專利名稱：激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)三分支光分路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光通信系統(tǒng)和光信息處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，特指一種激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)三 分支光分路器。在光通信系統(tǒng)、光纖用戶網(wǎng)、光纖有線電視網(wǎng)、光局域網(wǎng)和無源光網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)
域中被廣泛應(yīng)用，是光無源接入網(wǎng)(PON)的核心部件。
背景技術(shù)：
在光接入網(wǎng)中，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)光路連接，光信號(hào)功率分配等，光分路器起著重要的作用。 同時(shí)在集成光學(xué)光路和光子器件中常要用到光分路器，如常見的Y分支分路器是光開關(guān)和全 光波長轉(zhuǎn)換器等光學(xué)集成器件中重要的光波導(dǎo)器件單元之一，獲得廣泛應(yīng)用。但是由于傳統(tǒng) 的Y型分路器在分支點(diǎn)附近存在模式轉(zhuǎn)換和輻射損耗，只有在分支角很小的情況下可忽略不 計(jì)。這樣就造成級(jí)聯(lián)式分路器拉的很長而導(dǎo)致器件的結(jié)構(gòu)不緊湊；同時(shí)分支角較小也對(duì)制造 工藝提出了很高的精度要求。為了降低制造工藝上的難度，人們已從多方面對(duì)Y分支提出了 改進(jìn)措施，如將尖分角用圓角或方角來代替等。雖然理論和實(shí)驗(yàn)都取得了比較滿意的結(jié)果， 但是幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，牽動(dòng)的因素較多，給設(shè)計(jì)和制造工藝上都帶來了不少的難度。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)三分支光分路器，在輸入端采用了直錐形波導(dǎo) 來減小器件的尺寸，采用激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)改變光場(chǎng)模式來改善分支部位的耦合效率，并且通過 對(duì)輸出分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來降低彎曲損耗，最后采用過渡錐形波導(dǎo)來提高器件的均勻性和 容差性。另外激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)1x3分支波導(dǎo)制作大的集成矩陣單元所需的單元分路器要比傳統(tǒng) 的lx2分支波導(dǎo)所需少的多，大大降低了插入損耗。
激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)三分支光分路器，由單模直波導(dǎo)、突變分界面的激模波導(dǎo)組成，其特征在
于單模直波導(dǎo)為直錐形波導(dǎo)，在突變分界面的激模波導(dǎo)后增加了兩過渡錐形波導(dǎo)，輸出端 由原有的兩分支波導(dǎo)變?yōu)槿种Р▽?dǎo)，兩邊彎曲波導(dǎo)采用余弦彎曲波導(dǎo)，中間的直波導(dǎo)不加 入過渡錐形波導(dǎo)，來達(dá)到三分支波導(dǎo)高均勻性的輸出，單模直錐形波導(dǎo)、突變分界面的激模 波導(dǎo)、兩過渡錐形波導(dǎo)和對(duì)稱輸出的三分支波導(dǎo)依次串接構(gòu)成。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
(1) 該激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)lx3光分路器，在其輸入端釆用直錐形波導(dǎo)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直波導(dǎo)，在損 耗差別不大的情況下，減小了器件尺寸。
(2) 該激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)1x3光分路器采用激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)利用輻射模和本征基模的疊加來修正光
波場(chǎng)，通過改善模匹配來降低分支耦合損耗。
(3) 該激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)1x3光分路器在兩彎曲波導(dǎo)的輸出端加入過渡錐形波導(dǎo)來降低損耗和優(yōu) 化分路器的輸出均勻性。
(4)該激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)lx3光分路器具有均勻性好、器件尺寸小、易于集成、損耗小和結(jié)構(gòu)簡 單等優(yōu)點(diǎn)；以下結(jié)合附圖和實(shí)施示例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1是普通Y分支分束器原理示意圖。
圖2是激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)1^3光分路器原理示意圖。
圖3是加入過渡錐形波導(dǎo)和優(yōu)化輸出分支的激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)1x3光分路器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是無過渡錐形波導(dǎo)的激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)1x3光分路器輸出光斑圖。 圖5是加過渡錐形波導(dǎo)激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)1x3光分路器輸出場(chǎng)強(qiáng)圖。 圖6是加過渡錐形波導(dǎo)激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)1x3光分路器輸出光斑圖。
其中、圖2中標(biāo)號(hào)分別代表巧、^分別為單模直錐形波導(dǎo)的輸入端寬度和輸出端寬度、 『3激模波導(dǎo)寬度，^為三分支波導(dǎo)輸出寬度；A為單模直錐形波導(dǎo)的長度，丄2為激模波導(dǎo) 的長度，丄3為輸出三分支波導(dǎo)的長度；A、 e2、 f2、 e3、 &、 ^分別為入射基模、本征基 模、連續(xù)譜輻射模、疊加模和輸出模。
圖3中的1為輸入波導(dǎo)、2為直錐形波導(dǎo)、3為突變分界面的激模波導(dǎo)、4為過渡錐形
波導(dǎo)、5為輸出直波導(dǎo)、6為輸出余弦彎曲波導(dǎo)。
具體實(shí)施方式

圖1的激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)1x2分支波導(dǎo)單元是構(gòu)成1x16、 1x32等多分支分路器必不可少的 關(guān)鍵器件，由于輸出彎曲波導(dǎo)的輸入寬度和輸出寬度不同，彎曲損耗較大且輸出不均勻度最 大可達(dá)0.027dB。
如圖2、圖3所示，本發(fā)明由一根直錐形波導(dǎo)2、突變分界面的激模波導(dǎo)3、兩過渡錐形
波導(dǎo)4和對(duì)稱輸出的三分支波導(dǎo)5、 6依次連接而成。實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)在沿Z軸方向傳播時(shí)均勻
的分為三束，同時(shí)提高了分支部分的耦合效率，大大地降低了分支損耗和彎曲損耗，減少了
大集成矩陣所需單元器件的個(gè)數(shù)，降低了大集成矩陣的插入損耗。
圖3所示的激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)1x3光分路器采用材料為二氧化硅，在石英基板上淀積二氧化 硅作為基底層以及摻Ge的二氧化硅波導(dǎo)層。通過調(diào)節(jié)摻Ge濃度控制相對(duì)折射率，調(diào)節(jié)后的
芯層和包層的折射率分別為1.492、1.486。直錐形波導(dǎo)2的輸入和輸出寬度分別為5;/w、6/^，
帶有突變分界面的激模波導(dǎo)3的寬度和長度分別為8/^、 195//m,通過數(shù)值分析計(jì)算，本發(fā) 明的分支耦合系數(shù)達(dá)到了 96.8%，大大地降低了分支部位的耦合損耗，分支耦合損耗為 0.041必，輸出端兩邊對(duì)稱的過渡錐形波導(dǎo)4的輸入端和輸出端寬度分別為2.5/^、 2//w，中
間的直波導(dǎo)5的寬度為2//m ，圖4是本發(fā)明在沒有兩邊過渡錐形波導(dǎo)情況下通過BPM軟件計(jì)算得到的輸出光斑圖,三個(gè)輸出端口的功率分配比率分別為28.2%、 37.5%、 27.9%。圖5、圖 6是本發(fā)明在兩端加入過渡錐形波導(dǎo)4情況下通過BPM軟件計(jì)算得到的輸出場(chǎng)強(qiáng)分布圖和輸 出光斑圖，從兩圖可知本發(fā)明達(dá)到了很高的輸出均勻性,計(jì)算得出輸出的不均勻度最大可達(dá)到 0.015dB。為了降低兩彎曲輸出波導(dǎo)的彎曲損耗采用了余弦彎曲波導(dǎo)，將彎曲損耗降到很低，余弦彎曲波導(dǎo)的寬度為2/z/n。
本發(fā)明的激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)1x3光分路器通過串聯(lián)可以構(gòu)成lxN (N〉 2)波導(dǎo)型分束器陣列， 相對(duì)于傳統(tǒng)Y型lx2光分路器單元所構(gòu)成的陣列，大大減少了單元器件的數(shù)量和插入損耗。 本發(fā)明的工作原理如下-
入射基模&在單模直錐形波導(dǎo)2中傳播時(shí)，入射基模s,的場(chǎng)能量主要集中在波導(dǎo)芯層沿 z軸方向傳播。光在直錐形波導(dǎo)中傳播時(shí)由于單模直錐形波導(dǎo)的輸入寬度與輸出寬度不同， 而導(dǎo)致發(fā)生散射損耗和模式轉(zhuǎn)換損耗，為降低和避免這種損耗對(duì)器件性能的影響，本發(fā)明設(shè) 計(jì)的直錐形波導(dǎo)的輸入輸出寬度的變化很小，這樣直錐形波導(dǎo)接近于單模直波導(dǎo)，在傳播的 過程中發(fā)生模式轉(zhuǎn)化的幾率非常小。當(dāng)入射基模^沿直錐形波導(dǎo)傳播到激模波導(dǎo)處，由于波 導(dǎo)寬度發(fā)生突變，在突變端的波導(dǎo)中激勵(lì)起連續(xù)譜輻射模^和本征基模6， &和&在激模波 導(dǎo)3中相互疊加，在傳播過程中通過疊加一定的長度后就形成了一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)模式￡3，由 于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以對(duì)稱的三分支結(jié)構(gòu)為輸出端,&最后轉(zhuǎn)化為出射波導(dǎo)的模&和小部分的輻射模 損耗掉，由模式耦合理論可得在分支處的功率耦合系數(shù)
<formula>formula see original document page 5</formula>由上式可知epsilon3和epsilon3形式程度越接近，eta值越接近1，耦合越充分，損耗越小。本發(fā)明的 激模波導(dǎo)的作用是調(diào)節(jié)基模和輻射模，使其疊加成一個(gè)與epsilon4相匹配的場(chǎng)分布epsilon3來提高耦合效 率，降低損耗。
權(quán)利要求1、激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)三分支光分路器，由單模直波導(dǎo)(1)、突變分界面的激模波導(dǎo)(3)組成，其特征在于單模直波導(dǎo)(1)為直錐形波導(dǎo)(2)，在突變分界面的激模波導(dǎo)(3)后增加了兩過渡錐形波導(dǎo)(4)，輸出端由原有的兩分支波導(dǎo)變?yōu)槿种Р▽?dǎo)，兩邊彎曲波導(dǎo)采用余弦彎曲波導(dǎo)(6)，中間的直波導(dǎo)(5)不加入過渡錐形波導(dǎo)(4)；單模直錐形波導(dǎo)(2)、突變分界面的激模波導(dǎo)(3)、兩過渡錐形波導(dǎo)(4)和對(duì)稱輸出的三分支波導(dǎo)(5)、(6)依次串接構(gòu)成。
專利摘要激模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)三分支光分路器，涉及光通信系統(tǒng)和光信息處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，由單模直波導(dǎo)(1)、突變分界面的激模波導(dǎo)(3)組成，其特征在于單模直波導(dǎo)(1)為直錐形波導(dǎo)(2)，在突變分界面的激模波導(dǎo)(3)后增加了兩過渡錐形波導(dǎo)(4)，輸出端由原有的兩分支波導(dǎo)變?yōu)槿种Р▽?dǎo)，兩邊彎曲波導(dǎo)采用余弦彎曲波導(dǎo)(6)，中間的直波導(dǎo)(5)不加入過渡錐形波導(dǎo)(4)，來達(dá)到三分支波導(dǎo)高均勻性的輸出，單模直錐形波導(dǎo)(2)、突變分界面的激模波導(dǎo)(3)、兩過渡錐形波導(dǎo)(4)和對(duì)稱輸出的三分支波導(dǎo)(5)、(6)依次串接構(gòu)成。本實(shí)用新型具有均勻性好、器件尺寸小、易于集成、損耗小和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B6/28GK201177670SQ200720038008
公開日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月25日
發(fā)明者佟西周, 駿 周 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)