專利名稱：一種偏振無關(guān)集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖到戶的核心器件，是一種光波導(dǎo)集 成單纖三重波分復(fù)用器。
背景技術(shù)：
隨著光通信技術(shù)的快速發(fā)展，光纖到戶(Fiber To The Home, FTTH)是目前國際上公 認(rèn)的最理想的接入網(wǎng)技術(shù)之一，F(xiàn)TTH滿足了數(shù)據(jù)、語音、CATV等綜合業(yè)務(wù)對高帶寬的需求。 根據(jù)ITU-T標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接入網(wǎng)用戶終端接收的數(shù)據(jù)信號波長在1490nm波段，模擬信號波長在 1550nm波段，而發(fā)射的數(shù)據(jù)信號的波長在1310nm波段，3個(gè)波長的帶寬要求不同，分別為 20nm 、 lOnm和IOO nm。單纖三重波分復(fù)用器件(Triplexer)是FTTH光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Net Unit, ONU)中實(shí)現(xiàn)這三個(gè)波段波長復(fù)用/解復(fù)用的關(guān)鍵器件，該器件下行采用1550nm和 1490nm波長的兩個(gè)傳輸窗口，分別承載有線電視模擬信號和數(shù)據(jù)信號，上行采用1310nm波長 的傳輸窗口承載數(shù)據(jù)信號。
FTTH要得到普及，尤為重要的是要降低ONU的成本，因此低成本、高性能的單纖三重波 分復(fù)用器件是FTTH能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。
目前，單纖三重波分復(fù)用器主要采用分立的光學(xué)功能元件構(gòu)成，雖然從技術(shù)上能夠基本 滿足系統(tǒng)的要求，但是這種方式引入了大量的分立元件，裝配工序繁雜、體積大、成本較高 。平面光波導(dǎo)(Planar Lightwave Circuit, PLC)型濾波技術(shù)能夠克服使用大量傳統(tǒng)分立元 件帶來的缺點(diǎn)，具有集成化和小型化的特點(diǎn)，采用成熟的波導(dǎo)加工工藝可批量生產(chǎn)，從而大 幅度降低成本，具有很好的應(yīng)用前景。
近幾年，相繼報(bào)道了多種基于PLC的單纖三重波分復(fù)用器，通過定向耦合器、多模干涉 儀和波導(dǎo)陣列光柵等結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)Triplexer功能。目前較為新穎的一種結(jié)構(gòu)是非對稱Y分支單 纖三重波分復(fù)用器[Mohamed H. A1—Gafy and Diaa Khalil，福TTH Triplexer Design Using Asymmetric Y-Junction with Etched Branch" IEEE Photonic Technology Letters, vol. 19， no. 15， pp. 1157-1159. 2007]，但該結(jié)構(gòu)器件存在偏振相關(guān)的問題，未能達(dá)到實(shí)用化 需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供了一種偏振無關(guān)波導(dǎo)集成單纖三重波分復(fù)用器，采用 非對稱Y分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和具有雙折射的波導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)FTTH中三個(gè)波段光波的復(fù)用/解復(fù)用功能，解決器件的偏振相關(guān)問題，具有結(jié)構(gòu)緊湊，成本低和偏振無關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明的技術(shù)方案是
集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器由一個(gè)非對稱波導(dǎo)和兩個(gè)對稱波導(dǎo)構(gòu)成，形成兩個(gè)級聯(lián)的 非對稱Y分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，非對稱結(jié)構(gòu)由波導(dǎo)左側(cè)刻有空氣溝槽的直波導(dǎo)得到，兩個(gè)對稱波導(dǎo) 分別由直波導(dǎo)和余弦波導(dǎo)構(gòu)成，兩個(gè)對稱波導(dǎo)分別與非對稱波導(dǎo)相交。
三個(gè)波導(dǎo)芯層具有相同的高度，不同的寬度，非對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)芯層寬度大于兩個(gè)對稱結(jié) 構(gòu)波導(dǎo)芯層寬度。
非對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的色散曲線分別與兩個(gè)對稱波導(dǎo)的色散曲線相交，交點(diǎn)分別位于
1310nm 1490nm和1490nm 1550nm之間。
由于非對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)和對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)各自芯層的寬度和高度不相同，而且波導(dǎo)芯層四周 的折射率也不都相等，故不論是非對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)還是對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)，它們的X方向偏振模式 E:和Y方向偏振模式e二是非簡并的，所以具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)偏振相關(guān)性。
采用具有一定雙折射的波導(dǎo)材料來制備該單纖三重波分復(fù)用器，利用材料的雙折射補(bǔ)償 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏振相關(guān)性。為了滿足光纖到戶三個(gè)窗口波長技術(shù)參數(shù)及偏振無關(guān)特性要求，該 集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器波導(dǎo)芯層和包層波導(dǎo)材料都具有雙折射且雙折射值不同。
根據(jù)光波導(dǎo)理論，光波具有沿著折射率大的方向傳輸?shù)奶匦?，且長波長的光波在寬度較 小的對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中的折射率大于寬度較大的非對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中的折射率。1310nm、 1490nm和1550nm三個(gè)波段的光波經(jīng)過第一個(gè)Y分束器分支處，1550nm波段光波在寬度較小的 對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中的折射率大于非對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中的折射率，因此1550nm波段的光波與1310nm 和1490nm波段的光波分離，沿第一個(gè)Y分束器寬度小的對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)傳輸，1490nm波段的光 和1310nm波段的光繼續(xù)在第一個(gè)Y分束器的非對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中傳輸。
經(jīng)過第二個(gè)Y分束器分支處時(shí)，1490nm波段的光在寬度較小的對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中的折射率 大于寬度較大的非對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中的折射率，因此1490nm波段的光波與1310nm波段的光波分 離，沿第二個(gè)Y分束器寬度小的對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)傳輸，1310nm波段的光繼續(xù)在第二個(gè)Y分束器的 非對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中傳輸。
這樣三個(gè)波段的光波分別從三個(gè)波導(dǎo)的輸出端口輸出，X偏振的光和Y偏振的光都能實(shí)現(xiàn) 上述的分離，分別在三個(gè)端口輸出，從而該結(jié)構(gòu)器件實(shí)現(xiàn)1310nm、 1490nm和1550nm三個(gè)波段 光波的復(fù)用/解復(fù)用功能。
本發(fā)明的有益效果是 (1)本發(fā)明集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器利用材料的雙折射特性補(bǔ)償了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏
4振相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)了1310nm、 1490nm和1550nm三個(gè)波長及相應(yīng)ITU-T規(guī)定帶寬內(nèi)光波的偏振無 關(guān)復(fù)用/解復(fù)用功能，具有低損耗、低串?dāng)_的優(yōu)點(diǎn)。
(2)采用常規(guī)的無機(jī)波導(dǎo)材料(如硅基二氧化硅、玻璃等)或有機(jī)聚合物波導(dǎo)材料， 利用成熟的平面光波回路加工工藝可以制備本發(fā)明集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器，因此本發(fā) 明集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器具有高集成度、低成本的優(yōu)點(diǎn)，適用于光纖到戶接入網(wǎng)。


圖l是本發(fā)明集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器的具體實(shí)施例圖。
圖3是圖2中虛線方框內(nèi)的波導(dǎo)橫截面結(jié)構(gòu)圖。
圖3 (a)本發(fā)明的非對稱波導(dǎo)W1橫截面圖。
圖3 (b)本發(fā)明的對稱波導(dǎo)W2和W3橫截面圖。
圖4是X偏振光的波導(dǎo)色散曲線圖。
圖5是Y偏振光的波導(dǎo)色散曲線圖。
圖中
Wl非對稱波導(dǎo)；W2對稱波導(dǎo)；W3對稱波導(dǎo)；
a為1310nm波段光波輸出端口； b為1490nm波段光波輸出端口 ； c為1550nm波段光波輸出
端口； d為1310nm、 1490nm和1550nm三個(gè)波段光波的輸入端口；
e為對稱波導(dǎo)W2與非對稱波導(dǎo)Wl的相交處；f為對稱波導(dǎo)W3與非對稱波導(dǎo)W1的相交處； l空氣溝槽；2對稱波導(dǎo)W2的直波導(dǎo)；3對稱波導(dǎo)W2的余弦波導(dǎo)；4對稱波導(dǎo)W3的直波導(dǎo)；
5對稱波導(dǎo)W3的余弦波導(dǎo)；
6波導(dǎo)芯層；7波導(dǎo)包層；
8為X偏振光在非對稱波導(dǎo)W1與對稱波導(dǎo)W2中的色散曲線交點(diǎn)；9為X偏振光在非對稱波導(dǎo)
W1與對稱波導(dǎo)W3中的色散曲線交點(diǎn)；
10為Y偏振光在非對稱波導(dǎo)W1與對稱波導(dǎo)W2中的色散曲線交點(diǎn)；ll為Y偏振光在非對稱波 導(dǎo)W1與對稱波導(dǎo)W3中的色散曲線交點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。
如圖2所示，集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器包含兩個(gè)級聯(lián)的非對稱Y分束器，由非對稱波 導(dǎo)W1，對稱波導(dǎo)W2和對稱波導(dǎo)W3構(gòu)成；非對稱波導(dǎo)W1左側(cè)刻有空氣溝槽1;對稱波導(dǎo)W2由直 波導(dǎo)2和余弦波導(dǎo)3構(gòu)成，對稱波導(dǎo)W3由直波導(dǎo)4和余弦波導(dǎo)5構(gòu)成。整個(gè)器件的長度是20mm，其中對稱波導(dǎo)W2與非對稱波導(dǎo)Wl的相交處e距離輸入端口d的距 離是8. 7mm，對稱波導(dǎo)W2的直波導(dǎo)2與非對稱波導(dǎo)W1的夾角是l. 2mrad;對稱波導(dǎo)W2中直波導(dǎo)2 長度為4. 9mm;對稱波導(dǎo)W3的直波導(dǎo)4與非對稱波導(dǎo)W1的夾角是l. 8mrad。
對稱波導(dǎo)W2的輸出端口b與非對稱波導(dǎo)Wl的輸出端口a的距離是125ym;對稱波導(dǎo)W3的輸 出端口c與對稱波導(dǎo)W2的輸出端口b的距離是125ym。
三個(gè)波導(dǎo)的芯層厚度都是lil。/。ym，非對稱波導(dǎo)Wl寬度為2ip/。ym，對稱波導(dǎo)W2的寬度 為l. 38±0. 4%線對稱波導(dǎo)W3的寬度為1. 25±0. 4%y m。
圖2中虛線區(qū)域波導(dǎo)橫截面如圖3，圖3 (a)為非對稱波導(dǎo)W1的橫截面示意圖，左側(cè)刻有 空氣槽l，圖3 (b)是對稱波導(dǎo)W2和W3的橫截面示意圖。
波導(dǎo)芯層6的材料采用有機(jī)聚合物雜萘聯(lián)苯型聚芳醚砜酮，該波導(dǎo)材料在1310nm波長處 TE模式折射率為1.656， TM模式折射率為1.636，雙折射值為0.02， 1550nm波長處TE模式折 射率為1.653， TM模式折射率為1.633，雙折射值為0.02;波導(dǎo)包層7的材料采用氟化后的有 機(jī)聚合物雜萘聯(lián)苯型聚芳醚砜酮，該材料在1310nm波長處TE模式折射率為1.558， TM模式折 射率為1.531，雙折射值為0.027， 1550nm波長處TE模式折射率為1.556， TM模式折射率為 1.529，雙折射值為0.027。
X偏振光在非對稱波導(dǎo)W1、對稱波導(dǎo)W2和對稱波導(dǎo)W3中的色散曲線，如圖4所示；Y偏振 光在非對稱波導(dǎo)W1、對稱波導(dǎo)W2和對稱波導(dǎo)W3中的色散曲線，如圖5所示；從色散曲線圖4和 圖5可以看出兩個(gè)偏振態(tài)的色散曲線交點(diǎn)位置是重合的，因此該器件具有偏振無關(guān)特性。
該集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器的工作過程如下
1310nm、 1490nm和1550nm三個(gè)波段的光波從輸入端口d輸入，經(jīng)過第一個(gè)Y分束器的分支 處f，由色散曲線圖4和圖5中的第9個(gè)交點(diǎn)和第11個(gè)交點(diǎn)可以看出，波長大于1520nm光在對稱 波導(dǎo)W3中的折射率大于非對稱波導(dǎo)W1中的折射率，由于光總是沿著折射率大的方向傳輸， 1550nm波段的光沿對稱波導(dǎo)W3傳輸，最終從c端口輸出，1490nm波段和1310nm波段的光繼續(xù) 在第一個(gè)Y分束器的非對稱波導(dǎo)W1中傳輸；
經(jīng)過第二個(gè)Y分束器的分支處e，根據(jù)色散圖4和圖5的第8個(gè)交點(diǎn)和第10個(gè)交點(diǎn)，波長大 于1410nm的光在對稱波導(dǎo)W2的中折射率大于非對稱波導(dǎo)Wl中的折射率，1490nm波段的光沿 對稱波導(dǎo)W2中傳輸，最終從b端口輸出；1310nm波段的光繼續(xù)在非對稱波導(dǎo)Wl中傳輸，最終 從a端口輸出，這樣實(shí)現(xiàn)1310nm、 1490nm和1550nm三個(gè)波段光波的解復(fù)用功能。
由于利用材料的雙折射補(bǔ)償了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雙折射，X偏振的光和Y偏振的光在該集成波導(dǎo) 單纖三重波分復(fù)用器中均能實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)波段光波的復(fù)用/解復(fù)用。
權(quán)利要求
1.一種偏振無關(guān)集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器，其特征在于該集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器由一個(gè)非對稱波導(dǎo)和兩個(gè)對稱波導(dǎo)構(gòu)成。非對稱波導(dǎo)左側(cè)刻有空氣溝槽；兩個(gè)對稱波導(dǎo)分別由直波導(dǎo)和余弦波導(dǎo)構(gòu)成；兩個(gè)對稱波導(dǎo)分別與非對稱波導(dǎo)相交，構(gòu)成兩個(gè)級聯(lián)的非對稱Y分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；非對稱波導(dǎo)和對稱波導(dǎo)的芯層具有相同的高度，不同的寬度，非對稱波導(dǎo)寬度大于兩個(gè)對稱波導(dǎo)的寬度，且非對稱波導(dǎo)的色散曲線分別與對稱波導(dǎo)的色散曲線相交；該集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器采用具有雙折射的波導(dǎo)材料制備；芯層、包層波導(dǎo)材料都具有雙折射特性，且雙折射值不相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種偏振無關(guān)集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器，其特征還在于波導(dǎo)上包層為空氣包覆，芯層波導(dǎo)材料雙折射值為0.018 0.035，包層波導(dǎo)材料雙折射 值為O. 025 0. 035;整個(gè)單纖三重波分復(fù)用器的長度是20 25mm;波導(dǎo)芯層6厚度為1 1. 2 y m，非對稱波導(dǎo) Wl的寬度為2 2. 5ym，對稱波導(dǎo)W2的寬度為1. 3 1. 4 y m、對稱波導(dǎo)W3的寬度為1. 2 1. 3 y m;對稱波導(dǎo)W2與非對稱波導(dǎo)Wl的相交處e距離非對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)輸入端口d的距離為8 9mm， 夾角是l. 0 1. 2mrad;對稱波導(dǎo)W2中直波導(dǎo)2長度為4. 5 5mm;對稱波導(dǎo)W3的直波導(dǎo)4與非對 稱波導(dǎo)Wl的夾角是l. 5 2mrad。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種偏振無關(guān)集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域。該集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器由一個(gè)非對稱波導(dǎo)和兩個(gè)對稱波導(dǎo)構(gòu)成，非對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的左側(cè)刻有空氣溝槽。該集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器采用具有一定雙折射的波導(dǎo)材料制備，可實(shí)現(xiàn)光纖到戶接入網(wǎng)中1310nm、1490nm和1550nm三種波長及相應(yīng)ITU-T規(guī)定帶寬內(nèi)光波的復(fù)用/解復(fù)用功能。本發(fā)明的有益效果是該結(jié)構(gòu)的集成波導(dǎo)單纖三重波分復(fù)用器具有偏振無關(guān)、低損耗、低串?dāng)_、高集成度和低成本的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G02B6/293GK101539647SQ200910301378
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
發(fā)明者柏婧娜, 王錦艷, 趙明山, 蹇錫高, 金婷婷, 韓秀友 申請人:大連理工大學(xué)