CN110637245B - 一种光分插复用器 - Google Patents

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Abstract

一种光分插复用器，涉及光电技术领域，能够使用较大尺寸的布拉格光栅，降低加工难度。光分插复用器包括：下波信号分离器(11)和下波信号反射器(12)；下波信号分离器(11)连接主输入端和下波端；下波信号分离器(11)连接下波信号反射器(12)，下波信号反射器(12)连接主输出端。

Description

一种光分插复用器
技术领域
本申请涉及光电技术领域，尤其涉及一种光分插复用器。
背景技术
光分插复用器是光网络中一种重要的滤波器件，它的出现使得光网络由点到点网络向复杂的环网演进。硅光技术的发展使得丰富多样的光电功能器件得以实现。基于硅光技术的光分插复用器(Optical Add-DropMultiplexer，OADM)主要由微环和布拉格光栅构成。
传统的单根布拉格光栅波导的OADM中，入射光只要满足布拉格光栅条件，就会在布拉格光栅波导中发生反射，并从输入端口中离开，实现对特定波长的选择性下波，为了分离输入信号和反射信号，通常需要在输入端口使用使用外部环形器或者使用Y分支结构。传统的布拉格光栅波导的OADM中主要利用最低阶模式(如0阶模)的布拉格光栅反射条件进行。布拉格光栅反射光谱的带宽由正向模式和反向模式在布拉格光栅波导中的耦合系数所决定，两个模式的相似程度，光栅尺寸和波导对光的限制作用这三个因素影响了耦合系数，当三个因素分别较大时，耦合系数就会变大。在现有技术中，布拉格光栅波导主要利用正向0阶模和反向0阶模之间的布拉格反射，两个模式的相似程度较高；由于光被限制在单根布拉格光栅波导中，因此波导对光的限制作用也很大。因此，实现合适的耦合系数需要光栅尺寸较小，光栅尺寸一般只有几十纳米，很难满足硅光技术CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺要求，加工难度大。特别是对于DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集光波分复用)情况，光栅尺寸更小。
发明内容
本申请的实施例提供光分插复用器，使用较大尺寸的布拉格光栅，能够降低加工难度。
为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：
第一方面，提供一种光分插复用器，包括：下波信号分离器和下波信号反射器；下波信号分离器连接主输入端和下波端；下波信号分离器连接下波信号反射器，下波信号分离器连接主输出端；下波信号分离器的输入端用于接收第一模式的光信号，并将第一模式的光信号以单层波导传输方式传递至下波信号反射器；下波信号反射器包括第一传输方式转换器、布拉格光栅波导和第二传输方式转换器；第一传输方式转换器包括第一上层波导和第一下层波导，其中第一上层波导位于第一下层波导上层，第一上层波导以及第一下层波导连接下波分离器，第一传输方式转换器用于将下波信号分离器发送的单层波导传输方式的第一模式的光信号转换为双层波导传输方式；布拉格光栅波导包括第二上层波导和第二下层波导，第二上层波导位于第二下层波导上层，第二下层波导连接第一下层波导；第二上层波导的宽度按照第一宽度和第二宽度交替呈周期性变化，形成布拉格光栅；其中，第一宽度大于所述第二宽度，第二上层波导连接第一上层波导，布拉格光栅波导用于接收第一传输方式转换器发送的第一模式的光信号，并将第一模式的光信号中预定波长的光信号以第二模式的光信号反射至第一传输方式转换器，还用于将第一模式的光信号中除预定波长的光信号以外的其他光信号发送至第二传输方式转换器；第二传输方式转换器包括第三上层波导和第三下层波导，其中第三上层波导位于第三下层波导上层，第三上层波导的两端分别连接第二上层波导和主输出端，第三下层波导连接第二下层波导第二传输方式转换器用于将其他光信号转换为单层波导传输方式通过主输出端输出；第一传输方式转换器还用于将第二模式的光信号转换为单层波导传输方式输出至下波信号分离器，下波信号分离器还用于将第二模式的光信号通过下波端输出。在上述方案中，由于下波信号反射器有双层波导结构形成，其降低了对光的限制作用，因此布拉格光栅能够降低第一模式入射的信号光与第二模式反射的信号光的耦合，因而在取得与现有技术要求的相同反射光谱的带宽时，可以通过较大的光栅尺寸实现，降低了工艺要求。
一种示例为，下波信号分离器包括第一波导和第二波导，其中第一波导的输入端和第二波导的输出端在同一平面，第一波导的输出端和第二波导的输入端在同一平面；其中第一波导在输入端的宽度与第二波导在输出端的宽度相等，第一波导的宽度自输入端向输出端线性增加，第二波导的宽度自输出端向输入端线性减小，第一波导的输出端连接第一上层波导以及第一下层波导，第一波导的输入端用作下波信号分离器的输入端，第二波导的输出端用作下波信号分离器的下波端。在该方案中利用第一波导和第二波导的宽度相反变化，导致第一波导对第一模式的光信号的折射率和第二波导对第二模式的光信号的有效折射率发生交叉，即在下波信号分离器的某个位置第一波导对第一模式的光信号的折射率和第二波导对第二模式的光信号的有效折射率相同，从而能够使第二模式的光信号从第二波导输出，减小了分离下波信号的损耗。
此外，第一上层波导的输入端的宽度与第一波导的输出端的宽度相等，所述第一上层波导的宽度等于第二宽度；第一下层波导的输入端的宽度与第一波导的输出端的宽度相等，第一下层波导的输出端的宽度大于第一宽度，第一下层波导的宽度自输入端向输出端线性增加。
一种示例为，第一上层波导的厚度大于第一下层波导的厚度。
一种示例为，第二上层波导的输入端的宽度与第二宽度相等，第二上层波导的输出端的宽度与第二宽度相等；第二下层波导的输入端的宽度等于第一下层波导的输出端的宽度，第二下层波导的输出端的宽度等于第一下层波导的输出端的宽度，第二下层波导的宽度处处相等。
一种示例为，第二上层波导的厚度大于第二下层波导的厚度。
一种示例为，第三上层波导的输入端的宽度与第二宽度相等，第三上层波导的宽度自输入端向输出端线性减小；第三下层波导的输入端的宽度与第二下层波导的输出端的宽度相等，第三下层波导的输出端的宽度等于第三上层波导的输出端的宽度，第三下层波导的宽度自输入端向输出端线性减小。
一种示例为，第三上层波导的厚度大于第三下层波导的厚度。
一种示例为，第一上层波导、第二上层波导和第三上层波导的厚度相同；第一下层波导、第二下层波导和第三下层波导的厚度相同。
一种示例为，第一模式为0阶模，第二模式为1阶模；或者第一模式为1阶模，第二模式为0阶模。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请的实施例提供的一种光分插复用器的结构示意图；
图2为本申请的另一实施例提供的一种光分插复用器的结构示意图；
图3为本申请的实施例提供的一种下波信号分离器的结构示意图；
图4为本申请的实施例提供的一种下波信号分离器中各波导对各模式光信号的折射率示意图；
图5为本申请的实施例提供的一种下波信号分离器中的光信号的光斑仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本申请的实施例进行描述。
本申请的实施例提供的光分插复用器应用于使用光纤作为主要传输介质的广域网、城域网或者新建的大范围的局域网等光网络中，该光分插复用器主要应用于光网络中需要特定波长信号的上传和下载的节点。
参照图1、2所示，本申请的实施例提供一种光分插复用器，包括：
下波信号分离器11和下波信号反射器12；下波信号反射器12包括第一传输方式转换器121、布拉格光栅波导122和第二传输方式转换器123；如图1所示，通过虚线AA’、BB’、CC’、DD’以及EE’将上述光分插复用器的结构进行划分，其中AA’与BB’之间为下波信号分离器11，AA’与EE’之间为下波信号反射器12，BB’与CC’之间为第一传输方式转换器121、BB’与DD’之间为布拉格光栅波导122，BB’与EE’之间为第二传输方式转换器123。如图2所示，下波信号分离器11连接主输入端mian INPUT、和下波端DROP；下波信号分离器11连接下波信号反射器12，下波信号反射器12连接主输出端main OUTPUT。下波信号分离器11的输入端用于接收第一模式的光信号，并将第一模式的光信号以单层波导传输方式传递至下波信号反射器12；下波信号反射器12用于将第一模式的光信号中预定波长的光信号以第二模式反射至下波信号分离器11，并自下波端DROP输出；下波信号反射器12还用于将第一模式的光信号中除预定波长的光信号以外的其他光信号通过主输出端main OUTPUT输出。
示例性的：下波信号分离器11包括第一波导111和第二波导112，其中第一波导111的输入端和第二波导112的输出端在同一平面，第一波导111的输出端和第二波导112的输入端在同一平面；其中第一波导111在输入端的宽度与第二波导112在输出端的宽度相等，第一波导111的宽度自输入端向输出端线性增加，第二波导112的宽度自输出端向输入端线性减小，第一波导111的输入端用作下波信号分离器11的主输入端mian INPUT，第二波导112的输出端用作下波信号分离器11的下波端DROP。这里，下波信号分离器11由两根宽度反向变化的波导沿信号传播方向放置构成，其中在同一方向上第一波导111宽度由小变大，第二波导112宽度由大变小。两根波导在AA’面上的宽度相同，都满足硅光领域的波导单模条件。两根波导的长度相同，间距较近，能够满足预定模式之间的光耦合。来自外界的第一模式的光信号从AA’首先进入第一波导111的左侧端口(即主输入端main INPUT)，并沿着第一波导111传播。因为输入的第一模式的光信号的模式折射率在传播过程中随着波导宽度而增大，因此在第一波导111中传输的光信号的模式折射率不断增加，而相邻第二波导的模式折射率是不断减小的，所以在两根波导的某个传播位置不会出现两根波导模式折射率相同的情况，即不满足模式耦合的相位匹配条件。因此输入的第一模式的光信号会直接通过第一波导111，不会耦合进入相邻的第二波导112，最终进入下波信号反射器12，此外，由于第一波导111为条形波导，因此在第一波导中光信号以单层波导传输方式传输。
如图1、2所示，第一传输方式转换器121包括第一上层波导1211和第一下层波导1212，第一上层波导1211位于第一下层波导1212上层，第一上层波导1211以及第一下层波导1212连接下波信号分离器11，第一传输方式转换器121用于将下波信号分离器11发送的单层波导传输方式的第一模式的光信号转换为双层波导传输方式。具体的，第一上层波导1211以及第一下层波导1212连接第一波导111的输出端。
示例性的，光信号进入下波信号反射器12后，首先经过第一传输方式转换器121。第一传输方式转换器121用于将光信号的单层波导(第一波导111)传输方式转换为双层波导(第一上层波导1211以及第一下层波导1212)传输方式。第一上层波导1211的输入端的宽度与第一波导111的输出端的宽度相等，第一上层波导1211波导宽度不变，第一下层波导1212的输入端的宽度与第一波导111的输出端的宽度相等，并且第一下层波导1212的宽度自输入端向输出端线性增加；并且第一上层波导1211以及第一下层波导1212厚度之和与所述第一波导111的厚度相等。第一传输方式转换器121的长度足够长，保证模式转换的过程中损耗很小，0阶模输入依然保持0阶模输出或1阶模输入依然保持1阶模输出。之后光信号继续进入布拉格光栅波导122。
布拉格光栅波导122包括第二上层波导1221和第二下层波导1222，第二上层波导1221位于第二下层波导1222上层，第二下层波导1222连接第一下层波导1212；第二上层波导1221的宽度按照第一宽度和第二宽度交替呈周期性变化，形成布拉格光栅。其中，第一宽度大于第二宽度，第二上层波导1221连接第一上层波导1211，布拉格光栅波导122用于接收第一传输方式转换器121发送的第一模式的光信号，并将第一模式的光信号中预定波长的光信号以第二模式的光信号反射至第一传输方式转换器121，还用于将第一模式的光信号中除预定波长的光信号以外的其他光信号发送至第二传输方式转换器123。
布拉格光栅的布拉格反射条件满足以第一模式入射的光信号以第二模式反射；其中，第一模式为0阶模(TE0)，第二模式为1阶模(TE1)；或者第一模式为1阶模，第二模式为0阶模。示例性的，第二上层波导1221的输入端的宽度与第二宽度相等，第二上层波导1221的输出端的宽度与第二宽度相等；布拉格光栅波导122的下层波导第二下层波导1222的宽度与第一传输方式转换器121的下层波导第一下层波导1212的末端宽度一致，上层波导第二上层波导1221宽度呈现周期性变化，较窄的第二宽度与第一传输方式转换器121的上层波导第一上层波导1211的末端宽度相同，较宽的第一宽度小于第二下层波导1222，第二下层波导1222的输出端的宽度等于第一下层波导1212的输出端的宽度，第二下层波导1222的宽度处处相等，从而构成布拉格光栅。示例性的，若主输入端main INPUT的光信号以0阶模为例，则第二上层波导1221较大的第一宽度尺寸以及周期的选择能够使正向的0阶模与反向的1阶模满足布拉格反射条件，即以0阶模输入的光信号以1阶模反射，而不会通过下波信号反射器12。布拉格反射光谱的带宽由正向模式和反向模式在布拉格光栅波导122中的耦合系数所决定，两个模式的相似程度，光栅尺寸和波导对光的限制作用这三个因素影响了耦合系数，当三个因素分别较大时，耦合系数就会变大。在现有技术中，布拉格光栅波导主要利用正向0阶模和反向0阶模之间的布拉格反射，两个模式的相似程度较高。而本发明中利用的0阶模和1阶模的反射，两个模式的相似程度很低，而且布拉格光栅波导使用了双层波导结构，并且双层波导结构中的位于下层的第二下层波导较宽，即布拉格光栅波导中高折射率的波导部分较多，其对光的限制较弱，进一步减小了波导对光的限制作用。所以考虑与现有技术相同程度的布拉格反射，即耦合系数相同的情况，现有技术要求光栅尺寸较小，而本申请要求的光栅尺寸较大，器件的工艺要求较低。另外，按照信号光的波长，布拉格光栅波导122对光信号的处理分成两种情况：第一种情况为光信号的波长满足布拉格反射条件，光信号会被反射回第一传输方式转换器121；第二种情况为光信号的波长不满足布拉格反射条件，光信号不会反射，而直接通过布拉格光栅波导122，进入第二传输方式转换器123。
参照图1、2所示，第二传输方式转换器123包括第三上层波导1231和第三下层波导1232，其中第三上层波导1231位于第三下层波导1232上层，第三上层波导1231的两端分别连接第二上层波导1221和主输出端main OUTPUT，第三下层波导1232连接第二下层波导1222，第二传输方式转换器123用于将其他光信号转换为单层波导传输方式通过主输出端main OUTPUT输出。
其中，第三上层波导1231的输入端的宽度与第二宽度相等，第三上层波导1231的宽度自输入端向输出端线性减小；第三下层波导1232的输入端的宽度与第二下层波导1222的输出端的宽度相等，第三下层波导1232的输出端的宽度等于第三上层波导1231的输出端的宽度，第三下层波导1232的宽度自输入端向输出端线性减小。
进一步的，第一传输方式转换器121还用于将第二模式的光信号转换为单层波导传输方式输出至下波信号分离器11，下波信号分离器11还用于将第二模式的光信号通过下波端DROP输出。具体的，参照图3、4、5所示，布拉格光栅波导122对光信号的第一种处理情况下，即信号光波长满足布拉格反射条件，光信号会以1阶模被反射回第一传输方式转换器121的第一上层波导1221。这时沿着光传播方向，第一波导111的波导宽度是从大变小，而第二波导112的宽度是从小变大。而在相同波导宽度情况下，1阶模的有效折射率比0阶模式的有效折射率要小，所以在某一位置(如图4所示的位置a)，第一波导111的1阶模的有效折射率会与第二波导112的0阶模的有效折射率相同，即满足相位匹配关系。因此，第一波导111中的1阶模的光信号会缓慢耦合进入第二波导112的0阶模式中，并最终在第二波导112的左侧端口(下波端DROP)输出，完成下波功能。
布拉格光栅波导122对光信号的第二种处理情况下，即光信号的波长不满足布拉格反射条件，此时光信号不会反射，而是以0阶模直接通过布拉格光栅波导122，进入第二传输方式转换器123。第二传输方式转换器123的上层波导第三上层波导1231宽度由大变小，宽度最大值与布拉格光栅波导122的下层波导第二下层波导1222宽度相同；第三上层波导1231宽度由大变小，宽度最大值与布拉格光栅波导122的上层波导第二上层波导1221宽度的较小值(第二宽度)相同。第三下层波导1232的输出端的宽度等于第三上层波导1231的输出端的宽度，都满足硅光领域的单模条件。第二传输方式转换器123的作用是将光信号的双层波导(第三上层波导1231和第三下层波导1232)传输方式转换为单层波导传输方式以方便在主输出端main OUTPUT连接的光纤中传输。通过第二传输方式转换器123的光信号将在EE’的主输出端main OUTPUT输出。
此外，第一上层波导的厚度大于第一下层波导的厚度；第二上层波导的厚度大于第二下层波导的厚度；第三上层波导的厚度大于第三下层波导的厚度。第一上层波导、第二上层波导和第三上层波导的厚度相同；第一下层波导、第二下层波导和第三下层波导的厚度相同。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
尽管结合具体特征及其实施例对本申请进行了描述，显而易见的，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本申请的示例性说明，且视为已覆盖本申请范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种光分插复用器，其特征在于，包括：下波信号分离器和下波信号反射器；
所述下波信号分离器连接主输入端和下波端；所述下波信号分离器连接所述下波信号反射器，所述下波信号反射器连接主输出端；所述下波信号分离器的输入端用于接收第一模式的光信号，并将所述第一模式的光信号以单层波导传输方式传递至所述下波信号反射器；
所述下波信号反射器包括第一传输方式转换器、布拉格光栅波导和第二传输方式转换器；
所述第一传输方式转换器包括第一上层波导和第一下层波导，其中所述第一上层波导位于所述第一下层波导上层，所述第一上层波导以及所述第一下层波导连接所述下波信号分离器，所述第一传输方式转换器用于将所述下波信号分离器发送的单层波导传输方式的第一模式的光信号转换为双层波导传输方式；
所述布拉格光栅波导包括第二上层波导和第二下层波导，所述第二上层波导位于所述第二下层波导上层，所述第二下层波导连接所述第一下层波导；所述第二上层波导的宽度按照第一宽度和第二宽度交替呈周期性变化，形成布拉格光栅；其中，所述第一宽度大于所述第二宽度，所述第二上层波导连接所述第一上层波导，所述布拉格光栅波导用于接收所述第一传输方式转换器发送的第一模式的光信号，并将所述第一模式的光信号中预定波长的光信号以第二模式的光信号反射至所述第一传输方式转换器，还用于将所述第一模式的光信号中除所述预定波长的光信号以外的其他光信号发送至所述第二传输方式转换器；
第二传输方式转换器包括第三上层波导和第三下层波导，其中所述第三上层波导位于所述第三下层波导上层，所述第三上层波导的两端分别连接所述第二上层波导和所述主输出端，所述第三下层波导连接所述第二下层波导；所述第二传输方式转换器用于将所述其他光信号转换为单层波导传输方式通过所述主输出端输出；
所述第一传输方式转换器还用于将所述第二模式的光信号转换为单层波导传输方式输出至所述下波信号分离器，所述下波信号分离器还用于将所述第二模式的光信号通过所述下波端输出。
2.根据权利要求1所述的光分插复用器，其特征在于，所述下波信号分离器包括第一波导和第二波导，其中所述第一波导的输入端和所述第二波导的输出端在同一平面，所述第一波导的输出端和所述第二波导的输入端在同一平面；其中所述第一波导在输入端的宽度与所述第二波导在输出端的宽度相等，所述第一波导的宽度自输入端向输出端线性增加，所述第二波导的宽度自输出端向输入端线性减小，所述第一波导的输出端连接所述第一上层波导以及所述第一下层波导，所述第一波导的输入端用作所述下波信号分离器的主输入端，所述第二波导的输出端用作所述下波信号分离器的下波端。
3.根据权利要求2所述的光分插复用器，其特征在于，所述第一上层波导的输入端的宽度与所述第一波导的输出端的宽度相等，所述第一上层波导的宽度等于所述第二宽度；
所述第一下层波导的输入端的宽度与所述第一波导的输出端的宽度相等，所述第一下层波导的输出端的宽度大于所述第一宽度，所述第一下层波导的宽度自输入端向输出端线性增加。
4.根据权利要求1所述的光分插复用器，其特征在于，所述第一上层波导的厚度大于所述第一下层波导的厚度。
5.根据权利要求1所述的光分插复用器，其特征在于，所述第二上层波导的输入端的宽度与所述第二宽度相等，所述第二上层波导的输出端的宽度与所述第二宽度相等；
所述第二下层波导的输入端的宽度等于所述第一下层波导的输出端的宽度，所述第二下层波导的输出端的宽度等于所述第一下层波导的输出端的宽度，所述第二下层波导的宽度处处相等。
6.根据权利要求1所述的光分插复用器，其特征在于，所述第二上层波导的厚度大于所述第二下层波导的厚度。
7.根据权利要求1所述的光分插复用器，其特征在于，所述第三上层波导的输入端的宽度与所述第二宽度相等，所述第三上层波导的宽度自输入端向输出端线性减小；
所述第三下层波导的输入端的宽度与所述第二下层波导的输出端的宽度相等，所述第三下层波导的输出端的宽度等于所述第三上层波导的输出端的宽度，所述第三下层波导的宽度自输入端向输出端线性减小。
8.根据权利要求1所述的光分插复用器，其特征在于，所述第三上层波导的厚度大于所述第三下层波导的厚度。
9.根据权利要求1所述的光分插复用器，其特征在于，所述第一上层波导、所述第二上层波导和所述第三上层波导的厚度相同；
所述第一下层波导、所述第二下层波导和所述第三下层波导的厚度相同。
10.根据权利要求1所述的光分插复用器，其特征在于，所述第一模式为0阶模，所述第二模式为1阶模；或者所述第一模式为1阶模，所述第二模式为0阶模。
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