光定向耦合器用于4通道CWDM复用器/解复用器的设计方法与流程

本发明涉及光定向耦合器，特别是涉及光定向耦合器用于4通道cwdm复用器/解复用器的设计方法。

背景技术：

1、波分复用(wdm)被认为是通过在单模光纤中传输多个波长载波来扩大数据中心服务器、交换机和路由器中的数据链路容量的最有前途的技术。然而，密集波分复用(dwdm)的信道间隔非常小(例如0.2nm)，因此需要将热电冷却器(tec)用于激光二极管以防止波长漂移，但这将导致功耗和成本的增加。确保波长在dwdm栅格上的精确波长激光器的制造是极其困难的，通常需要用可调谐激光二极管，使得波长被控制并锁定在dwdm栅格上，但这会使得dwdm收发器应用于数据中心时非常耗电且成本高昂，而应用于数据中心的收发器需要的是低成本和低功耗才具有商业价值。

2、cwdm4的目标是通过o波段的四个波长信道，即1.271um、1.291um、1.311um和1.331um，实现用于短距离数据中心连接的低成本的100gb/s(4x25gb/s)光接口。四信道粗波分复用(cwdm)滤波器是cwdm4收发器中的关键器件，在单模光纤中用于对波长载波进行解复用。最近，通过使用硅集成光子电路，已经演示了各种cwdm滤波器，包括基于倾斜多模干涉耦合器(mm i)、布拉格光栅和马赫-曾德尔干涉仪(mz i)的滤波器。基于mm i的cwdm滤波器可以提供低串扰(<20db)，但存在大尺寸和固有高插入损耗(>2db)的问题。通过使用基于光栅的cwdm滤波器，例如反向光栅耦合器和多模布拉格光栅，可以有效地降低插入损耗(甚至<1db)。然而，由于光栅波纹所需的深亚波长特征尺寸(<150nm)，光栅结构用一般的硅光子制造厂(例如，基于193nm光刻)来制造并不容易。作为一种替代方案，已经有人提出了用级联mzi滤波器来实现具有低插入损耗和易于制造的特征尺寸的四信道cwdm滤波器。总体上来说是通过组装一系列具有被设计的耦合比和相位延迟部分的定向耦合器(dc)来形成mz i交错复用器。因此，基于mz i的cwdm滤波器的性能与dc中的耦合比变化和延迟线中的相位误差密切相关。对于常规dc，耦合比在o波段上随波长显著变化。一些先前的技术已经表明，基于dc的mzi只能支持较差的串扰(>10db)。通过采用弯曲定向耦合器(bdc)可以减轻耦合比色散，从而使cwdm具有更低的串扰(<20db)。然而，bdc的性能仍然对制造误差相对敏感。绝热定向耦合器(adc)也可以提供较宽的带宽和较大的容差，然而，adc的耦合比通常固定在0.5，这限制了其在平顶mzi滤波器设计中的应用。总之，在soi平台上实现低损耗、低串扰和大制造容限的cwdm滤波器仍然是一个巨大的挑战。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了利用工艺容差2×2光定向耦合器(ptc)来设计cwdm复用/解复用滤波器的方法。

2、一种光定向耦合器用于4通道cwdm复用器/解复用器的设计方法，其特征在于：将4通道cwdm复用器/解复用器滤波器中的单个定向耦合器用2×2工艺容差光定向耦合器替代，所述2×2工艺容差光定向耦合器包括由两个光定向耦合器和延迟线组成的马赫-曾德尔干涉仪，具有精准的耦合比,且具有最大平坦带宽和工艺容差；同时利用两个定向耦合器的臂长差来校正替换后两个耦合器产生的相位差。

3、优选地，根据需要的耦合比,利用优化设计公式计算所述2×2工艺容差光定向耦合器的耦合长度和延迟线的相位，具体为：

4、耦合比s计算公式为：

5、

6、为了使s具有最大平坦带宽，根据式(1)，令得到，

7、

8、

9、

10、

11、带入式(1)，得到

12、

13、进而得到：

14、

15、假定由于工艺变化，δ被引入为中心波长λc周围的相对随机相位，

16、则式(1)可变化为，

17、

18、令得到

19、

20、

21、当δ→0时，

22、利用方程(5)、(6)、(10)，即可在功率耦合比s确定的情况下，得到也即计算出耦合器的相关设计参数，从而对耦合器进行设计；

23、式中，s为马赫-曾德尔干涉仪(mzi)中两个光定向耦合器之间的功率耦合比，0<s<1；p2为信号输出数值；pin为信号输入数值；l1、l2为两个光定向耦合器两个方向的耦合长度；λc为中心波长；lc(λc)为相对于π/2耦合长度；le(λc)为终止校正因子；为两个光定向耦合器两个方向的耦合长度l1、l2相对于π/2耦合长度lc(λc)的耦合相位角；为两个光定向耦合器的波导臂相对相位延迟，δl为两个光定向耦合器的臂长差；；θm为任意相位角。

24、优选地，所述利用两个定向耦合器的臂长差来校正替换后两个耦合器产生的相位差的具体方法为：替换后的两个耦合器产生的相位差较未替换前耦合器产生的相位差相差的弧度为a，通过调整替换后的两个耦合器的臂长差δl来使得替换后的两个耦合器相位差与替换前相同，调整的臂长差δl*＝aλc/π*n，λc表示中心波长，n表示波导有效折射率。

技术特征：

1.一种光定向耦合器用于4通道cwdm复用器/解复用器的设计方法，其特征在于：将4通道cwdm复用器/解复用器滤波器中的单个定向耦合器用2×2工艺容差光定向耦合器替代，所述2×2工艺容差光定向耦合器包括由两个光定向耦合器和延迟线组成的马赫-曾德尔干涉仪，具有精准的耦合比,且具有最大平坦带宽和工艺容差；同时利用两个定向耦合器的臂长差来校正替换后两个耦合器产生的相位差。

2.根据权利要求1所述的一种光定向耦合器用于4通道cwdm复用器/解复用器的设计方法，其特征在于，根据需要的耦合比,利用优化设计公式计算所述2×2工艺容差光定向耦合器的耦合长度和延迟线的相位，具体为：

3.根据权利要求1所述的一种光定向耦合器用于4通道cwdm复用器/解复用器的设计方法，其特征在于，所述利用两个定向耦合器的臂长差来校正替换后两个耦合器产生的相位差的具体方法为：替换后的两个耦合器产生的相位差较未替换前耦合器产生的相位差相差的弧度为a，通过调整替换后的两个耦合器的臂长差δl来使得替换后的两个耦合器相位差与替换前相同，调整的臂长差δl*＝aλc/π*n，λc表示中心波长，n表示波导有效折射率。

技术总结
本发明提供光定向耦合器用于4通道CWDM复用器/解复用器的设计方法，将4通道CWDM复用器/解复用器滤波器中的单个定向耦合器用2×2工艺容差光定向耦合器替代，所述2×2工艺容差光定向耦合器包括由两个光定向耦合器和延迟线组成的马赫‑曾德尔干涉仪，具有精准的耦合比,且具有最大平坦带宽和工艺容差；同时利用两个定向耦合器的臂长差来校正替换后两个耦合器产生的相位差。利用本发明的方法，能够简化光定向耦合器的优化设计过程，且能够实现低损耗、低串扰和大工艺容限的CWDM滤波器。

技术研发人员：袁晓君
受保护的技术使用者：北京弘光向尚科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22