引用本文:

李勇奇,蒋金宏,余明芯,等:平面光波导光分路器耦合结构优化设计[J]. 光通信技术,2019,43(7):9-13.

平面光波导光分路器耦合结构优化设计

李勇奇1,蒋金宏1,余明芯1,张克非2*,刘维光2

1.西南科技大学 理学院,四川 绵阳 621010; 2.西南科技大学 计算机科学与技术学院,四川 绵阳 621010)

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摘要:为了提升光纤阵列与平面光波导芯片耦合时的耦合效率和稳定性,基于光场模式匹配理论,分析光纤阵列耦合特性,理论推导出耦合效率与耦合装置各参数之间的关系。改进传统耦合光场匹配模型,加入端面斜8°对准理论,提出一种针对平面光波导光分路器耦合装置的优化方案。对径向错位、端面分离和角度失配进行了理论计算,为V型槽及芯片固定结构提供了优化的技术参数。利用ZEMAX软件仿真表明:最终优化耦合结构的耦合效率达93%。

关键词:光通信;平面光波导光分路器;光场模式匹配;斜端面对准

中图分类号:TN256 文献标志码:文章编号:1002-5561(2019)07-0009-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.07.003

0 引言
       在光通信网络中,光分路器需要实现对光信号传输方向的控制、对光信号功率的分配及各器件之间的耦合控制等功能,是光纤到户(FTTH)中不可或缺的关键器件[1-4]。平面光波导(PLC)光分路器相比于熔融拉锥式分路器具有集成度高、分光均匀和损耗低等优点,在FTTH的传输中应用更加广泛,其波导芯片与器件封装是PLC器件制造的关键技术[5,6]。
   为了不断提升PLC器件的性能,研究人员提出了不同的改进方案。Song W等人[7]对常用的1×4多模干涉光分路器进行了改进,提出了一种新的输入/输出波导宽度线性变化的分路器形式,改进后光分路器的传输损耗为0.12 dB,比原来降低了70%,功率波动减小了50%。李旭等人[8]设计了一种PLC分路器的一体化封装装置,将输入光纤阵列、输出光纤阵列与连接头、法兰等直接集成在一起,构成一体化输入端和一体化输出端。贺锋涛等人[9]引入光子晶体材料,设计了一种氟掺杂双芯光子晶体光纤偏振光分束器,当光纤长度为102.717 μm的超短长度时,在1.55 μm波长处具有超强的分离2束正交偏振光的能力,提高了有效带宽。
   近年来,国内外关于PLC光分路器的主要研究以1×N分支的通光性能优化、波导芯片与阵列光纤对准耦合的改进和新型光纤(如光子晶体光纤)接入研究为主[10-14],主要对光分路器局部结构进行优化,但对于传统PLC光分路器整体耦合结构并没有较大改善。在工程应用上,随着器件的长期使用,PLC芯片与光纤阵列会出现相对位移,直接导致耦合效率大幅下降,甚至器件损坏;生产成本方面,在光电子集成器件的生产过程中,由于器件封装时间长,导致封装成本
高[15,16],一定程度上阻碍了PLC光分路器的发展。因此,本文根据传统1×8 PLC光分路器耦合结构的缺陷,结合实际生产需要,在耦合结构基板中引入斜8°和V型槽工艺,设计一种新型整体基板结构。

5 结束语
       根据现有耦合结构存在的缺陷,本文在传统1×8 PLC光分路器的基础上,提出一种高稳定性的整体基板耦合结构设计方案。ZEMAX仿真结果与理论计算结果表明:整体基板耦合结构将PLC芯片和光纤阵列两大核心部分合二为一,并对该耦合结构端面进行斜8°处理,耦合效率达93%。整体设计具有震荡偏移小、工作寿命长和封装相对简单等优点。