一種超寬譜波長不敏感光分路器的設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種超寬譜波長不敏感光分路器的設計方法，采用調整Y分支彎曲半徑和縫隙，平橫短波和長波泄露損耗和輻射損耗，改善Y分支波長相關損耗，實現了超寬譜范圍內波長不敏感Y分支結構，通過Y分支級聯，形成超寬譜波長不敏感的1×N光分路器結構，實現超寬譜范圍內波長平坦化。
【專利說明】
一種超寬譜波長不敏感光分路器的設計方法
技術領域
[0001] 本發明屬于光纖到戶光分配器件技術領域，具體涉及一種平面光波導的超寬譜波 長不敏感光分路器的設計方法。
【背景技術】
[0002] 隨著三網融合、光纖到戶（FTTH)的大力發展，光分路器作為FTTH解決方案無源光 網絡系統(P0N)的關鍵器件，越來越受到關注。但隨著人民上網速率、帶寬的要求愈來愈高， 傳統工作在1310nm、1490nm和1550nm光通信系統已不能滿足人們的需求。同時對于一些工 作在特殊波段的通信系統，需要相應波段的光分路器，這就需要工作于更寬波長范圍的光 分路器。傳統的光分路器工作在1250nm~1650nm波長范圍內，且邊緣波長處性能較差，無法 滿足更寬的波長范圍。
【發明內容】
[0003] 本發明要解決的是傳統光分路器的波長范圍有限和波長相關損耗較大，從而提供 一種超寬譜波長不敏感光分路器的設計方法。
[0004] 為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案如下：
[0005] -種超寬譜波長不敏感光分路器的設計方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1:選擇光分路器的波導材料并計算波導材料的相對折射率差An。
[0007]步驟2:根據步驟1選擇的波導材料，利用三維光束傳播法仿真單模波導傳輸條件， 得出高階模截止條件，從而確定波導寬度及厚度；
[0008] 步驟3:根據步驟2得出的波導寬度和截面尺寸，利用彎曲波導損耗公式，計算出最 小彎曲半徑，并根據最小彎曲半徑構造光分路器的Y分支結構。
[0009] 彎曲波導損耗公式具體如下：
[0011] Rn=n2R/入 〇
[0012] e= An3/21.137A-0-01
[0013] 其中，Ae為彎曲損耗，An為波導材料相對折射率差，R為波導彎曲半徑，e為相對介 電常數，n2為波導芯區材料折射率，為真空中光傳輸波長。
[0014]步驟4:在最小彎曲半徑± 30%~50 %范圍內對光分路器的Y分支結構進行超寬譜 掃描，得到損耗隨波長的變化趨勢，并計算波長相關損耗WDL。
[0015] 步驟5:對光分路器的Y分支結構不同縫隙進行掃描，得到損耗隨縫隙變化趨勢。
[0016] 步驟6:根據步驟4和步驟5,調整縫隙和彎曲半徑，得到波長不敏感的彎曲半徑，并 平衡長波、短波的泄露和輻射損耗，得到波長不敏感的Y分支結構。
[0017] 步驟7:將波長不敏感的Y分支結構作為基本單元，通過級聯方式形成1XN型光分 路器結構。
[0018] 在步驟1中，所述波導材料為二氧化硅波導材料，折射率差為0.45 % ;所述二氧化 硅波導材料的芯層、襯底和包層的折射率分別為1.4502、1.445和1.445。
[0019] 在步驟1中，所述波導材料的芯層和包層材料為硅或二氧化硅或磷化銦或砷化鎵。
[0020] 所述波導材料的折射率差An的計算公式如下：
[0022]其中，m是芯層折射率，112是包層和襯底折射率。
[0023] 在步驟2中，在折射率差0.45%下，所述波導寬度為8mi，所述截面尺寸8miX8mi。 [0024] 在折射率差0.45%時，所述最小彎曲半徑為15mm。
[0025]在步驟4中，所述波長相關損耗WDL的計算公式如下：
[0027]其中，i為輸出通道的編號，P?t為輸出通道功率。
[0028] 在折射率差0.45%時，所述波長不敏感的彎曲半徑為16mm。
[0029] 所述超寬譜的范圍為1.05M1~1.75M1。
[0030]本發明在選定波導材料的情況下，首先用基于三維光束傳播法的Rsoft軟件仿真 單模波導傳輸條件，從而確定波導寬度及截面尺寸;然后利用彎曲波導損耗，計算出最小彎 曲半徑;在最小彎曲半徑附近進行超寬譜掃描，得到損耗隨彎曲半徑的變化趨勢;對Y分支 縫隙掃描，得到損耗隨縫隙的變化趨勢;通過調整合適縫隙和彎曲半徑，平衡長波短波的泄 露和輻射損耗，得到波長不敏感Y分支結構;將Y分支作為基本單元，通過級聯方式形成1 X N 型光分路器結構。
[0031] 本發明采用調整Y分支彎曲半徑和縫隙，平橫短波和長波泄露損耗和輻射損耗，改 善Y分支波長相關損耗，實現了超寬譜范圍內波長不敏感Y分支結構，通過Y分支級聯，形成 超寬譜波長不敏感的1 XN光分路器結構，實現超寬譜范圍內波長平坦化。
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發明中Y分支結構的光分路器結構示意圖。
[0033] 圖2為本發明中0.45%折射率下波導模式折射率隨寬度變化趨勢圖。
[0034]圖3為本發明中Y分支結構損耗隨彎曲半徑變化趨勢圖。
[0035]圖4為本發明中Y分支結構損耗隨分支縫隙變化趨勢圖。
[0036] 圖5為本發明中優化后Y分支結構損耗隨波長變化趨勢。
[0037] 圖6為本發明中Y分支結構級聯形成的1 X8波長不敏感光分路器結構。
[0038] 圖7為本發明中1 X8波長不敏感光分路器結構的損耗隨波長變化趨勢。
【具體實施方式】 [0039] 實施例：
[0040] -種超寬譜波長不敏感光分路器的設計方法，包括如下步驟：
[0041 ]步驟1:選擇光分路器的波導材料并計算波導材料的折射率差An。
[0042]所述波導材料為二氧化硅波導材料，折射率差為0.45 % ;所述二氧化硅波導材料 的芯層、襯底和包層的折射率分別為1.4502、1.445和1.445。
[0043] 在本實施例中，所述波導材料的芯層和包層材料還可為硅或二氧化硅或磷化銦或 砷化鎵。
[0044] 所述波導材料的折射率差An的計算公式如下：
[0046]其中，m是芯層折射率，112是包層和襯底折射率。
[0047]步驟2:根據步驟1選擇的波導材料，利用基于三維光束傳播法Rsoft軟件仿真單模 波導傳輸條件，得出高階模截止條件，從而確定波導寬度及厚度；
[0048]從圖2中可以看出，在波導寬度大約8.4wii時，出現了 1階模，可以認為單模條件為 小于8.4mi，為滿足單模條件，在折射率差0.45%下，所述波導寬度width為8mi，所述截面尺 寸 8timX8iim。
[0049]步驟3:根據步驟2得出的波導寬度和截面尺寸，利用彎曲波導損耗公式，計算出最 小彎曲半徑，并根據最小彎曲半徑構造光分路器的Y分支結構。
[0050]彎曲波導損耗公式具體如下：
[0052] Rn=n2RA〇
[0053] e= An3/21.137A-0-01
[0054]其中，Ae為彎曲損耗，An為波導材料相對折射率差，R為波導彎曲半徑，e為相對介 電常數，n2為波導芯區材料折射率，為真空中光傳輸波長。
[0055] 計算得出，在折射率差0.45 %時，所述最小彎曲半徑為15mm。
[0056]步驟4:在最小彎曲半徑± 30 %~50 %范圍內對光分路器的Y分支結構進行超寬譜 掃描，得到損耗隨彎曲半徑的變化趨勢，并計算波長相關損耗WDL。
[0057]所述波長相關損耗WDL的計算公式如下：
[0059] 其中，i為輸出通道的編號，P?t為輸出通道功率。
[0060] 在本實施例中，采用1 x 2Y分支結構，如圖1所示。并選取Y分支結構的彎曲半徑的 變化范圍為l〇mm~20mm，利用三維光束傳播法（Three-Dimension Beam Propagation Method，3D-BPM)對Y分支結構進行模擬，模擬結果如圖3所示。
[0061 ]從圖3可以看出，彎曲半徑較小時，由于長波輻射損耗較大，長波損耗相對偏大。 [0062]步驟5:對光分路器的Y分支結構不同縫隙進行掃描，得到損耗隨縫隙變化趨勢。 [0063 ]由于光刻工藝的限制，小于1微米縫隙重復性較差，考慮到工藝重復性，選取Y分支 結構的縫隙變化范圍從1~5ym，利用三維光束傳播法（Thr e e-D imen s i 〇n Beam Propagation Method，3D-BPM)對不同縫隙Y分支結構進行模擬，結果如圖4所示。
[0064] 從圖4中可以看出，在縫隙較大時，由于短波損耗主要集中在波導中心部分，泄露 損耗較大，導致縫隙偏大時損耗偏大。
[0065] 步驟6:根據步驟4和步驟5,調整縫隙和彎曲半徑，得到波長不敏感的彎曲半徑，并 平衡長波、短波的泄露和輻射損耗，得到波長不敏感的Y分支結構。
[0066] 結合步驟4和步驟5得出的損耗隨彎曲半徑和縫隙變化趨勢，彎曲半徑較小時，由 于長波輻射損耗較大，長波損耗相對偏大。在縫隙較大時，由于短波損耗主要集中在波導中 心部分，泄露損耗較大，導致縫隙偏大時損耗偏大。利用這一現象，通過調整彎曲半徑和縫 隙，平衡不同波長下輻射損耗和泄露損耗，達到超超寬譜范圍波長不敏感。
[0067] 圖5為優化后IX 2Y分支損耗隨波長變化趨勢，從圖5中可以看出，在超寬譜波長 1.05_~1.75mi波長范圍內，短波和長波損耗基本保持一致，Y分支波長相關損耗WDL〈 0.01dB〇
[0068] 步驟7:將波長不敏感的Y分支結構作為基本單元，通過級聯方式形成1 XN型光分 路器結構。
[0069] 圖6是，1X2Y分支結構級聯形成的1X8波長不敏感光分路器結構。圖7是1X8波長 不敏感光分路器結構的損耗隨波長變化趨勢，因輸出波導對稱，輸出只選取了前四個通道， 從圖7中可以看出，在超寬譜波長1.05wii~1.75wii波長范圍內，1 X8波長不敏感光分路器波 長相關損耗WDL〈0.13dB。
【主權項】
1. 一種超寬譜波長不敏感光分路器的設計方法，其特征在于:包括如下步驟： 步驟1:選擇光分路器的波導材料并計算波導材料的相對折射率差A n; 步驟2:根據步驟1選擇的波導材料，利用三維光束傳播法仿真單模波導傳輸條件，得出 高階模截止條件，從而確定波導寬度及厚度； 步驟3:根據步驟2得出的波導寬度和截面尺寸，利用彎曲波導損耗公式，計算出最小彎 曲半徑，并根據最小彎曲半徑構造光分路器的Y分支結構； 彎曲波導損耗公式具體如下：Rn = n2R/入 〇 e = An3/21.137A_0-01 其中，Ae為彎曲損耗，An為波導材料相對折射率差，R為波導彎曲半徑，e為相對介電常 數，m為波導芯區材料折射率，&為真空中光傳輸波長。 步驟4:在最小彎曲半徑± 30 %~50 %范圍內對光分路器的Y分支結構進行超寬譜掃 描，得到損耗隨波長的變化趨勢，并計算波長相關損耗WDL; 步驟5:對光分路器的Y分支結構不同縫隙進行掃描，得到損耗隨縫隙變化趨勢； 步驟6:根據步驟4和步驟5,調整縫隙和彎曲半徑，得到波長不敏感的彎曲半徑，并平衡 長波、短波的泄露和輻射損耗，得到波長不敏感的Y分支結構； 步驟7:將波長不敏感的Y分支結構作為基本單元，通過級聯方式形成1 X N型光分路器 結構。2. 根據權利要求1所述的一種超寬譜波長不敏感光分路器的設計方法，其特征在于:在 步驟1中，所述波導材料為二氧化硅波導材料，折射率差為〇. 45 % ;所述二氧化硅波導材料 的芯層、襯底和包層的折射率分別為1.4502、1.445和1.445。3. 根據權利要求1所述的一種超寬譜波長不敏感光分路器的設計方法，其特征在于:在 步驟1中，所述波導材料的芯層和包層材料為硅或二氧化硅或磷化銦或砷化鎵。4. 根據權利要求2所述的一種超寬譜波長不敏感光分路器的設計方法，其特征在于:所 述波導材料的折射率差A n的計算公式如下：其中，m是芯層折射率，m是包層和襯底折射率。5. 根據權利要求1所述的一種超寬譜波長不敏感光分路器的設計方法，其特征在于:在 步驟2中，在折射率差0.45 %下，所述波導寬度為8mi，所述截面尺寸8mi X 8mi。6. 根據權利要求1或5所述的一種超寬譜波長不敏感光分路器的設計方法，其特征在 于:在折射率差〇. 45 %時，所述最小彎曲半徑為15_。7. 根據權利要求1所述的一種超寬譜波長不敏感光分路器的設計方法，其特征在于:在 步驟4中，所述波長相關損耗WDL的計算公式如下：其中，i為輸出通道的編號，Pcmt為輸出通道功率。8.根據權利要求1或7所述的一種超寬譜波長不敏感光分路器的設計方法，其特征在 于:在折射率差0.45 %時，所述波長不敏感的彎曲半徑為16_。
【文檔編號】G02B6/44GK106054339SQ201610676975
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月16日
【發明人】王亮亮, 安俊明, 張家順, 吳遠大, 尹小杰, 王紅杰, 李建光, 王玥, 胡雄偉
【申請人】河南仕佳光子科技股份有限公司