专利名称：一种基于波导光栅的单纤多重波分复用器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤到户(FTTH)技术领域，尤其涉及一种基于波导光栅的单纤多重波分复用器(Triplexer)。
背景技术：
随着现代通信容量的急剧增加，现有光纤网络的传输容量日趋饱和，波分复用技术(WDM)是解决这一问题的有效方法。密集波分复用技术已经在远距离网络中发挥重要作用，而在接入网中，例如光纤到户(FTTH)的应用，则迫切需要粗波分复用技术(CWDM)。另外，相较于密集波分复用(DWDM)，CWDM具有无需严格要求波长精度和参数控制、无需热电冷却器、无需补偿偏振色散和温度影响等优点。
Triplexer是一个单纤三重波分复用器，用于将一根光纤里的两个输入光信号分别耦合到一个数字信号接收器和一个模拟信号接收器，同时将一个数字信号发射器发射的光信号耦合到同一根光纤，是当前FTTH系统发展中急需的一种基本元器件。通常用户终端接收的数字信号波长在1490nm，模拟信号波长在1550nm，而发射的数字信号的波长在1310nm。
有很多方法和结构可以实现这一模块，如马赫-曾特仪、薄膜滤波片(TFF)等，其中基于薄膜滤波片的Triplexer已经实现商用。但是薄膜滤波片具有一些固有缺点，如需要劳动密度高的手工组装，且器件的可靠性差。
利用光栅波分复用技术实现Triplexer的主要困难在于，由于较大的波长间隔，造成衍射级次过小，器件尺寸过大，制作困难。以阵列波导光栅(AWG)作为衍射光栅为例，当AWG的衍射级次小于8时，就很难实现简单的由三段直波导、两段弯曲波导构成的阵列波导。因为小的衍射级次直接导致阵列波导之间的长度差小，使用一般设计将使阵列波导之间无法互相分开。在C.R.Doerr，M.Cappuzzo.L.Gomez，E.Chen，A.Wong-Foy，and E.Laskowki的文章“Planar lightwave circuit eight-channel CWDM multiplexer”中提出，可用五段直波导、四段弯曲波导的阵列波导结构来实现小衍射级次的AWG。但是很明显，这样会造成器件过大，制作困难。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于波导光栅的单纤多重波分复用器(Triplexer)，解决了传统的基于光栅波分复用技术的Triplexer器件存在的器件尺寸大，衍射级次小，制作困难的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种基于波导光栅的单纤多重波分复用器，包含一个衍射光栅、一个总端口和三个分端口，所述衍射光栅将第一波长的光信号从第一分端口耦合到总端口，将第二波长的光信号从总端口耦合到第二分端口，将第三波长的光信号从总端口耦合到第三分端口，利用所述衍射光栅的频谱周期性，使第一波长工作在不同的衍射级次，离第二、三波长较远的第一波长被映射到第四波长，也就是使第四波长与第一波长有相同的从第一分端口到总端口的传播路径，该第四波长与第二、三波长相接近且形成一个几乎等间距的三个波长信道，使得所述衍射光栅的自由光谱范围包含第二、三、四波长的总光谱范围，而该自由光谱范围小于包括第一、二、三波长的总光谱范围。
进一步地，第一波长为1300nm～1320nm，第二波长为1480nm～1500nm，第三波长为1540nm～1560nm。所述第四波长接近第二、三波长的中间波长；为1500nm～1540nm。
进一步地，第一波长为1300nm～1320nm，第二波长为1480nm～1500nm，第三波长为1540nm～1560nm。所述第四波长接近第二、三波长的等间距外推波长；为1590nm～1630nm或1410nm～1450nm。
本发明的有益效果是1.利用衍射光栅的频谱周期性，使离第二、三波长较远的第一波长工作在不同的衍射级次，进行波长映射，减小了自由光谱范围，从而提高了衍射级次，降低了制作困难，减小了器件尺寸。
2.以AWG作为衍射光栅，由于自由光谱范围的减小，衍射级次相应提高，因此提高了阵列波导之间的长度差，便于实现简单的由三段直波导、两段弯曲波导构成的阵列波导，减小了器件尺寸。
3.以EDG作为衍射光栅，由于衍射工作级次的提高，增大了光栅齿面的尺寸，使得制作更加方便。
4.利用光栅波分复用器件实现单纤多重波分复用器Triplexer，可以使用集成光波导技术，容易与有源/无源器件集成，提高了集成度。
图1是阵列波导光栅的结构示意图；图2是阵列波导光栅在成像面上的输出示意图；图3是阵列波导光栅频谱周期性及FSR的示意图；图4是本发明实施例1的利用3×3阵列波导光栅作为衍射光栅实现Triplexer的结构示意图；图5是本发明实施例1的Triplexer的模拟结果图；图6是本发明的Triplexer的应用框图。
具体实施例方式
阵列波导光栅(AWG)满足如下衍射方程nsdgsinθi+nsdgsinθo+ncΔL＝mλ其中，θi＝i*Δx/Lf，θo＝j*Δx/Lf，ns和nc分别是FPR和阵列波导的有效折射率；θi和θo分别是第一个和第二个自由传输区的衍射角；dg是阵列波导的间隔；ΔL是阵列波导间的长度差；m是衍射级次；λ是入射波长；i和j分别代表第几根输入和输出波导；Δx是输入或输出波导间隔；Lf是FPR的长度。
AWG具有频谱的周期性，若的第m阶衍射级位置和λ+Δλ的第m-1阶衍射级位置重合，则Δλ为自由光谱范围(FSR)，记做ΔλFSR；；ΔλFSR≈λm-1]]>因此，不同的输入波长只要满足以上条件，就将会在成像面上聚焦于同一位置。
如果按通常的AWG那样来设计用于Triplexer的AWG，所有波长都处于同一衍射级次，那么由于第一波长和第二波长，第三波长之间的波长差很大，聚焦在成像面上的位置之间的距离差也会很大，器件的尺寸也就相应变大，同时包括第一、二、三波长的自由光谱范围必须足够大，以使得各个波长都处在单个自由光谱范围之内，衍射级次也会变小，从而造成阵列波导之间的长度差变小，难以用常用的阵列波导结构设计实现AWG。
但是，如果利用AWG的频谱周期性，使第一波长工作在不同的衍射级次，离第二、三波长较远的第一波长被映射到第四波长，也就是使第四波长与第一波长有相同的从第一分端口到总端口的传播路径，该第四波长与第二、三波长相接近但不重合，且形成一个几乎等间距的三个波长信道。第二、三、四波长工作在同一衍射级次，第一波长与第二、三、四波长的衍射级次相差整数n个。这样AWG的自由光谱范围只需包含第二、三、四波长的总光谱范围，而该自由光谱范围小于包含第一、二、三波长的总光谱范围。通过自由光谱范围的变小，可以将衍射级次提高到10以上，从而便于用简单的由三段直波导、两段弯曲波导构成的阵列波导结构实现AWG。
下面根据附图和实施例，以阵列波导光栅AWG作为衍射光栅为例，详细说明本发明。
1.根据Triplexer器件的要求，确定第一、二、三波长。分别为1310nm、1490nm、1550nm。
2.利用AWG的频谱周期性，使第一波长工作在不同的衍射级次，离第二、三波长较远的第一波长被映射到第四波长。
这里假定第一波长λ1和第四波长λ4均从中心输入波导输入，并从中心输出波导输出，也就是说θi和θo为零，于是第一波长λ1满足nc(λ1)ΔL＝(m+n)λ1，第四波长λ4满足nc(λ4)ΔL＝mλ4。其中nc(λ)根据选定的材料的折射率可以确定，第一波长为1310nm，第四波长与第二、三波长相接近且形成一个几乎等间距的三个波长信道。在保证自由光谱范围包含第二、三、四波长的情况下自由选择n后就可以得到第二、三、四波长的衍射级次m和第一波长的衍射级次m+n。完成以上步骤后，就能保证第一波长和第四波长有相同的从第一分端口到总端口的传播路径。在后面的步骤中，就无需考虑第一波长λ1，只需要根据第二、三、四波长λ2～λ4和它们所在的衍射级次m，继续完成余下的AWG的设计。
根据第四波长λ4的光栅衍射方程，确定阵列波导间的长度差ΔL＝mλ4/nc(λ4)。可以看出由于m的提高，ΔL也同样得到了提高。
如图1所示，阵列波导光栅包括至少一条输入波导1、第一自由传输区2、阵列波导区域3、第二自由传输区4和至少一条输出波导5；6和7分别是物面和成像面，输入波导1依次通过第一自由传输区2、阵列波导区域3和第二自由传输区4与输出波导5连接。
如图2示出，这里画出了第一、二、三波长λ1～λ3，根据AWG的光栅衍射方程，它们分别聚焦在成像面的不同位置，同时同一波长的不同衍射级次m-1、m和m+1也聚焦在成像面的不同位置。所以如果按通常的AWG那样来设计用于Triplexer的AWG，所有波长都处于同一衍射工作级次，那么由于第一波长离第二、三波长较远，会使得器件制作困难，尺寸变大。
如图3所示，图中画出了三组不同的衍射级次，各组各包含了三个不同波长，各组在成像面的位置(x1，x2，x3)是相同的。满足m-1、m衍射级次的光栅方程并且波长间隔为FSR的不同波长将聚焦于成像面的同一位置。所以如果按通常的AWG那样来设计用于Triplexer的AWG，所有波长都处于同一衍射级次，自由光谱范围必须包含第一、二、三波长的总光谱范围。但是，如果利用AWG的频谱周期性，使第一波长工作在不同的衍射级次，离第二、三波长较远的第一波长被映射到第四波长，自由光谱范围只需包含第二、三、四波长的总光谱范围，而该自由光谱范围小于包含第一、二、三波长的总光谱范围。
实施例1根据选定的材料的折射率，按照前述步骤，即可将第一波长映射到第四波长，这里第四波长接近第二、三波长的中间波长。表1中为设计中使用的具体数据。
表1
λ1＝1310.0nm，λ2＝1490.0nm，λ3＝1550.0nm，λ4＝1524.2nmm＝18，n＝3，ΔL＝18.846um，FSR≈87.06nm如表1所示，第一～四波长分别为1310、1490、1550、1524.2nm，包含第二、三、四波长的总光谱范围为80nm(包括考虑每个信道20nm的通带宽度)。
图4是根据上述实施例1得到的一种基于波导光栅的单纤多重波分复用器(Triplexer)，包含一个衍射光栅、一个总端口11和三个分端口8，9，10，所述衍射光栅将第一波长的光信号从第一分端口耦合到总端口，将第二波长的光信号从总端口耦合到第二分端口，将第三波长的光信号从总端口耦合到第三分端口。总端口与一根输入/输出光纤连接，所述三个分端口分别与数字信号发射器、数字信号接收器和模拟信号接收器相连接。图中衍射光栅是阵列波导光栅(AWG)。
图5是使用二维光束传输法BPM对图4设计的Triplexer器件进行模拟的结果。可以看出第四波长和第一波长在成像面上很好地重合，插入损耗为1.01dB，损耗非均匀性为0.63dB。
图6是Triplexer器件在双向通信系统中应用的一个示意框图。由Triplexer1(AWG1或者EDG1)和数字信号发射器、数字信号接收器、模拟信号接收器作为系统的一端，由Triplexer2(AWG2或者EDG2)和数字信号接收器、数字信号发射器、模拟信号发射器构成系统的另一端。系统两端由光纤连接，即可实现双向通信。
实施例2根据选定的材料的折射率，按照前述步骤，即可将第一波长映射到第四波长，这里第四波长接近第二、三波长的等间距外推波长，并且是往长波方向外推。表2中为设计中使用的具体数据。
λ1＝1310.0nm，λ2＝1490.0nm，λ3＝1550.0nm，λ4＝1595.4nmm＝9，n＝2，ΔL＝9.872um，FSR≈185.0nm如表2所示，第一～四波长分别为1310、1490、1550、1595.4nm，第四波长接近第二、三波长的等间距外推波长。包含第二、三、四波长的总光谱范围为125.4nm(包括考虑每个信道20nm的通带宽度)。
实施例3根据选定的材料的折射率，按照前述步骤，即可将第一波长映射到第四波长，这里第四波长接近第二、三波长的等间距外推波长，并且是往短波方向外推。表3中为设计中使用的具体数据。
表3
λ1＝1310.0nm，λ2＝1490.0nm，λ3＝1550.0nm，λ4＝1438.7nmm＝10，n＝1，ΔL＝9.872um，FSR≈159.86nm如表3所示，第一～四波长分别为1310、1490、1550、1438.7nm，第四波长接近第二、三波长的等间距外推波长。包含第二、三、四波长的总光谱范围为131.3nm(包括考虑每个信道20nm的通带宽度)。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于波导光栅的单纤多重波分复用器，包含一个衍射光栅、一个总端口和三个分端口，其特征在于，所述衍射光栅将第一波长的光信号从第一分端口耦合到总端口，将第二波长的光信号从总端口耦合到第二分端口，将第三波长的光信号从总端口耦合到第三分端口，利用所述衍射光栅的频谱周期性，使第一波长工作在不同的衍射级次，离第二、三波长较远的第一波长被映射到第四波长，也就是使第四波长与第一波长有相同的从第一分端口到总端口的传播路径，该第四波长与第二、三波长相接近且形成一个几乎等间距的三个波长信道，使得所述衍射光栅的自由光谱范围包含第二、三、四波长的总光谱范围，而该自由光谱范围小于包括第一、二、三波长的总光谱范围。
2.根据权利要求1所述的基于波导光栅的单纤多重波分复用器，其特征在于，所述总端口与一根输入/输出光纤连接，所述三个分端口分别与数字信号发射器、数字信号接收器和模拟信号接收器相连接。
3.根据权利要求1所述的基于波导光栅的单纤多重波分复用器，其特征在于，所述衍射光栅是一个阵列波导光栅。
4.根据权利要求3所述的基于波导光栅的单纤多重波分复用器，其特征在于，所述阵列波导光栅包括至少一条输入波导、第一自由传输区、阵列波导区域、第二自由传输区和至少一条输出波导，所述输入波导依次通过第一自由传输区、阵列波导区域和第二自由传输区与输出波导耦合。
5.根据权利要求1所述的基于波导光栅的单纤多重波分复用器，其特征在于，所述衍射光栅是一个蚀刻衍射光栅。
6.根据权利要求1所述的基于波导光栅的单纤多重波分复用器，其特征在于，所述第四波长接近第二、三波长的中间波长。
7.根据权利要求6所述的基于波导光栅的单纤多重波分复用器，其中第一波长为1300nm～1320nm，第二波长为1480nm～1500nm，第三波长为1540nm～1560nm，第四波长为1500nm～1540nm。
8.根据权利要求1所述的基于波导光栅的单纤多重波分复用器，其特征在于，所述第四波长接近第二、三波长的等间距外推波长。
9.根据权利要求8所述的基于波导光栅的单纤多重波分复用器，其中第一波长为1300nm～1320nm，第二波长为1480nm～1500nm，第三波长为1540nm～1560nm，第四波长为1590nm～1630nm或1410n～1450nm。
全文摘要
本发明公开了一种基于波导光栅的单纤多重波分复用器，它包含一个衍射光栅、一个总端口和三个分端口，所述衍射光栅将第一波长的光信号从第一分端口耦合到总端口，将第二波长的光信号从总端口耦合到第二分端口，将第三波长的光信号从总端口耦合到第三分端口，利用所述衍射光栅的频谱周期性，使离第二、三波长较远的第一波长工作在不同的衍射级次，并将第一波长映射到与第二、三波长形成几乎等间距信道的第四波长，从而使得所述衍射光栅的自由光谱范围包含第二、三、四波长的总光谱范围，小于包含第一、二、三波长的总光谱范围。本发明减小了对光栅自由光谱范围的要求，解决了传统的基于光栅波分复用技术的单纤多重波分复用器存在的器件尺寸大，衍射级次小，制作困难的问题。
文档编号H04J14/02GK1715976SQ20051005051
公开日2006年1月4日 申请日期2005年6月29日 优先权日2005年6月29日
发明者何建军, 郎婷婷, 何赛灵 申请人:浙江大学