[發明專利]一種可調光功分比的星型耦合器及其實現方法

有效

• 申請號: 201511010385.0
• 申請日: 2015-12-29
• 公開（公告）號: CN105467518B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 胡薇薇;薛萍;張漢星;王智鑫
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G02B6/125
• 分類號: G02B6/125
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 司立彬

本發明公開了一種可調光功分比的星型耦合器及其實現方法。本發明的星型耦合器包括一路輸入光波導、多路輸出光波導、以及位于輸入光波導與多路輸出光波導之間的自由傳播區和輸出光波導入口過渡區。本發明克服了原有星型耦合器結構輸出功率比受到限制的問題，通過計算機仿真模擬，調整自由傳播區半徑、輸出光波導入口過渡區的入口端寬度及間距等參數，可以實現任意輸出功率比的星型耦合器設計。與此同時，本發明器件結構緊湊、插入損耗小、易于加工和實現。

技術領域

本發明涉及一種可調光功分比的星型耦合器及其實現方法，涉及光通信、光互聯以及光器件集成領域。

背景技術

1×N光學耦合器在光通信系統、光纖有線電視網(CATV)、光無源網絡(PON)、光局域網等領域中被廣泛應用，因而成為光通信系統與光信息處理系統中的關鍵器件(KramerG,Pesavento G.Ethernet passive optical network(EPON):building a next-generation optical access network[J].Communications Magazine IEEE,2002,40(2):66-73)。在這里，我們使用N表示光學耦合器的輸出路數。在N為2^m(m為正整數)的情況下，可以采用以1×2光學耦合器為基本單元的級聯型結構構成1×N光學耦合器。但這種級聯型結構不僅在N的取值上受到限制，而且器件的尺寸和插入損耗會隨N的增大而大幅度增加，實現復雜度也隨之明顯提高。

針對以上問題，C.Dragone等人于1989年提出了一種直接實現1×N光學耦合器的集成光學器件(Dragone C,Henry C H,KaminowI P,et al.Efficient multichannelintegrated optics star coupler on silicon[J].Photonics Technology LettersIEEE,1989,1(8):241-243)。該器件被命名為星型耦合器(Star Coupler)，其結構包含輸入波導陣列、輸出波導陣列和處于中心的自由傳播區(如圖1所示)。該器件的優勢在于器件尺寸和插入損耗受N取值的影響很小，即在N值較大的情況下仍可保持較小的器件尺寸和較低的插入損耗。但是由于該器件依賴光在自由傳播區(FPR)的傳播過程，光由輸入波導陣列進入自由傳播區而后耦合到輸出波導陣列，輸出波導陣列的輸出光功率自然呈現高斯形分布，功率分配的結果受到限制。

發明內容

針對星型耦合器功率分配結果分布受到限制的問題，本發明提出了一種可調光功分比的星型耦合器及其實現方法。采用本發明的實現步驟，在集成材料、輸入/輸出波導寬度及輸出路數取值確定的條件下，通過計算機仿真模擬，調整自由傳播區半徑、輸出光波導入口過渡區的入口端寬度及間距等參數，可以實現任意輸出功率比的星型耦合器設計。

一種可調光功分比的星型耦合器設置在集成材料上，其基本結構包括：一路輸入光波導、多路輸出光波導、輸入輸出光波導之間的自由傳播區以及輸出光波導入口過渡區。輸出光波導入口過渡區與自由傳播區連接的一端(后稱為輸出光波導入口過渡區的入口端)沿以輸入波導中心O為圓心,R為半徑的圓弧分布。輸入光波導的輸入端波導寬度一般根據對應集成材料設定。各路輸出光波導的輸出端波導寬度一般取值相同，但也可以不同；各路輸出光波導入口過渡區的入口端寬度的取值可以相同也可以不同。輸出光波導入口過渡區的波導寬度在輸出光波導入口過渡區的長度范圍L_t內逐漸變化，并在輸出光波導入口過渡區的出口端與輸出光波導寬度一致。其中，長度范圍L_t需要在計算機仿真中滿足在一定的輸出光波導入口過渡區的入口端寬度取值范圍內，保證輸出光波導入口過渡區的損耗近似為零或小于一設定值。輸出光波導入口過渡區的入口端各路波導端口可緊密排布，也可留有一定間隔，且各間隔不一定相等，但間隔取值一般不超過各路輸出光波導入口過渡區的入口端寬度的最小值。輸出光波導路數可為奇數或偶數。

本發明通過計算機仿真模擬，實現可調光功分比的星型耦合器的步驟如下：