}},$ 式中 $L_{\mathrm{\πeff}}=\frac{\mathrm{\π}}{{({\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\β}}_1)}_{\mathrm{eff}}}=\frac{{4n}_r(W_1+C)(W_0+C)}{3\mathrm{\λ}}$ 根据自成像理论当锥形多模波导长度为 $L_{\mathrm{taper}}=\frac{3}{8}{L}_{\mathrm{\πeff}}=\frac{n_r}{2\mathrm{\λ}}(W_1+C)(W_0+C),---\left(6\right)$ 在锥形波导尾端成两个像。根据几何关系

W₀＝W₁-2L_tapertgα，                   (7)其中α为锥形多模波导的锥度，可以求得 $L_{\mathrm{taper}}=\frac{n_r}{2\mathrm{\λ}}\frac{{(W_1+C)}^2}{1+n_r\mathrm{tg\α}(W_1+C)}---\left(8\right)$ $W_0=\frac{W_1-n_2\mathrm{tg\α}(W_1+C)C}{1+n_2\mathrm{tg\α}(W_1+C)}$ L_taper即为锥形波导的设计长度。

在实际设计中，可以对锥形多模波导长度进行一定的调整，从而可能获得更优越的结果。在图6表示的对应的例子中，锥形多模波导的尾端并非自映像位置。

AWG频谱可由下式求得： $T\left(\mathrm{\Δy}\right)={[{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{U}_{\mathrm{image}}(y-\mathrm{\Δy})\·U_0\left(y\right)\mathrm{dy}]}^2---\left(9\right)$ 其中U₀(y)为输出波导的本征模，U_image(y)为AWG像面上场分布。若把AWG看成理想成像，则U_image(y)就等于锥形多模波导出口处的场分布U_taper(可以利用BPM数值计算得到)。

例如：以阵列波导光栅的平坦化设计为例，其参数为：

1.阵列波导光栅的参数

阵列波导间距d_g＝8μm；衍射级m＝60；阵列波导数N_WG＝120；

波导宽度为W＝6μm；波导等效折射率n_c＝1.4652

通道间隔△f_ch＝100GHz；

2.锥形多模波导与MMI的参数

图5是本专利实现的平坦化频谱(实线)和用MMI实现的平坦化频谱(虚线)的比较。锥形多模波导长度L_taper和MMI的长度L_MMI的取值均满足自映像条件，参数为：

锥形波导：锥角α＝0.8°，W₀＝13.3μm，W₁＝18μm，

          长度L_taper＝168.0μm。

MMI：宽度＝18μm，L_MMI＝215.4μm。

输出波导间距d₀为20μm，

自由传输区长度R为4884.0μm。图6是锥形多模波导和MMI都经过优化所得的频谱。参数为：

锥形波导的参数：锥角α＝2.0°，W₀＝12.6μm，W₁＝28.8μm，

                长度L_taper＝231.7μm

MMI的参数：宽度＝24μm，长度L_MMI＝253.6μm。

输出波导间距d₀为25μm，

自由传输区长度R为6105.0μm。

从图5、图6可知，和MMI相比，用本专利得到的性能均有明显提高，如相邻通道的串扰均降低了约8dB，3dB带宽分别约为通道间隔的84％和98％，中心波长的插入损耗也分别降低了约1.5db和0.9dB，而带通纹波几乎为0dB。

通过实验比较也说明本申请具有更优越的性能和良好的适用性。

Claims (2)

1.一种平坦型波分复用器件，包括输入波导(6)、自由传输区(8)、阵列波导(9)、自由传输区(10)和输出波导(11)，所述阵列波导(9)位于两个自由传输区(8、10)之间，该阵列波导(9)经自由传输区(10)与输出波导(11)相连接，其特征在于所述输入波导(6)的尾端连接有锥形多模波导(7)，多模波导(7)的另一端与自由传输区(8)相接。

2.如权利要求1所述的平坦型波分复用器件，其特征在于所述锥形多模波导7的入口宽度为Wo，尾端宽度为W₁，其长度为L_taper；三者的关系式为：Wo＝W₁-2L_tapertgα。

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