專(zhuān)利名稱(chēng):一種基于耦合模式分離的光分束器的制作方法
一種基于耦合模式分離的光分束器技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于光通信、光互連、光計(jì)算、集成光學(xué)、光學(xué)傳感等領(lǐng)域的光分束器,特別是涉及一種可實(shí)現(xiàn)任意分光比、插入損耗低、波長(zhǎng)范圍寬以及工藝容差大的基于率禹合模式分離的2X2光分束器。
背景技術(shù):
光分束器是一種重要的光學(xué)基本元器件,廣泛應(yīng)用于光通信、光互連、光計(jì)算、集成光學(xué)、光學(xué)傳感等領(lǐng)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干涉型分束器,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于耦合模式的干涉,由于耦合模式對(duì)波長(zhǎng)和耦合區(qū)結(jié)構(gòu)很敏感,所以這種分束器的工作波長(zhǎng)范圍很窄,工藝容差也很小。多模干涉型分束器基于多模干涉的自映像原理,主要用于均勻分光,因而其分束比變化范圍很有限;2X2的多模干涉型分束器的兩條輸出波導(dǎo)與某一輸入波導(dǎo)間存在不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),為了實(shí)現(xiàn)均勻分光,就會(huì)激發(fā)起輻射模,因而插入損耗比較大。
發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題為了克服上述光分束器的不足,本發(fā)明提出了一種基于耦合模式分離的2X2光分束器。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供了一種基于稱(chēng)合模式分離的光分束器,該光分束器包括相鄰的第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2,用于實(shí)現(xiàn)2X2的光分束;其中,第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2的間距逐漸減小且波導(dǎo)尺寸不變構(gòu)成耦合模式激發(fā)區(qū),然后第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2的間距逐漸增大且波導(dǎo)尺寸向相反方向變化構(gòu)成耦合模式分離區(qū)。上述方案中,所述第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2是平面波導(dǎo)或非平面波導(dǎo)。所述平面波導(dǎo)是條形、脊形、圓形、橢圓形或狹縫形波導(dǎo),所述非平面波導(dǎo)是光纖。上述方案中,在所述稱(chēng)合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2結(jié)構(gòu)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(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2結(jié)構(gòu)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(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)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(shù)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(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)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(shù)型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。上述方案中,當(dāng)在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的結(jié)構(gòu)相同時(shí),在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的尺寸向相反方向變化,包括任選耦合模式分離區(qū)的一條波導(dǎo)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(dǎo)的尺寸不變;或者任選耦合模式分離區(qū)的一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化,同時(shí)另一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化。上述方案中,當(dāng)在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的結(jié)構(gòu)不同時(shí),在所述I禹合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的尺寸向相反方向變化,包括只將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較大的波導(dǎo)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(qū)的有效折射率較小的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化,而另一條波導(dǎo)的尺寸不變;或者將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較大的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化,同時(shí)有效折射率較小的波導(dǎo)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(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)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(shù)型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。 (三)有益效果因?yàn)榉峙涞絻神詈夏J街械墓饽芰勘壤梢酝ㄟ^(guò)改變耦合模式激發(fā)區(qū)的結(jié)構(gòu)來(lái)任意調(diào)整,所以本發(fā)明提供的光分束器可以實(shí)現(xiàn)各種不同的分光比。又因?yàn)楸景l(fā)明提供的光分束器基于絕熱模式變化來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合模式的分離,所以還具有插入損耗低、波長(zhǎng)范圍寬以及工藝容差大等優(yōu)點(diǎn)。
圖1(a)和圖1(b)是本發(fā)明提供的基于耦合模式分離的光分束器的結(jié)構(gòu)示意圖,其中圖I (a)對(duì)應(yīng)分束比為O. 5/0. 5的均勻分束,圖I (b)對(duì)應(yīng)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(zhǎng)度變化的曲線,其中圖2 (a)實(shí)現(xiàn)了 O. 5/0. 5的均勻分束,圖2(b)則實(shí)現(xiàn)了 O. 9/0. I的非均勻分束。附圖標(biāo)記說(shuō)明1-0 :第一波導(dǎo)I的輸入端1-1 :第一波導(dǎo)I的稱(chēng)合模式激發(fā)區(qū)1-2 :第一波導(dǎo)I的耦合模式分離區(qū)2-0 :第二波導(dǎo)2的輸入端2-1 :第二波導(dǎo)2的耦合模式激發(fā)區(qū)2-2 :第二波導(dǎo)2的耦合模式分離區(qū)
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合具體實(shí)施例,并參照附圖,對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。根據(jù)光波導(dǎo)耦合模式理論,當(dāng)兩條單模光波導(dǎo)逐步靠近時(shí),兩波導(dǎo)的模式會(huì)相互
率禹合形成兩個(gè)新的稱(chēng)合模式-對(duì)稱(chēng)模式和反對(duì)稱(chēng)模式。當(dāng)從某一路波導(dǎo)輸入一束光,如
果兩波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)相同,則光能量會(huì)均分到兩個(gè)耦合模式;如果兩波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)不同,則光能量以其他比例分配到兩個(gè)耦合模式。本發(fā)明首先通過(guò)控制兩波導(dǎo)在耦合模式激發(fā)區(qū)的結(jié)構(gòu),將入射光能量以一定比例分配到兩耦合模式中,然后將兩波導(dǎo)尺寸向相反的方向變化,使兩耦合模式絕熱變化最后分離,從而實(shí)現(xiàn)光能量的分束。
如圖I所示,圖I (a)和圖I (b)是本發(fā)明提供的基于耦合模式分離的光分束器的結(jié)構(gòu)示意圖,其中圖1(a)對(duì)應(yīng)分束比為O. 5/0. 5的均勻分束,圖1(b)對(duì)應(yīng)非均勻分束。該
光分束器包括兩條相鄰的光波導(dǎo)-第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2,光從第一波導(dǎo)I的輸入端
1-0或第二波導(dǎo)2的輸入端2-0輸入,可實(shí)現(xiàn)2X2的光分束;其中,第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2的間距逐漸減小且尺寸不變構(gòu)成耦合模式激發(fā)區(qū),然后第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2的間距逐漸增大且尺寸向相反方向變化構(gòu)成耦合模式分離區(qū)。首先第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2逐漸靠近且尺寸不變,形成耦合模式激發(fā)區(qū)。通過(guò)控制第一波導(dǎo)I的耦合模式激發(fā)區(qū)1-1和第二波導(dǎo)2的耦合模式激發(fā)區(qū)2-1的結(jié)構(gòu),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(dǎo)I的耦合模式激發(fā)區(qū)1-1和第二波導(dǎo)2的耦合模式激發(fā)區(qū)2-1結(jié)構(gòu)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(dǎo)I的耦合模式激發(fā)區(qū)1-1比第二波導(dǎo)2的耦合模式激發(fā)區(qū)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。然后,第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2間距逐漸增大且尺寸向相反方向變化構(gòu)成耦合模式分離區(qū)。如圖I所示,第一波導(dǎo)I的耦合模式分離區(qū)1-2逐漸變窄,而第二波導(dǎo)2的耦合模式分離區(qū)2-2逐漸變寬。這個(gè)過(guò)程中,第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2的耦合逐漸變?nèi)?,兩耦合模式發(fā)生絕熱變化,逐步分離。如圖2(a)和圖2(b)所示,第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2中的光能量振蕩隨傳輸長(zhǎng)度增加而逐步減弱。最后,當(dāng)?shù)谝徊▽?dǎo)I和第二波導(dǎo)2間距足夠大,尺寸差異也足夠大時(shí),第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2的耦合消失,兩耦合模式徹底分離,從而實(shí)現(xiàn)了光能量的分束。如圖2(a)和圖2(b)所示,第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2中的光能量振蕩最終變得十分微弱。其中,所述第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2是條形、脊形、圓形、橢圓形、狹縫形以及其他非規(guī)則圖形構(gòu)成的平面波導(dǎo),或者是光纖及其他類(lèi)型的非平面波導(dǎo)。所述的耦合模式激發(fā)區(qū)的兩波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)可以相同或不同,相同時(shí)對(duì)應(yīng)均勻分束,不同時(shí)對(duì)應(yīng)非均勻分束。即如果在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2結(jié)構(gòu)相同,則該光分束器是均勻分束;如果在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2結(jié)構(gòu)不相同,則該光分束器是非均勻分束。在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)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(shù)型、拋物型、雙曲型以及其他類(lèi)型的非線性絕熱漸變方式。在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)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(shù)型、拋物型、雙曲型以及其他類(lèi)型的非線性絕熱漸變方式。在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的尺寸向相反方向變化,包括當(dāng)在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的結(jié)構(gòu)相同時(shí),可以任選耦合模式分離區(qū)的一條波導(dǎo)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(dǎo)的尺寸不變;也可以任選耦合模式分離區(qū)的一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化,同時(shí)另一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化。當(dāng)在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的結(jié)構(gòu)不同時(shí),可以只將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較大的波導(dǎo)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(qū)的有效折射率較小的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化,而另一條波導(dǎo)的尺寸不變;也可以將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較大的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化,同時(shí)有效折射率較小的波導(dǎo)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(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)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(shù)型、拋物型、雙曲型以及其他非線性絕熱漸變方式。實(shí)施例I本實(shí)施例是按照?qǐng)DI (a)所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分束比為O. 5/0. 5的光分束器,采用頂硅層為340nm厚的絕緣體上硅(SOI)材料,波導(dǎo)為脊形結(jié)構(gòu)。第一波導(dǎo)I的輸入端1_0和第二波導(dǎo)2的輸入端2-0的脊寬均為500nm,在耦合模式激發(fā)區(qū)1_1或2_1,兩波導(dǎo)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(qū)1-2或2-2,兩波導(dǎo)間距線性增加,最大間距大于700nm,同時(shí)第一波導(dǎo)I的耦合模式分離區(qū)1_2脊寬線性減 至小于450nm,而第二波導(dǎo)2的耦合模式分離區(qū)2-2脊寬線性增至大于550nm。圖2(a)是對(duì)上述實(shí)施例的束傳播法模擬結(jié)果,波長(zhǎng)為I. 55 μ m,可見(jiàn)隨著傳輸距離增加,分束比趨向于穩(wěn)定在O. 5/0. 5附近,且無(wú)明顯插入損耗。實(shí)施例2本實(shí)施例是按照?qǐng)DI (b)所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分束比為O. 9/0. I的光分束器,除第一波導(dǎo)I的輸入端1-0的脊寬為468nm和第二波導(dǎo)2的輸入端2-0的脊寬為532nm外,其余參數(shù)與實(shí)施例I相同。圖2 (b)是對(duì)上述實(shí)施例的束傳播法模擬結(jié)果,同樣可見(jiàn)隨著傳輸距離增加,分束比趨向于穩(wěn)定在O. 9/0. I附近,且無(wú)明顯插入損耗。以上所述的具體實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明,所應(yīng)理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已,并不用于限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于稱(chēng)合模式分離的光分束器,其特征在于,該光分束器包括相鄰的第一波導(dǎo)(I)和第二波導(dǎo)(2),用于實(shí)現(xiàn)2X2的光分束;其中,第一波導(dǎo)⑴和第二波導(dǎo)(2)的間距逐漸減小且波導(dǎo)尺寸不變構(gòu)成耦合模式激發(fā)區(qū),然后第一波導(dǎo)(I)和第二波導(dǎo)(2)的間距逐漸增大且波導(dǎo)尺寸向相反方向變化構(gòu)成耦合模式分離區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于稱(chēng)合模式分離的光分束器,其特征在于,所述第一波導(dǎo)(I)和第二波導(dǎo)(2)是平面波導(dǎo)或非平面波導(dǎo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于耦合模式分離的光分束器,其特征在于,所述平面波導(dǎo)是條形、脊形、圓形、橢圓形或狹縫形波導(dǎo),所述非平面波導(dǎo)是光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于耦合模式分離的光分束器,其特征在于,在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)結(jié)構(gòu)相同,該光分束器是均勻分束。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于耦合模式分離的光分束器,其特征在于,在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)結(jié)構(gòu)不相同,該光分束器是非均勻分束。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于耦合模式分離的光分束器,其特征在于,在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(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(shù)型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于耦合模式分離的光分束器,其特征在于,在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(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(shù)型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于耦合模式分離的光分束器,其特征在于,當(dāng)在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)的結(jié)構(gòu)相同時(shí),在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)的尺寸向相反方向變化,包括 任選耦合模式分離區(qū)的一條波導(dǎo)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(dǎo)的尺寸不變;或者任選耦合模式分離區(qū)的一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化,同時(shí)另一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于耦合模式分離的光分束器,其特征在于,當(dāng)在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)的結(jié)構(gòu)不同時(shí),在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)的尺寸向相反方向變化,包括 只將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較大的波導(dǎo)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(qū)的有效折射率較小的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化,而另一條波導(dǎo)的尺寸不變;或者將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較大的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化,同時(shí)有效折射率較小的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于耦合模式分離的光分束器,其特征在于,在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(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(shù)型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于耦合模式分離的光分束器,包括兩條相鄰的第一波導(dǎo)(1)和第二波導(dǎo)(2),可實(shí)現(xiàn)2×2的光分束。首先兩波導(dǎo)間距逐漸減小且波導(dǎo)尺寸不變構(gòu)成耦合模式激發(fā)區(qū),然后兩波導(dǎo)間距逐漸增大且波導(dǎo)尺寸向相反方向變化構(gòu)成耦合模式分離區(qū)。通過(guò)調(diào)整兩波導(dǎo)在耦合模式激發(fā)區(qū)的結(jié)構(gòu),本光分束器可以實(shí)現(xiàn)各種不同的分束比。由于基于絕熱模式變化來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合模式的分離,本光分束器還具有插入損耗低、波長(zhǎng)范圍寬以及工藝容差大等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B6/125GK102944913SQ201210478918
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者邢界江, 李智勇, 肖希, 儲(chǔ)濤, 俞育德, 余金中 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所