专利名称：一种光纤到户用单纤三向复用器芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤到户(FTTH)技术领域，公开了一种光纤到户用单纤三向复用器 芯片(Triplexer)。
背景技术：
随着近几年来宽带接入网的迅速发展，宽带化成为接入网发展的最显著特征。视 频点播、IPTV(网络电视)和网络游戏等高带宽业务逐渐被电信运营商和广电运营商视 为新的业务增长点，用户对接入宽带的需求不断增长，现有的以ADSL(非对称数字用户环 路)为主的宽带接入方式已经很难满足用户对高带宽、双向传输能力以及安全性等方面的 要求。面对这一困境，各国电信运营商把关注的目光投向了光纤到户——FTTH (Fiber To The Home)。FTTH的技术特点是能提供更大的带宽(100Mbit/S以上的带宽，远优于目前的 ADSL)，增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性，放宽了对环境条件和供电等要 求，从而简化了安装和使用维护。FTTH实际应用涉及一个非常重要的核心器件，即单纤三向 复用器芯片，单纤三向复用器芯片的主要功能是对光信号的耦合和波分复用。EP0N和GP0N的技术规范中，采用1310nm、1490nm、1550nm三波长分配方案。其中 1310nm专门用于数据和IP视频信号的上传；1490nm用于语音、数据和IP视频信号的下传； 1550nm用于模拟视频信号下传。通过类似CWDM的方式将此三方向传输复用到一根光纤中， 该技术采用了点对多点传输方式，节省设备投资，局端设备和光纤用量大大减少，系统可靠 性较高。单纤三向传输方案的成本最终决定接入成本的高低。有很多方法和结构可以实现单纤三向复用器，其中基于薄膜滤波片(thin film filter, TFF)的单纤三向复用器已经实现商用，但是薄膜滤波片具有一些固有缺点，如工艺 复杂、不易于封装、耦合损耗大和成本高等缺点。而利用集成光学技术的单纤三向复用器芯 片，目前多集中于基于多模干涉型耦合器(MMI)和基于阵列波导光栅(AWG)两大类，具有 耦合损耗低，结构紧凑以及易于大规模集成的优点。其中MMI又具有偏振损耗低、加工容差 大等优点，但是由于利用传统的自映像现象和波分复用原理设计，器件的长度很大，不够紧 凑。与本发明最接近的现有技术是采用两个级联的Y分支分束器构成的单纤三 向复用器芯片(Mohamed H. Al-Gafy and Diaa Khalil, FTTHTriplexer Design Using Asymmetric Y-Junction With Etched Branch, IEEEPhotonics Technology Letters, vol. 19，No. 15，ppll57-1159，2007)，然而这种结构中，器件尺寸大，加工成本高，并且器件
隔离度较小。
发明内容
针对已有技术器件尺寸大，加工成本高，并且器件隔离度较小的不足，本发明提供 一种新型单纤三向复用器芯片，具有结构紧凑、成本低、插入损耗低、器件隔离度大等优点。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的
光纤到户用单纤三向复用器芯片，由非对称Y分支波导和多模干涉型耦合器 (MMI)级联形成，其特征在于所述的非对称Y分支波导的左分支的表面刻蚀有空气槽，所 述的空气槽位于左分支的芯层与衬底之间；所述的非对称Y分支波导的右分支为对称结构 波导。进一步，所述的非对称Y分支波导的左分支的芯层与第一输出波导连接，所述的 第一输出波导为S型弯曲波导。第一输出波导的输出端为P0RT1。进一步，所述的非对称Y分支波导的右分支级联所述的匪I的输入波导，所述的 输入波导与所述的MMI的多模区波导通过锥形结构波导连接；所述的多模区波导的两个输 出端口分别与第二、第三输出波导连接，所述的输出端口与所述的输出波导通过锥形结构 波导连接；所述的输出波导为S形弯曲波导；多模干涉型耦合器的宽度为8. 4i!m，长度为 4462. liim。第二输出波导的输出端口为P0RT2，第三输出波导的输出端口为P0RT3。进一步，所述的非对称Y分支波导的总长度为12000 ym，左分支与右分支之间的 夹角为1.3mrad。进一步，所述的非对称Y分支波导、输入波导和输出波导均采用掩埋型玻璃基波 导，所述的玻璃基波导的芯层折射率为n。= 1.51，包层折射率ns= 1.46。进一步，所述的非对称Y分支波导、输入波导和输出波导的高度均为l.Sym;所述 的非对称Y分支波导的左分支的宽度为2 u m,右分支的宽度为1. 36 u m,空气槽的宽度等于 2 li m。进一步，所述的光纤到户用单纤三向复用器芯片的宽度是39.88 ym，总长度是 17562. liim。本发明通过在Y分支波导的左分支表面刻蚀空气槽来实现非对称Y分支结构，使 得两分支的色散曲线斜率不同，以实现不同波长的光相互分离。并且制作这种非对称Y分 支波导时，只需要一块掩模板即可，制作过程简单，成本低廉。非对称Y分支波导的左分支加S型波导输出，可以加大P0RT1与P0RT2之间的距 离，有利于封装。在MMI的两个输出端采用S型弯曲波导输出，不但可以快速地将两束光分 开，有效克服第二、第三输出波导之间的耦合作用，也加大了 P0RT2和P0RT3之间的距离。本发明与已有技术相比，解决了传统分立式单纤三向复用器体积大、损耗大、隔离 度小等问题，具有器件结构紧凑，可以实现多种光电集成，适合大批量生产，成本低的优点， 是未来实现System-On-Chip (片上系统)的技术方案之一。
图1是本发明的结构图。图2a是非对称Y分支波导的左分支的截面示意图。图2b是非对称Y分支波导的右分支的截面示意图。图3是本发明单纤三向复用器芯片非对称Y分支结构左右分支波导的色散曲线 图。图4a是束传播法(BPM)分析1310nm光通过本发明的非对称Y分支波导的光场传 输图。图4b是束传播法(BPM)分析1490nm光通过本发明的非对称Y分支波导的光场传
图4c是束传播法(BPM)分析1550nm光通过本发明的非对称Y分支波导的光场传
图5a是束传播法(BPM)分析1490nm光通过本发明的MMI的光场传输图。 图5b是束传播法(BPM)分析1550nm光通过本发明的MMI的光场传输图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明光纤到户用单纤三向复用器芯片，由非对称Y分支波导1和多模干涉型耦合器 2(MMI)级联形成，所述的非对称Y分支波导1的左分11支的表面刻蚀有空气槽111，所述 的空气槽111位于左分支11的芯层112与衬底113之间；所述的非对称Y分支波导1的右 分支12为对称结构波导。所述的非对称Y分支波导1的左分支11的芯层112与第一输出波导3连接，所述 的第一输出波导3为S型弯曲波导。第一输出波导的输出端为P0RT1。所述的非对称Y分支波导1的右分支12级联所述的MMI的输入波导4，所述的输 入波导4与所述的MMI的多模区波导通过锥形结构波导5连接；所述的多模区波导的两个 输出端口分别与第二、第三输出波导6、7连接，所述的输出端口与所述的输出波导6、7通过 锥形结构波导61、71连接；所述的输出波导6、7为S形弯曲波导；多模干涉型耦合器2的宽 度为8. 4 y m,长度为4462. 1 u m。第二输出波导6的输出端口为P0RT2，第三输出波导7的 输出端口为P0RT3。所述的非对称Y分支波导1的总长度为12000i!m，左分支11与右分支12之间的 夹角为1. 3mrad。所述的非对称Y分支波导1、输入波导4和输出波导3、6、7均采用掩埋型玻璃基波 导，所述的玻璃基波导的芯层折射率为n。= 1.51，包层折射率ns= 1.46。所述的非对称Y分支波导1、输入波导4和输出波导3、6、7的高度均为1. 5 y m ；所 述的非对称Y分支波导1的左分支11的宽度为2 u m,右分支12的宽度为1. 36 u m,空气槽 111的宽度等于2iim。所述的光纤到户用单纤三向复用器芯片的宽度是39. SSym，总长度是 17562. liim。本发明通过在Y分支波导的左分支表面刻蚀空气槽来实现非对称Y分支结构，使 得两分支的色散曲线斜率不同，以实现不同波长的光相互分离。并且制作这种非对称Y分 支波导时，只需要一块掩模板即可，制作过程简单，成本低廉。非对称Y分支波导的左分支加S型波导输出，可以加大P0RT1与P0RT2之间的距 离，有利于封装。在MMI的两个输出端采用S型弯曲波导输出，不但可以快速地将两束光分 开，有效克服第二、第三输出波导之间的耦合作用，也加大了 P0RT2和P0RT3之间的距离。输入光信号经过非对称Y分支波导的输入端口 P0RT0复用后进入其内，利用非对 称Y分支波导的色散原理将1310nm光波合波信号耦合进非对称Y分支波导的左分支，最终 由端口 P0RT1直通输出。1490nm和1550nm光波信号耦合进非对称Y分支波导的右分支。由非对称Y分支波导的右分支传输的光信号经过直波导耦合区域复用后进入MMI
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输图
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输图。
5的多模干涉区，利用多模干涉型耦合器的自映像原理分别将1490nm和1550nm光波合波信 号耦合进左臂和右臂，分别由P0RT2和P0RT3将信号光输出。从而达到了分离三个波长的 目的。图3为非对称Y分支波导的左右两分支色散曲线图。色散曲线即有效折射率随波 长的变化关系。左分支刻蚀有空气槽，使的左右分支的色散曲线斜率不同，两曲线相交，其 交点对应波长为1.41i!m。其中，刻有空气槽的左分支的色散曲线相对陡峭，而右分支的色 散曲线相对平缓。从图3中可知，对于入< 1.41um的光波，左分支的有效折射率相对较高；对于 入> 1.41 ym的光波，右分支的有效折射率相对较高。根据非对称Y分支处的模式分离原 理，在分支角足够小的情况下，由于光波在波导中传播时总是沿着折射率大的方向传输，输 入场的基模耦合进折射率大的输出波导中。当光波的波长小于1.41iim时，该光信号传输 到非对称Y分支波导的分支口处时，将被耦合进左分支；而当光的波长大于1.41i!m时，该 光波将被耦合进右分支。因为我们已经确定将要分离光信号的波长为1.31iim、1.49iim、1.55iim，则 1. 31 ym波长的光波通过非对称Y分支波导的左分支输出，如图4a所示；1.49 ym和 1. 55 P m波长的光通过非对称Y分支波导的右分支输出，如图4b和图4c所示。这样就实现 了波长的分离。如图4a所示，波长为1310nm的光通过非对称Y分支波导的光场传输图，其中实线 指光通过Y分支左分支的输出能量，而虚线指光通过Y分支右分支的输出能量，从图中可以 看出，1310nm的光通过Y分支左分支输出效率达89%。如图4b所示，波长为1490nm的光通过非对称Y分支波导的光场传输图，其中实线 指光通过Y分支左分支的输出能量，而虚线指光通过Y分支右分支的输出能量，从图中可以 看出，1490nm的光通过Y分支右分支输出效率达97%。如图4c所示，波长为1550nm的光通过非对称Y分支波导的光场传输图，其中实线 指光通过Y分支左分支的输出能量，而虚线指光通过Y分支右分支的输出能量，从图中可以 看出，1550nm的光通过Y分支右支输出效率达97. 4%。对于MMI结构，采用了限制性成像条件(restricted interference)减小整个器 件的尺寸。根据匪I的自映像原理，匪I的自成像位置跟输入波长相关，也即MMI的耦合长 度是波长相关的，利用这一特性，我们可以实现波分(解)复用功能。当MMI的多模干 涉区的长度L^满足下式关系时，1490nm和1550nm的信号将分别从Port2和Port3输出， 成功实现(解)复用功能。= n*L (1490) = (n+m)*L (1550)其中n为正整数，m为奇数，(1490)与(1550)分别为1490nm和1550nm下MMI
的耦合长度。利用有限差分方法，可以得到多模区的各阶模式的传播常数，根据公式 ‘ =！戽)(日。和h分别是多模波导中的零次模和一次模的传播常数)可以得到MMI 的拍长。如图5a所示，波长为1490nm的光通过多模干涉型耦合器(MMI)的光场传输图，其
6中实线指光通过MMI左臂的输出能量，而虚线指光通过匪I右臂的输出能量，从图中可以看 出，1490nm的光通过匪I左臂的输出效率达80%。如图5b所示，波长为1550nm的光通过匪I的光场传输图，其中实线指光通过MMI 左臂的输出能量，而虚线指光通过MMI右臂的输出能量，从图中可以看出，1550nm的光通过 匪I右臂的输出效率达80 %。模拟光谱响应结果表明工作波长1310nm、1490nm和1550nm的插入损耗分别为 0. 96dB、l. 49dB和1.31dB。1310nm波长与1490nm、1550nm之间的隔离度最优值分别为 49. 28dB和48. 08dB, 1490nm与1550nm之间隔离度最优值为37. 23dB，而实际传输时由于上 行信号和下行信号的双向传输隔度完全可以达到ITU规定的大于45dB要求。本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护 范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术 人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
权利要求
光纤到户用单纤三向复用器芯片，由非对称Y分支波导和多模干涉型耦合器(MMI)级联形成，其特征在于所述的非对称Y分支波导的左分支的表面刻蚀有空气槽，所述的空气槽位于左分支的芯层与衬底之间；所述的非对称Y分支波导的右分支为对称结构波导。
2.如权利要求1所述的光纤到户用单纤三向复用器芯片，其特征在于所述的非对称Y 分支波导的左分支的芯层与第一输出波导连接，所述的第一输出波导为S型弯曲波导。
3.如权利要求2所述的光纤到户用单纤三向复用器芯片，其特征在于所述的非对称Y 分支波导的右分支级联所述的MMI的输入波导，所述的输入波导与所述的MMI的多模区波 导通过锥形结构波导连接；所述的多模区波导的两个输出端口分别与第二、第三输出波导 连接，所述的输出端口与所述的输出波导通过锥形结构波导连接；所述的输出波导为S形 弯曲波导；多模波导耦合器的宽度为8. 4 μ m，长度为4462. 1 μ m。
4.如权利要求1-3之一所述的光纤到户用单纤三向复用器芯片，其特征在于所述的 非对称Y分支波导的总长度为12000μπι，左分支与右分支之间的夹角为1.3mrad。
5.如权利要求4所述的光纤到户用单纤三向复用器芯片，其特征在于所述的非对称 Y分支波导、输入波导和输出波导均采用掩埋型玻璃基波导，所述的玻璃基波导的芯层折射 率为η。= 1.51，包层折射率ns = 1.46。
6.如权利要求5所述的光纤到户用单纤三向复用器芯片，其特征在于所述的非对称 Y分支波导、输入波导和输出波导的高度均为1. 5μπι ；所述的非对称Y分支波导的左分支的 宽度为2 μ m,右分支的宽度为1. 36 μ m,空气槽的宽度等于2 μ m。
7.如权利要求6所述的光纤到户用单纤三向复用器芯片，其特征在于所述的光纤到 户用单纤三向复用器芯片的宽度是39. 88 μ m,总长度是17562. 1 μ m。
全文摘要
光纤到户用单纤三向复用器芯片，由非对称Y分支波导和多模干涉型耦合器(MMI)级联形成，所述的非对称Y分支波导的左分支的表面刻蚀有空气槽，所述的空气槽位于左分支的芯层与衬底之间；所述的非对称Y分支波导的右分支为对称结构波导。本发明具有器件结构紧凑，可以实现多种光电集成，适合大批量生产，成本低的优点。
文档编号G02B6/12GK101852891SQ20101019450
公开日2010年10月6日 申请日期2010年6月8日 优先权日2010年6月8日
发明者乐孜纯, 张明, 李斌 申请人:浙江工业大学