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CN117348162A - 一种基于马赫曾德干涉仪的多通道波分复用器 - Google Patents

一种基于马赫曾德干涉仪的多通道波分复用器 Download PDF

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CN117348162A CN202311296637.5A CN202311296637A CN117348162A CN 117348162 A CN117348162 A CN 117348162A CN 202311296637 A CN202311296637 A CN 202311296637A CN 117348162 A CN117348162 A CN 117348162A
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Abstract

本发明公开了一种基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器，包括若干个马赫曾德尔干涉仪和若干个波导，若干个马赫曾德尔干涉仪之间通过波导连接以形成级联，每个马赫曾德尔干涉仪包括两个2×2多模干涉仪、两个布拉格光栅耦合器和若干个锥形波导；两个2×2多模干涉仪通过锥形波导及两个布拉格光栅耦合器连接；2×2多模干涉仪用于将输入的光信号进行分束，或将不同波长的信号光合束并输出；两个布拉格光栅耦合器用于对输入的不同波长的光信号进行滤波；锥形波导用于连接2×2多模干涉仪和布拉格光栅耦合器，或连接2×2多模干涉仪和波导。本发明实施例提高了马赫曾德尔干涉仪的加工容差和通信通道的带宽，可广泛应用于光纤通信与集成光学技术领域。

Description

一种基于马赫曾德干涉仪的多通道波分复用器
技术领域
本发明涉及光纤通信与集成光学技术领域，尤其涉及一种基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器。
背景技术
随着全球光通信和5G的迅猛发展，对光通信通道容量提出了更高的要求，于是波分复用器则成为了光通信领域的关键技术。波分复用器可将搭载着不同信号的不同波长的光复用至同一光纤中，同时也可将其解复用。波分复用器可极大提高通道带宽，而且由于其通道间隔大，带宽大，对激光器的要求大大降低，极大地降低了成本，因此被广泛应用在数据中心。然而，随着所需传输的信号量增加，现有的波分复用器出现带宽不够大的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器，拓宽了波分复用器的带宽，提高了光通信通道的容量。
本发明实施例提供了一种基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器，包括若干个马赫曾德尔干涉仪和若干个波导，若干个马赫曾德尔干涉仪之间通过波导连接以形成级联，每个马赫曾德尔干涉仪包括两个2×2多模干涉仪、两个布拉格光栅耦合器和若干个锥形波导；两个2×2多模干涉仪通过锥形波导及两个布拉格光栅耦合器连接；其中，
2×2多模干涉仪，用于将输入的光信号进行分束，或，将不同波长的信号光合束并输出；
两个布拉格光栅耦合器，用于对输入的不同波长的光信号进行滤波；
锥形波导，用于连接2×2多模干涉仪和布拉格光栅耦合器，或，连接2×2多模干涉仪和波导。
可选地，两个2×2多模干涉仪包括第一2×2多模干涉仪和第二2×2多模干涉仪；第一2×2多模干涉仪用于接收第一光信号并将第一光信号分束，以及将分束后的第一光信号传输到两个布拉格光栅耦合器中过滤；第二2×2多模干涉仪用于接收第二光信号并将第二光信号分束，传输到两个布拉格光栅耦合器中过滤，将经过布拉格光栅耦合器过滤后的第一光信号和经过布拉格光栅耦合器过滤后的第二光信号合束，以及将合束后的光信号输出。
可选地，2×2多模干涉仪对输入的光信号进行分束的分光比为50％：50％。
可选地，两个布拉格光栅耦合器对输入的不同波长的信号光进行滤波，其中，一个布拉格光栅耦合器对第一光信号进行透射，另一个布拉格光栅耦合器对第二光信号进行反射。
可选地，每个布拉格光栅耦合器的布拉格光栅的中心波长不同。
可选地，每个2×2多模干涉仪的结构相同，包括四个端口，四个端口平均分配，设置于每个2×2多模干涉仪的相对面上。
可选地，两个2×2多模干涉仪通过两个布拉格光栅耦合器连接，两个布拉格光栅耦合器设置于两个2×2多模干涉仪相对的两个面之间，两个布拉格光栅耦合器通过锥形波导与2×2多模干涉仪的端口连接。
可选地，若干个马赫曾德尔干涉仪包括若干个一级马赫曾德尔干涉仪和若干个二级马赫曾德尔干涉仪，两路不同波长的单色光输入至一级马赫曾德尔干涉仪中，经过一级马赫曾德尔干涉仪输出一路复合光至二级马赫曾德尔干涉仪中；两路复合光或一路复合光与一路单色光输入至二级马赫曾德尔干涉仪中，经过二级马赫曾德尔干涉仪输出至下一二级马赫曾德尔干涉仪，以使若干个马赫曾德尔干涉仪之间形成级联。
可选地，一级马赫曾德尔干涉仪的带宽根据输入一级马赫曾德尔干涉仪中的两路单色光的波长确定，二级马赫曾德尔干涉仪的带宽根据输入二级马赫曾德尔干涉仪中的复合光或单色光中的两个波长确定。
可选地，波导包括弯曲波导和条形波导。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例的多通道波分复用器中的马赫曾德尔干涉仪的多模干涉仪的特征尺寸较大，对加工导致的尺寸变化不敏感，采用2×2多模干涉仪作为分光器和合束器，提高了马赫曾德尔干涉仪的加工容差；采用若干个马赫曾德尔干涉仪级联的方式组成本实施例的多通道波分复用器，实现了一种光通信通道的容量更大的多通道波分复用器，且制备简单、工艺容差大、损耗低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于马赫曾德尔干涉仪的四通道波分复用器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种布拉格光栅耦合器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种2×2多模干涉仪的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种马赫曾德尔干涉仪的结构示意图。
附图标记说明：101、第五2×2多模干涉仪；102、两个布拉格光栅耦合器；103、第七波导；104、第五波导；105、第一波导；106、两个布拉格光栅耦合器；107、两个布拉格光栅耦合器；108、第二波导；109、第三波导；110、第四波导；111、第二2×2多模干涉仪；112、第一2×2多模干涉仪；113、第六2×2多模干涉仪；114、第三2×2多模干涉仪；115、第四2×2多模干涉仪；116、第六波导；401、端口；402、布拉格光栅耦合区；403、端口；301、多模干涉区；302-305、锥形波导；201、第一输入波导；202、第一2×2多模干涉仪；203、两个布拉格光栅耦合器；204、第二2×2多模干涉仪；205、第二输入波导；206、输出波导。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
除非另有定义，本发明实施例所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明实施例中所使用的术语只是为了描述本发明实施例的目的，不是旨在限制本发明。
对本发明实施例进行进一步详细说明之前，对本发明实施例中涉及的名词和术语进行说明，本发明实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。
本发明实施例提供了一种基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器，包括若干个马赫曾德尔干涉仪和若干个波导，若干个马赫曾德尔干涉仪之间通过波导连接以形成级联，每个马赫曾德尔干涉仪包括两个2×2多模干涉仪、两个布拉格光栅耦合器和若干个锥形波导；两个2×2多模干涉仪通过锥形波导及两个布拉格光栅耦合器连接；其中，
2×2多模干涉仪，用于将输入的光信号进行分束，或，将不同波长的信号光合束并输出；
两个布拉格光栅耦合器，用于对输入的不同波长的光信号进行滤波；
锥形波导，用于连接2×2多模干涉仪和布拉格光栅耦合器，或，连接2×2多模干涉仪和波导。
具体地，本发明实施例提供的多通道波分复用器可根据实际需求设置通道数量，本实施例中不做限定，仅提供实施例以供参考；通道数量通过改变马赫曾德尔干涉仪的数量来改变，通道数量包括奇数或偶数，即输入多通道波分复用器的光可为奇数条光路或偶数条光路。
具体地，每个马赫曾德尔干涉仪包括两个输入端和一个输出端。
具体地，当为奇数条通道的多通道波分复用器时，例如，为3通道波分复用器时，包括两个马赫曾德尔干涉仪和若干个波导；第一路光和第二路光分别从第一马赫曾德尔干涉仪的两个输入端中输入，进行分束、过滤以及合束，合束后的两路光从第一马赫曾德尔干涉仪的输出端输出，从第二马赫曾德尔干涉仪的一个输入端中输入至第二马赫曾德尔干涉仪，第三光路从第二马赫曾德尔干涉仪的另一个输入端中输入，合束后的两路光和第三路光在第二马赫曾德尔干涉仪中进行分束、过滤以及合束，合束后的三路光从第二马赫曾德尔干涉仪的输出端输出。
具体地，当为偶数条通道的多通道波分复用器时，例如，为6通道波分复用器时，包括6个马赫曾德尔干涉仪和若干个波导；四路单色光两两分配，分别输入至第一马赫曾德尔干涉仪和第二马赫曾德尔干涉仪中，进行分束、过滤以及合束，得到第一复合光和第二复合光并分别从第三马赫曾德尔干涉仪的两个输入端中输入，进行分束、过滤以及合束，得到由四路单色光合束而成的第三复合光；第三复合光和第五单色光分别从第四马赫曾德尔干涉仪的两个输入端中输入，进行分束、过滤以及合束，得到由五路单色光合束而成的第四复合光；第四复合光和第六单色光分别从第五马赫曾德尔干涉仪的两个输入端中输入，进行分束、过滤以及合束，得到由六路单色光合束而成的第五复合光并从第五马赫曾德尔干涉仪的输出端输出。
如图1所示，在一个具体的实施例中，基于马赫曾德尔干涉仪的四通道波分复用器包括第一马赫曾德尔干涉仪、第二马赫曾德尔干涉仪、第三马赫曾德尔干涉仪以及若干个波导；第一马赫曾德尔干涉仪包括第一2×2多模干涉仪112、第二2×2多模干涉仪111、两个布拉格光栅耦合器106、第一波导105和第二波导108；第二马赫曾德尔干涉仪包括第三2×2多模干涉仪114、第四2×2多模干涉仪115、两个布拉格光栅耦合器107、第三波导109和第四波导110；第三马赫曾德尔干涉仪包括第五2×2多模干涉仪101、第六2×2多模干涉仪113、两个布拉格光栅耦合器102、第五波导104、第六波导116和第七波导103。
可选地，两个2×2多模干涉仪包括第一2×2多模干涉仪和第二2×2多模干涉仪；第一2×2多模干涉仪用于接收第一光信号并将第一光信号分束，以及将分束后的第一光信号传输到两个布拉格光栅耦合器中过滤；第二2×2多模干涉仪用于接收第二光信号并将第二光信号分束，传输到两个布拉格光栅耦合器中过滤，将经过布拉格光栅耦合器过滤后的第一光信号和经过布拉格光栅耦合器过滤后的第二光信号合束，以及将合束后的光信号输出。
具体地，第二光信号λ2从第二波导108输入到第二2×2多模干涉仪111中，第二2×2多模干涉仪111对第二光信号λ2进行分束，并将分束后的第二光信号λ2输入到两个布拉格光栅耦合器106中过滤；第一光信号λ1从第一波导105输入到第一2×2多模干涉仪112中，第一2×2多模干涉仪112对第一光信号λ1进行分束，输入到两个布拉格光栅耦合器106中过滤，并将经过两个布拉格光栅耦合器106过滤的第一光信号λ1和第二光信号λ2合束，通过第五波导104传输至第三马赫曾德尔干涉仪。
具体地，第三光信号λ3从第三波导109输入到第三2×2多模干涉仪114中，第三2×2多模干涉仪114对第三光信号λ3进行分束，并将分束后的第三光信号λ3输入到两个布拉格光栅耦合器107中过滤；第四光信号λ4从第四波导110输入到第四2×2多模干涉仪115中，第四2×2多模干涉仪115对第四光信号λ4进行分束，输入到两个布拉格光栅耦合器107中过滤，并将经过两个布拉格光栅耦合器107过滤的第三光信号λ3和第四光信号λ4,合束，通过第六波导116传输至第三马赫曾德尔干涉仪。
可选地，2×2多模干涉仪对输入的光信号进行分束的分光比为50％：50％。
具体地，第二2×2多模干涉仪111分别将第一光信号λ1和第二光信号λ2以50％；50％的分光比分成两束分量光信号；第三2×2多模干涉仪114分别将第三光信号λ3和第四光信号λ4以50％；50％的分光比分成两束分量光信号。
可选地，两个布拉格光栅耦合器对输入的不同波长的信号光进行滤波，其中，一个布拉格光栅耦合器对第一光信号进行透射，另一个布拉格光栅耦合器对第二光信号进行反射。
具体地，两个布拉格光栅耦合器中，一个布拉格光栅耦合器对只通过波导接收输入的光信号的2×2多模干涉仪传输来的光进行透射，另一个布拉格光栅耦合器对从与下一马赫曾德尔干涉仪连接的2×2多模干涉仪中传输来的光信号进行反射。
具体地，第二2×2多模干涉仪111对第一光信号λ2进行反射，对第二光信号λ2进行透射；第三2×2多模干涉仪114对第三光信号λ3进行透射，对第四光信号λ4进行反射；从而实现对不同波长的信号光进行滤波。
具体地，第二光信号λ2的光场为E0＝Asin(ωt)，分束后的光场为 马赫曾德尔干涉仪的布拉格光栅结构完全相同，所以E1和E2在透射过程中不会产生相位差，则透射后的光场为/> 其中，E3为分束后被第二2×2多模干涉仪111过滤掉的分量信号，E4为经过第二2×2多模干涉仪111过滤后保留的分量信号。
具体地，第一光信号λ1的光场为E0′＝Asin(ωt)，分束后的光场为 马赫曾德尔干涉仪的DBR结构完全相同，所以E1′和E2′在反射过程中不会产生相位差，则反射后的光场为/> 其中，E0″为分束后被第二2×2多模干涉仪111过滤掉的分量信号，E4′为经过第二2×2多模干涉仪111过滤后保留的分量信号。
可选地，每个布拉格光栅耦合器的布拉格光栅的中心波长不同。
具体地，如图2所示，布拉格光栅耦合器包括端口401、布拉格光栅耦合区402和端口403；布拉格光栅耦合器通过改变布拉格光栅的中心波长来实现对不同波长的光信号的过滤，中心波长通过调节布拉格光栅的光栅齿的周期和占空比来改变。
具体地，对于每个马赫曾德尔干涉仪，输入的光信号都不同，故每个布拉格光栅耦合器的布拉格光栅的中心波长不同，以实现对不同波长的光信号的滤波效果。
可选地，每个2×2多模干涉仪的结构相同，包括四个端口，四个端口平均分配，设置于每个2×2多模干涉仪的相对面上。
具体地，如图3所示，2×2多模干涉仪包括多模干涉区301、四个端口与四个锥形波导302-305；四个端口平均设置在2×2多模干涉仪301相对的两个面上，四个端口分别与锥形波导302-305连接。
可选地，两个2×2多模干涉仪通过两个布拉格光栅耦合器连接，两个布拉格光栅耦合器设置于两个2×2多模干涉仪相对的两个面之间，两个布拉格光栅耦合器通过锥形波导与2×2多模干涉仪的端口连接。
如图4所示，一个马赫曾德尔干涉仪包括第一输入波导201、第一2×2多模干涉仪202、两个布拉格光栅耦合器203、第二2×2多模干涉仪204、第二输入波导205和输出波导206；第一2×2多模干涉仪202和第二2×2多模干涉仪204通过两个布拉格光栅耦合器203连接，两个布拉格光栅耦合器203两端的四个端口分别通过锥形波导与第一2×2多模干涉仪202和第二2×2多模干涉仪204相对面上的四个端口连接。
可选地，若干个马赫曾德尔干涉仪包括若干个一级马赫曾德尔干涉仪和若干个二级马赫曾德尔干涉仪，两路不同波长的单色光输入至一级马赫曾德尔干涉仪中，经过一级马赫曾德尔干涉仪输出一路复合光至二级马赫曾德尔干涉仪中；两路复合光或一路复合光与一路单色光输入至二级马赫曾德尔干涉仪中，经过二级马赫曾德尔干涉仪输出至下一二级马赫曾德尔干涉仪，以使若干个马赫曾德尔干涉仪之间形成级联。
如图1所示，以基于马赫曾德尔干涉仪的四通道波分复用器为例，一级马赫曾德尔干涉仪为第一马赫曾德尔干涉仪和第二马赫曾德尔干涉仪，二级马赫曾德尔干涉仪为第三马赫曾德尔干涉仪；第一马赫曾德尔干涉仪的输出光通过第五波导104传输至第五2×2多模干涉仪101中分束并传输到两个布拉格光栅耦合器102中过滤；第二马赫曾德尔干涉仪的输出光通过第六波导116传输至第六2×2多模干涉仪113中分束并传输到两个布拉格光栅耦合器102中过滤；其中，两个布拉格光栅耦合器102对第一马赫曾德尔干涉仪的输出光进行透射，对第二马赫曾德尔干涉仪的输出光进行反射；第六2×2多模干涉仪113将经过两个布拉格光栅耦合器102过滤的第一马赫曾德尔干涉仪的输出光和第二马赫曾德尔干涉仪的输出光合束，并通过第七波导103输出。
可选地，一级马赫曾德尔干涉仪的带宽根据输入一级马赫曾德尔干涉仪中的两路单色光的波长确定，二级马赫曾德尔干涉仪的带宽根据输入二级马赫曾德尔干涉仪中的复合光或单色光中的两个波长确定。
具体地，第一马赫曾德尔干涉仪的带宽为|λ2-λ1|，第二马赫曾德尔干涉仪的带宽为|λ4-λ3|，第三马赫曾德尔干涉仪的带宽为|λ3-λ1|。
可选地，波导包括弯曲波导和条形波导。
具体地，将弯曲波导和条形波导结合使用，可有效节省多通道波分复用器所占的面积和体积。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例的多通道波分复用器中的马赫曾德尔干涉仪的多模干涉仪的特征尺寸较大，对加工导致的尺寸变化不敏感，采用2×2多模干涉仪作为分光器和合束器，提高了马赫曾德尔干涉仪的加工容差；采用若干个马赫曾德尔干涉仪级联的方式组成本实施例的多通道波分复用器，实现了一种光通信通道的容量更大的多通道波分复用器，且制备简单、工艺容差大、损耗低。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器，其特征在于，包括若干个马赫曾德尔干涉仪和若干个波导，若干个所述马赫曾德尔干涉仪之间通过波导连接以形成级联，每个所述马赫曾德尔干涉仪包括两个2×2多模干涉仪、两个布拉格光栅耦合器和若干个锥形波导；两个所述2×2多模干涉仪通过锥形波导及两个所述布拉格光栅耦合器连接；其中，
所述2×2多模干涉仪，用于将输入的光信号进行分束，或，将不同波长的信号光合束并输出；
两个所述布拉格光栅耦合器，用于对输入的不同波长的光信号进行滤波；
所述锥形波导，用于连接所述2×2多模干涉仪和所述布拉格光栅耦合器，或，连接所述2×2多模干涉仪和所述波导。
2.根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器，其特征在于，两个所述2×2多模干涉仪包括第一2×2多模干涉仪和第二2×2多模干涉仪；所述第一2×2多模干涉仪用于接收第一光信号并将第一光信号分束，以及将分束后的第一光信号传输到所述两个所述布拉格光栅耦合器中过滤；所述第二2×2多模干涉仪用于接收第二光信号并将所述第二光信号分束，传输到两个所述布拉格光栅耦合器中过滤，将经过布拉格光栅耦合器过滤后的第一光信号和经过布拉格光栅耦合器过滤后的第二光信号合束，以及将合束后的光信号输出。
3.根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器，其特征在于，所述2×2多模干涉仪对所述输入的光信号进行分束的分光比为50％：50％。
4.根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器，其特征在于，两个所述布拉格光栅耦合器对输入的不同波长的信号光进行滤波，其中，一个布拉格光栅耦合器对第一光信号进行透射，另一个布拉格光栅耦合器对第二光信号进行反射。
5.根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器，其特征在于，每个所述布拉格光栅耦合器的布拉格光栅的中心波长不同。
6.根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器，其特征在于，每个所述2×2多模干涉仪的结构相同，包括四个端口，所述四个端口平均分配，设置于每个所述2×2多模干涉仪的相对面上。
7.根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器，其特征在于，两个所述2×2多模干涉仪通过两个所述布拉格光栅耦合器连接，两个所述布拉格光栅耦合器设置于两个所述2×2多模干涉仪相对的两个面之间，两个所述布拉格光栅耦合器通过所述锥形波导与所述2×2多模干涉仪的端口连接。
8.根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器，其特征在于，若干个所述马赫曾德尔干涉仪包括若干个一级马赫曾德尔干涉仪和若干个二级马赫曾德尔干涉仪，两路不同波长的单色光输入至所述一级马赫曾德尔干涉仪中，经过所述一级马赫曾德尔干涉仪输出一路复合光至所述二级马赫曾德尔干涉仪中；两路复合光或一路复合光与一路单色光输入至所述二级马赫曾德尔干涉仪中，经过所述二级马赫曾德尔干涉仪输出至下一二级马赫曾德尔干涉仪，以使若干个所述马赫曾德尔干涉仪之间形成级联。
9.根据权利要求8所述的基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器，其特征在于，所述一级马赫曾德尔干涉仪的带宽根据输入所述一级马赫曾德尔干涉仪中的两路单色光的波长确定，所述二级马赫曾德尔干涉仪的带宽根据输入所述二级马赫曾德尔干涉仪中的复合光或单色光中的两个波长确定。
10.根据权利要求1所述的基于马赫曾德尔干涉仪的多通道波分复用器，其特征在于，所述波导包括弯曲波导和条形波导。
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