[发明专利]一种基于阵列波导光栅的混合光合束-波分解复用器

摘要

本发明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。

主权项

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，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；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/n_c,λ₀是波分解复用的中心波长，n_C是λ₀所对应的等效折射率，m为正整数；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；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/n_c；所述阵列波导(4)的第二阵列波导满足ΔL₁＝mλ₀/n_c,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；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/n_c,m′＝1,2,3确定，因此第二阵列波导作用相当于一个三棱镜，能将一束光分为两束后在输出阵列波导(6)输出波导面处形成双光束干涉条纹，条纹间距与输出阵列波导的输入端口排列间距一致，从而实现了光功率分束的功能；此外，上行工作第一阵列波导还需要满足公式λ₁＝n_c′ΔL₀/m′,m′＝1,2,3；以免第一阵列波导对分束/合束产生影响，λ₁为上行工作波长，ΔL₀为第一阵列波导相邻波导长度差，n_c′为通过等效折射法求得的第一阵列波导的等效折射率；上行工作用于实现合束功能，基于光路可逆原理，以下行分束进行说明；工作时，由两个输入波导二(2)接收入射的分束波长的光束，在输入自由传输区(3)发生夫琅禾费衍射，并在阵列波导(4)的左侧输入端面发生双光束干涉，然后耦合进入阵列波导(4)的左侧输入端面中；由于满足公式λ₁＝n_c′ΔL₀/m′,使得第一阵列波导对分束波长透明，因此第一阵列波导对分束光不产生影响，第二阵列波导长度轮廓呈一个等腰三角形分布，因此类似于一个光学上的棱镜，将光场均分为向上和向下的两束光；这两束光在输出自由传输区(5)衍射并在输出阵列波导(6)输入端发生双光束干涉，且整个光场能量集中在比输出波导阵列(6)范围稍大的一个横向尺寸范围内，通过调整阵列波导间距以及输入波导二的位置来能控制干涉条纹间距、位置与输出波导阵列(6)的间距与位置一致；经输出阵列波导(6)输出后实现了下行光功率多路分束的功能。