一种基于阵列波导光栅的混合光合束-波分解复用器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于阵列波导光栅的混合光合束‑波分解复用器，包括衬底以及在衬底上自下而上依次排列的包层、导波层；导波层为图形层，沿水平面上向右方向依次刻蚀有输入波导、输入自由传输区、阵列波导、输出自由传输区和输出波导阵列，厚度均相同；本发明专利技术提供的基于阵列波导光栅的混合光合束‑波分解复用器集分波和合束于一身，下行通信时，可以像普通的阵列波导光栅(AWG)一样实现波分解复用功能，上行通信时，可以实现合束功能；可以在一定程度上降低无源光网络(PON)的建造成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成光子器件领域，更具体地，涉及一种基于阵列波导光栅的混合光合束-波分解复用器。
技术介绍
随着互联网技术的飞速发展，人们对网络带宽的需求不断增长。为了满足用户不断增长的带宽需求，光纤接入技术无源光网络(Passive Optical Network,PON)得到广泛应用。在现有的PON中，如EPON(Ethernet Passive Optical Network)和GPON(Gigabit Passive Optical Network)大都基于时分复用技术。下行信号采用广播的方式，通过光功率分束器将信号分配给每个光网络单元(Optical Network Unit,ONU)。ONU只接收发送给自己的指定数据；上行时分复用的方式，光线路终端(Optical Line Terminal,OLT)为所有ONU分配一个时隙，每个ONU只能在属于自己的时隙内发送数据，然后通过光功率分束器将所有ONU的信号合到一起，传送到OLT。基于时分复用的PON带宽有限，此外，光功率分束器的插入损耗很大且随着ONU数目的增加而不断增加(1:32的光功率分束器的插入损耗至少为15dB),因此会大大限制ONU数目及网络传输距离。近年来，随着高清电视，视频点播和网络游戏等互联网业务的兴起，传统的EPON和GPON已经无法满足用户对带宽的巨大需求。为此，又提出了波分复用(WDM)无源光网络，采用波分复用技术，利用波分复用/解复用器来代替光功率分束器，并且每个ONU各自都分配一个专用的上行和下
行波长。下行传输时，通过波分解复用器将对应波长的信号分配给相应的ONU；上行传输时，通过波分复用器将所有ONU的不同波长的信号整合到一根光纤，传送给OLT。因此在OLT与所有ONU之间实现了点对点传输，大大提高了网络带宽。在WDM-PON中，一般用阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating,AWG)来作为光波分复用/解复用器，相比使用光功率分束器的时分复用无源光网络，功率损耗大大降低，且损耗基本不随ONU数目增加而增加，因此极大降低了对传输距离和ONU数目的限制，以及提高传输信噪比，减少误码率。但是WDM-PON中需要大量的发射机和接收机，使其造价昂贵，难以得到大规模广泛应用。因此人们又提出各种能够降低成本的优化方案。其中，混合TWDM-PON能够很好的权衡性能和成本而引起广泛关注，即信号下行传输时，与一般的WDM-PON相同，通过波分解复用器将对应波长的信号分配给相应的ONU；信号上行传输时，所有ONU共用一个信号波长，采用时分复用技术，通过光功率分束器来实现合束。采用混合TWDM-PON需要分别用到的光模块中就需要包含独立的光波分解复用器以及光功率合束器，造成模块尺寸较大，结构复杂，成本高等问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于阵列波导光栅的混合光合束-波分解复用器，其目的在于，用于混合WDM-PON中，使之能够对下行信号实现解复用，同时对上行信号实现光功率合束。本专利技术的技术方案：一种基于阵列波导光栅的混合光合束-波分解复用器，包括衬底(9)以及在所述衬底(9)上自下而上依次排列生成的包层(8)和导波层(7)；所述导波层(7)上沿Z方向依次刻蚀有输入波导一(1)、输入波导二
(2)、输入自由传输区(3)、阵列波导(4)、输出自由传输区(5)和输出波导阵列(6)，它们厚度相同；其中，所述Y方向是指与衬底垂直的方向，所述Z方向是指沿水平面向右方向,即光传输方向；所述输入波导一(1)为刻蚀形成在导波层的矩形区域，其右侧与输入自由传输区(3)的左侧相连；输入波导二(2)为刻蚀形成在导波层的矩形区域，在靠近输入自由传输区(3)左上部和左下部各设一个，均与自由传输区(3)相连；输入波导一和输入波导二的作用是将光纤中的光导引入该器件；所述输入自由传输区(3)在波导层上刻蚀形成，其左侧为向左方外凸的弧形即罗兰圆弧，与输入波导一(1)相连；其右侧为向右外凸弧形即光栅圆弧，其曲率半径是所述罗兰圆弧的两倍，与阵列波导(4)左侧相连，；输入自由传输区(3)的作用是用于光的自由传输，实现夫琅禾费衍射；所述输出自由传输区(5)与输入自由传输区(3)在光传播方向上镜像对称，其右侧罗兰圆弧为输出端，与输出波导阵列(6)的左侧相连；其左侧光栅圆弧与阵列波导(4)相连；输出自由传输区(5)的作用也是用于光的自由传输，实现夫琅禾费衍射；所述阵列波导(4)为波导层上刻蚀形成的一组条形波导，每个条形波导两端为矩形，中间为圆弧状，阵列波导(4)左端为其输入端，其各个条形波导与光栅圆弧相连，并且在连接处等间距排列；阵列波导的右侧为其输出端，其端面各个条形波导与输出自由传输区(5)的左侧输入光栅圆弧相连，并且在连接处等间距排列；输出波导阵列(6)由波导层上刻蚀形成的一组等间距排列的条形波导组成，用于将输出光耦合到输出的光纤阵列中去；条形波导数量和后面的光纤阵列相同。进一步的，所述的混合光合束-波分解复用器用于下行和上行工作时，阵列波导(4)依其各条形波导的长度特征，可等效为第一阵列波导和第二
阵列波导，两个阵列波导(即第一阵列波导和第二阵列波导)中相邻条形波导的长度差均满足公式ΔL＝mλ0/nc,λ0是波分解复用的中心波长，nC是λ0所对应的等效折射率，m为正整数；其中：第一波导阵列中，m取值优选为80-90；第二波导阵列中，m取值优选为1-3。进一步的，当该复用器用于下行工作时，阵列波导(4)的第一阵列波导与普通阵列波导光栅AWG相同，其相邻条形波导的长度差均满足公式ΔL0＝mλ0/nc,所述阵列波导(4)的第二阵列波导满足ΔL1＝mλ0/nc,也就是说相邻通道的光程差是波长的整数倍，相位差是2π的整数倍，使其对波分解复用不产生影响，即第二阵列波导对下行中心波长透明，且其长度又比第一阵列波导小很多，因此对下行工作几乎不产生影响；下行工作用于光波分解复用，工作时，输入波导一(1)接收入射的多个波长的光束，经自由传输区(3)发生夫琅禾费衍射，在阵列波导(4)的左侧输入端面得到入射场的衍射远场分布，然后耦合进入阵列波导(4)中；因阵列波导(4)端面位于光栅圆上，因此衍射光场以相同的相位到达阵列波导(4)的左侧输入端面；经阵列波导(4)传输后，因相邻的第一阵列波导保持有相同的长度差，且第二阵列波导对下行工作几乎没有影响，因而对下行复用的各个波长而言，在阵列波导(4)输出端，相邻的阵列波导的输出光保持有相同的相位差，对于不同波长的光，此相位差不同；于是，不同波长的光从阵列波导(4)出射，在输出自由传输区(5)再次发生夫琅禾费衍射并聚焦到不同的输出波导(6)位置处；经输出波导(6)，其每一个输出波导接收并导引一个波长的光，接收被色散开的各个波长的光，实现了多个波长光的波长分配即下行波分解复用的功能。进一步的，所述的混合光合束-波分解复用器用于上行时，第二阵列波导结构中各条形波导长度不同，靠近中间的条形波导长度最大，向两侧依
次减小，长度差别呈等腰三角形状，中部最长，两端最短，相邻波导长度差ΔL1由公式ΔL1＝m′λ0/nc,m′＝1,2,3确定，因此第二阵列波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于阵列波导光栅的混合光合束‑波分解复用器，其特征在于，包括衬底(9)以及在所述衬底(9)上自下而上依次排列生成的包层(8)和导波层(7)；所述导波层(7)上沿Z方向依次刻蚀有输入波导一(1)、输入波导二(2)、输入自由传输区(3)、阵列波导(4)、输出自由传输区(5)和输出波导阵列(6)，它们厚度相同；其中，所述Y方向是指与衬底垂直的方向，所述Z方向是指沿水平面向右方向,即光传输方向；所述输入波导一(1)为刻蚀形成在导波层的矩形区域，其右侧与输入自由传输区(3)的左侧相连；输入波导二(2)为刻蚀形成在导波层的矩形区域，在靠近输入自由传输区(3)左上部和左下部各设一个，均与自由传输区(3)相连；输入波导一和输入波导二的作用是将光纤中的光导引入该器件；所述输入自由传输区(3)在波导层上刻蚀形成，其左侧为向左方外凸的弧形即罗兰圆弧，与输入波导一(1)相连；其右侧为向右外凸弧形即光栅圆弧，其曲率半径是所述罗兰圆弧的两倍，与阵列波导(4)左侧相连，；输入自由传输区(3)的作用是用于光的自由传输，实现夫琅禾费衍射；所述输出自由传输区(5)与输入自由传输区(3)在光传播方向上镜像对称，其右侧罗兰圆弧为输出端，与输出波导阵列(6)的左侧相连；其左侧光栅圆弧与阵列波导(4)相连；输出自由传输区(5)的作用是用于光的自由传输，实现夫琅禾费衍射；所述阵列波导(4)为波导层上刻蚀形成的一组条形波导，每个条形波导两端为矩形，中间为圆弧状，阵列波导(4)左端为其输入端，其各个条形波导与光栅圆弧相连，并且在连接处等间距排列；阵列波导的右侧为 其输出端，其端面各个条形波导与输出自由传输区(5)的左侧输入光栅圆弧相连，并且在连接处等间距排列；输出波导阵列(6)由波导层上刻蚀形成的一组等间距排列的条形波导组成，用于将输出光耦合到输出的光纤阵列中去；条形波导数量和后面的光纤阵列相同。...

【技术特征摘要】
1.一种基于阵列波导光栅的混合光合束-波分解复用器，其特征在于，包括衬底(9)以及在所述衬底(9)上自下而上依次排列生成的包层(8)和导波层(7)；所述导波层(7)上沿Z方向依次刻蚀有输入波导一(1)、输入波导二(2)、输入自由传输区(3)、阵列波导(4)、输出自由传输区(5)和输出波导阵列(6)，它们厚度相同；其中，所述Y方向是指与衬底垂直的方向，所述Z方向是指沿水平面向右方向,即光传输方向；所述输入波导一(1)为刻蚀形成在导波层的矩形区域，其右侧与输入自由传输区(3)的左侧相连；输入波导二(2)为刻蚀形成在导波层的矩形区域，在靠近输入自由传输区(3)左上部和左下部各设一个，均与自由传输区(3)相连；输入波导一和输入波导二的作用是将光纤中的光导引入该器件；所述输入自由传输区(3)在波导层上刻蚀形成，其左侧为向左方外凸的弧形即罗兰圆弧，与输入波导一(1)相连；其右侧为向右外凸弧形即光栅圆弧，其曲率半径是所述罗兰圆弧的两倍，与阵列波导(4)左侧相连，；输入自由传输区(3)的作用是用于光的自由传输，实现夫琅禾费衍射；所述输出自由传输区(5)与输入自由传输区(3)在光传播方向上镜像对称，其右侧罗兰圆弧为输出端，与输出波导阵列(6)的左侧相连；其左侧光栅圆弧与阵列波导(4)相连；输出自由传输区(5)的作用是用于光的自由传输，实现夫琅禾费衍射；所述阵列波导(4)为波导层上刻蚀形成的一组条形波导，每个条形波导两端为矩形，中间为圆弧状，阵列波导(4)左端为其输入端，其各个条形波导与光栅圆弧相连，并且在连接处等间距排列；阵列波导的右侧为 其输出端，其端面各个条形波导与输出自由传输区(5)的左侧输入光栅圆弧相连，并且在连接处等间距排列；输出波导阵列(6)由波导层上刻蚀形成的一组等间距排列的条形波导组成，用于将输出光耦合到输出的光纤阵列中去；条形波导数量和后面的光纤阵列相同。2.如权利要求1所述的混合光合束-波分解复用器，其特征在于，用于下行和上行工作时，阵列波导(4)依其各条形波导的长度特征，可等效为第一阵列波导和第二阵列波导，两个阵列波导中相邻条形波导的长度差均满足公式ΔL＝mλ0/nc,λ0是波分解复用的中心波长，nC是λ0所对应的等效折射率，m为正整数。3.如权利要求1所述的混合光合束-波分解复用器，其特征在于，第一波导阵列中，m取值为80-90；第二波导阵列中，m取值为1-3。4.如权利要求2或3所述的混合光合束-波分解复用器，其特征在于，当该复用器用于下行工作时，阵列波导(4)的第一阵列波导与普通阵列波导光栅AWG相同，其相邻条形波导的长度差均满足公式ΔL0＝mλ0/nc,；所述阵列波导(4)的第二阵列波导满足ΔL1＝mλ0/nc,也就是说相邻通道的光程差是波长的整数倍，相位差是2π的整数倍，使其对波分解复用不产生影响，即第二阵列波导对下行中心波长透明，且其长度又比第一阵列波导小很多，因此对下行工作几乎不产生影响；下行工作用于光波分解复用，工作时，输入波导一(1)接收入射的多个波长的光束，经自由传输区(3)发生夫琅禾费衍射，在阵列波导(4)的左侧输入端面得到入射场的衍射远场分布，然后耦合进入阵列波导(4)中；因阵列波导(4)端面位于光栅圆上，因此衍射光场以相同的相位到达阵列波导(4)的左侧输入端面...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洵，李春生，邱新友，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42