專利名稱：激模波導結構三分支光分路器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光通信系統(tǒng)和光信息處理系統(tǒng)中的關鍵器件，特指一種激模波導結構三 分支光分路器。在光通信系統(tǒng)、光纖用戶網、光纖有線電視網、光局域網和無源光網絡等領
域中被廣泛應用，是光無源接入網(PON)的核心部件。
背景技術：
在光接入網中，需要實現對光路連接，光信號功率分配等，光分路器起著重要的作用。 同時在集成光學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和全 光波長轉換器等光學集成器件中重要的光波導器件單元之一，獲得廣泛應用。但是由于傳統(tǒng) 的Y型分路器在分支點附近存在模式轉換和輻射損耗，只有在分支角很小的情況下可忽略不 計。這樣就造成級聯式分路器拉的很長而導致器件的結構不緊湊；同時分支角較小也對制造 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Y分支提出了 改進措施，如將尖分角用圓角或方角來代替等。雖然理論和實驗都取得了比較滿意的結果， 但是幾何結構復雜，牽動的因素較多，給設計和制造工藝上都帶來了不少的難度。 發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是要提供一種激模波導結構三分支光分路器，在輸入端采用了直錐形波導 來減小器件的尺寸，采用激模波導結構改變光場模式來改善分支部位的耦合效率，并且通過 對輸出分支波導結構的優(yōu)化來降低彎曲損耗，最后采用過渡錐形波導來提高器件的均勻性和 容差性。另外激模波導結構1x3分支波導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分支波導所需少的多，大大降低了插入損耗。
激模波導結構三分支光分路器，由單模直波導、突變分界面的激模波導組成，其特征在
于單模直波導為直錐形波導，在突變分界面的激模波導后增加了兩過渡錐形波導，輸出端 由原有的兩分支波導變?yōu)槿种Р▽В瑑蛇厪澢▽Р捎糜嘞覐澢▽?，中間的直波導不加 入過渡錐形波導，來達到三分支波導高均勻性的輸出，單模直錐形波導、突變分界面的激模 波導、兩過渡錐形波導和對稱輸出的三分支波導依次串接構成。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
(1) 該激模波導結構lx3光分路器，在其輸入端釆用直錐形波導來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直波導，在損 耗差別不大的情況下，減小了器件尺寸。
(2) 該激模波導結構1x3光分路器采用激模波導結構利用輻射模和本征基模的疊加來修正光
波場，通過改善模匹配來降低分支耦合損耗。
(3) 該激模波導結構1x3光分路器在兩彎曲波導的輸出端加入過渡錐形波導來降低損耗和優(yōu) 化分路器的輸出均勻性。
(4)該激模波導結構lx3光分路器具有均勻性好、器件尺寸小、易于集成、損耗小和結構簡 單等優(yōu)點；以下結合附圖和實施示例對本發(fā)明作進一步說明。


圖1是普通Y分支分束器原理示意圖。
圖2是激模波導結構1^3光分路器原理示意圖。
圖3是加入過渡錐形波導和優(yōu)化輸出分支的激模波導結構1x3光分路器的結構示意圖。 圖4是無過渡錐形波導的激模波導結構1x3光分路器輸出光斑圖。 圖5是加過渡錐形波導激模波導結構1x3光分路器輸出場強圖。 圖6是加過渡錐形波導激模波導結構1x3光分路器輸出光斑圖。
其中、圖2中標號分別代表巧、^分別為單模直錐形波導的輸入端寬度和輸出端寬度、 『3激模波導寬度，^為三分支波導輸出寬度；A為單模直錐形波導的長度，丄2為激模波導 的長度，丄3為輸出三分支波導的長度；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、2為直錐形波導、3為突變分界面的激模波導、4為過渡錐形
波導、5為輸出直波導、6為輸出余弦彎曲波導。
具體實施方式

圖1的激模波導結構1x2分支波導單元是構成1x16、 1x32等多分支分路器必不可少的 關鍵器件，由于輸出彎曲波導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0.027dB。
如圖2、圖3所示，本發(fā)明由一根直錐形波導2、突變分界面的激模波導3、兩過渡錐形
波導4和對稱輸出的三分支波導5、 6依次連接而成。實現了光信號在沿Z軸方向傳播時均勻
的分為三束，同時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數，降低了大集成矩陣的插入損耗。
圖3所示的激模波導結構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的二氧化硅波導層。通過調節(jié)摻Ge濃度控制相對折射率，調節(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3的寬度和長度分別為8/^、 195//m,通過數值分析計算，本發(fā) 明的分支耦合系數達到了 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，輸出端兩邊對稱的過渡錐形波導4的輸入端和輸出端寬度分別為2.5/^、 2//w，中
間的直波導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情況下通過BPM軟件計算得到的輸出光斑圖,三個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4情況下通過BPM軟件計算得到的輸出場強分布圖和輸 出光斑圖，從兩圖可知本發(fā)明達到了很高的輸出均勻性,計算得出輸出的不均勻度最大可達到 0.015dB。為了降低兩彎曲輸出波導的彎曲損耗采用了余弦彎曲波導，將彎曲損耗降到很低，余弦彎曲波導的寬度為2/z/n。
本發(fā)明的激模波導結構1x3光分路器通過串聯可以構成lxN (N〉 2)波導型分束器陣列， 相對于傳統(tǒng)Y型lx2光分路器單元所構成的陣列，大大減少了單元器件的數量和插入損耗。 本發(fā)明的工作原理如下-
入射基模&在單模直錐形波導2中傳播時，入射基模s,的場能量主要集中在波導芯層沿 z軸方向傳播。光在直錐形波導中傳播時由于單模直錐形波導的輸入寬度與輸出寬度不同， 而導致發(fā)生散射損耗和模式轉換損耗，為降低和避免這種損耗對器件性能的影響，本發(fā)明設 計的直錐形波導的輸入輸出寬度的變化很小，這樣直錐形波導接近于單模直波導，在傳播的 過程中發(fā)生模式轉化的幾率非常小。當入射基模^沿直錐形波導傳播到激模波導處，由于波 導寬度發(fā)生突變，在突變端的波導中激勵起連續(xù)譜輻射模^和本征基模6， &和&在激模波 導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穩(wěn)定的狀態(tài)模式￡3，由 于波導結構以對稱的三分支結構為輸出端,&最后轉化為出射波導的模&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
<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 激模波導的作用是調節(jié)基模和輻射模，使其疊加成一個與epsilon4相匹配的場分布epsilon3來提高耦合效 率，降低損耗。
權利要求1、激模波導結構三分支光分路器，由單模直波導(1)、突變分界面的激模波導(3)組成，其特征在于單模直波導(1)為直錐形波導(2)，在突變分界面的激模波導(3)后增加了兩過渡錐形波導(4)，輸出端由原有的兩分支波導變?yōu)槿种Р▽?，兩邊彎曲波導采用余弦彎曲波?6)，中間的直波導(5)不加入過渡錐形波導(4)；單模直錐形波導(2)、突變分界面的激模波導(3)、兩過渡錐形波導(4)和對稱輸出的三分支波導(5)、(6)依次串接構成。
專利摘要激模波導結構三分支光分路器，涉及光通信系統(tǒng)和光信息處理系統(tǒng)中的關鍵器件，由單模直波導(1)、突變分界面的激模波導(3)組成，其特征在于單模直波導(1)為直錐形波導(2)，在突變分界面的激模波導(3)后增加了兩過渡錐形波導(4)，輸出端由原有的兩分支波導變?yōu)槿种Р▽В瑑蛇厪澢▽Р捎糜嘞覐澢▽?6)，中間的直波導(5)不加入過渡錐形波導(4)，來達到三分支波導高均勻性的輸出，單模直錐形波導(2)、突變分界面的激模波導(3)、兩過渡錐形波導(4)和對稱輸出的三分支波導(5)、(6)依次串接構成。本實用新型具有均勻性好、器件尺寸小、易于集成、損耗小和結構簡單等優(yōu)點。
文檔編號G02B6/28GK201177670SQ200720038008
公開日2009年1月7日 申請日期2007年5月25日 優(yōu)先權日2007年5月25日
發(fā)明者佟西周, 駿 周 申請人:江蘇大學