专利名称：基于平面光波导集成的单纤三向波分器的制作方法
技术领域：
本发明属于光接入网(Optical Access Network, 0AN)技术领域，涉及一种基于平面光 波导集成的单纤三向波分器，特别涉及到在光接入网中用于实现光纤到户(Fiber To The Home, FTTH)的波分器件。
背景技术：
随着光通信技术的快速发展，用户对于带宽的需求也不断提高，非对称数字用户线路( Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL)接入方式的带宽逐渐成为网络应用的瓶颈， 而光纤到户(FTTH)在带宽方面的优势使得它成为新一代接入网技术发展的主流。
FTTH满足了数据、语音、CATV等综合业务对高带宽的需求。根据ITU-T标准规定，在 FTTH接入网中分别由三个波段的光波承载信号的传输，其中1490nm波长和1550nm波长的光作 为下行信息传输窗口，分别承载下行的数据信号和CATV模拟信号，1310nm波长的光作为上行 信息传输窗口，承载上行的数据信号；3个波长的带宽要求不同，分别为20nm、 10nm和100nm 。单纤三向波分器的可以实现对上述三种波长光的复用/解复用功能。
FTTH的广泛应用尚需进一步降低FTTH接入网的成本，尤其是FTTH接入网中相关器件的成 本，因此低成本、高性能的单纤三向波分器是FTTH能否得到广泛应用的关键因素之一。
目前单纤三向波分器产品多采用分立的光学元件实现上述三个波长光波的分离。这些分 立的器件体积较大、制备工艺复杂，不利于器件的集成。基于平面集成光波回路技术可实现 单纤三向波分器小体积、集成化和低成本。以下是目前已报道的基于平面光波回路的三类单 纤三向波分器
Han-Sung Bae， Hyun-Shik lee， Kyong-Hon Kim et al. A triplexer optical transceiver module using cascaded directional couplers. Proc. of SPIE， Vol. 6124， 61241L, 2006.中报道的基于级联型定向耦合结构的单纤三向波分器，采用平面光路 (PLC)技术，将直波导定向耦合区以级联集成形式实现波分复用功能。该器件在1310nm波长 处的输出带宽为20nm左右(插入损耗小于-ldB)，未能达到ITU-T规定。
Jeong Hwan Song, Kyoung-Youm Kim， Jaegeol Cho. Thin Film Filter-Embedded Triplexing-Filters Based on Directional Couplers for FTTH Networks. IEEE Photonics Technology Letters, 2005， 17(8): 1668-1670.中报道的嵌入式薄膜滤光片与定向耦合结构结合的单纤三向波分器带宽未能够满足ITU-T规定，插入损耗也较大。
Mohamed H. Al-Gafy， Diaa Khalil. FTTH triplexer design using asymmetric
Y-junction with etched branch. IEEE Photonics Technology Letters, 2007， 19(15):
1157-1159.中报道的采用刻空气槽方式的非对称Y分支单纤三向波分器具有偏振相关性，只
对两种光波偏振模式中的一种具有良好的滤波特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供基于平面光波导集成的单纤三向波分器。 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
本发明的单纤三向波分器包括空气槽、第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直 波导、第五直波导、第六直波导、第七直波导、第八直波导、第九直波导、第十直波导、第 一余弦波导、第二余弦波导、第三余弦波导、第四余弦波导和第五余弦波导。
所有波导和空气槽处于同一平面内，所有直波导均竖直放置。
空气槽位于第一直波导左侧，其俯视图呈直角三角形状。 一个直角边与第一直波导长度 相等，且与第一直波导左侧边缘重合；另一直角边位于第一直波导的上端口处； 第二直波导下端口与第一直波导下端口重合，并向右倾斜；
第三直波导，位于第二直波导上端口的正上方，其下端口与第二直波导上端口连接； 第四直波导，位于第一直波导左上方，且其下端口与第一直波导上端口在竖直方向上不 相接触；
第一余弦波导， 一端与第一直波导的上端口连接，另一端与第四直波导下端口连接； 第五直波导，位于第三直波导正上方且不相连；
第六直波导，位于第三直波导右上方，位于第五直波导右下方，且第六直波导的长度小
于第三直波导上端口与第五直波导下端口的距离；
第二余弦波导， 一端与第三直波导的上端口连接，另一端与第六直波导下端口连接； 第三余弦波导， 一端与第六直波导的上端口连接，另一端与第五直波导下端口连接； 第七直波导、第八直波导、第四余弦波导、第五余弦波导分别对应第五直波导、第六直
波导、第二余弦波导、第三余弦波导，位于其右侧呈轴对称分布；
第九直波导，位于第五直波导左侧，其长度小于第五直波导且与之平行； 第十直波导，位于第七直波导右侧，其长度小于第七直波导且与之平行。 空气槽、第一直波导、第二直波导组成非对称Y分支结构，用来分离1310nm与1490nm和1550nm波长的光。第六直波导和第八直波导组成一个定向耦合区，用来分离1490nm与1550nm 波长的光。第五直波导和第九直波导，第七直波导和第十直波导分别组成定向耦合区域，用 来减少对各自输出波长的串扰。
第四直波导上端口作为1310nm波长光的输入端口，第五直波导上端口作为1490nm波长光 的输出端口，第七直波导上端口作为1550nm波长光的输出端口，第一直波导或第二直波导下 端口作为1310nm波长光的输出端口 ，同时作为1490nm和1550nm波长光的输入端口 。
本发明的有益效果是
(1) 本发明单纤三向波分器在实现1310nm、 1490nm和1550nm三种波长及相应ITU-T规定 带宽内光波的复用/解复用的同时，具有偏振无关、串扰低的优点。
(2) 采用常规的无机波导材料(如硅基二氧化硅、玻璃等)或有机聚合物波导材料， 利用成熟的平面光波回路加工工艺可以制备本发明单纤三向波分器，因此本发明单纤三向波 分器具有集成度高、成本低的优点。
图1是基于平面光波导集成的单纤三向波分器结构图。
图2是基于平面光波导集成的单纤三向波分器具体实施例图。
图3是图2中虚线方框内的波导横截面结构图。
图4是两种光波模式下第一直波导和第二直波导的色散曲线图。
图5是直波导定向耦合区工作原理图。
图中
l第一直波导；2第二直波导；3第三直波导；4第四直波导；5第五直波导；6第六直波导 ;7第七直波导；8第八直波导；9第九直波导；IO第十直波导；ll第一余弦波导；12第二余 弦波导；13第三余弦波导；14第四余弦波导；15第五余弦波导；16空气槽；
a为1310nm波长光的输出端口或1490nm、 1550nm波长光的输入端口 ； b为131 Onm波长光的输入端口 ； c为1490nm波长光的输出端口 ； d为1550nm波长光的输出端口；
L为器件总长度；k为波导6与波导8组成的定向耦合区长度；L2波导9与波导5组成的定 向耦合区长度；L3为波导7与波导10组成的定向耦合区长度；U为非对称Y分支长度；
Ch为波导6与波导8之间的距离；d2为波导9与波导5之间的距离；d3为波导7与波导10之间
的距离；cU为非对称Y分支的分支口距离；
6wi为波导5上端口与波导7上端口之间的距离；W2为波导4上端口与波导5上端口之间的距
离；
P、 q为直波导；
x表示平行于横截面两波导连线方向；
y表示波导中光功率；
z表示光在波导中的传输方向。
具体实施例方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。 实施例
如图2，空气槽16位于第一直波导1的左侧且与之相临； 第一余弦波导l 1的下端口与第一直波导l的上端口连接； 第四直波导4的下端口与第一余弦波导l 1的上端口连接；
第二直波导2的下端口与第一直波导1的下端口重合，且向右倾斜，上端口与第一直波导 l相平；
第三直波导3的下端口与第二直波导2的上端口连接； 第二余弦波导12的下端口与第三直波导3的上端口连接；
第六直波导6的下端口与第二余弦波导12的上端口连接； 第三余弦波导13的下端口与第六直波导6的上端口连接； 第五直波导5的下端口与第三余弦波导13的上端口连接； 第八直波导8的下端口与第四余弦波导14的上端口连接； 第五余弦波导15的下端口与第八直波导8的上端口连接； 第七直波导7的下端口与第五余弦波导15的上端口连接；
第七直波导7、第八直波导8、第四余弦波导14、第五余弦波导15分别对应第五直波导5 、第六直波导6、第二余弦波导12、第三余弦波导13，位于其右侧呈轴对称分布；
第九直波导9位于第五直波导5左侧，且与之平行；
第十直波导10位于第七直波导7右侧，且与之平行。
波导4上端口与波导5上端口之间的距离W2为125 y m，波导5上端口与波导7上端口之间的 距离wi为125ym，器件总长度L小于25mm;非对称Y分支长度U为10000 13000 y m，分支口 距离cU为ll 15um;波导6与波导8组成的定向耦合区长度k为2498 2510ym，两波导之间的距离ch为2. 5 3ym;波导9与波导5组成的定向耦合区长度L2为3026 3039 y m，两波导之 间的距离d2为3 3. 5ym;波导7与波导10组成的定向耦合区长度L3为2796 2810 y m，两波 导之间的距离d3为2. 5 3ym;
波导l、波导4和波导ll的宽度都为1.9士0.01ym，波导5-15的宽度为1. 5±0. 01 y m。波 导2是下端口宽度为1.32um，上端口宽度为1.39um的锥形波导。波导3是下端口宽度为 1.39ym，上端口宽度为l. 5 y m的锥形波导。空气槽16呈三角形状，处于上端口的一直角边 长度为2 2. 6y m。
如图3，波导芯层折射率为1.52，包层折射率为1.47。所有波导的高度均为1.5士0.008 ym。空气槽的高度大于1.5um，且其底部要低于波导芯层。
该单纤三向波分器的工作过程如下
(1) 空气槽16、波导l、波导2组成非对称Y分支结构，用来分离1310nm与1490nm、 1550nm波长的光。
如图4，波导1的TE模式与TM模式色散曲线不重合，波导2的TE模式与TM模式色散曲线重 合。对于TE模式，波导1的色散曲线比波导2的色散曲线陡峭，两曲线相交，其交点在1360nm 至1480nm范围内。对于TM模式，由于波导l的色散曲线不与TE模式时重合，则波导1与波导2 的交点也不与TE模式时重合，但仍在1360nm至1480nm范围内。
当光传输到由波导1和波导2构成的分支口处时，如果分支波导间夹角很小，那么光波基 模总是耦合到有效折射率相对较高的那个分支中去。所以，在TE模式下，光从a端口输入， 对于1310nm及其100nm带宽范围内波长的光，波导l有效折射率高，从而在波导l中传输。
同理，在TE模式下，光从a端口输入，对于1490nm及其20nm带宽范围内和1550nm及其 10nm带宽范围内波长的光，波导2有效折射率高，从而在波导2中传输。
TM模式下同理。并且根据光路可逆原理，1310nm及其100nm带宽范围内波长的光从b端口 输入，则可以从a端口输出。
(2) 波导6和波导8组成一个定向耦合区域，用来分离1490nm和1550nm波长的光。波导5 和波导9、波导7和波导10分别组成定向耦合区域，用来减少对各自输出波长及带宽范围内的 串扰。
定向耦合区是指两个相互平行的光波导相距很近(几微米)时组成的结构。当两个波导分 别独立存在时，它们都可以看成是规则波导，两波导中的导模相互独立传输。但当两波导相 距很近时，波导模式分布发生了畸变，从而引起两波导中的导模相互耦合，产生功率交换。 如图5，波导p中的导模在波导间隙中的衰减场透入到波导q中，激励起波导q的导模，并将波导P中的光功率转移到波导q中。反之，波导q中的光功率又转移到波导P中。在沿z方向的传 输过程中，两波导中的导模功率不断交替转换。
一个波导中的导模功率由最大值变为最小值(或由最小值变为最大值)时，光沿z方向传 播的距离称为耦合长度。当波导各光学参数和结构参数保持不变时，耦合长度随波长的增加 而减小，即不同波长的光在定向耦合区中传输相同的距离时，在两端口的输出功率不同。根 据这一原理，波导6和波导8组成的定向耦合区，将1490nm和1550nm波长的光分开。同时，波 导5和波导9、波导7和波导10分别组成定向耦合区域，用来减少对各自输出波长及带宽范围 内的串扰。
如图2所示，1310nm及其100nm带宽范围内波长的光从b端口输入，经过波导4、波导ll、 波导l，从a端口输出。1490nm及其20nm带宽范围内波长的光从a端口输入，经过波导2、波导 3、波导12、波导6和波导8组成的定向耦合区、波导13、波导9和波导5组成的定向耦合区， 从c端口输出。1550nm及其10nm带宽范围内波长的光从a端口输入，经过波导2、波导3、波导 12、波导6和波导8组成的定向耦合区、波导15、波导7和波导10组成的定向耦合区，从d端口 输出。从而实现1310nm、 1490nm和1550nm光波及其相应带宽范围内的波分复用/解复用。
权利要求
1.一种基于平面光波导集成的单纤三向波分器，其特征在于非对称Y分支结构用来分离1310nm与1490nm和1550nm波长的光；定向耦合结构用来分离1490nm与1550nm波长的光；平面光波导集成单纤三向波分器包括第一直波导(1)、第二直波导(2)、第三直波导(3)、第四直波导(4)、第五直波导(5)、第六直波导(6)、第七直波导(7)、第八直波导(8)、第九直波导(9)、第十直波导(10)、第一余弦波导(11)、第二余弦波导(12)、第三余弦波导(13)、第四余弦波导(14)、第五余弦波导(15)和空气槽(16)；空气槽(16)、第一直波导(1)和第二直波导(2)组成非对称Y分支结构；第六直波导(6)和第八直波导(8)、第五直波导(5)和第九直波导(9)、第七直波导(7)和第十直波导(10)分别组成各自的定向耦合结构；所有波导和空气槽处于同一平面内，直波导均竖直放置。
2.根据权利要求l所述的基于平面光波导集成单纤三向波分器，其特征还在于 空气槽(16)位于第一直波导(1)左侧，其俯视图呈直角三角形状； 一个直角边与第一直 波导(l)长度相等，且与第一直波导(l)左侧边缘重合；另一直角边位于第一直波导(l)的上 端口处；第二直波导(2)下端口与第一直波导(1)下端口重合，并向右倾斜；第三直波导(3)，位于第二直波导(2)上端口的正上方，其下端口与第二直波导(2)上端 口连接；第四直波导(4)，位于第一直波导(l)左上方，且其下端口与第一直波导(l)上端口在竖 直方向上不相接触；第一余弦波导(ll)， 一端与第一直波导(l)的上端口连接，另一端与第四直波导(4)下端 口连接；第五直波导(5)，位于第三直波导(3)正上方且不相连；第六直波导(6)，位于第三直波导(3)右上方，位于第五直波导(5)右下方，且第六直波 导(6)的长度小于第三直波导(3)上端口与第五直波导(5)下端口的距离；第二余弦波导(12)， 一端与第三直波导(3)的上端口连接，另一端与第六直波导(6)下端 口连接；第三余弦波导(13)， 一端与第六直波导(6)的上端口连接，另一端与第五直波导(5)下端 口连接；第七直波导(7)、第八直波导(8)、第四余弦波导(14)、第五余弦波导(15)分别对应第五 直波导(5)、第六直波导(6)、第二余弦波导(12)、第三余弦波导(13)，位于其右侧呈轴对称 分布；第九直波导(9)，位于第五直波导(5)左侧，其长度小于第五直波导(5)且与之平行； 第十直波导(IO)，位于第七直波导(7)右侧，其长度小于第七直波导(7)且与之平行。
全文摘要
本发明公开了一种基于平面光波导集成的单纤三向波分器，属于光接入网技术领域。其特征是采用非对称Y分支波导结构将1310nm与1490nm、1550nm波长的光分离，采用定向耦合波导结构将1490nm与1550nm波长的光分离。本发明的有益效果是该基于平面光波导集成的单纤三向波分器可以实现1310nm、1490nm和1550nm三种波长及相应ITU-T规定带宽内光波的复用/解复用功能，具有偏振无关、串扰低、集成度高、成本低的优点。
文档编号G02B6/28GK101526648SQ20091030137
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月7日 优先权日2009年4月7日
发明者柏婧娜, 王锦艳, 赵明山, 蹇锡高, 金婷婷, 韩秀友 申请人:大连理工大学