專(zhuān)利名稱(chēng)：一種優(yōu)化雙窗口光功率分配器輸出通道能量均勻的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種優(yōu)化雙窗口光功率分配器輸出通道能量均勻的方法，特別涉及平面波導(dǎo)型Y分支級(jí)連結(jié)構(gòu)的光功率分配器輸出通道能量均勻的方法。
背景技術(shù)：
光功率分配器(Optical Power Splitter，以下簡(jiǎn)稱(chēng)Splitter)是光通信系統(tǒng)和光信息處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，也是構(gòu)成其他光器件的重要組成部分。光功率分配器按照制作方法可分為分立光學(xué)元件組合型、全光纖型及平面波導(dǎo)型等三種類(lèi)型。其中平面波導(dǎo)型的光功率分配器采用平面光波導(dǎo)技術(shù)，具有成品一致性好、插入損耗均勻、適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，代表光功率分配器的發(fā)展趨勢(shì)。平面波導(dǎo)型的光功率分配器有很多種結(jié)構(gòu)，如Y分支型、多模干涉型MMI以及星型結(jié)構(gòu)等。其中Y分支型結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣。
能量均分型的Y分支1×2NSplitter由多個(gè)Y分支單元級(jí)連而成，一般SiO2/Si的波導(dǎo)型Splitter的截面是具有矩形或者脊型截面的結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的襯底材料是硅，包層材料是二氧化硅，芯層則是摻雜的二氧化硅材料，芯層折射率值大于包層的折射率值。以一個(gè)1分8splitter為例，其基本結(jié)構(gòu)如下有一個(gè)引導(dǎo)入射光輸入的輸入端口和相應(yīng)的輸入直波導(dǎo)，一組具有2N(N＝1，2，3......)個(gè)輸出端口和相應(yīng)的輸出直波導(dǎo)。入射直波導(dǎo)與其后的一個(gè)劈形過(guò)渡Taper區(qū)，以及兩個(gè)分支的彎曲波導(dǎo)共同構(gòu)成第一級(jí)的Y分支單元。其中劈形過(guò)渡區(qū)的兩側(cè)連接的是三個(gè)具有同樣截面結(jié)構(gòu)的單模波導(dǎo)，輸出端的寬度等于或大于兩倍波導(dǎo)的寬度。以后分別在這兩個(gè)分支波導(dǎo)之后再級(jí)連兩組尺寸相同的第二級(jí)Y分支單元，即一個(gè)直波導(dǎo)，一個(gè)劈形過(guò)渡區(qū)以及兩個(gè)分支的彎曲波導(dǎo)構(gòu)成的Y分支單元。以后在這四個(gè)分支波導(dǎo)之后，再連接四個(gè)第三級(jí)的Y分支單元。第三級(jí)的Y分支單元之后，連接8個(gè)輸出光波導(dǎo)。
由于分支后的兩輸出波導(dǎo)都是同一階模并且具有相同的傳播常數(shù)，就基本可以實(shí)現(xiàn)輸出功率均分的功能。一般情況下，每一級(jí)彎曲波導(dǎo)和劈形過(guò)渡區(qū)的設(shè)計(jì)都保持著對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出通道能量的大致均勻，然后再通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)Y分支的角度來(lái)保證器件的插損特性。然而Splitter的性能尤其是通道能量均勻性相對(duì)于入射波長(zhǎng)是比較敏感的，通常只設(shè)計(jì)在某個(gè)單一波長(zhǎng)下工作相對(duì)比較容易，而雙工作波長(zhǎng)Splitter產(chǎn)品的通道能量均勻性往往比較差。目前的長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)大多選用1.3μm或是1.55μm波長(zhǎng)窗口的光源，就要求設(shè)計(jì)的Splitter在這兩個(gè)中心入射波長(zhǎng)下，性能都比較好。因此從發(fā)展的角度講，要求設(shè)計(jì)雙窗口的Splitter。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的對(duì)雙工作波長(zhǎng)光功率分配器產(chǎn)品的通道能量均勻性比較差的問(wèn)題，而提供一種優(yōu)化雙窗口光功率分配器輸出通道能量均勻的方法，特別涉及平面波導(dǎo)型Y分支級(jí)連結(jié)構(gòu)的光功率分配器輸出通道能量均勻的方法，通過(guò)引入不完全對(duì)稱(chēng)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和/或不同的Taper長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)通道輸出能量的均勻。
首先從理論上分析1×2Nsplitter的通道能量不均勻的原因。
通道能量均勻性是splitter性能好壞的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。圖2是一個(gè)簡(jiǎn)單的1分4Splitter結(jié)構(gòu)示意圖，以它為例分析通道能量不均勻的成因光通過(guò)第一級(jí)Y分支以后，由于彎曲波導(dǎo)的影響，沿著彎曲波導(dǎo)傳播的光場(chǎng)中心會(huì)偏離波導(dǎo)中心。模場(chǎng)一旦偏離了中心，在以后的波導(dǎo)傳播中就不再沿正中心的方向前進(jìn)，而是沿折線前行。由于經(jīng)過(guò)第一級(jí)以后的兩個(gè)分支完全對(duì)稱(chēng)，其中的能量分布完全對(duì)稱(chēng)，所以這時(shí)候兩個(gè)波導(dǎo)中的能量大小還能保持相等；而當(dāng)模場(chǎng)到達(dá)第二級(jí)及以后的分支處時(shí)，情況就不同了。假設(shè)模場(chǎng)分布如圖2中實(shí)線所示，則會(huì)造成通道1中的輸出能量較大，通道2中的輸出能量較小；若如圖2中虛線表示，會(huì)造成通道2中的輸出能量較大，通道1中能量較小(3，4通道中的情況可同理進(jìn)行分析)。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致splitter輸出通道的能量不均勻。還有可能出現(xiàn)第三種情況，模場(chǎng)中心恰好位于第二級(jí)分支處的中心，這樣分支以后就會(huì)比較均勻。從分析可見(jiàn)通過(guò)仔細(xì)調(diào)整劈形過(guò)渡Taper的長(zhǎng)度可以實(shí)現(xiàn)通道能量均勻。
另外，場(chǎng)的中心位置發(fā)生偏離以后，它與其后的Taper相連時(shí)，由于Taper的逐漸增寬，就不再嚴(yán)格保證單模條件。Taper中除了基模TE0外，還激勵(lì)出了高階模，如一階TE1，二階模TE2等等。按照y-結(jié)分支波導(dǎo)的傳播常數(shù)最接近準(zhǔn)則，當(dāng)模場(chǎng)繼續(xù)向分支波導(dǎo)傳輸TE2會(huì)分成兩個(gè)一階模，但因?yàn)榉种б院蟮耐ǖ缹挾戎荒軅鬟f基模，所以很快損耗掉了，這樣二階以上的模式對(duì)通道的均勻性影響不大；TE1會(huì)分成兩個(gè)位相相反的TE0模，如圖3中的虛線所示；TE0則分解成兩個(gè)同位相的TE0模，如圖3中的實(shí)線所示。那么在y-結(jié)分支后彎曲波導(dǎo)中兩個(gè)位相相反的基模的疊加也會(huì)造成兩個(gè)通道能量的不均勻。因?yàn)門(mén)aper的長(zhǎng)度和結(jié)尾處寬度的限制，各階模所占比率不同，但其中絕大多數(shù)還是基模。按照兩個(gè)導(dǎo)模相互耦合的關(guān)系可知，耦合只能發(fā)生在奇模與奇模，或是偶模與偶模之間。那么通過(guò)調(diào)整Taper的長(zhǎng)度，可以使一階模向高階模轉(zhuǎn)化，從而減少不對(duì)稱(chēng)性。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的平面波導(dǎo)型光功率分配器由一個(gè)引導(dǎo)入射光輸入的輸入端口和相應(yīng)的輸入直波導(dǎo)，一組具有2N個(gè)輸出端口和相應(yīng)的輸出直波導(dǎo)，入射直波導(dǎo)與其后的一個(gè)劈形過(guò)渡Taper區(qū)，以及兩個(gè)分支的彎曲波導(dǎo)共同構(gòu)成各級(jí)的Y分支單元，劈形過(guò)渡區(qū)的兩側(cè)連接的是三個(gè)具有同樣截面結(jié)構(gòu)的單模波導(dǎo)，輸出端的寬度等于或大于兩倍波導(dǎo)的寬度，其特征在于在平面波導(dǎo)型光功率分配器中引入不完全對(duì)稱(chēng)的彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和/或在同一級(jí)的Y分支前選用不同Taper長(zhǎng)度，其中N＝2，3......自然數(shù)。
本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)，在任意級(jí)分支處引入不對(duì)稱(chēng)的彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過(guò)角度的調(diào)整以及彎曲波導(dǎo)長(zhǎng)度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)通道均勻。
本發(fā)明在任意級(jí)的Y分支處進(jìn)一步改進(jìn)，采用不同的Taper長(zhǎng)度，其后的彎曲波導(dǎo)形狀長(zhǎng)短完全相同，來(lái)實(shí)現(xiàn)光功率分配器的通道能量均勻。


圖1常規(guī)的能量均分型1分8Y分支光功率分配器示意圖。圖21分4Y分支光功率分配器示意圖。圖3分支波導(dǎo)中的模式轉(zhuǎn)換示意圖。圖4通道均勻性與Taper長(zhǎng)度的關(guān)系圖。圖5第二級(jí)Y分支的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖6第三級(jí)Y分支處不同Taper的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
從以上的分析可以看出，盡管通常的splitter采用完全對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，但卻不能保證輸出通道能量的均勻性。對(duì)于某單一波長(zhǎng)入射下，可以通過(guò)調(diào)整Taper的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)通道能量的均勻性。但同時(shí)滿足兩個(gè)波長(zhǎng)就比較困難了。以下是同時(shí)滿足兩個(gè)波長(zhǎng)入射下通道能量均勻的實(shí)施方式。
1)先粗略的滿足兩個(gè)波長(zhǎng)的通道均勻。從圖4的數(shù)值實(shí)驗(yàn)看出通道能量的均勻性隨Taper長(zhǎng)度按周期性關(guān)系變化。因兩個(gè)波長(zhǎng)入射時(shí)對(duì)應(yīng)的周期值不同，總可以選一個(gè)Taper長(zhǎng)度，使得兩個(gè)波長(zhǎng)的通道均勻性都比較好。對(duì)1分8Splitter而言，大致可以把兩種波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的通道均勻度都控制在0.4dB以下。這里不能無(wú)限制的加長(zhǎng)Taper，否則會(huì)造成芯片尺寸過(guò)大。
2)以1分8的Splitter為例，可以采用以下方法來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化兩個(gè)波長(zhǎng)下的通道輸出能量均勻性波導(dǎo)的截面結(jié)構(gòu)采用寬為6μm，厚為6μm的矩型結(jié)構(gòu)，包層與襯底的折射率差為0.4％。
第一步優(yōu)化第二級(jí)分支處的通道能量均勻，在第二級(jí)的Y分支處引入不對(duì)稱(chēng)的彎曲波導(dǎo)。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，波導(dǎo)通道1、4中的能量相等，2與3中的能量相同，選一個(gè)Taper長(zhǎng)度使兩個(gè)波長(zhǎng)的1、4通道能量均偏大，2、3通道能量均偏小。這時(shí)，保持2、3彎曲波導(dǎo)不變，把1、4彎曲波導(dǎo)的長(zhǎng)度變短，在1×4的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中，第二級(jí)的Y分支波導(dǎo)處，每一個(gè)分支與水平線的夾角均為2.49；在優(yōu)化結(jié)構(gòu)中，一個(gè)分支角為2.49，另一個(gè)則變?yōu)?.56，如圖5所示。由于分支處的角度略有不同，則進(jìn)入通道的能量比例也稍有改變，就會(huì)導(dǎo)致能量在1，4通道中的損耗偏大，這樣就可以很好的實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波長(zhǎng)的通道均勻度都非常小。
第二步它是建立在1×4基礎(chǔ)之上，在其后級(jí)連第三級(jí)的Y分支結(jié)構(gòu)。其中的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)是在第三級(jí)分支處連接長(zhǎng)度均為2000μm，優(yōu)化結(jié)構(gòu)則是令Taper1＝Taper4＝1980μm，Taper2＝Taper3＝2010μm，而其后的彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)保持對(duì)稱(chēng)。經(jīng)過(guò)第一步的優(yōu)化，在1分4時(shí)，因?yàn)椴荒鼙ＷC同時(shí)把兩個(gè)波長(zhǎng)下通道均勻度都調(diào)整到最小，而且模場(chǎng)的位相也不一致。那么在連接第三級(jí)的Taper時(shí)，如果在1、4通道和2、3通道之后連接相同長(zhǎng)度的Taper，就更加不能同時(shí)滿足其后的通道輸出均勻了。在這里可以令Taper(1，4)≠Taper(2，3)的長(zhǎng)度，分別調(diào)整以后的通道能量均勻性，如圖6所示，其后的彎曲波導(dǎo)形狀長(zhǎng)短完全相同。這樣就可以只通過(guò)調(diào)整各自Taper的長(zhǎng)度，很方便的實(shí)現(xiàn)1分8splitter的通道均勻。
數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論先采用有效折射率法EIM，把實(shí)際中的三維波導(dǎo)等效成二維平板波導(dǎo)，然后利用加拿大Optiwave公司的軟件BPM-CAD4.0進(jìn)行數(shù)值模擬。因?yàn)閅分支有一定的角度，模擬時(shí)采用二階Padé近似的光束傳輸BPM算法，邊界條件選用透明邊界條件TBC，以高斯場(chǎng)作為輸入場(chǎng)來(lái)模擬光纖與波導(dǎo)的連接情況，X軸方向的步長(zhǎng)是0.1微米，Z方向的步長(zhǎng)是0.5微米。
表1中的設(shè)計(jì)值是一組采用本實(shí)施例優(yōu)化以及采用傳統(tǒng)方法得到的通道能量均勻性數(shù)值計(jì)算比較結(jié)果。其中的1×4表示第二級(jí)分支處的結(jié)果，1×8則表示splitter最后的輸出結(jié)果，從結(jié)果看出，采用非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)時(shí)，兩個(gè)波長(zhǎng)下對(duì)應(yīng)的通道能量均勻性都改善了許多。Splitter 通道能量均勻度(dB)優(yōu)化結(jié)構(gòu) 對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)1.31微米1.55微米 1.31微米 1.55微米1×4 0.020.01 0.10 0.161×8 0.090.07 0.25 0.41表1利用本發(fā)明優(yōu)化1分8splitter的通道能量均勻度
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化雙窗口平面波導(dǎo)型光功率分配器輸出通道能量均勻的方法，平面波導(dǎo)型光功率分配器由一個(gè)引導(dǎo)入射光輸入的輸入端口和相應(yīng)的輸入直波導(dǎo)，一組具有2N個(gè)輸出端口和相應(yīng)的輸出直波導(dǎo)，入射直波導(dǎo)與其后的一個(gè)劈形過(guò)渡Taper區(qū)，以及兩個(gè)分支的彎曲波導(dǎo)共同構(gòu)成一級(jí)的Y分支單元，其特征在于在平面波導(dǎo)型光功率分配器中引入不完全對(duì)稱(chēng)的彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和/或在同一級(jí)的Y分支前選用不同Taper長(zhǎng)度，其中N＝2，3......自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在任意級(jí)分支處引入不對(duì)稱(chēng)的彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過(guò)角度的調(diào)整以及彎曲波導(dǎo)長(zhǎng)度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)通道均勻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于在任意級(jí)的Y分支處采用不同的Taper長(zhǎng)度，其后的彎曲波導(dǎo)形狀長(zhǎng)短完全相同。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種優(yōu)化雙窗口光功率分配器輸出通道能量均勻的方法，涉及平面波導(dǎo)型Y分支級(jí)連結(jié)構(gòu)的光功率分配器。輸出能量的均勻性是通過(guò)改變器件結(jié)構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)的，包括在Y分支中引用不對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，和/或在Y分支前加上不同長(zhǎng)度的劈形過(guò)渡波導(dǎo)的方法，并進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。證明本發(fā)明可以大大改善了光功率分配器輸出通道能量的均勻性。
文檔編號(hào)H04B10/02GK1450735SQ0311890
公開(kāi)日2003年10月22日 申請(qǐng)日期2003年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月9日
發(fā)明者胡國(guó)華, 馬衛(wèi)東, 王文敏, 許遠(yuǎn)忠 申請(qǐng)人:武漢光迅科技有限責(zé)任公司