CN100462756C - 基于磁光谐振腔的非互易器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁光谐振腔的非互易器件。含有磁光材料的光学微谐振结构通过一侧的光学耦合结构，与光学耦合结构两端的输入端口和输出端口进行功率耦合，构成隔离器；或含有磁光材料的光学微谐振结构通过两侧的光学耦合结构，与各光学耦合结构的两个输入端口和输出端口间进行功率耦合，构成环路器。它利用磁光波导的非互易特性，结合磁光谐振腔的特殊性质，通过对结构参数的优化，可以实现对多路频率的光波同时进行处理。本发明具有结构通俗，工艺简单，设计灵活，功能性强等特点，在光波分复用网络、光双向网络、光信息处理等方面有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光学元器件，特别涉及一种基于磁光谐振腔的非互易器件。
背景技术
为满足全球光通信技术的产业需求，小型化、功能化、实用化和组件化是光学元件发展的必然趋势。随着系统规模的扩大，基于集成光学的光隔离器和环形器为反向隔离、双向传输、多路信道灵活交换提供了各种可能。然而，基于波分复用技术的系统容量升级对传统单波长器件提出了新的要求，要求光学元件不仅能够实现隔离功能，而且能够对多个波长，尤其是等频率间隔的光波可以同时进行处理。实现这些器件的一般方法是借助于磁光材料的非互易效应，让光波的模式在前向传输和后向传输之间产生一个相位偏差，回避了光路的可逆性。与此同时，谐振腔结构很早用来构成全通滤波器和光的分插复用器件，对准周期性的多波长具有极好的滤波特性。结合磁光材料的非互易特性和谐振环的多波长滤波功能，可以有效地实现多波长隔离器和环路器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于磁光谐振腔的非互易器件，可以有效地实现隔离器和环路器。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
方案一：
含有磁光材料的光学微谐振结构通过一侧的光学耦合结构，与光学耦合结构两端的输入端口和输出端口进行功率耦合，构成隔离器。
方案二：
所述的含有磁光材料的光学微谐振结构通过两侧的光学耦合结构，与各光学耦合结构的两个输入端口和输出端口间进行功率耦合，构成环路器。
所述的含有磁光材料的光学微谐振结构的磁光材料，为永久磁性或外加电磁场激励所得。
所述的含有磁光材料的光学微谐振结构为任意形状的微谐振环、任意形状的微碟或任意形状的各种晶格结构的光子晶体谐振腔结构。
所述的光学耦合结构：为通过消逝场进行光功率耦合的并行设置的方向耦合结构。
所述的光学耦合结构：为利用自映像原理实现光功率耦合的多模干涉结构。
本发明具有的有益效果是：提供一种能同时处理多路频率的隔离器与环路器。它利用磁光波导的非互易特性，结合磁光谐振腔的特殊性质，通过对结构参数的优化，可以实现对多路频率的光波同时进行处理。本发明具有结构通俗，工艺简单，设计灵活，功能性强等特点，在光波分复用网络、光双向网络、光信息处理等方面有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的一种结构原理示意图。
图2是本发明的另一种结构原理示意图。
图3是图1典型的结构示意图；(a)是方向耦合微谐振环结构的磁光隔离器；(b)是基于多模干涉耦合器的微谐振环结构的磁光隔离器；(c)是方向耦合微碟结构的磁光隔离器；(d)是基于方向耦合的光子晶体谐振腔结构的磁光隔离器。
图4是图2典型的结构示意图；(a)是方向耦合微谐振环结构的磁光环路器；(b)是是基于多模干涉耦合器的微谐振环结构的磁光环路器；(c)是方向耦合微碟结构的磁光环路器；(d)基于方向耦合的光子晶体谐振腔结构的磁光环路器。
图5是基于磁光谐振圆环的光环路器的原理图；(a)基于磁光谐振圆环的光环路器的平面示意图；(b)在图5(a)图中A-A’处的剖视图
图中：1一含有磁光材料的光学微谐振结构；2—光学耦合结构；3—输入输出端口；3A—谐振环的Input端口；3B—谐振环的Through端口；3C—谐振环的Drop端口；3D—谐振环的Add端口；4—任意形状的微谐振环；5—任意形状的微碟；6—任意形状的光子晶体谐振；7—方向耦合结构；8—多模干涉结构；9A—硅衬底；9B—二氧化硅层(BOX)；9C—表面硅层；10—Ce：YIG磁光膜；11A—Cr/Au电极；11B—交变电流；11C—垂直于波导传输方向的磁场。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，含有磁光材料的光学微谐振结构1通过一侧的光学耦合结构2，与光学耦合结构2两端的输入端口和输出端口3进行功率耦合，构成隔离器。
如图2所示，所述的含有磁光材料的光学微谐振结构1通过两侧的光学耦合结构2，与各光学耦合结构2的两个输入端口和输出端口3间进行功率耦合，构成环路器。
所述的含有磁光材料的光学微谐振结构1的磁光材料，为永久磁性或外加电磁场激励所得。
所述的含有磁光材料的光学微谐振结构1为任意形状的微谐振环4、任意形状的微碟5或任意形状的各种晶格结构的光子晶体谐振腔6结构。
所述的光学耦合结构：为通过消逝场进行光功率耦合的并行设置的方向耦合结构7。
所述的光学耦合结构：为利用自映像原理实现光功率耦合的多模干涉结构8。
图1所示的隔离器具有图3所示四种典型的具体结构：即(a)是方向耦合微谐振环结构的磁光隔离器；(b)是基于多模干涉耦合器的微谐振环结构的磁光隔离器；(c)是方向耦合微碟结构的磁光隔离器；(d)是基于方向耦合的光子晶体谐振腔结构的磁光隔离器。
图2所示的环路器具有图4所示四种典型的具体结构：即(a)是方向耦合微谐振环结构的磁光环路器；(b)是是基于多模干涉耦合器的微谐振环结构的磁光环路器；(c)是方向耦合微碟结构的磁光环路器；(d)基于方向耦合的光子晶体谐振腔结构的磁光环路器。
根据磁光波导理论，当外加磁场方向垂直于光波传输方向时，磁光材料中的光波模式发生非互易效应。当磁场方向平行于基片，波导中的TM模在往返传输中，传播常数不相同；相应的，当磁场方向垂直于基片时，波导中的TE模具有传播常数的非互易特性。通过内建磁畴或调整外加磁场的偏置方向可以同时实现TE模和TM模相同大小的偏振无关的非互易特性。
形如谐振环，微碟，光子晶体结构等的谐振腔具有很好的滤波功能，而且灵敏度很高，频率间隔呈现出准周期性，具有光分插复用功能，被广泛的用于波分复用网络。这里以如图5的方向耦合型的基于磁光微谐振圆环的光环路器为例，对其原理进行说明，其它几种结构具有类似的分析方法。
光波在谐振环中有顺时针和逆时针两种绕行模式，这里用磁光材料取代常规材料，并激励出其模式的非互易特性。相对于原有效折射率，光波在两种绕行方向上的有效折射率分别发生nclockwise-n0和n0-ncounter-clockwise的变化。在特定频率v0下，优化谐振环的周长L，既让两种绕行方向的相位差非常接近π，即(nclockwise-ncounter-clockwise)v0L/c≈π，又使顺时针绕行方向上满足谐振条件，即nclockwisev0L/c＝2mπ，则光从3A输入，将从3C输出。确定L值的一般方法是，先根据顺逆时针绕行相位差初步确定L的大致范围，然后选出合适的振荡模式级数m，对应谐振条件确定L。此时，在逆时针方向上处于失谐状态，ncounter-clockwisev0L/c＝(2m-1)π，光从3C输入，将从3D输出，因此实现了往返路径不同的环路器的功能。上述nclockwise和ncounter-clockwise分别为顺时针和逆时针下材料中光传输的有效折射率，c为真空中的光速。如果采用的是二端网络，即只与一个波导发生耦合，则实现的是图2(a)所示的隔离器。各种有效波长的光从3A，3B，3C，3D输入时，其输出特性依此类推。众所周知，谐振环在中心波长附近的每个自由谱宽区FSR内的滤波特性是相同的。因此，在的波长下情况则正好相反，逆时针绕行方向上满足谐振条件ncounter-clockwise(v0±FSR/2)L/c≈2mπ，而在顺时针方向上处于失谐状态nclockwise(v0±FSR/2)L/c≈(2m±1)π。因此对于v0±m(FSR)和v0±(2m+1)FSR/2两类波长正好具有相反的传输特性。因此，这种结构可用来形成了准周期间隔的多波长隔离器和环路器。本发明的实施方式很多，只要采用通常制作半导体器件的平面工艺过程及条件就可制成，在此以针对TM模的Ce：YIG/SOI互易波导为实施例，如图5(b)所示，但决非仅限于此实施例。
利用常规硅工艺500微米厚的硅衬底9A上制作0.2微米厚表面硅层9C的SOI基片，并掩埋1微米二氧化硅层(BOX)9B作为波导的下限制层。在Si材料表面溅射一层厚为0.5微米的Ce：YIG磁光膜10，这一步也可以采用成熟的磁光材料-硅键合工艺。利用光刻进行输入输出波导及其谐振环的图形转移，利用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合的方法依次腐蚀磁光材料和Si，得到宽为0.5微米的光波导，其下限制层为二氧化硅。最后在磁光膜上镀上Cr/Au金属膜，并进行二次光刻，转移电极图形，腐蚀出Cr/Au电极11A。通交变电流11B产生垂直于波导传输方向的磁场11C，以达到材料的磁饱和。这样在TM模在顺时针和逆时针方向传输时将产生非互易相移。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.基于磁光谐振腔的非互易器件，其特征在于：含有磁光材料的光学微谐振结构(1)被加上垂直于光波传输方向的外加磁场，通过一侧的光学耦合结构(2)，与光学耦合结构(2)两端的输入端口和输出端口(3)进行功率耦合，构成隔离器。
2.根据权利要求1所述的基于磁光谐振腔的非互易器件，其特征在于：所述的含有磁光材料的光学微谐振结构(1)通过两侧的光学耦合结构(2)，与各光学耦合结构(2)的两个输入端口和输出端口(3)间进行功率耦合，构成环路器。
3.根据权利要求1或2所述的基于磁光谐振腔的非互易器件，其特征在于：所述的含有磁光材料的光学微谐振结构(1)的磁光材料，为永久磁性或外加电磁场激励所得。
4.根据权利要求1或2所述的基于磁光谐振腔的非互易器件，其特征在于：所述的含有磁光材料的光学微谐振结构(1)为任意形状的微谐振环(4)、任意形状的微碟(5)或任意形状的各种晶格结构的光子晶体谐振腔(6)结构。
5.根据权利要求1或2所述的基于磁光谐振腔的非互易器件，其特征在于所述的光学耦合结构：为通过消逝场进行光功率耦合的并行设置的方向耦合结构(7)。
6.根据权利要求1或2所述的基于磁光谐振腔的非互易器件，其特征在于所述的光学耦合结构：为利用自映像原理实现光功率耦合的多模干涉结构(8)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090218 Termination date: 20110531 |