專利名稱：一種光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光纖到戶(FTTH)技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種光纖到戶用單纖三向復(fù) 用器芯片(Triplexer)
背景技術(shù)：
隨著近幾年來寬帶接入網(wǎng)的迅速發(fā)展，寬帶化成為接入網(wǎng)發(fā)展的最顯著特征。視 頻點播、IPTV(網(wǎng)絡(luò)電視)和網(wǎng)絡(luò)游戲等高帶寬業(yè)務(wù)逐漸被電信運(yùn)營商和廣電運(yùn)營商視 為新的業(yè)務(wù)增長點，用戶對接入寬帶的需求不斷增長，現(xiàn)有的以ADSL(非對稱數(shù)字用戶環(huán) 路)為主的寬帶接入方式已經(jīng)很難滿足用戶對高帶寬、雙向傳輸能力以及安全性等方面的 要求。面對這一困境，各國電信運(yùn)營商把關(guān)注的目光投向了光纖到戶——FTTH (Fiber To The Home)。FTTH的技術(shù)特點是能提供更大的帶寬(lOOMbit/s以上的帶寬，遠(yuǎn)優(yōu)于目前的 ADSL)，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)格式、速率、波長和協(xié)議的透明性，放寬了對環(huán)境條件和供電等要 求，從而簡化了安裝和使用維護(hù)。FTTH實際應(yīng)用涉及一個非常重要的核心器件，即單纖三向 復(fù)用器芯片，單纖三向復(fù)用器芯片的主要功能是對光信號的耦合和波分復(fù)用。EPON和GPON的技術(shù)規(guī)范中，采用1310nm、1490nm、1550nm三波長分配方案。其中 1310nm專門用于數(shù)據(jù)和IP視頻信號的上傳；1490nm用于語音、數(shù)據(jù)和IP視頻信號的下傳； 1550nm用于模擬視頻信號下傳。通過類似CWDM的方式將此三方向傳輸復(fù)用到一根光纖中， 該技術(shù)采用了點對多點傳輸方式，節(jié)省設(shè)備投資，局端設(shè)備和光纖用量大大減少，系統(tǒng)可靠 性較高。單纖三向傳輸方案的成本最終決定接入成本的高低。有很多方法和結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)單纖三向復(fù)用器，其中基于薄膜濾波片(thin film filter, TFF)的單纖三向復(fù)用器已經(jīng)實現(xiàn)商用，但是薄膜濾波片具有一些固有缺點，如工藝 復(fù)雜、不易于封裝、耦合損耗大和成本高等缺點。而利用集成光學(xué)技術(shù)的單纖三向復(fù)用器芯 片，目前多集中于基于多模干涉型耦合器(MMI)和基于陣列波導(dǎo)光柵(AWG)兩大類，具有 耦合損耗低，結(jié)構(gòu)緊湊以及易于大規(guī)模集成的優(yōu)點。其中MMI又具有偏振損耗低、加工容差 大等優(yōu)點，但是由于利用傳統(tǒng)的自映像現(xiàn)象和波分復(fù)用原理設(shè)計，器件的長度很大，不夠緊 湊。與本實用新型最接近的現(xiàn)有技術(shù)是采用兩個級聯(lián)的Y分支分束器構(gòu)成的單纖 三向復(fù)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)，然而這種結(jié)構(gòu)中，器件尺寸大，加工成本高，并且器件
隔離度較小。

實用新型內(nèi)容針對已有技術(shù)器件尺寸大，加工成本高，并且器件隔離度較小的不足，本實用新型 提供一種新型單纖三向復(fù)用器芯片，具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、插入損耗低、器件隔離度大等 優(yōu)點。[0007]本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片，由非對稱Y分支波導(dǎo)和多模干涉型耦合器 (MMI)級聯(lián)形成，其特征在于所述的非對稱Y分支波導(dǎo)的左分支的表面刻蝕有空氣槽，所 述的空氣槽位于左分支的芯層與襯底之間；所述的非對稱Y分支波導(dǎo)的右分支為對稱結(jié)構(gòu) 波導(dǎo)。進(jìn)一步，所述的非對稱Y分支波導(dǎo)的左分支的芯層與第一輸出波導(dǎo)連接，所述的 第一輸出波導(dǎo)為S型彎曲波導(dǎo)。第一輸出波導(dǎo)的輸出端為P0RT1。進(jìn)一步，所述的非對稱Y分支波導(dǎo)的右分支級聯(lián)所述的匪I的輸入波導(dǎo)，所述的 輸入波導(dǎo)與所述的MMI的多模區(qū)波導(dǎo)通過錐形結(jié)構(gòu)波導(dǎo)連接；所述的多模區(qū)波導(dǎo)的兩個輸 出端口分別與第二、第 三輸出波導(dǎo)連接，所述的輸出端口與所述的輸出波導(dǎo)通過錐形結(jié)構(gòu) 波導(dǎo)連接；所述的輸出波導(dǎo)為S形彎曲波導(dǎo)；多模干涉型耦合器的寬度為8. 4μπι，長度為 4462. 1 μ m。第二輸出波導(dǎo)的輸出端口為P0RT2，第三輸出波導(dǎo)的輸出端口為P0RT3。進(jìn)一步，所述的非對稱Y分支波導(dǎo)的總長度為12000 μ m，左分支與右分支之間的 夾角為1. 3mrad。進(jìn)一步，所述的非對稱Y分支波導(dǎo)、輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)均采用掩埋型玻璃基波 導(dǎo)，所述的玻璃基波導(dǎo)的芯層折射率為η。= 1.51，包層折射率Iis= 1.46。進(jìn)一步，所述的非對稱Y分支波導(dǎo)、輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的高度均為1.5μπι;所述 的非對稱Y分支波導(dǎo)的左分支的寬度為2 μ m,右分支的寬度為1. 36 μ m,空氣槽的寬度等于 2 μ m0進(jìn)一步，所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片的寬度是39. 88 μ m，總長度是 17562. Ιμπ ο本實用新型通過在Y分支波導(dǎo)的左分支表面刻蝕空氣槽來實現(xiàn)非對稱Y分支結(jié) 構(gòu)，使得兩分支的色散曲線斜率不同，以實現(xiàn)不同波長的光相互分離。并且制作這種非對稱 Y分支波導(dǎo)時，只需要一塊掩模板即可，制作過程簡單，成本低廉。非對稱Y分支波導(dǎo)的左分支加S型波導(dǎo)輸出，可以加大PORTl與P0RT2之間的距 離，有利于封裝。在MMI的兩個輸出端采用S型彎曲波導(dǎo)輸出，不但可以快速地將兩束光分 開，有效克服第二、第三輸出波導(dǎo)之間的耦合作用，也加大了 P0RT2和P0RT3之間的距離。本實用新型與已有技術(shù)相比，解決了傳統(tǒng)分立式單纖三向復(fù)用器體積大、損耗大、 隔離度小等問題，具有器件結(jié)構(gòu)緊湊，可以實現(xiàn)多種光電集成，適合大批量生產(chǎn)，成本低的 優(yōu)點，是未來實現(xiàn)System-On-Chip (片上系統(tǒng))的技術(shù)方案之一。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)圖。圖2a是非對稱Y分支波導(dǎo)的左分支的截面示意圖。圖2b是非對稱Y分支波導(dǎo)的右分支的截面示意圖。圖3是本實用新型單纖三向復(fù)用器芯片非對稱Y分支結(jié)構(gòu)左右分支波導(dǎo)的色散曲 線圖。圖4a是束傳播法(BPM)分析1310nm光通過本實用新型的非對稱Y分支波導(dǎo)的光 場傳輸圖。[0023]圖4b是束傳播法(BPM)分析1490nm光通過本實用新型的非對稱Y分支波導(dǎo)的光 場傳輸圖。圖4c是束傳播法(BPM)分析1550nm光通過本實用新型的非對稱Y分支波導(dǎo)的光 場傳輸圖。圖5a 是束傳播法(BPM)分析1490nm光通過本實用新型的MMI的光場傳輸圖。圖5b是束傳播法(BPM)分析1550nm光通過本實用新型的MMI的光場傳輸圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步說明光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片，由非對稱Y分支波導(dǎo)1和多模干涉型耦合器 2 (MMI)級聯(lián)形成，所述的非對稱Y分支波導(dǎo)1的左分11支的表面刻蝕有空氣槽111，所述 的空氣槽111位于左分支11的芯層112與襯底113之間；所述的非對稱Y分支波導(dǎo)1的右 分支12為對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)。所述的非對稱Y分支波導(dǎo)1的左分支11的芯層112與第一輸出波導(dǎo)3連接，所述 的第一輸出波導(dǎo)3為S型彎曲波導(dǎo)。第一輸出波導(dǎo)的輸出端為P0RT1。所述的非對稱Y分支波導(dǎo)1的右分支12級聯(lián)所述的匪I的輸入波導(dǎo)4，所述的輸 入波導(dǎo)4與所述的MMI的多模區(qū)波導(dǎo)通過錐形結(jié)構(gòu)波導(dǎo)5連接；所述的多模區(qū)波導(dǎo)的兩個 輸出端口分別與第二、第三輸出波導(dǎo)6、7連接，所述的輸出端口與所述的輸出波導(dǎo)6、7通過 錐形結(jié)構(gòu)波導(dǎo)61、71連接；所述的輸出波導(dǎo)6、7為S形彎曲波導(dǎo)；多模干涉型耦合器2的寬 度為8. 4 μ m,長度為4462. 1 μ m。第二輸出波導(dǎo)6的輸出端口為P0RT2，第三輸出波導(dǎo)7的 輸出端口為P0RT3。所述的非對稱Y分支波導(dǎo)1的總長度為12000μπι，左分支11與右分支12之間的 夾角為1. 3mrad。所述的非對稱Y分支波導(dǎo)1、輸入波導(dǎo)4和輸出波導(dǎo)3、6、7均采用掩埋型玻璃基波 導(dǎo)，所述的玻璃基波導(dǎo)的芯層折射率為η。= 1.51，包層折射率Iis= 1.46。所述的非對稱Y分支波導(dǎo)1、輸入波導(dǎo)4和輸出波導(dǎo)3、6、7的高度均為1. 5 μ m ；所 述的非對稱Y分支波導(dǎo)1的左分支11的寬度為2 μ m,右分支12的寬度為1. 36 μ m,空氣槽 111的寬度等于2 μ m。所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片的寬度是39. 88μπι，總長度是 17562. Ιμπ ο本實用新型通過在Y分支波導(dǎo)的左分支表面刻蝕空氣槽來實現(xiàn)非對稱Y分支結(jié) 構(gòu)，使得兩分支的色散曲線斜率不同，以實現(xiàn)不同波長的光相互分離。并且制作這種非對稱 Y分支波導(dǎo)時，只需要一塊掩模板即可，制作過程簡單，成本低廉。非對稱Y分支波導(dǎo)的左分支加S型波導(dǎo)輸出，可以加大PORTl與P0RT2之間的距 離，有利于封裝。在MMI的兩個輸出端采用S型彎曲波導(dǎo)輸出，不但可以快速地將兩束光分 開，有效克服第二、第三輸出波導(dǎo)之間的耦合作用，也加大了 P0RT2和P0RT3之間的距離。輸入光信號經(jīng)過非對稱Y分支波導(dǎo)的輸入端口 PORTO復(fù)用后進(jìn)入其內(nèi)，利用非對 稱Y分支波導(dǎo)的色散原理將1310nm光波合波信號耦合進(jìn)非對稱Y分支波導(dǎo)的左分支，最終 由端口 PORTl直通輸出。1490nm和1550nm光波信號耦合進(jìn)非對稱Y分支波導(dǎo)的右分支。[0038]由非對稱Y分支波導(dǎo)的右分支傳輸?shù)墓庑盘柦?jīng)過直波導(dǎo)耦合區(qū)域復(fù)用后進(jìn)入MMI 的多模干涉區(qū)，利用多模干涉型耦合器的自映像原理分別將1490nm和1550nm光波合波信 號耦合進(jìn)左臂和右臂，分別由P0RT2和P0RT3將信號光輸出。從而達(dá)到了分離三個波長的 目的。圖3為非對稱Y分支波導(dǎo)的左右兩分支色散曲線圖。色散曲線即有效折射率隨波 長的變化關(guān)系。左分支刻蝕有空氣槽，使的左右分支的色散曲線斜率不同，兩曲線相交，其 交點對應(yīng)波長為1.41μπι。其中，刻有空氣槽的左分支的色散曲線相對陡峭，而右分支的色 散曲線相對平緩。從圖3中可知，對于λ < 1. 41 μ m的光波，左分支的有效折射率相對較高；對于 λ > 1.41 μ m的光波，右分支的有效折射率相對較高。根據(jù)非對稱Y分支處的模式分離原 理，在分支角足夠小的情況下，由于光波在波導(dǎo)中傳播時總是沿著折射率大的方向傳輸，輸 入場的基模耦合進(jìn)折射率大的輸出波導(dǎo)中。當(dāng)光波的波長小于1.41 μ m時，該光信號傳輸 到非對稱Y分支波導(dǎo)的分支口處時，將被耦合進(jìn)左分支；而當(dāng)光的波長大于1. 41 μ m時，該 光波將被耦合進(jìn)右分支。 因為我們已經(jīng)確定將要分離光信號的波長為1.31μπι、1.49μπι、1.55μπι，則 1.31 μ m波長的光波通過非對稱Y分支波導(dǎo)的左分支輸出，如圖4a所示；1.49μπι和 1. 55 μ m波長的光通過非對稱Y分支波導(dǎo)的右分支輸出，如圖4b和圖4c所示。這樣就實現(xiàn) 了波長的分離。如圖4a所示，波長為1310nm的光通過非對稱Y分支波導(dǎo)的光場傳輸圖，其中實線 指光通過Y分支左分支的輸出能量，而虛線指光通過Y分支右分支的輸出能量，從圖中可以 看出，1310nm的光通過Y分支左分支輸出效率達(dá)89%。如圖4b所示，波長為1490nm的光通過非對稱Y分支波導(dǎo)的光場傳輸圖，其中實線 指光通過Y分支左分支的輸出能量，而虛線指光通過Y分支右分支的輸出能量，從圖中可以 看出，1490nm的光通過Y分支右分支輸出效率達(dá)97%。如圖4c所示，波長為1550nm的光通過非對稱Y分支波導(dǎo)的光場傳輸圖，其中實線 指光通過Y分支左分支的輸出能量，而虛線指光通過Y分支右分支的輸出能量，從圖中可以 看出，1550nm的光通過Y分支右支輸出效率達(dá)97. 4%。對于MMI結(jié)構(gòu)，采用了限制性成像條件(restricted interference)減小整個器 件的尺寸。根據(jù)匪I的自映像原理，匪I的自成像位置跟輸入波長相關(guān)，也即MMI的耦合長 度！^是波長相關(guān)的，利用這一特性，我們可以實現(xiàn)波分(解)復(fù)用功能。當(dāng)MMI的多模干 涉區(qū)的長度Lnmi滿足下式關(guān)系時，1490nm和1550nm的信號將分別從Port2和Port3輸出， 成功實現(xiàn)(解)復(fù)用功能。Lnmi = n*L (1490) = (n+m)*L (1550)其中η為正整數(shù)，m為奇數(shù)，L (1490)與(1550)分別為1490nm和1550nm下MMI
的耦合長度。利用有限差分方法，可以得到多模區(qū)的各階模式的傳播常數(shù)，根據(jù)公式 = {βι 1β2) (β。和β i分別是多模波導(dǎo)中的零次模和一次模的傳播常數(shù))可以得到MMI
的拍長。[0049]如圖5a所示，波長為1490nm的光通過多模干涉型耦合器(MMI)的光場傳輸圖，其 中實線指光通過MMI左臂的輸出能量，而虛線指光通過匪I右臂的輸出能量，從圖中可以看 出，1490nm的光通過匪I左臂的輸出效率達(dá)80 %。如圖5b所示，波長為1550nm的光通過匪I的光場傳輸圖，其中實線指光通過MMI 左臂的輸出能量，而虛線指光通過MMI右臂的輸出能量，從圖中可以看出，1550nm的光通過 匪I右臂的輸出效率達(dá)80 %。模擬光譜響應(yīng)結(jié)果表明工作波長1310nm、1490nm和1550nm的插入損耗分別為 0. 96dB、l. 49dB和1. 31dB。1310nm波長與1490nm、1550nm之間的隔離度最優(yōu)值分別為 49. 28dB和48. 08dB, 1490nm與1550nm之間隔離度最優(yōu)值為37. 23dB，而實際傳輸時由于上 行信號和下行信號的雙向傳輸隔度完全可以達(dá)到ITU規(guī)定的大于45dB要求。 本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對實用新型構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本實用新 型的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本實用新型的保護(hù)范圍也及 于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片，由非對稱Y分支波導(dǎo)和多模干涉型耦合器(MMI)級聯(lián)形成，其特征在于所述的非對稱Y分支波導(dǎo)的左分支的表面刻蝕有空氣槽，所述的空氣槽位于左分支的芯層與襯底之間；所述的非對稱Y分支波導(dǎo)的右分支為對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片，其特征在于所述的非對稱Y 分支波導(dǎo)的左分支的芯層與第一輸出波導(dǎo)連接，所述的第一輸出波導(dǎo)為S型彎曲波導(dǎo)。
3.如權(quán)利要求2所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片，其特征在于所述的非對稱Y 分支波導(dǎo)的右分支級聯(lián)所述的MMI的輸入波導(dǎo)，所述的輸入波導(dǎo)與所述的MMI的多模區(qū)波 導(dǎo)通過錐形結(jié)構(gòu)波導(dǎo)連接；所述的多模區(qū)波導(dǎo)的兩個輸出端口分別與第二、第三輸出波導(dǎo) 連接，所述的輸出端口與所述的輸出波導(dǎo)通過錐形結(jié)構(gòu)波導(dǎo)連接；所述的輸出波導(dǎo)為S形 彎曲波導(dǎo)；多模波導(dǎo)耦合器的寬度為8. 4 μ m，長度為4462. 1 μ m。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片，其特征在于所述的 非對稱Y分支波導(dǎo)的總長度為12000μπι，左分支與右分支之間的夾角為1.3mrad。
5.如權(quán)利要求4所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片，其特征在于所述的非對稱 Y分支波導(dǎo)、輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)均采用掩埋型玻璃基波導(dǎo)，所述的玻璃基波導(dǎo)的芯層折射 率為η。= 1.51，包層折射率ns = 1.46。
6.如權(quán)利要求5所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片，其特征在于所述的非對稱 Y分支波導(dǎo)、輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的高度均為1. 5μπι ；所述的非對稱Y分支波導(dǎo)的左分支的 寬度為2 μ m,右分支的寬度為1. 36 μ m,空氣槽的寬度等于2 μ m。
7.如權(quán)利要求6所述的光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片，其特征在于所述的光纖到 戶用單纖三向復(fù)用器芯片的寬度是39. 88 μ m,總長度是17562. 1 μ m。
專利摘要光纖到戶用單纖三向復(fù)用器芯片，由非對稱Y分支波導(dǎo)和多模干涉型耦合器(MMI)級聯(lián)形成，所述的非對稱Y分支波導(dǎo)的左分支的表面刻蝕有空氣槽，所述的空氣槽位于左分支的芯層與襯底之間；所述的非對稱Y分支波導(dǎo)的右分支為對稱結(jié)構(gòu)波導(dǎo)。本實用新型具有器件結(jié)構(gòu)緊湊，可以實現(xiàn)多種光電集成，適合大批量生產(chǎn)，成本低的優(yōu)點。
文檔編號G02B6/12GK201732180SQ20102021895
公開日2011年2月2日 申請日期2010年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月8日
發(fā)明者樂孜純, 張明, 李斌 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)