專利名稱：弱限制多模光干涉器的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光干涉器的設(shè)計(jì)，特別是一種弱限制多模光干涉器的折射率差優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
多模光干涉器是由光干涉區(qū)、輸入光波導(dǎo)、輸出光波導(dǎo)構(gòu)成。它在光功分器、光開(kāi)關(guān)、波分復(fù)用器等器件中的應(yīng)用前景十分廣泛。傳統(tǒng)的多模光干涉器是由空氣作為限制層的，其折射率差很大，折射率差無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以存在較多的模式，高階模失配相當(dāng)嚴(yán)重，同時(shí)在路數(shù)大于8路時(shí)其損耗和均勻度等指標(biāo)都不理想。這在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中使用是有缺陷的。
本發(fā)明的目的是提供一種選擇合適折射率差的大于8路的弱限制多模光干涉器的設(shè)計(jì)方法。
本發(fā)明的目的是通過(guò)下述措施實(shí)現(xiàn)的，其步驟為1)確定弱限制多模光干涉器的路數(shù)、光干涉區(qū)的寬度、波導(dǎo)層材料的光折射率、適用光的波長(zhǎng)；2)由光干涉區(qū)的寬度、波導(dǎo)層材料的光折射率、適用光的波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)和已知的式子，并通過(guò)(M+1)2π22k(1n0WeM2-1ncWe02)-Δn2k2n0=0]]>式求出包層的光折射率n0；3)將折射率nc、n0通過(guò)We=W+(λ0π)(nc2-n02)-12]]>式求出光干涉區(qū)有效寬度We；
4)由光干涉區(qū)的有效寬度和弱限制多模光干涉器的路數(shù)求出光輸入輸出波導(dǎo)的位置；由光干涉區(qū)的有效寬度We通過(guò)Lπ≈4ncWe23λ0]]>式求出光干涉區(qū)的長(zhǎng)度Lπ。
本發(fā)明由于優(yōu)化了其折射率差，消除了多數(shù)模式尤其是近截止模式的傳播常數(shù)偏差，使其實(shí)現(xiàn)了更好的自映像，因此具有以下優(yōu)點(diǎn)1．極大地降低了高階模的傳播常數(shù)偏差，因而有效地減少了損耗，如實(shí)現(xiàn)1×32弱限制多模光干涉器時(shí)的損耗為0.09dB，而強(qiáng)限制多模光干涉器的損耗為1.4dB；2．同時(shí)具有均勻度高，如實(shí)現(xiàn)1×32弱限制多模光干涉器時(shí)的均勻度為0.08dB，而強(qiáng)限制多模光干涉器的均勻度為2.0dB；3．在弱限制多模光干涉器的路數(shù)達(dá)到128路時(shí)，其小損耗和高均勻度特性還能得到保持；4．采用的波導(dǎo)是弱限制的，這是大多數(shù)波導(dǎo)工藝的典型結(jié)果，因此在結(jié)構(gòu)上與大多數(shù)波導(dǎo)器件相似，易于與其他器件集成。關(guān)于(M+1)2π22k(1n0WeM2-1ncWe02)-Δn2k2n0=0]]>式的推導(dǎo)說(shuō)明βm為第m階模的傳播常數(shù)，βm=kn01+(Δk2-qM2)/k2n02]]>其中k=2π/λ0,λ0為光的波長(zhǎng)，n0為包層的光折射率，Δk2=k2n2c-k2n20,nc為波導(dǎo)層的光折射率，qm為第m階模的橫向波矢，qm=(m+1)π/Wem,m=0,1,2,……,M,Wem為近截止模有效寬度。
β0由基本的光波導(dǎo)理論給出β0=knc1-q02/k2nc2]]>
因?yàn)榭紤]到q2M→Δk2和q20→0這兩個(gè)條件，上述兩式相減得實(shí)際情況式β0-βM≈ knc(1-q20/2k2n2c)-kn0[1+(Δk2-q2M)/2k2n20]上式與理想情況式β0-βM=M(M+2)π/3Lπ相減得(其中Lπ≈4ncWe023λ0):]]>knc(1-q022k2nc2)-kn0(1+Δk2-qM22k2n02)-M(M+2)πλ04ncWe02=0]]>將q0=π/We0、qM=(M+1)π/WeM、λ0=2π/k代入上式得knc-π22We02knc-kn0-k2nc2-k2n022kn0+π2(M+1)22kn0WeM2-M(M+2)π22kncWe02=0]]>此兩種情況相減的目的是讓實(shí)際情況接近理想情況，經(jīng)整理得下式(M+1)2π22k(1n0WeM2-1ncWe02)-Δn2k2n0=0]]>，其中Δn=nc-n0為折射率差，此式中We0、WeM和M分別為已知基模有效寬度We0=W+λ0/[π(n2c-n20)1/2]。
近截止模有效寬度WeM≈W+W/M，此式由qMW=(M+1)π-2arctg(qMΔk2-qM2)]]>，而q2M→Δk2推導(dǎo)出以下2式 再推導(dǎo)出。
近截止模式的模數(shù)M≈2k2We02nc(nc-n0)/π2+1-1,]]>此式由knc-kn0≅β0-βm=M(M+2)π22kncWe02]]>推導(dǎo)出。
實(shí)施例以設(shè)計(jì)弱限制多模光干涉器1×32路光功分器，首先確定光干涉區(qū)寬度W為320μm，材料所用的波導(dǎo)層光折射率nc為3.5，適用光的波長(zhǎng)λ0為1.55μm。根據(jù)上述式子和已給出的數(shù)據(jù)能推算出We0→含n0的M→含n0的WeM。再將已給出的和推算出的數(shù)據(jù)代入(M+1)2π22k(1n0WeM2-1ncWe02)-Δn2k2n0=0]]>式內(nèi)，即能求出包層的光折射率n0≈3.47，其折射率差Δn≈0.03。把光干涉區(qū)寬度W=320μm，波導(dǎo)層折射率nc=3.5、包層的光折射率n0=3.47代入We=W+(λ0π)(nc2-n02)12]]>式內(nèi)，即求出光干涉區(qū)有效寬度We≈321.08μm。再把光干涉區(qū)有效寬度We≈321.08μm代入Lπ≈4ncWe23λ0]]>式內(nèi)，即求得光干涉區(qū)的長(zhǎng)度Lπ≈7274.62μm。同時(shí)也能求出1×32路光功分器的光輸出波導(dǎo)的位置當(dāng)以光干涉區(qū)寬度的中心為0點(diǎn)時(shí)，其光輸出波導(dǎo)的位置分別是±5.02μm、±15.05μm、±25.08μm、……、±155.52μm。
權(quán)利要求
1.一種弱限制多模光干涉器的設(shè)計(jì)方法，其步驟為1)確定弱限制多模光干涉器的路數(shù)、光干涉區(qū)的寬度W、波導(dǎo)層材料的光折射率nc、適用光的波長(zhǎng)λ0；2)由光干涉區(qū)的寬度W、波導(dǎo)層材料的光折射率nc、適用光的波長(zhǎng)λ0的數(shù)據(jù)和已知式子，并通過(guò)(M+1)2π22k(1n0WeM2-1ncWe02)-Δn2k2n0=0]]>式求出包層的光折射率n0；3)將折射率nc、n0通過(guò)We=W+(λ0π)(nc2-n02)12]]>式求出光干涉區(qū)有效寬度We；4)由光干涉區(qū)的有效寬度We和弱限制多模光干涉器的路數(shù)求出光輸入輸出波導(dǎo)的位置；由光干涉區(qū)的有效寬度We通過(guò)Lπ≈4ncWe23λ0]]>式求出光干涉區(qū)的長(zhǎng)度Lπ。
全文摘要
一種弱限制多模光干涉器的設(shè)計(jì)方法,確定了弱限制多模光干涉器的路數(shù)、光干涉區(qū)的寬度、波導(dǎo)層材料的光折射率、適用光的波長(zhǎng),通過(guò)式[1]算出包層的光折射率,通過(guò)式[2]算出光干涉區(qū)的有效寬度,最后由光輸出的路數(shù)算出光輸出波導(dǎo)的位置和由式[3]算出光干涉區(qū)的長(zhǎng)度。本設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單適用、運(yùn)算方便,設(shè)計(jì)的器件大大地減少了損耗和提高了均勻度,光波導(dǎo)路數(shù)達(dá)到128路時(shí)上述特性還能得到保持,又易于與其他器件集成。
文檔編號(hào)G02B6/26GK1321899SQ01113410
公開(kāi)日2001年11月14日 申請(qǐng)日期2001年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月7日
發(fā)明者王明華, 尹銳, 江曉清, 李錫華, 周強(qiáng) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)