[发明专利]一种可调光功分比的星型耦合器及其实现方法

说明书

本发明公开了一种可调光功分比的星型耦合器及其实现方法。本发明的星型耦合器包括一路输入光波导、多路输出光波导、以及位于输入光波导与多路输出光波导之间的自由传播区和输出光波导入口过渡区。本发明克服了原有星型耦合器结构输出功率比受到限制的问题，通过计算机仿真模拟，调整自由传播区半径、输出光波导入口过渡区的入口端宽度及间距等参数，可以实现任意输出功率比的星型耦合器设计。与此同时，本发明器件结构紧凑、插入损耗小、易于加工和实现。

技术领域

本发明涉及一种可调光功分比的星型耦合器及其实现方法，涉及光通信、光互联以及光器件集成领域。

背景技术

1×N光学耦合器在光通信系统、光纤有线电视网(CATV)、光无源网络(PON)、光局域网等领域中被广泛应用，因而成为光通信系统与光信息处理系统中的关键器件(KramerG,Pesavento G.Ethernet passive optical network(EPON):building a next-generation optical access network[J].Communications Magazine IEEE,2002,40(2):66-73)。在这里，我们使用N表示光学耦合器的输出路数。在N为2^m(m为正整数)的情况下，可以采用以1×2光学耦合器为基本单元的级联型结构构成1×N光学耦合器。但这种级联型结构不仅在N的取值上受到限制，而且器件的尺寸和插入损耗会随N的增大而大幅度增加，实现复杂度也随之明显提高。

针对以上问题，C.Dragone等人于1989年提出了一种直接实现1×N光学耦合器的集成光学器件(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)。该器件被命名为星型耦合器(Star Coupler)，其结构包含输入波导阵列、输出波导阵列和处于中心的自由传播区(如图1所示)。该器件的优势在于器件尺寸和插入损耗受N取值的影响很小，即在N值较大的情况下仍可保持较小的器件尺寸和较低的插入损耗。但是由于该器件依赖光在自由传播区(FPR)的传播过程，光由输入波导阵列进入自由传播区而后耦合到输出波导阵列，输出波导阵列的输出光功率自然呈现高斯形分布，功率分配的结果受到限制。

发明内容

针对星型耦合器功率分配结果分布受到限制的问题，本发明提出了一种可调光功分比的星型耦合器及其实现方法。采用本发明的实现步骤，在集成材料、输入/输出波导宽度及输出路数取值确定的条件下，通过计算机仿真模拟，调整自由传播区半径、输出光波导入口过渡区的入口端宽度及间距等参数，可以实现任意输出功率比的星型耦合器设计。

一种可调光功分比的星型耦合器设置在集成材料上，其基本结构包括：一路输入光波导、多路输出光波导、输入输出光波导之间的自由传播区以及输出光波导入口过渡区。输出光波导入口过渡区与自由传播区连接的一端(后称为输出光波导入口过渡区的入口端)沿以输入波导中心O为圆心,R为半径的圆弧分布。输入光波导的输入端波导宽度一般根据对应集成材料设定。各路输出光波导的输出端波导宽度一般取值相同，但也可以不同；各路输出光波导入口过渡区的入口端宽度的取值可以相同也可以不同。输出光波导入口过渡区的波导宽度在输出光波导入口过渡区的长度范围L_t内逐渐变化，并在输出光波导入口过渡区的出口端与输出光波导宽度一致。其中，长度范围L_t需要在计算机仿真中满足在一定的输出光波导入口过渡区的入口端宽度取值范围内，保证输出光波导入口过渡区的损耗近似为零或小于一设定值。输出光波导入口过渡区的入口端各路波导端口可紧密排布，也可留有一定间隔，且各间隔不一定相等，但间隔取值一般不超过各路输出光波导入口过渡区的入口端宽度的最小值。输出光波导路数可为奇数或偶数。

本发明通过计算机仿真模拟，实现可调光功分比的星型耦合器的步骤如下：