一种马赫曾德尔干涉仪及多通道粗波分复用器

1.本公开涉及光纤通信与集成光学技术领域，尤其涉及一种基于多模干涉耦合器马赫曾德尔干涉仪及多通道粗波分复用器。


背景技术：

2.随着网络和通讯技术的发展，人们对于信息量的需求成爆炸式增长。传统的电通信已经无法满足人们的需求，光通信正在引领通信领域的潮流。波分复用(wdm，wavelength
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division multiplexing)技术是光通信系统中的关键技术，是当前提升光网络通信容量的核心技术之一。其中，信道间隔20nm的粗波分复用技术，被广泛应用于各种短距离互联。
3.基于级联马赫曾德尔干涉仪(mach
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zehnder interferometer，mzi)结构的滤波器是一种常见的波分复用器。相较于阵列波导光栅(arrayed waveguide grating，awg)、波导布拉格光栅(waveguide bragg grating)等，级联马赫曾德尔干涉仪具有串扰与损耗较低、器件尺寸较小等优点。但是，传统的级联马赫曾德尔干涉仪采用定向耦合器(directional coupler)作为分光器，具有较强的波长敏感性，制约了器件的性能。同时，级联马赫曾德尔干涉仪所需工艺精度高，工艺容差低，这使得传统的级联马赫曾德尔干涉仪结构难以达到理想性能，无法实际应用。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明提供了一种基于多模干涉耦合器马赫曾德尔干涉仪及多通道粗波分复用器，以解决上述技术问题。
5.本公开的一个方面提供了一种马赫曾德尔干涉仪，包括：两根输入波导，用于输入宽光谱光信号；第一多模干涉耦合器，用于将所述宽光谱光信号分为两个分量光束；两根相移波导，用于使所述两个分量光束分别在所述两根相移波导中传播，并产生特定的相位差；第二多模干涉耦合器，用于使产生特定相位差的所述两个分量光束发生干涉，各产生至少一个指定波长的光信号；两根输出波导，用于将所述两个分量光束各自产生的至少一个指定波长的信号光分别输出。
6.可选地，所述输入波导与所述第一多模干涉耦合器之间、所述第一多模干涉耦合器与所述相移波导之间、所述相移波导与所述第二多模干涉耦合器之间、所述第二多模干涉耦合器与所述输出波导之间均通过锥形波导连接。
7.可选地，所述锥形波导的窄端与对应连接的波导宽度相同。
8.可选地，所述相移波导包括：第一弯曲波导，第一锥形波导，第一直波导，第二锥形波导，第二弯曲波导，第三锥形波导，第二直波导，第四锥形波导，第三弯曲波导，各波导依次首尾相连。
9.可选地，所述第一直波导、第二直波导的宽度宽于所述第一弯曲波导、第二弯曲波导和第三弯曲波导，所述第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导、第四锥形波导的两
端宽度均与所连波导的宽度相同。
10.可选地，所述两根相移波导的各弯曲波导的曲率半径和长度均相同，各锥形波导的长度均相同，各直波导的长度不同。
11.可选地，所述干涉仪中的各波导均为条形波导或脊形波导。
12.可选地，所述第一多模干涉耦合器和所述第二多模干涉耦合器的分光比均为50：50。
13.可选地，所述干涉仪的制备材料至少包括铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟或砷化镓。
14.本公开另一方面还提供了一种多通道粗波分复用器，包括：所述波分复用器由多个如第一方面所述的马赫曾德尔干涉仪级联构成，其中，前一级所述马赫曾德尔干涉仪的两个输出端分别通过波导与后一级的两个所述马赫曾德尔干涉仪的一个输入端连接。
15.可选地，各级所述马赫曾德尔干涉仪的中心波长不同。
16.在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
17.1、采用多模干涉耦合器作为分光器，可以有效提高分光器的加工容差。
18.2、基于多模干涉耦合器的分光器对波长不敏感，可以在宽光谱范围内保持基本不变的分光比，从而有效降低输出信号的串扰。
19.3、对相移波导中非等臂部分的波导进行了加宽，可以有效提高加工容差，从而提高器件性能；同时采用锥形波导连接宽度不同的波导，保证了单模传输。
20.4、该波分复用器可由多个马赫曾德尔干涉仪结构，结构简单、损耗低、体积小，调节和控制难度小。
附图说明
21.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
22.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种基于多模干涉耦合器马赫曾德尔干涉仪的示意图；
23.图2示意性示出了本公开实施例提供的一种基于多模干涉耦合器马赫曾德尔干涉仪的多模干涉耦合器的示意图；
24.图3示意性示出了本公开实施例提供的一种相移波导的示意图；
25.图4示意性示出了本公开实施例提供的一种多通道粗波分复用器的结构示意图；
26.图5示意性示出了本公开实施例提供的一种多通道粗波分复用器在工作状态下的仿真光谱图像。
27.附图标记说明：
28.101
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输入波导；102
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第一多模干涉耦合器；103
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相移波导；104
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第二多模干涉耦合器；105
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输出波导；201
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输入端锥形波导；202
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耦合区波导；203
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输出端锥形波导；301
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第一弯曲波导；302
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第二弯曲波导；303
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第三弯曲波导；311
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第一锥形波导；312
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第二锥形波导；313
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第三锥形波导；314
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第四锥形波导；321
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第一直波导；322
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第二直波导；1
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连接波导；2
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连接波导；i
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第一马赫曾德尔干涉仪；ii
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第二马赫曾德尔干涉仪；iii
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第三马赫曾德尔干涉仪。
具体实施方式
29.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
30.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
31.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
32.附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
33.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种基于多模干涉耦合器马赫曾德尔干涉仪的示意图。
34.如图1所示，本公开实施例提供了一种马赫曾德尔干涉仪，包括：两根输入波导101，第一多模干涉耦合器102，两根相移波导103，第二多模干涉耦合器104，两根输出波导105。
35.两根输入波导101，用于输入宽光谱光信号。
36.第一多模干涉耦合器102，用于将所述宽光谱光信号分为两个分量光束。
37.两根相移波导103，用于使所述两个分量光束分别在所述两根相移波导103中传播，并产生特定的相位差。
38.第二多模干涉耦合器104，用于使产生特定相位差的所述两个分量光束发生干涉，各产生至少一个指定波长的光信号。
39.两根输出波导105，用于将所述两个分量光束各自产生的至少一个指定波长的信号光分别输出。
40.基于本公开实施例提供的一种马赫曾德尔干涉仪，当宽光谱光信号由输入波导101输入到该马赫曾德尔干涉仪中，经过第一多模干涉耦合器102将其分光后分别进入两根相移波导103中；两路光经过相移波导103后存在特定的相位差，在第二多模干涉耦合器104内发生干涉，满足干涉相长条件的波长加强，满足干涉相消条件的波长抑制；经过干涉作用后，可得到指定波长的光信号输出。由于第一多模干涉耦合器102的分光比在宽光谱范围内基本保持不变，使得各个输出的光信号同时具有较低的损耗与串扰。另一方面，采用多模干涉耦合器作为分光器，可以有效提高分光器的加工容差。
41.如图1所示，所述输入波导101与所述第一多模干涉耦合器102之间、所述第一多模干涉耦合器102与所述相移波导103之间、所述相移波导103与所述第二多模干涉耦合器104之间、所述第二多模干涉耦合器104与所述输出波导105之间均通过锥形波导连接。且从图
中可以看出，各锥形波导的窄端与对应连接的波导宽度相同。通过锥形波导连接宽度不同的波导，保证了单模传输。
42.图2示意性示出了本公开实施例提供的一种基于多模干涉耦合器马赫曾德尔干涉仪的多模干涉耦合器的示意图。
43.如图2所示，第一多模干涉耦合器102或第二多模干涉耦合器104包括：耦合区波导202，输入端201和输出端203，其中，输入端和输出端均为两个锥形波导，用于连接与第一多模干涉耦合器102或第二多模干涉耦合器104对应连接的波导，例如，第一多模干涉耦合器102的输入端的两个锥形波导201分别用于连接两个输入波导101，第一多模干涉耦合器102的输出端的两个锥形波导203分别用于连接两个相移波导103。第一多模干涉耦合器102或第二多模干涉耦合器104各端的两个锥形波导，宽底与耦合区波导202相连，其宽端中心分别位于耦合区条形波导宽边的三分之一宽处和三分之二宽处。
44.在本公开实施例中，第一多模干涉耦合器102和所述第二多模干涉耦合器的分光比均为50：50。
45.图3示意性示出了本公开实施例提供的一种相移波导103的示意图。
46.如图3所示，所述相移波导103包括：第一弯曲波导301，第一锥形波导311，第一直波导321，第二锥形波导312，第二弯曲波导302，第三锥形波导313，第二直波导322，第四锥形波导314，第三弯曲波导303，各波导依次首尾相连。
47.在本公开实施例中，所述第一直波导321、第二直波导322的宽度宽于所述第一弯曲波导301、第二弯曲波导302和第三弯曲波导303，所述第一锥形波导311、第二锥形波导312、第三锥形波导313、第四锥形波导314的两端宽度均与所连波导的宽度相同。
48.本公开实施例提供的相移波导103，对相移波导103中非等臂部分的波导进行了加宽，可以有效提高加工容差，从而提高器件性能，同时，采用了锥形波导连接宽度不同的波导，保证了单模传输。
49.进一步的，所述两根相移波导103的各弯曲波导的曲率半径和长度均相同，各锥形波导的长度均相同，各直波导的长度不同。其中，直波导的长度不同，使得两根相移波导103间存在长度差，使光信号经过这两条相移波导103后存在特定的相位差，从而在第二多模干涉耦合器104合束器内发生干涉。
50.在本公开实施例中，所述干涉仪中的各波导均为条形波导或脊形波导。
51.可选地，该马赫曾德尔干涉仪的制备材料至少包括铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟或砷化镓。通过调整制备材料的使用比例，可调节干涉仪内相移波导103的有效折射率，从而实现对干涉仪的中心波长的调节，以使该干涉仪输出指定波长的光信号。
52.本公开实施例提供的马赫曾德尔干涉仪采用多模干涉耦合器作为分光器，可以有效提高分光器的加工容差，且对波长不敏感，可以在宽光谱范围内保持基本不变的分光比，从而有效降低输出信号的串扰，该马赫曾德尔干涉仪对相移波导103中非等臂部分的波导进行了加宽，可以有效提高加工容差，从而提高器件性能，同时，采用了锥形波导连接宽度不同的波导，保证了单模传输。
53.本公开提供了一种多通道粗波分复用器，该波分复用器由多个如图1所示的马赫曾德尔干涉仪级联构成，其中，前一级所述马赫曾德尔干涉仪的两个输出端分别通过波导与后一级的两个所述马赫曾德尔干涉仪的一个输入端连接。
54.图4示意性示出了本公开实施例提供的一种多通道粗波分复用器的结构示意图。
55.如图4所示，本公开实施例提供了一种四通道粗波分复用器，由二级滤波器级联构成，其中第一级滤波器包括第一马赫曾德尔干涉仪i，第二级滤波器包括第二马赫曾德尔干涉仪ii和第三马赫曾德尔干涉仪iii。
56.如图4所示，在本公开实施例中，第一马赫曾德尔干涉仪i的两个输出波导105通过连接波导1、2与第二、第三马赫曾德尔干涉仪的一根输入波导101相连。其中，第i马赫曾德尔干涉仪中(i＝1，2，3)，两根输入波导101与分光器的两个输入端连接，第一多模干涉耦合器102的两个输出端与两根相移波导103的第一弯曲波导301相连，相移波导103的第三弯曲波导303与第二多模干涉耦合器104的输入端相连，第二多模干涉耦合器104输出端与输出波导105相连。
57.需要说明的是，在同一马赫曾德尔干涉仪中的两根相移波导103中，弯曲波导的曲率半径与长度相同，锥形波导长度相同；直波导长度不同，使得两根相移波导103间存在长度差。
58.在本公开实施例中，各级所述马赫曾德尔干涉仪的中心波长不同。
59.下面对该四通道粗波分复用器的具体工作过程进行详细说明。
60.在本公开实施例中，当宽光谱光信号由输入波导101输入到第一马赫曾德尔干涉仪i中，经过第一多模干涉耦合器102分数其进行50：50分光后，分别进入两根相移波导103中；两路光经过相移波导103后，存在特定的相位差，在第二多模干涉耦合器104合束器内发生干涉，满足干涉相长条件的波长加强，满足干涉相消条件的波长抑制；经过干涉作用后，假设输入光中1270nm与1310nm波长分量的光信号由连接波导1输入到第二马赫曾德尔干涉仪ii中，输入光中1290nm与1330nm波长分量的光信号由连接波导2输入到第三马赫曾德尔干涉仪iii中；经过与第一马赫曾德尔干涉仪i中类似的干涉作用，1270nm与1310nm波长分量的光信号分别从第二马赫曾德尔干涉仪ii的输出波导105输出，1290nm与1330nm波长分量的光信号分别从第三马赫曾德尔干涉仪iii的输出波导105输出。图5示意性示出了本公开实施例提供的一种多通道粗波分复用器在工作状态下的得到的1270nm、1310nm、1290nm、1330nm的光信号的仿真光谱图。由于多模干涉耦合器的分光比在宽光谱范围内基本保持不变，使得各个输出的光信号同时具有较低的损耗与串扰。
61.可以理解的，除了如图4所示的四通道粗波分复用器，本公开实施例提供的多通道粗波分复用器可以由更多的马赫曾德尔干涉仪级联构成构成，形成更多通道的波分复用器。
62.在本公开实施例中，通过对马赫曾德尔干涉仪中的相移波导103(103)的有效折射率进行调谐，可以实现该波分复用器的中心波长调节。
63.具体的，该多通道波分复用器可通过热光效应或电光效应调节相移波导103的有效折射率，对其中心波长进行调谐的。
64.可选的，该多通道波分复用器在铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟或砷化镓平台上通过半导体工艺制作。
65.本公开提供的波分复用器可由多个马赫曾德尔干涉仪级联构成，具有结构简单、损耗低、体积小等优点，调节和控制难度小。
66.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可
以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
67.尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。