一種基於耦合模式分離的光分束器的製作方法

2023-11-07 06:08:02 1

專利名稱：一種基於耦合模式分離的光分束器的製作方法
一種基於耦合模式分離的光分束器技術領域 本發明涉及一種應用於光通信、光互連、光計算、集成光學、光學傳感等領域的光分束器，特別是涉及一種可實現任意分光比、插入損耗低、波長範圍寬以及工藝容差大的基於率禹合模式分離的2X2光分束器。
背景技術：
光分束器是一種重要的光學基本元器件，廣泛應用於光通信、光互連、光計算、集成光學、光學傳感等領域。目前常用的2X2光分束器主要包括定向耦合型分束器和多模幹涉型分束器，隨著集成度的增加兩種分束器的尺寸不斷減小，二者的缺陷變得日益顯著。定向耦合型分束器的原理是基於耦合模式的幹涉，由於耦合模式對波長和耦合區結構很敏感，所以這種分束器的工作波長範圍很窄，工藝容差也很小。多模幹涉型分束器基於多模幹涉的自映像原理，主要用於均勻分光，因而其分束比變化範圍很有限；2X2的多模幹涉型分束器的兩條輸出波導與某一輸入波導間存在不對稱結構，為了實現均勻分光，就會激發起輻射模，因而插入損耗比較大。

發明內容
(一 )要解決的技術問題為了克服上述光分束器的不足，本發明提出了一種基於耦合模式分離的2X2光分束器。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種基於稱合模式分離的光分束器，該光分束器包括相鄰的第一波導I和第二波導2，用於實現2X2的光分束；其中，第一波導I和第二波導2的間距逐漸減小且波導尺寸不變構成耦合模式激發區，然後第一波導I和第二波導2的間距逐漸增大且波導尺寸向相反方向變化構成耦合模式分離區。上述方案中，所述第一波導I和第二波導2是平面波導或非平面波導。所述平面波導是條形、脊形、圓形、橢圓形或狹縫形波導，所述非平面波導是光纖。上述方案中,在所述稱合模式激發區該第一波導I和該第二波導2結構相同,該光分束器是均勻分束。上述方案中，在所述耦合模式激發區該第一波導I和該第二波導2結構不相同，該光分束器是非均勻分束。上述方案中，在所述耦合模式激發區該第一波導I和該第二波導2的間距逐漸減小的方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。上述方案中，在所述耦合模式分離區該第一波導I和該第二波導2的間距逐漸增大的方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。上述方案中，當在所述耦合模式激發區該第一波導I和該第二波導2的結構相同時，在所述耦合模式分離區該第一波導I和該第二波導2的尺寸向相反方向變化，包括任選耦合模式分離區的一條波導的尺寸向有效折射率增大或減小的方向變化，而另一條波導的尺寸不變；或者任選耦合模式分離區的一條波導的尺寸向有效折射率增大的方向變化，同時另一條波導的尺寸向有效折射率減小的方向變化。上述方案中，當在所述耦合模式激發區該第一波導I和該第二波導2的結構不同時，在所述I禹合模式分離區該第一波導I和該第二波導2的尺寸向相反方向變化,包括只將耦合模式分離區的有效折射率較大的波導的尺寸向有效折射率增大的方向變化，或者只將耦合模式分離區的有效折射率較小的波導的尺寸向有效折射率減小的方向變化，而另一條波導的尺寸不變；或者將耦合模式分離區的有效折射率較大的波導的尺寸向有效折射率增大的方向變化，同時有效折射率較小的波導的尺寸向有效折射率減小的方向變化。上述方案中，在所述耦合模式分離區該第一波導I和該第二波導2的尺寸向相反方向變化，其變化方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。 (三)有益效果因為分配到兩耦合模式中的光能量比例可以通過改變耦合模式激發區的結構來任意調整，所以本發明提供的光分束器可以實現各種不同的分光比。又因為本發明提供的光分束器基於絕熱模式變化來實現耦合模式的分離，所以還具有插入損耗低、波長範圍寬以及工藝容差大等優點。


圖1(a)和圖1(b)是本發明提供的基於耦合模式分離的光分束器的結構示意圖，其中圖I (a)對應分束比為O. 5/0. 5的均勻分束，圖I (b)對應非均勻分束。圖2(a)和圖2(b)是束傳播法模擬的分束比隨傳輸長度變化的曲線，其中圖2 (a)實現了 O. 5/0. 5的均勻分束，圖2(b)則實現了 O. 9/0. I的非均勻分束。附圖標記說明1-0 :第一波導I的輸入端1-1 :第一波導I的稱合模式激發區1-2 :第一波導I的耦合模式分離區2-0 :第二波導2的輸入端2-1 :第二波導2的耦合模式激發區2-2 :第二波導2的耦合模式分離區
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。根據光波導耦合模式理論，當兩條單模光波導逐步靠近時，兩波導的模式會相互
率禹合形成兩個新的稱合模式-對稱模式和反對稱模式。當從某一路波導輸入一束光，如
果兩波導的結構相同，則光能量會均分到兩個耦合模式；如果兩波導的結構不同，則光能量以其他比例分配到兩個耦合模式。本發明首先通過控制兩波導在耦合模式激發區的結構，將入射光能量以一定比例分配到兩耦合模式中，然後將兩波導尺寸向相反的方向變化，使兩耦合模式絕熱變化最後分離，從而實現光能量的分束。
如圖I所示，圖I (a)和圖I (b)是本發明提供的基於耦合模式分離的光分束器的結構示意圖，其中圖1(a)對應分束比為O. 5/0. 5的均勻分束，圖1(b)對應非均勻分束。該
光分束器包括兩條相鄰的光波導-第一波導I和第二波導2,光從第一波導I的輸入端
1-0或第二波導2的輸入端2-0輸入，可實現2X2的光分束；其中，第一波導I和第二波導2的間距逐漸減小且尺寸不變構成耦合模式激發區，然後第一波導I和第二波導2的間距逐漸增大且尺寸向相反方向變化構成耦合模式分離區。首先第一波導I和第二波導2逐漸靠近且尺寸不變，形成耦合模式激發區。通過控制第一波導I的耦合模式激發區1-1和第二波導2的耦合模式激發區2-1的結構，將入射光能量以一定比例分配到兩耦合模式中。如圖1(a)所示，第一波導I的耦合模式激發區1-1和第二波導2的耦合模式激發區2-1結構相同，入射光能量均勻分配(如圖2(a)所示)到兩耦合模式中；如圖I (b)所示，第一波導I的耦合模式激發區1-1比第二波導2的耦合模式激發區2-1寬度窄一些，入射光能量以非均勻的比例(如圖2(b)所示，分光比例 為O. 9/0. I)分配到兩耦合模式中。然後，第一波導I和第二波導2間距逐漸增大且尺寸向相反方向變化構成耦合模式分離區。如圖I所示，第一波導I的耦合模式分離區1-2逐漸變窄，而第二波導2的耦合模式分離區2-2逐漸變寬。這個過程中，第一波導I和第二波導2的耦合逐漸變弱，兩耦合模式發生絕熱變化，逐步分離。如圖2(a)和圖2(b)所示，第一波導I和第二波導2中的光能量振蕩隨傳輸長度增加而逐步減弱。最後，當第一波導I和第二波導2間距足夠大，尺寸差異也足夠大時，第一波導I和第二波導2的耦合消失，兩耦合模式徹底分離，從而實現了光能量的分束。如圖2(a)和圖2(b)所示，第一波導I和第二波導2中的光能量振蕩最終變得十分微弱。其中，所述第一波導I和第二波導2是條形、脊形、圓形、橢圓形、狹縫形以及其他非規則圖形構成的平面波導，或者是光纖及其他類型的非平面波導。所述的耦合模式激發區的兩波導的結構可以相同或不同，相同時對應均勻分束，不同時對應非均勻分束。即如果在所述耦合模式激發區該第一波導I和該第二波導2結構相同，則該光分束器是均勻分束；如果在所述耦合模式激發區該第一波導I和該第二波導2結構不相同，則該光分束器是非均勻分束。在所述耦合模式激發區該第一波導I和該第二波導2的間距逐漸減小的方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數型、拋物型、雙曲型以及其他類型的非線性絕熱漸變方式。在所述耦合模式分離區該第一波導I和該第二波導2的間距逐漸增大的方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數型、拋物型、雙曲型以及其他類型的非線性絕熱漸變方式。在所述耦合模式分離區該第一波導I和該第二波導2的尺寸向相反方向變化，包括當在所述耦合模式激發區該第一波導I和該第二波導2的結構相同時，可以任選耦合模式分離區的一條波導的尺寸向有效折射率增大或減小的方向變化，而另一條波導的尺寸不變；也可以任選耦合模式分離區的一條波導的尺寸向有效折射率增大的方向變化，同時另一條波導的尺寸向有效折射率減小的方向變化。當在所述耦合模式激發區該第一波導I和該第二波導2的結構不同時，可以只將耦合模式分離區的有效折射率較大的波導的尺寸向有效折射率增大的方向變化，或者只將耦合模式分離區的有效折射率較小的波導的尺寸向有效折射率減小的方向變化，而另一條波導的尺寸不變；也可以將耦合模式分離區的有效折射率較大的波導的尺寸向有效折射率增大的方向變化，同時有效折射率較小的波導的尺寸向有效折射率減小的方向變化。在所述I禹合模式分離區該第一波導I和該第二波導2的尺寸向相反方向變化,其變化方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數型、拋物型、雙曲型以及其他非線性絕熱漸變方式。實施例I本實施例是按照圖I (a)所示的結構設計的分束比為O. 5/0. 5的光分束器，採用頂矽層為340nm厚的絕緣體上矽(SOI)材料，波導為脊形結構。第一波導I的輸入端1_0和第二波導2的輸入端2-0的脊寬均為500nm，在耦合模式激發區1_1或2_1，兩波導間距以圓弧型方式減小，至IOOnm左右或更小，而且脊寬不變；在耦合模式分離區1-2或2-2，兩波導間距線性增加，最大間距大於700nm，同時第一波導I的耦合模式分離區1_2脊寬線性減 至小於450nm，而第二波導2的耦合模式分離區2-2脊寬線性增至大於550nm。圖2(a)是對上述實施例的束傳播法模擬結果，波長為I. 55 μ m，可見隨著傳輸距離增加，分束比趨向於穩定在O. 5/0. 5附近，且無明顯插入損耗。實施例2本實施例是按照圖I (b)所示的結構設計的分束比為O. 9/0. I的光分束器，除第一波導I的輸入端1-0的脊寬為468nm和第二波導2的輸入端2-0的脊寬為532nm外,其餘參數與實施例I相同。圖2 (b)是對上述實施例的束傳播法模擬結果，同樣可見隨著傳輸距離增加，分束比趨向於穩定在O. 9/0. I附近，且無明顯插入損耗。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於稱合模式分離的光分束器，其特徵在於，該光分束器包括相鄰的第一波導(I)和第二波導(2)，用於實現2X2的光分束；其中，第一波導⑴和第二波導(2)的間距逐漸減小且波導尺寸不變構成耦合模式激發區，然後第一波導(I)和第二波導(2)的間距逐漸增大且波導尺寸向相反方向變化構成耦合模式分離區。
2.根據權利要求I所述的基於稱合模式分離的光分束器，其特徵在於，所述第一波導(I)和第二波導(2)是平面波導或非平面波導。
3.根據權利要求2所述的基於耦合模式分離的光分束器，其特徵在於，所述平面波導是條形、脊形、圓形、橢圓形或狹縫形波導，所述非平面波導是光纖。
4.根據權利要求I所述的基於耦合模式分離的光分束器，其特徵在於，在所述耦合模式激發區該第一波導(I)和該第二波導(2)結構相同，該光分束器是均勻分束。
5.根據權利要求I所述的基於耦合模式分離的光分束器，其特徵在於，在所述耦合模式激發區該第一波導(I)和該第二波導(2)結構不相同，該光分束器是非均勻分束。
6.根據權利要求I所述的基於耦合模式分離的光分束器，其特徵在於，在所述耦合模式激發區該第一波導(I)和該第二波導(2)的間距逐漸減小的方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。
7.根據權利要求I所述的基於耦合模式分離的光分束器，其特徵在於，在所述耦合模式分離區該第一波導(I)和該第二波導(2)的間距逐漸增大的方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。
8.根據權利要求I所述的基於耦合模式分離的光分束器，其特徵在於，當在所述耦合模式激發區該第一波導(I)和該第二波導(2)的結構相同時，在所述耦合模式分離區該第一波導(I)和該第二波導(2)的尺寸向相反方向變化，包括 任選耦合模式分離區的一條波導的尺寸向有效折射率增大或減小的方向變化，而另一條波導的尺寸不變；或者任選耦合模式分離區的一條波導的尺寸向有效折射率增大的方向變化，同時另一條波導的尺寸向有效折射率減小的方向變化。
9.根據權利要求I所述的基於耦合模式分離的光分束器，其特徵在於，當在所述耦合模式激發區該第一波導(I)和該第二波導(2)的結構不同時，在所述耦合模式分離區該第一波導(I)和該第二波導(2)的尺寸向相反方向變化，包括 只將耦合模式分離區的有效折射率較大的波導的尺寸向有效折射率增大的方向變化，或者只將耦合模式分離區的有效折射率較小的波導的尺寸向有效折射率減小的方向變化，而另一條波導的尺寸不變；或者將耦合模式分離區的有效折射率較大的波導的尺寸向有效折射率增大的方向變化，同時有效折射率較小的波導的尺寸向有效折射率減小的方向變化。
10.根據權利要求I所述的基於耦合模式分離的光分束器，其特徵在於，在所述耦合模式分離區該第一波導(I)和該第二波導(2)的尺寸向相反方向變化，其變化方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。
全文摘要
本發明公開了一種基於耦合模式分離的光分束器，包括兩條相鄰的第一波導(1)和第二波導(2)，可實現2×2的光分束。首先兩波導間距逐漸減小且波導尺寸不變構成耦合模式激發區，然後兩波導間距逐漸增大且波導尺寸向相反方向變化構成耦合模式分離區。通過調整兩波導在耦合模式激發區的結構，本光分束器可以實現各種不同的分束比。由於基於絕熱模式變化來實現耦合模式的分離，本光分束器還具有插入損耗低、波長範圍寬以及工藝容差大等優點。
文檔編號G02B6/125GK102944913SQ201210478918
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月22日 優先權日2012年11月22日
發明者邢界江, 李智勇, 肖希, 儲濤, 俞育德, 餘金中 申請人:中國科學院半導體研究所