CN104880768B - 一种可调谐光功率分配器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调谐光功率分配器，包括：含有X结的光波导(1)，光波导(1)的中心设有含有X结的展宽波导(11)，展宽波导(11)的中心设有一个狭缝(2)，狭缝(2)穿过展宽波导(11)的X结的交叉点，用于在波导与狭缝的分界面上实现光波的反射与透射；狭缝(2)上方设有加热电极(3)，实现对反射光与透射光的动态调谐。本发明通过加热电极加热狭缝中填充的有机物及其周围无机材料，使其温度升高，从而改变两种材料的折射率差异，继而使反射率、透射率发生相应变化，即可以使用较低的功率，实现对出射端两端口光功率的动态调整，完成对光功率的动态调谐。

Description

一种可调谐光功率分配器
技术领域
本发明属于光通信领域，特别涉及一种利用有机/无机材料制作的X结光波导可调谐光功率分配器的结构及其功能实现。
背景技术
近二十年来，随着用户对语音、数据、视频等业务需求的迅猛发展，通信带宽的需求急剧增长，如何高效而经济地对数据进行分发成为了接入网面临的迫切需求。考虑到光纤的巨大的带宽，因此以光纤取代铜缆从而实现光纤到用户所在地(FTTP，Fiber to thePremises)为目标的无源光网络(PON，Passive Optical Networks)成为了接入网技术发展的必然趋势。无源光网络使用光纤及光功率分配器等无源光器件实现点到多点的网络架构从而使得多个用户端的光网络单元(ONU,Optical Network Unit)可以共享位于中心局的光线路终端(OLT，Optical Line Terminal)，其中，光功率分配器是实现网络架构的最为重要的器件。除了在无源光网络中的重要应用，动态光功率分配器还广泛应用于光纤城域网(MAN，Metropolitan Area Network)中以实现网络的自愈保护。此外，在光器件测试与智能光放大器领域，动态光功率分配器也都有着重要的应用。
就分配比而言，光功率分配器可分为固定与可调谐两种类型，其中具有动态功率分配比的可调谐型由于可实现无源光网络中的光功率在光网络单元间动态分配，因而对光功率的高效利用、网络的扩容升级、网络的稳定性及减少投资风险更有意义，是研究的重点。可调谐光功率分配器可以基于光纤、微光学器件、平面光波导等各种技术平台实现。1983年，B.S.Kawasaki等人报道了一种耦合比可变的光纤耦合器，其功率调谐功能是通过改变耦合区的弯曲特性实现耦合效率的改变而实现，但这一器件的结构稳定性差且难以实现精确的功率调谐。2006年，Z.Yun等人报道了一种基于微光学器件的1×2可变光功率分配器，该器件利用双折射分配器、半波片及棱镜等构成，并通过改变半波片的光轴与x轴的夹角来实现不同的功率分配比。但这种微光学的结构也存在不够稳定、***复杂、调谐精度不高等问题。以上报道的两种典型器件的缺点也正是光纤与微光学类型的动态光功率分配器普遍存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光波导的X结中心设有狭缝，狭缝上方设有加热电极，用于加热狭缝中填充的有机物及其周围无机材料，使其温度升高从而改变两种材料的折射率差异，继而使反射率、透射率发生相应变化，完成对光功率的动态调谐的可调谐光功率分配器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可调谐光功率分配器，用于实现光功率在不同通道间的动态分配，包括：
含有X结的光波导，是光束的传输通道；
光波导的中心设有含有X结的展宽波导，是发生反射和透射的场所；
展宽波导的中心设有一个狭缝，狭缝穿过展宽波导的X结的交叉点，狭缝内填充有机材料，用于在光波导与狭缝的分界面上实现光波的反射与透射；
狭缝上方设有加热电极，用于加热狭缝中填充的有机物及其周围无机材料，使其温度升高，从而改变两种材料的折射率差异，继而使反射率、透射率发生相应变化，实现对反射光与透射光的动态调谐。
进一步地，所述的光波导包括展宽波导、锥形波导、弯曲波导和直波导：
所述的展宽波导将位于X结交叉点附近的波导进行展宽，形成多模区域；
展宽波导的X结的四个端口分别连接锥形波导的一端，锥形波导的另一端分别连接弯曲波导；
弯曲波导连接锥形波导和直波导，用于将直波导中的光波入射到多模区域。
进一步地，所述的光波导的包层采用有机物材料，芯层采用无机硅材料，狭缝的深度等于展宽波导的厚度。
进一步地，所述的展宽波导、锥形波导、弯曲波导和直波导分别关于狭缝呈对称结构。
本发明的有益效果是：
1、采用含有X结的光波导，该光波导的X结中心设有狭缝，狭缝上方设有加热电极，用于加热狭缝中填充的有机物及其周围无机材料，使其温度升高，从而改变两种材料的折射率差异，继而使反射率、透射率发生相应变化，实现对反射光与透射光的动态调谐，即可以使用较低的功率，实现对出射端两端口光功率的动态调整，完成对光功率的动态调谐；
2、光波导的包层采用有机物材料，芯层采用无机硅材料，狭缝中的填充物采用有机材料制作，光功率分配器的结构简单、稳定性好、能够提高其调谐精度；
附图说明
图1为本发明的可调谐光功率分配器的结构示意图；
图2为本发明的展宽波导的横向切面图；
图3为本发明的展宽波导的纵向切面图；
图4为三层薄膜结构的反射率随中间层折射率改变的变化曲线；
图5为本发明中狭缝处有机物折射率下降导致的不同仿真结果：(a)入射光全部透射；(b)分光比为2:1；(c)分光比为1:1；(d)入射光全部反射；
附图标记说明：1-光波导，11-展宽波导，12-锥形波导，13-弯曲波导，14-直波导，2-狭缝，3-加热电极。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
根据相关文献，在发生反射和透射的区域，简单的直波导交叉并不能很好的实现对光束传播的控制，因此需要对结构进行优化设计，而展宽的多模区波导结构方案则被广泛应用。
如图1所示，本发明的一种可调谐光功率分配器，主要应用于全光网络的一些设备中，用于实现光功率在不同通道间的动态分配，包括：
含有X结的光波导1，是光束的传输通道；
光波导1的中心设有含有X结的展宽波导11，是发生反射和透射的场所，以及用于降低光功率分配器的损耗；
展宽波导11的中心设有一个狭缝2，狭缝2穿过展宽波导11的X结的交叉点，狭缝2内填充有机材料，是实现光波反射与透射的关键区域，用于在光波导1与狭缝2的分界面上实现光波的反射与透射；
狭缝2上方设有加热电极3，用于加热狭缝2中填充的有机物及其周围无机材料，使其温度升高，从而改变两种材料的折射率差异，继而使反射率、透射率发生相应变化，实现对反射光与透射光的动态调谐。
进一步地，所述的光波导1包括展宽波导11、锥形波导12、弯曲波导13和直波导14：
所述的展宽波导11将位于X结交叉点附近的波导进行展宽，形成多模区域；
展宽波导11的X结的四个端口分别连接锥形波导12的一端，锥形波导12的另一端分别连接弯曲波导13，锥形波导12即连接直波导14形成的单模区域与展宽波导11形成的多模区域，完成过渡功能；
弯曲波导13连接锥形波导12和直波导14，用于将直波导14中的光波以特定的角度入射到多模区域。
展宽波导11设计如图2、图3所示，狭缝2纵向穿过展宽波导11的X结的交叉点，将展宽波导11分成两个关于狭缝2对称的结构，展宽波导11的X结的左侧的两个端口为光输入端/光输出端，右侧的两个端口对应的为光输出端/光输入端。
进一步地，所述的光波导1(包括展宽波导11、锥形波导12、弯曲波导13和直波导14)的包层采用有机物材料，芯层采用无机硅材料，狭缝2的深度等于展宽波导11的厚度，其宽度一般在微米量级选择。
进一步地，所述的展宽波导11、锥形波导12、弯曲波导13和直波导14分别关于狭缝2呈对称结构。由于多模区展宽波导11的引入，锥形波导12的过渡作用也十分必要，锥形波导12将入射到单模波导直波导14内的光引入到多模区域，因此需要将其设计成对称结构。
借助狭缝2折射率变化而改变整体结构的反射率和透射率，是本发明的核心设计思想。对于反射和透射行为，此处可将狭缝2的结构等效成三层均匀介质膜结构，其中第一、三层为波导芯材料，中间层为狭缝填充材料。根据均匀介质膜的反射率、透射率计算公式可知，当改变中间层物质的折射率时，整体结构的反射率和透射率均会发生相应变化。对于狭缝2填充的有机物材料，由于其负的热光系数，因此对其进行加热，折射率会发生下降。图4表示中间层为折射率1.5100的有机物材料，两边为折射率1.5489的无机硅材料，在入射角为72.5°、中间层厚度为2.5μm的情况下，反射率随中间层折射率下降而产生的变化情况。
因此，对于合理设计的结构，包括入射角度和狭缝宽度等，就可以实现：当加热电极3不工作时，狭缝2填充的有机物折射率处于较高水平，大部分光波发生透射；当加热电极3工作时，并且随着电极功率变大，狭缝2中填充物的折射率逐渐下降，此时透射光随之减少，反射光逐渐增强；当加热电极3工作在较高功率时，入射光将在波导与狭缝2的交界面上发生全内反射，此时没有透射光而反射光功率最大，从而实现对反射和透射光功率的动态调控，对该过程的仿真如图5所示。
另外，考虑到无机/有机两种材料相反的热光性质，当对狭缝2进行加热时，芯层材料同样受热而折射率上升，两种相反的折射率变化，相当于集中对狭缝加热，更容易产生折射率差异，因此两种材料同时使用也可以有效降低分配器的功耗。
综上，本发明采用有机/无机材料来制作X结型动态光功率分配器，不仅提供了一种结构稳定、***简单的方案，同时也能够有效提高调谐精度，降低器件功耗，使得该发明具有更加广泛的应用前景。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种可调谐光功率分配器，用于实现光功率在不同通道间的动态分配，其特征在于，包括：
含有X结的光波导(1)，是光束的传输通道；
光波导(1)的中心设有含有X结的展宽波导(11)，是发生反射和透射的场所；
展宽波导(11)的中心设有一个狭缝(2)，狭缝(2)穿过展宽波导(11)的X结的交叉点，狭缝(2)内填充有机材料，用于在光波导(1)与狭缝(2)的分界面上实现光波的反射与透射；
狭缝(2)上方设有加热电极(3)，用于加热狭缝(2)中填充的有机材料及其周围无机材料，使其温度升高，从而改变两种材料的折射率差异，继而使反射率、透射率发生相应变化，实现对反射光与透射光的动态调谐。
2.根据权利要求1所述的可调谐光功率分配器，其特征在于，所述的光波导(1)包括展宽波导(11)、锥形波导(12)、弯曲波导(13)和直波导(14)：
所述的展宽波导(11)将位于X结交叉点附近的波导进行展宽，形成多模区域；
展宽波导(11)的X结的四个端口分别连接锥形波导(12)的一端，锥形波导(12)的另一端分别连接弯曲波导(13)；
弯曲波导(13)连接锥形波导(12)和直波导(14)，用于将直波导(14)中的光波入射到多模区域。
3.根据权利要求1所述的可调谐光功率分配器，其特征在于，所述的光波导(1)的包层采用有机物材料，芯层采用无机硅材料。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的可调谐光功率分配器，其特征在于，所述的狭缝(2)的深度等于展宽波导(11)的厚度。
5.根据权利要求2所述的可调谐光功率分配器，其特征在于，所述的展宽波导(11)、锥形波导(12)、弯曲波导(13)和直波导(14)分别关于狭缝(2)呈对称结构。
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