CN114981698A - 光学多路复用器 - Google Patents

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Abstract

一种光学多路复用器。所述光学多路复用器包括：多个输入波导，所述多个输入波导各自包括输入平板部分和输入脊形部分；输出波导，所述输出波导包括输出平板部分和输出脊形部分；以及波长多路复用器元件，所述波长多路复用器元件耦合到每个输入波导和所述输出波导，所述波长多路复用器元件包括平板波导，所述平板波导包括光栅，所述光栅被配置成将从所述输入波导接收的不同波长的信号多路复用为多路复用信号，并且将所述多路复用信号提供给所述输出波导。所述输入波导中的一个或多个的所述输入脊形部分是锥形的，以便在朝向所述波长多路复用器元件的所述平板波导的方向上减小宽度。

Description

光学多路复用器
技术领域
本发明涉及一种光学多路复用器。
背景技术
多路复用器，尤其是中阶梯光栅多路复用器的设计中的一个重要问题是期望具有更宽的信道带宽。这将减少由对准误差和温度漂移引起的损耗，因为信道串扰并不显着。然而，拓宽信道带宽的传统方法是以减少传输为代价的。
例如，在具有最佳传输的中阶梯光栅多路复用器中，输入和输出波导是条形波导。这在图1中示出。条形波导具有光学模式中心，该光学模式中心在竖直方向上是物理中心。这最大限度地耦合到中阶梯光栅的平板区域，其光学模式中心在竖直方向上也是物理中心。
有两种常用的方法来拓宽信道带宽：(1)使输入波导的宽度不同于输出波导的宽度；以及(2)使用脊形波导，使得模式延伸到周围的脊形蚀刻区域。这在图2A至图2C中示出。第一种方法的问题是通过使输入模式宽度不同于输出模式宽度，失配降低了峰值传输，并且在性能上没有整体优势(如图3所示)。第二种方法的问题是脊形波导具有在竖直方向上不是物理中心的模式中心，并且这也降低了峰值传输，因此也没有看到性能上的总体益处(如图4所示)。
因此，期望增加多路复用器的信道带宽，同时不导致附加损耗。
发明内容
因此，在第一方面，本发明的实施方案提供了一种光学多路复用器，其包括：
多个输入波导，所述多个输入波导各自包括输入平板部分和输入脊形部分；
输出波导，所述输出波导包括输出平板部分和输出脊形部分；以及
波长多路复用器元件，所述波长多路复用器元件耦合到每个输入波导和所述输出波导，所述波长多路复用器元件包括平板波导，所述平板波导包括光栅，所述光栅被配置成将从所述输入波导接收的不同波长的信号多路复用为多路复用信号，并且将所述多路复用信号提供给所述输出波导；
其中所述输入波导中的一个或多个的所述输入脊形部分是锥形的，以便在朝向所述波长多路复用器元件的所述平板波导的方向上减小宽度。
输入脊形部分的锥形宽度显著地拓宽了光学模式宽度，因此多路复用器的信道在谱域中也对应地更宽。
光学多路复用器可以具有以下任选特征中的任一者或者在以下任选特征兼容的程度下具有以下任选特征的任何组合。
所有输入波导可以是锥形的，即它们的所有输入脊形部分可以是锥形的，以便在朝向波长倍增器元件的平板波导的方向上减小宽度。
如将容易理解的，多路复用器可以用作多路分解器，因为该装置是光学对称的(根据亥姆霍兹互易原理)。
输出波导可以是锥形的，例如输出脊形部分可以是锥形的，以便在朝向波导多路复用器元件的平板波导的方向上减小宽度。输出波导可以具有与所述输入波导或每个输入波导相的几何形状。
所述输入波导或每个输入波导可以是锥形的，即所述输入脊形部分或每个输入脊形部分可以是锥形的，使得所述输入波导或每个输入波导内的光学模式在所述输入波导耦合到所述波长多路复用器元件的所述平板波导的点处被限制到所述输入波导的所述平板部分。
所述输入波导的所述输入平板部分和/或所述输出波导的所述输出平板部分的高度可以基本上等于所述波长多路复用器元件中的所述平板波导的高度。
波长多路复用器元件可以是光栅波长多路复用器元件。波长多路复用器元件可以是中阶梯光栅多路复用器元件。波长多路复用器元件可以是阵列波导光栅多路复用器元件。
每个输入波导的光学模式可以与相邻输入波导的光学模式至少部分地重叠。
波长多路复用器元件可以被配置成执行粗波分复用。
光学多路复用器可以在至少1.2μm的波长范围内操作。
光学多路复用器可以形成光谱仪(例如拉曼光谱仪)或其他成像装置的一部分。光谱仪或成像装置可以位于光子集成芯片上。例如，其可以位于绝缘体上硅平台中。多路复用器可以在激光器(例如泵浦分布式布拉格反射激光器)的下游和一个或多个透镜的上游。
本发明包括所描述的方面和优选特征的组合，除非这种组合是明显不允许的或明确避免的。
附图说明
现在将参考附图通过示例描述本发明的实施方案，在附图中：
图1示出了基于中阶梯光栅的多路复用器；
图2A至图2C分别示出了图1的中阶梯光栅区域中的光学模式；
图3是其中图1的多路复用器中的输入波导在宽度上不同于输出波导的波长对传输的曲线图；
图4是其中在图1的多路复用器中提供脊形波导的波长对传输的曲线图；
图5是根据本发明的实施方案的输入波导的俯视图；
图6A至图6D示出了沿着图5的输入波导的点的截面图；
图7示出了沿着图5的输入波导的截面的电场密度的模拟；
图8A至图8D示出了沿着图5的输入波导的截面图的电场密度；
图9A示出了光学多路复用器；
图9B示出了图9A的光栅多路复用器的一部分的截面图；
图10A示出了光学多路复用器；
图10B示出了图10A的光学多路复用器的一部分的截面图；
图11A和图11B示出了锥形波导输入内的光学模式，以及对应波长对传输的曲线图；
图12A和图12B示出了脊形波导输入内的光学模式，以及对应波长对传输的曲线图；并且
图13A和图13B示出了条形波导输入内的光学模式，以及对应波长对传输的曲线图。
具体实施方式
现在将参考附图论述本发明的各方面和实施方案。本领域技术人员将明白其他方面和实施方案。
图5是根据本发明的实施方案的光学多路复用器中使用的输入波导500的俯视图。输入波导500具有输入面502，并连接到下面参考图9A讨论的类型的波长多路复用器元件的平板波导504。输入波导500包括输入脊形部分506和输入平板部分508，脊形部分从平板部分沿竖直方向(图5中的z轴线，其中y轴线沿着波导的引导方向)延伸。输入波导的输入脊形部分506是锥形的，因此在朝向波长多路复用器元件的平板波导504的方向上宽度(在x轴线上测量)减小。如虚线510a-510d所示，当光从输入面502传到平板波导504时，穿过输入波导500的光的光学模式变宽。随着输入脊形部分506变窄，光学模式被推入输入平板部分508，这导致光学模式扩展。
图6A至图6D分别示出了沿着图5中所述的线A-A’、B-B’、C-C’和D-D’的截面图。可以看出，随着输入脊形部分506变窄，位于输入脊形部分506内的光学模式510a-510c的部分在x方向(通常垂直于波导的引导方向y)上被挤压。最终，整个光学模式510d包含在输入平板区域508内，并且比图6A中所示的初始光学模式510a更宽。
虽然图5和图6A至图6D示出了输入波导，其中在输入面中接收光并将其提供给波长多路复用器元件的平板波导504，但是在多路复用器的一些示例中的输出波导具有与输入波导基本相同的几何形状。在这样的示例中，在输出面处离开输出波导之前，光从平板波导504耦合到输出脊形和平板部分中。因此，输出波导内的光的光学模式被向上推入输出脊形部分，并且因此与平板波导504内的模式相比变窄。
图7示出了沿着图5的输入波导的截面的电场密度的模拟。可以看出，随着光从左向右传播，它被向下推入较低的输入平板部分。图8A至图8D分别示出了沿着线A-A’、B-B’、C-C’和D-D’的图5的输入波导的截面图的电场密度。
图9A示出了根据本发明的实施方案的光学多路复用器900。光学多路复用器900包括波长多路复用器元件902，其被提供为具有多个齿的中阶梯光栅。波长多路复用器元件902经由平板波导904耦合到图5中所示的类型的多个输入波导906和输出波导908，在该示例中，该输出波导具有与输入波导相同的几何形状。
在使用中，多个光信号经由输入波导906进入光学多路复用器。这些信号在波长上被分离，并经由波长多路复用器元件902被多路复用。现在包括分离信号的组合的多路复用信号通过输出波导908被提供用于传输。当然，应当理解，该***是对称的，因此当多路复用信号从输出波导908耦合到波长多路复用器元件的平板波导904中时，多路复用器可以用作多路分解器。
图9B示出了图9A的光学多路复用器900沿着线A-A’的截面图。可以看出，在这一点上，输入脊形部分506已经充分变细，从而将包含在其中的光的光学模式510c基本上推入输入平板部分508。方便地，部分由于输入脊形部分506的接近，在模式之间可以看到大量重叠。
图10A示出了根据本发明的变型实施方案的光学多路复用器1000。光学多路复用器1000包括作为阵列波导光栅(AWG)提供的波长多路复用器元件1002。AWG 1002经由平板波导1004a和1004b耦合到图5中所示的类型的多个输入波导10006和输出波导10008，在该示例中，该输出波导具有与输入波导相同的几何形状。
同样，在使用中，多个光信号经由输入波导1006进入光学多路复用器1000。这些信号在波长上被分离，并且经由阵列波导光栅1002被多路复用。现在包括分离信号的组合的多路复用信号通过输出波导1008被提供用于传输。当然，应当理解，该***是对称的，因此当多路复用信号从输出波导1008耦合到波长多路复用器元件的平板波导1004b中时，多路复用器可以用作多路分解器1002。
图10B示出了图10A的光学多路复用器1000沿着线A-A’的截面图。可以看出，在这一点上，输入脊形部分506已经充分变细，从而将包含在其中的光的光学模式510c基本上推入输入平板部分508。方便地，部分由于输入脊形部分506的接近，在模式之间可以看到大量重叠。
图11A和图11B示出了锥形波导输入内的模拟光学模式，以及对应波长对传输的曲线图。如从图11B中可以看出，在保持高传输(大约-1dB)的同时实现了宽信道。相比之下，图12A和图12B示出了脊形波导输入内的模拟光学模式以及对应波长对传输的曲线图，并且图13A和图13B示出了条形波导输入内的模拟光学模式以及对应波长对传输的曲线图。脊形波导输入也表现出较宽的信道，但传输减少(约-2dB)。而条形波导保持较高的传输电平(约-1dB)，但是具有没有任何实质程度的重叠的较窄信道。
描述中或随附权利要求书中或附图中公开的以特定形式或依据用于执行所公开功能的构件或用于获得所公开结果的方法或工艺(视情况而定)表达的特征可单独地或以所述特征的任何组合用于以其多种形式实现本发明。
虽然已结合上述示例性实施方案描述了本发明，但本领域中的技术人员在考量本公开时将明白诸多等效修改和变化。因此，上文阐述的本发明的示例性实施方案应被视为是说明性的而非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可对所描述的实施方案作出各种改变。
为了避免任何疑义，本文提供的任何理论解释是出于提高读者的理解的目的而提供的。发明人不希望受这些理论解释中的任一者的束缚。
本文中所使用的任何章节标题仅出于组织目的，并且不应被视为限制所述的主题。
贯穿包括随附权利要求书的本说明书，除非上下文另外要求，否则词语“包含(comprise)”和“包括(include)”以及变型(诸如“包含(comprises/comprising)”和“包括(including)”)将被理解为暗指包括规定的整数或步骤或者整数或步骤的群组，但不排除任何其他整数或步骤或者整数或步骤的群组。
必须注意，除非上下文另外明确规定，否则说明书和随附权利要求中所使用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数指示物。范围在本文中可被表述为从“约”一个特定值和/或到“约”另一个特定值。当表述这种范围时，另一个实施方案包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表达为近似值时，将理解所述特定值形成另一实施方案。与数值相关的术语“约”是任选的并且意指例如+/-10％。

Claims (10)

1.一种光学多路复用器，其包括：
多个输入波导，所述多个输入波导各自包括输入平板部分和输入脊形部分；
输出波导，所述输出波导包括输出平板部分和输出脊形部分；以及
波长多路复用器元件，所述波长多路复用器元件耦合到每个输入波导和所述输出波导，所述波长多路复用器元件包括平板波导，所述平板波导包括光栅，所述光栅被配置成将从所述输入波导接收的不同波长的信号多路复用为多路复用信号，并且将所述多路复用信号提供给所述输出波导；
其中所述输入波导中的一个或多个的所述输入脊形部分是锥形的，以便在朝向所述波长多路复用器元件的所述平板波导的方向上减小宽度。
2.如权利要求1所述的光学多路复用器，其中所有所述输入波导都是锥形的，以便在朝向所述波长多路复用器元件的所述平板波导的方向上减小宽度。
3.如权利要求1或权利要求2所述的光学多路复用器，其中所述输出波导是锥形的，以便在朝向所述波长多路复用器元件的所述平板波导的方向上减小宽度。
4.如权利要求1至3中任一项所述的光学多路复用器，其中所述输入波导或每个输入波导是锥形的，使得所述输入波导或每个输入波导内的光学模式在所述输入波导耦合到所述波长多路复用器元件的所述平板波导的点处被限制到所述输入波导的所述平板部分。
5.如任一前述权利要求所述的光学多路复用器，其中所述输入波导的所述输入平板部分和/或所述输出波导的所述输出平板部分的高度基本上等于所述波长多路复用器元件中的所述平板波导的高度。
6.如任一前述权利要求所述的光学多路复用器，其中所述波长多路复用器元件是中阶梯光栅多路复用器元件。
7.如权利要求1至5中任一项所述的光学多路复用器，其中所述波长多路复用器元件是阵列波导光栅。
8.如任一前述权利要求所述的光学多路复用器，其中每个输入波导的光学模式与相邻的所述输入波导的所述光学模式至少部分地重叠。
9.如任一前述权利要求所述的光学多路复用器，其中所述波长多路复用器元件被配置成执行粗波分复用。
10.如任一前述权利要求所述的光学多路复用器，其能够在至少1.2μm的波长范围上操作。
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