CN201177670Y - 激模波导结构三分支光分路器 - Google Patents

Abstract

激模波导结构三分支光分路器，涉及光通信系统和光信息处理系统中的关键器件，由单模直波导(1)、突变分界面的激模波导(3)组成，其特征在于：单模直波导(1)为直锥形波导(2)，在突变分界面的激模波导(3)后增加了两过渡锥形波导(4)，输出端由原有的两分支波导变为三分支波导，两边弯曲波导采用余弦弯曲波导(6)，中间的直波导(5)不加入过渡锥形波导(4)，来达到三分支波导高均匀性的输出，单模直锥形波导(2)、突变分界面的激模波导(3)、两过渡锥形波导(4)和对称输出的三分支波导(5)、(6)依次串接构成。本实用新型具有均匀性好、器件尺寸小、易于集成、损耗小和结构简单等优点。

Description

激模波导结构三分支光分路器

技术领域

本实用新型涉及光通信系统和光信息处理系统中的关键器件，特指一种激模波导结构三分支光分路器。在光通信系统、光纤用户网、光纤有线电视网、光局域网和无源光网络等领域中被广泛应用，是光无源接入网(PON)的核心部件。

背景技术

在光接入网中，需要实现对光路连接，光信号功率分配等，光分路器起着重要的作用。同时在集成光学光路和光子器件中常要用到光分路器，如常见的Y分支分路器是光开关和全光波长转换器等光学集成器件中重要的光波导器件单元之一，获得广泛应用。但是由于传统的Y型分路器在分支点附近存在模式转换和辐射损耗，只有在分支角很小的情况下可忽略不计。这样就造成级联式分路器拉的很长而导致器件的结构不紧凑；同时分支角较小也对制造工艺提出了很高的精度要求。为了降低制造工艺上的难度，人们已从多方面对Y分支提出了改进措施，如将尖分角用圆角或方角来代替等。虽然理论和实验都取得了比较满意的结果，但是几何结构复杂，牵动的因素较多，给设计和制造工艺上都带来了不少的难度。

发明内容

本发明的目的是要提供一种激模波导结构三分支光分路器，在输入端采用了直锥形波导来减小器件的尺寸，采用激模波导结构改变光场模式来改善分支部位的耦合效率，并且通过对输出分支波导结构的优化来降低弯曲损耗，最后采用过渡锥形波导来提高器件的均匀性和容差性。另外激模波导结构1×3分支波导制作大的集成矩阵单元所需的单元分路器要比传统的1×2分支波导所需少的多，大大降低了插入损耗。

激模波导结构三分支光分路器，由单模直波导、突变分界面的激模波导组成，其特征在于：单模直波导为直锥形波导，在突变分界面的激模波导后增加了两过渡锥形波导，输出端由原有的两分支波导变为三分支波导，两边弯曲波导采用余弦弯曲波导，中间的直波导不加入过渡锥形波导，来达到三分支波导高均匀性的输出，单模直锥形波导、突变分界面的激模波导、两过渡锥形波导和对称输出的三分支波导依次串接构成。

本发明的优点在于：

(1)该激模波导结构1×3光分路器，在其输入端采用直锥形波导来代替传统的直波导，在损耗差别不大的情况下，减小了器件尺寸。

(2)该激模波导结构1×3光分路器采用激模波导结构利用辐射模和本征基模的叠加来修正光波场，通过改善模匹配来降低分支耦合损耗。

(3)该激模波导结构1×3光分路器在两弯曲波导的输出端加入过渡锥形波导来降低损耗和优化分路器的输出均匀性。

(4)该激模波导结构1×3光分路器具有均匀性好、器件尺寸小、易于集成、损耗小和结构简单等优点；

附图说明

下面结合附图和实施示例对本发明作进一步说明。

图1是普通Y分支分束器原理示意图。

图2是激模波导结构1×3光分路器原理示意图。

图3是加入过渡锥形波导和优化输出分支的激模波导结构1×3光分路器的结构示意图。

图4是无过渡锥形波导的激模波导结构1×3光分路器输出光斑图。

图5是加过渡锥形波导激模波导结构1×3光分路器输出场强图。

图6是加过渡锥形波导激模波导结构1×3光分路器输出光斑图。

其中、图2中标号分别代表：W₁、W₂分别为单模直锥形波导的输入端宽度和输出端宽度、W₃激模波导宽度，W₄为三分支波导输出宽度；L₁为单模直锥形波导的长度，L₂为激模波导的长度，L₃为输出三分支波导的长度；ε₁、ε₂、ε′₂、ε₃、ε₄、ε₅分别为入射基模、本征基模、连续谱辐射模、叠加模和输出模。

图3中的1为输入波导、2为直锥形波导、3为突变分界面的激模波导、4为过渡锥形波导、5为输出直波导、6为输出余弦弯曲波导。

具体实施方式

图1的激模波导结构1×2分支波导单元是构成1×16、1×32等多分支分路器必不可少的关键器件，由于输出弯曲波导的输入宽度和输出宽度不同，弯曲损耗较大且输出不均匀度最大可达0.027dB。

如图2、图3所示，本发明由一根直锥形波导2、突变分界面的激模波导3、两过渡锥形波导4和对称输出的三分支波导5、6依次连接而成。实现了光信号在沿Z轴方向传播时均匀的分为三束，同时提高了分支部分的耦合效率，大大地降低了分支损耗和弯曲损耗，减少了大集成矩阵所需单元器件的个数，降低了大集成矩阵的插入损耗。

图3所示的激模波导结构1×3光分路器采用材料为二氧化硅，在石英基板上淀积二氧化硅作为基底层以及掺Ge的二氧化硅波导层。通过调节掺Ge浓度控制相对折射率，调节后的芯层和包层的折射率分别为1.492、1.486。直锥形波导2的输入和输出宽度分别为5μm、6μm，带有突变分界面的激模波导3的宽度和长度分别为8μm、195μm，通过数值分析计算，本发明的分支耦合系数达到了96.8％，大大地降低了分支部位的耦合损耗，分支耦合损耗为0.041dB，输出端两边对称的过渡锥形波导4的输入端和输出端宽度分别为2.5μm、2μm，中间的直波导5的宽度为2μm，图4是本发明在没有两边过渡锥形波导情况下通过BPM软件计算得到的输出光斑图，三个输出端口的功率分配比率分别为28.2％、37.5％、27.9％。图5、图6是本发明在两端加入过渡锥形波导4情况下通过BPM软件计算得到的输出场强分布图和输出光斑图，从两图可知本发明达到了很高的输出均匀性，计算得出输出的不均匀度最大可达到0.015dB。为了降低两弯曲输出波导的弯曲损耗采用了余弦弯曲波导，将弯曲损耗降到很低，余弦弯曲波导的宽度为2μm。

本发明的激模波导结构1×3光分路器通过串联可以构成1×N(N)2)波导型分束器阵列，相对于传统Y型1×2光分路器单元所构成的阵列，大大减少了单元器件的数量和插入损耗。

本发明的工作原理如下：

入射基模ε₁在单模直锥形波导2中传播时，入射基模ε₁的场能量主要集中在波导芯层沿z轴方向传播。光在直锥形波导中传播时由于单模直锥形波导的输入宽度与输出宽度不同，而导致发生散射损耗和模式转换损耗，为降低和避免这种损耗对器件性能的影响，本发明设计的直锥形波导的输入输出宽度的变化很小，这样直锥形波导接近于单模直波导，在传播的过程中发生模式转化的几率非常小。当入射基模ε₁沿直锥形波导传播到激模波导处，由于波导宽度发生突变，在突变端的波导中激励起连续谱辐射模ε′₂和本征基模ε₂，ε′₂和ε₂在激模波导3中相互叠加，在传播过程中通过叠加一定的长度后就形成了一个稳定的状态模式ε₃，由于波导结构以对称的三分支结构为输出端，ε₃最后转化为出射波导的模ε₄和小部分的辐射模损耗掉，由模式耦合理论可得在分支处的功率耦合系数

$\mathrm{\η}=\frac{{|\∫\∫{\mathrm{\ψ}}_3^{*}{\mathrm{\ψ}}_4\mathrm{dxdy}|}^2}{\∫\∫{\left|{\mathrm{\ψ}}_3\right|}^2\mathrm{dxdy}{\∫\∫\left|{\mathrm{\ψ}}_4\right|}^2\mathrm{dxdy}}$

由上式可知ε₃和ε₄形式程度越接近，η值越接近1，耦合越充分，损耗越小。本发明的激模波导的作用是调节基模和辐射模，使其叠加成一个与ε₄相匹配的场分布ε₃来提高耦合效率，降低损耗。

Claims (1)

1、激模波导结构三分支光分路器，由单模直波导(1)、突变分界面的激模波导(3)组成，其特征在于：单模直波导(1)为直锥形波导(2)，在突变分界面的激模波导(3)后增加了两过渡锥形波导(4)，输出端由原有的两分支波导变为三分支波导，两边弯曲波导采用余弦弯曲波导(6)，中间的直波导(5)不加入过渡锥形波导(4)；单模直锥形波导(2)、突变分界面的激模波导(3)、两过渡锥形波导(4)和对称输出的三分支波导(5)、(6)依次串接构成。

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