CN1764096A - 一种上下波长信道可调的光分插复用器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于平面波导的、上下路波长信道可调的光分插复用器(OADM)。包括信号输入端(1)、下路端(2)、输出端(3)和上路端(4)四个端口及单模波导型MZI滤波器和刻在滤波器两个臂上的Bragg光栅，其中单模波导型MZI滤波器包括两个由波导(15)、(16)和(17)组成的定向耦合器和两条平行臂(18)，两条平行臂(18)的顶部刻有完全对称的Bragg光栅(11)。本发明突破现有平面波导型(MZI型)非重构OADM只能对单一波长信道路由的局限，实现了上下路波长信道可调。本发明可采用微制作工艺技术在一个芯片上实现单片集成，结构简单，可广泛用于全光通信网和波分复用系统中。
Description
1、技术领域：
本发明涉及一种基于平面波导的、上下波长信道可调的光分插复用器(OADM)。属于平面光波导分插复用器件中的创新技术。
2、背景技术：
光分插复用器(OADM)是WDM全光通信网的核心器件之一，其功能是从传输光路中有选择地上下本地接收和发送某些波长信道，同时不影响其它波长信道的传输。光纤通信网引入OADM后，可以方便灵活地实现波长信道的上/下路由；使网络具有动态重构和自愈功能；如果采用波长变换能力的模块，还可以实现开放式网络的结构，使网络具有波长兼容性和业务透明性；网络引入OADM还可更有利地实现对网络性能检测。根据可实现上下波长信道的灵活性，OADM可分为非重构和重构型。根据光波长复用/解复用方式原理的不同，又可把OADM分为：利用Bragg光栅原理的OADM、利用色散原理的OADM、利用集成光学阵列波导原理的OADM、利用干涉滤波器原理的OADM。平面波导MZI型光分插复用器(OADM)通过Bragg光栅实现信号的上/下路由。与其他类型的相比，具有结构紧凑，插入损耗小，对工作波长稳定性要求低等优点；且易于与其它的器件集成，适用于批量生产。但现有平面波导型(MZI型)非重构OADM只能对单一波长信道路由，上下路波长信道不可调。
3、发明内容：
本发明的目的在于提供一种突破现有平面波导型(MZI型)非重构OADM只能对单一波长信道路由的局限，实现了上下路波长信道可调的平面波导型光分插复用器。本发明可采用微制作工艺技术在一个芯片上实现单片集成，结构简单，其可广泛用于全光通信网和波分复用系统中。
本发明的结构示意图如附图所示，包括信号输入端(1)、下路端(2)、输出端(3)和上路端(4)四个端口及单模波导型MZI滤波器和刻在滤波器两个臂上的Bragg光栅，其中单模波导型MZI滤波器包括两个由波导(15)、(16)和(17)组成的定向耦合器和两条平行臂(18)，两条平行臂(18)的顶部刻有完全对称的槽形Bragg光栅(11)。
上述波导(15)的端部设有连接波导(14)。
上述波导(15)、(17)为S型弯曲波导，波导(16)为直波导。
上述波导(14)、(15)、(16)、(17)和(18)为几何结构相同的、其脊宽、内脊高和外脊高分别为W、H和h的单模脊形波导；槽形Bragg光栅(11)的周期、刻蚀深度和占空比分别为、s和(-a)/。
上述由波导(15)、(16)和(17)组成的定向耦合器为3dB定向耦合器。
上述两条平行臂(18)的折射率必须同时改变，其折射率可以通过pin结外加正向偏压控制载流子浓度来改变；也可以通过光照，热光、声光等效应改变。
上述两条平行臂(18)折射率的改变通过载流子注入来实现，载流子注入区(8)、(9)、(10)设在两臂的两侧，三个金属电极(22)、(24)和(23)分别与N+型掺杂区(19)、(21)和P+型掺杂区(20)形成欧姆接触。
上述波导(14)、(15)、(16)、(17)和(18)的截面包括有衬底(5)、限制层(6)、导波层(7)和覆盖层(25)，限制层(6)、导波层(7)和覆盖层(25)依次覆盖在衬底(5)上。
上述导波层(7)是对光通信波长透明的光电子材料；上述衬底(5)和覆盖层(25)可以是对近红外光透明的光电子材料，也可以是对近红外光不透明的光电子材料。
上述对近红外光透明的光电子材料可以是Si基上的Si、SiGe等IV族材料，GaAs基和InP基上的III-V族化合物半导体材料，或者是有机聚合物材料、高分子材料、玻璃基材料、以及LiNbO3等材料。
本发明采用包括信号输入端、下路端、输出端和上路端四个端口及单模波导型MZI滤波器和刻在滤波器两个臂上的Bragg光栅组成的结构，突破现有平面波导型(MZI型)非重构OADM只能对单一波长信道路由的局限，实现了上下路波长信道可调。本发明可采用微制作工艺技术在一个芯片上实现单片集成，结构简单，其可广泛用于全光通信网和波分复用系统中，是一种结构紧凑的平面波导型光分插复用器。
4、附图说明：
图1(a)为本发明光分插复用器的立体图；
图1(b)为本发明光分插复用器的俯视图；
图2(a)为图1(b)中载流子注入区(8)、(9)、(10)的横截面示意图；
图2(b)为图1中MZI两条平行臂(18)顶部的Bragg光栅(11)的纵面图；
图3为Bragg光栅(11)的反射光谱图。
5、具体实施方式：
实施例：
本发明的结构示意图如图1、2所示：OADM结构对称，包括信号输入端1、下路端2、输出端3和上路端4四个端口及单模波导型滤波器和刻在MZI滤波器两个臂上的Bragg光栅，其中单模波导型滤波器包括两个由波导15、16和17组成的定向耦合器和两条平行臂18，两条平行臂18的顶部刻有完全对称的槽形Bragg光栅11。光栅的纵向侧面图如图2(b)所示，其光栅的周期、刻蚀深度和占空比分别为、s和(-a)/。
上述波导15的端部设有连接波导14。
上述波导15、17为S型弯曲波导，波导16为直波导。
上述波导14、15、16、17和18为几何结构相同的单模脊形波导，波导的脊宽、内脊高和外脊高分别为W、H和h。
上述两条平行臂(18)的折射率必须同时改变，其折射率可以通过pin结外加正向偏压控制载流子浓度来改变；也可以通过光照，热光、声光等效应改变。本实施例中，上述两平行臂18折射率的改变是通过pin结外加正向偏压控制的载流子浓度来实现，两臂的两侧有三个载流子注入区8、9、10。三个金属电极22、24和23分别与N+型掺杂区19、21和P+型掺杂区20形成欧姆接触。上述三个载流子注入区8、9、10必须同时运作。
本实施例中，由波导15、16和17组成的定向耦合器是3dB定向耦合器。如图1(b)所示，12是端口1、2及3、4的间距，13是3dB定向耦合器波导的最小间距。本实施例中，所有单模波导的脊宽W、内脊高H和外脊高h分别为5μm、5μm和3.5μm。OADM结构对称，四个端口分别为信号输入端1、下路端2、输出端3和上路端4，其连接波导14的长度为1000μm。波导之间的间距12为95μm。15、17为S型弯曲波导。15的弯曲半径和横向长度分别为25982μm和2186μm。17的弯曲半径和横向长度分别为79700μm和4225μm。(16)为直波导，其长度为189μm，两平行波导的间距13为3μm。MZI两平行臂18的长度为1000μm，其间距为115μm。如图1所示，三个载流子注入区8、9、10分别位于MZI两臂的两侧，用来改变两臂18的折射率。9的宽度、长度分别为100μm和1000μm。8和10完全对称，其宽度、长度分别为500μm和1000μm。MZI的两臂18顶部刻有完全对称的Bragg光栅11。光栅的纵向侧面图如图2(b)所示，光栅的周期Λ、占空比和刻蚀深度s分别为223nm、0.5和0.5μm。器件的总长度和总宽度分别为1.62cm、2000μm。
上述光波导的截面包括有衬底5、限制层6、导波层7和覆盖层25，限制层6、导波层7和覆盖层25依次覆盖在衬底5上。
上述导波层7是对光通信波长透明的光电子材料；上述衬底5和覆盖层25可以是对近红外光透明的光电子材料，也可以是对近红外光不透明的光电子材料。
本发明实施例在设计时，衬底5为Si材料，限制层6是SiO2材料，导波层(7)为Si材料。N+型重掺杂区19、21和P+型重掺杂区20的掺杂浓度均为2×1019cm-3。
图3为本实施例中光栅的反射光谱图，结果如下：
(1)光栅的周期Λ、刻蚀深度s、占空比和长度分别为223nm、0.5μm、0.5和1000μm。当折射率调制区8、9、10没有施加电压时，光栅的反射谱如图3所示。光栅的中心反射波长、最大反射率和3dB带宽分别为1548.5nm、98.2％和0.77nm，因此可用于波长间隔为0.8nm(100GHz)的波分复用(WDM)系统中。OADM基本功能包括三种：下路需要的波长信道，复用进上路波长信道，使其它波长信道尽量不受影响地通过。如果具有n路波长信道的光信号(λ1，λ2，…，…，λn)从输入端口1输入，经过第一个3dB耦合器后，然后平均分到两个平行臂18上。Bragg光栅的中心波长是λI，则波长为λi的信号被完全反射，然后经第一个3dB耦合器合并从端口2输出，实现下路功能。其余的信号被第二个3dB耦合器合并从端口3输出。同理，一个波长为λi的信号从端口4输入，被两个光栅完全反射，经第二个3dB耦合器与其他波长的信号合并，从端口3输出，从而实现上路功能。
(2)如果光信号从输入端口1输入，当载流子注入区没有施加偏压时，光栅的中心反射波长为1548.5nm，所以1548.5nm的波长信道将作为上/下路波长信道。当在载流子注入区8、9、10同时施加偏压时，上/下路波长信道将随着施加的电压变化。输入的电压和上/下路波长信道的对应关系如下表所示。
上下路波长信道和施加电压的关系：
| Channel | Add/drop wavelength(nm) | Applied Voltage(V) |
| 12345678 | 1548.51547.71546.91546.11545.31544.51543.71542.9 | 00.9020.9460.9710.9881.0001.0131.022 |
通过电压来控制上/下路波长信道，可以实现对频率间隔为100GHz的8路波长信道中的任何一路分插复用。
在本发明实施例中，Bragg光栅的中心波长可表示为：λB＝2neff，这里neff为波导的有效折射率，为光栅的周期。若在载流子注入区8、9、10施加相同的正向偏压，MZI两臂的折射率减小，即Bragg光栅的折射率减小。光栅折射率的减小将导致有效折射率的减小，从而引起Bragg光栅中心波长的减小，实现上/下波长信道的调节。本实施例中，如附表所示所施加的正向偏压在0.902～1.022V范围内，两臂18折射率的改变范围为0.0017～0.0125，Bragg波长的调谐范围为1547.7～1542.9nm。因此，本实施例中的OADM可以实现对频率间隔为100GHz的8路波长信道中任何一路的分插复用。
Claims (10)
1、一种上下波长信道可调的光分插复用器，其特征在于包括信号输入端(1)、下路端(2)、输出端(3)和上路端(4)四个端口及单模波导型MZI滤波器和刻在滤波器两个臂上的Bragg光栅，其中单模波导型MZI滤波器包括两个由波导(15)、(16)和(17)组成的定向耦合器和两条平行臂(18)，两条平行臂(18)的顶部刻有完全对称的槽形Bragg光栅(11)。
2、根据权利要求1所述上下波长信道可调的光分插复用器，其特征在于上述波导(15)的端部设有连接波导(14)。
3、根据权利要求1所述上下波长信道可调的光分插复用器，其特征在于上述波导(15)、(17)为S型弯曲波导，波导(16)为直波导。
4、根据权利要求1所述上下波长信道可调的光分插复用器，其特征在于上述波导(14)、(15)、(16)、(17)和(18)为几何结构相同的、其脊宽、内脊高和外脊高分别为W、H和h的单模脊形波导；槽形Bragg光栅(11)的周期、刻蚀深度和占空比分别为∧、s和(∧-a)/∧。
5、根据权利要求1所述上下波长信道可调的光分插复用器，其特征在于上述由波导(15)、(16)和(17)组成的定向耦合器为3dB定向耦合器。
6、根据权利要求1至5任一项所述上下波长信道可调的光分插复用器，其特征在于上述两条平行臂(18)的折射率必须同时改变，其折射率可以通过pin结外加正向偏压控制载流子浓度来改变；也可以通过光照，热光、声光等效应改变。
7、根据权利要求6所述上下波长信道可调的光分插复用器，其特征在于上述两条平行臂(18)折射率的改变通过载流子注入来实现，载流子注入区(8)、(9)、(10)设在两臂的两侧，三个金属电极(22)、(24)和(23)分别与N+型掺杂区(19)、(21)和P+型掺杂区(20)形成欧姆接触。
8、根据权利要求7所述上下波长信道可调的光分插复用器，其特征在于上述波导(14)、(15)、(16)、(17)和(18)的截面包括有衬底(5)、限制层(6)、导波层(7)和覆盖层(25)，限制层(6)、导波层(7)和覆盖层(25)依次覆盖在衬底(5)上。
9、根据权利要求8所述上下波长信道可调的光分插复用器，其特征在于上述导波层(7)是对光通信波长透明的光电子材料；上述衬底(5)和覆盖层(25)可以是对近红外光透明的光电子材料，也可以是对近红外光不透明的光电子材料。
10、根据权利要求9所述上下波长信道可调的光分插复用器，其特征在于上述对近红外光透明的光电子材料可以是Si基上的Si、SiGe等IV族材料，GaAs基和InP基上的III-V族化合物半导体材料，或者是有机聚合物材料、高分子材料、玻璃基材料、以及LiNbO3等材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20060426 |