平面波导型光隔离器

摘要

本发明公开了一种平面波导型光隔离器，其包括芯层，该芯层包括有依次相连的第一波导、第一定向耦合器、并行设置的上干涉臂与下干涉臂、第二定向耦合器、1×2耦合器、第二波导，该第一定向耦合器还连接有半圆环的第三波导，该第三波导连接有第四波导，该第一波导为上行信号的输入波导，第二波导为下行信号及回波信号的输入波导，该半圆环的第三波导以及第四波导用以输出回波信号。本发明平面波导型光隔离器可使得回波信号无法从原输入端口处反向输出；另外，该隔离器对上行信号与下行信号具有很小的插入损耗。

权利要求

1.一种平面波导型光隔离器，其包括有芯层，其特征在于，所述芯层包括有依次相连的第一波导、第一定向耦合器、并行设置的上干涉臂与下干涉臂、第二定向耦合器、1×2耦合器、第二波导，该第一定向耦合器还连接有半圆环的第三波导，该第三波导连接有第四波导，该第一波导为上行信号的输入波导，第二波导为下行信号及回波信号的输入波导，该第一定向耦合器与第二定向耦合器用以光束的横向耦合，该上干涉臂与下干涉臂用以引入相干相位差，该1×2耦合器用以分波与合波，该半圆环的第三波导以及第四波导用以输出回波信号；所述第一定向耦合器与第二定向耦合器为0：100耦合器，所述回波信号在第一波导处干涉相消，在第三波导处干涉相长，回波信号由第三波导输出，之后进入第四波导输出；

所述1×2耦合器包括并行设置的上臂与下臂；

所述上行信号由第一波导进入隔离器，上行信号通过第一定向耦合器后进入下干涉臂，之后通过第二定向耦合器后进入1×2耦合器的下臂，最终由第二波导输出；所述下行信号由第二波导输入，经过1×2耦合器的能量分配后，分别由上臂与下臂传输，两路信号通过第二定向耦合器后进入上干涉臂与下干涉臂，上、下干涉臂存在相位差，引起两束信号相位信息的改变，再通过第一定向耦合器后，两路光发生干涉，对于下行信号满足在第一波导处干涉相长，在第三波导处干涉相消，下行信号由第一波导输出。

2.如权利要求1所述的平面波导型光隔离器，其特征在于，所述第一定向耦合器、第二定向耦合器、1×2耦合器以及上干涉臂与下干涉臂均包含有弯曲波导，该弯曲波导的曲率半径均大于4mm。

说明书

平面波导型光隔离器

技术领域

[0001] 本发明有关一种光隔离器，特别是指一种用于光纤通信中平面波导型单纤双向光电器件中用来回反光隔离的平面波导型光隔离器。

背景技术

[0002] 光纤通信系统中，半导体激光器对回反光非常敏感，该回反光会引起半导体激光器性能不稳定。因此，需要光隔离器隔离该回反光。

[0003] 目前市场上现有的光隔离器多为经典的光隔离器，如采用法拉第磁光旋转晶体型光隔离器、双折射晶体型光隔离器，用于同轴光电器件的封装中。对于平面波导型(PLC，Planar Lightwave Circuit)光电器件，经典光隔离器不易集成封装于器件中，其主要原因是隔离器本身尺寸较大，并且隔离器垂直于光传播方向放置，会增大器件的封装尺寸，另外经典隔离器的材料与平面波导型光电器件的材料不同，存在较大的插入损耗。

[0004] 借鉴于波导型马赫-曾德尔干涉仪(MZI，Mach-Zahnder interferometer)对双波长具有较好的分波特性，采用与其类似的干涉仪结构，再结合耦合器可以实现光波特定方向的传播。马赫-曾德尔干涉仪的结构包括两个相同的50∶50定向耦合器I、II以及两条干涉臂，如图1所示，干涉臂会引起两束光波的相位差，利用两束光在耦合器II处干涉，对于双波长λ1、λ2，形成λ1在输出端7相长、在输出端8相消，λ2在输出端7相消、在输出端8相长，从而实现分波的功能。

[0005] 然而马赫-曾德尔干涉仪为2×2型元件，不能实现单纤输入单纤输出的功能。通过在干涉仪后端的输出端7、8增加1×2耦合器，可以实现上行信号单纤输出的功能，但是对于下行信号，破坏了马赫-曾德尔干涉仪的相长、相消条件，使得马赫-曾德尔干涉仪无法实现单纤输出。因此需要对干涉仪进行改进。

[0006] 如图2所示，首先对于下行信号，由波导9输入，之后通过1×2耦合器分波为50∶50的两束光波，分别记为E7、E8，两光波为复振幅信息，包含振幅与相位。为简化工艺，定向耦合器I、II采用相同的对称结构(其分光比不再是50∶50)，记波长λ1、λ2在定向耦合器I、II内的传播常数分别为kλ1、kλ2，耦合器的有效耦合距离为l，记αλ＝kλl，波导9入射光波为E0，满足：

[0007]

[0008] 其中β为干涉臂中光波的传播常数。

[0009] 若满足以下条件：

[0010] ΔL·βλ1＝2mπ+2αλ1、ΔL·βλ2＝2nπ+2αλ2，m、n＝0，±1，±2... (2)[0011] 此时对于λ1，E2，λ1＝E0、E1，λ1＝0，对于λ2，E1，λ2＝E0、E2，λ2＝0，即信号λ1完全从端口2输出，信号λ2完全从端口1输出。说明了回波信号不会进入上行信号λ1的通道中，因此不会从原输入端口处反向输出，起到隔离的作用，同时对下行信号λ2无衰减的通过。

[0012] 对于上行信号，由端口1处的波导1输入，入射的光波场为E′0，

[0013]

[0014] 若满足以下条件

[0015] ΔL·βλ1＝2mπ+2αλ1、ΔL·βλ2＝2nπ+2αλ2，m、n＝0，±1，±2...[0016] sin(2αλ1)＝0 (4)

[0017] 此时对于λ1，定向耦合器I、II的分光比是0∶100，该定向耦合器的特征是，端口1输入，端口4输出；端口2输入，端口3输出，如图3所示。

[0018] 此时E7，λ1＝E′0、E8，λ1＝0，即信号完全从输出端7输出。因此上行信号λ1在1×2耦合器合波时不会发生干涉，光波无衰减。

[0019] 总之光隔离器对于上行信号λ1无衰减通过，对于回波起到隔离作用；对下行信号λ2无衰减的通过。

[0020] 本发明的光隔离器正是基于以上分析与计算。

发明内容

[0021] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种对上行信号与下行信号具有很小的插入损耗及对回波信号起隔离作用的平面波导型光隔离器。

[0022] 为达到上述目的，本发明提供一种平面波导型光隔离器，其包括有芯层，所述芯层包括有依次相连的第一波导、第一定向耦合器、并行设置的上干涉臂与下干涉臂、第二定向耦合器、1×2耦合器、第二波导，该第一定向耦合器还连接有半圆环的第三波导，该第三波导连接有第四波导，该第一波导为上行信号的输入波导，第二波导为下行信号及回波信号的输入波导，该第一定向耦合器与第二定向耦合器用以光束的横向耦合，该上干涉臂与下干涉臂用以引入相干相位差，该1×2耦合器用以分波与合波，该半圆环的第三波导以及第四波导用以输出回波信号。

[0023] 所述1×2耦合器包括并行设置的上臂与下臂。

[0024] 所述第一定向耦合器与第二定向耦合器为0∶100耦合器。

[0025] 所述上行信号由第一波导进入隔离器，上行信号通过第一定向耦合器后进入下干涉臂，之后通过第二定向耦合器后进入1×2耦合器的下臂，最终由第二波导输出；所述下行信号由第二波导输入，经过1×2耦合器的能量分配后，分别由上臂与下臂传输，两路信号通过第二定向耦合器后进入上干涉臂与下干涉臂，上、下干涉臂存在相位差，引起两束信号相位信息的改变，再通过第一定向耦合器后，两路光发生干涉，对于下行信号满足在第一波导处干涉相长，在第三波导处干涉相消，下行信号由第一波导输出。

[0026] 所述回波信号在第一波导处干涉相消，在第三波导处干涉相长，回波信号由第三波导输出，之后进入第四波导输出。

[0027] 所述第一定向耦合器、第二定向耦合器、1×2耦合器以及上干涉臂与下干涉臂均包含有弯曲波导，该弯曲波导的曲率半径均大于4mm。

[0028] 本发明平面波导型光隔离器利用干涉臂引入的相位差使得回波在原输入端口处干涉相消，从而无法从原输入端口处反向输出；另外，该隔离器对上行信号与下行信号具有很小的插入损耗。

附图说明

[0029] 图1为现有波导型马赫-曾德尔干涉仪结构示意图；

[0030] 图2为改进的波导型马赫-曾德尔干涉仪结构示意图；

[0031] 图3为0∶100定向耦合器光束传播示意图；

[0032] 图4为本发明平面波导型光隔离器平视图；

[0033] 图5为本发明平面波导型光隔离器的上行信号传播图；

[0034] 图6为本发明平面波导型光隔离器的下行信号传播图；

[0035] 图7为本发明平面波导型光隔离器的回波信号传播图；

[0036] 图8为本发明基于硅基的平面波导型光隔离器的其中一种结构示意图；

[0037] 图9为本发明的光隔离器的截面结构示意图。

具体实施方式

[0038] 为便于对本发明的结构及达到的效果有进一步的理解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。

[0039] 本发明中波导结构及材料的实现方式可以采用以下任一种：1.结构采用埯埋式，材料以硅为衬底，衬底上面制备二氧化硅下包层，下包层上面制备掺锗的二氧化硅芯层，芯层上面制备二氧化硅上包层；2.结构采用脊形方式，材料以硅为衬底，衬底上制备锗硅芯层；3.结构采用半埯埋式，材料以铌酸锂为衬底，衬底上表面制备掺钛的铌酸锂芯层；4.结构采用绝缘层上硅方式，材料以硅为衬底，衬底上面制备埋氧层，埋氧层上面制备硅芯层。以第1种方式为例，如图8与图9所示。

[0040] 如图8与图9所示，本发明平面波导型光隔离器的立体结构示意图，光隔离器由下至上依次包括硅基20、下包层21、芯层22与上包层23，四者的平面相互平行。如图4所示，本发明芯层22包括有依次相连的第一波导10、0∶100第一定向耦合器12(图4中圆圈虚线标示)、并行设置的上干涉臂13与下干涉臂14、0∶100第二定向耦合器15(图4中圆圈虚线标示)、1×2耦合器(其包括并行设置的上臂16与下臂17)、第二波导11，第一定向耦合器12还连接有半圆环的第三波导18，该第三波导18连接有第四波导19。

[0041] 第一波导10为上行信号λ1的输入波导，第二波导11为下行信号λ2及回波信号λ1(与上行信号的波长相同)的输入波导，第一定向耦合器12与第二定向耦合器15的作用是光束的横向耦合，满足公式(4)，上干涉臂13与下干涉臂14的作用是引入相干相位差，满足公式(2)，1×2耦合器的作用是分波与合波，半圆环的第三波导18以及第四波导19的作用是输出回波信号λ1。

[0042] 如图5所示，本发明的平面波导型单纤双向器件的上行信号(即激光器发射信号)波长为λ1，下行信号(即探测器接收信号)波长为λ2。上行信号λ1由第一波导10进入隔离器，根据背景知识，上行信号λ1通过第一定向耦合器12后进入下干涉臂14，之后通过第二定向耦合器15后进入1×2耦合器的下臂17，最终由第二波导11输出。如图6所示，下行信号λ2由第二波导11输入，经过1×2耦合器的能量分配后，分别由上臂16、下臂17传输，两路信号通过第二定向耦合器15后进入上、下干涉臂13、14，由于上、下干涉臂13、14存在相位差，引起两束信号相位信息的改变，再通过第一定向耦合器12后，两路光发生干涉，对于下行信号λ2满足在第一波导10处干涉相长，第三波导18处干涉相消，因此下行信号λ2由第一波导10输出。上、下干涉臂13、14相位差的实现方式有两种，第一种方式通过引入上、下干涉臂13、14的长度差ΔL，长度差ΔL与相位Δφ满足Δφ＝ΔL×2π/λ，第二种方式通过相位调制元件，将上干涉臂13或者下干涉臂14直接调制。如图7所示，对于光纤链路上的激光器回波信号λ1，满足在第一波导10处干涉相消，在第三波导18处干涉相长，因此回波信号λ1由第三波导18输出，之后进入第四波导19输出，因此不会进入第一波导10内，从而排除回反光对激光器性能的影响，起到隔离回反光的目的。

[0043] 芯层的折射率根据不同的需要而定，其配选的方案主要有两种：①相对折射率差Δ为0.75％，波导为矩形波导，截面横向尺寸为6um×6um，用于常规波导芯片的需求；②相对折射率差Δ为1.5％，波导为矩形波导，截面横向尺寸为4um×4um，用于较小型化芯片的需求。

[0044] 定向耦合器、1×2耦合器以及干涉臂均包含有弯曲波导，该弯曲波导的曲率半径均大于4mm，可以有效减少因波导弯曲引起的损耗。平面波导型隔离器与平面波导型单纤双向器件采用相同的材料与基底，基底厚度、包层厚度、芯层的波导尺寸均相同，因此更容易集成与制备。

[0045] 本发明平面波导型光隔离器是针对光纤通信用平面波导型单纤双向光电器件，利用干涉臂引入的相位差使得回波在原输入端口处干涉相消，从而无法从原输入端口处反向输出；另外，该隔离器对上行信号与下行信号具有很小的插入损耗。本发明采用较成熟的混合集成技术和平面波导技术，以硅为衬底、二氧化硅为包层，掺锗的二氧化硅为芯层，其制备工艺成熟，结构较简单，尺寸小，采用与平面波导型单纤双向器件相同的波导材料与基底，易集成，便于批量生产。

[0046] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。