CN100593737C - 基于无间距定向耦合结构的光环行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无间距定向耦合结构的光环行器。在衬底上依次由输入Y分支波导、具有或设置有磁性材料的矩形双模波导和输出Y分支波导串接而成。本发明提出采用无间距定向耦合波导结构，利用其基模和一次模的非互易相移差原理，通过非互易相移，实现集成光学型光隔离器和光环行器。这种非互易器件具有结构紧凑，集成度高的特点，在光信号的发射、放大、传输、路由等方面有应用前景，具有科学研究意义和应用价值。

Description

基于无间距定向耦合结构的光环行器

技术领域

本发明涉及用于控制光的方向的器件，尤其涉及一种基于无间距定向耦合结构的光环行器。

背景技术

在光纤通信等光信息系统中，不同器件的联接处往往会反射一部分光，一旦这些反射光进入激光源的腔体，会使光源产生寄生振荡，影响光源的频率稳定性、限制其调制带宽，从而限制整个系统性能的提高。光隔离器(Optical Isolator)就是专为解决这一问题而发展起来的磁光非互易器件。到目前为止，实用的光隔离器有以块状石榴石晶体作为法拉第转子的体型光隔离器以及尺寸缩小的微光学器件。然而，作为集成光学型光隔离器，至今尚处在实验室的原型研究阶段，实用化的器件还未研制出来。另外，分离、组合不同的传输路线或者多路波长信号也需要用到光环行器(Optical Circulator)。和光隔离器一样，光环路器是另一类实现光路非可逆传输的器件。不过光隔离器是对反向传输光进行阻挡，而光环路器是对反向传输光进行引导，将其与正向传输光从空间上分离开来，并从与另一端口输出，这一种特性对于光信号的双向传输和通讯具有重要的意义。由于波导型结构的非互易光学器件具有磁场要求低，成本低，体积小，损耗小，机械稳定性高且能与其他波导器件兼容等优点，所以集成光学型光隔离器和光环路器有着良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双模干涉原理的光环行器，利用其基模和一次模的非互易相移差原理，来实现光隔离器或光环行器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

在衬底上依次由输入Y分支波导、具有或设置有磁性材料的矩形双模波导和输出Y分支波导串接而成。

所述的具有或设置有磁性材料的矩形双模波导的长度满足对称模和反对称模在正向传输时相长干涉，反向传输时相消干涉；或对称模和反对称模在正向传输时相消干涉，反向传输时相长干涉。

所述的设置有磁性材料矩形双模波导上表面中心或中心对称设置磁性材料薄膜。

所述的具有磁性材料矩形双模波导由两层法拉第旋转系数θF相反的磁性材料薄膜构成。

本发明具有的有益效果是：

本发明提出采用无间距定向耦合波导结构，利用其基模和一次模的非互易相移差原理，通过非互易相移，实现集成光学型光隔离器和光环行器。这种非互易器件具有结构紧凑，集成度高的特点，在光信号的发射、放大、传输、路由等方面有应用前景，具有科学研究意义和应用价值。

附图说明

图1本发明的结构原理示意图。

图2设置有磁性材料的矩形双模波导剖视图。

图3具有磁性材料的矩形双模波导剖视图。

图中：1-输入Y分支波导，2-矩形双模波导，3-输出Y分支波导，4-衬底，5-磁性材料薄膜，6-覆盖层。

具体实施方式

本发明的内容是有关基于无间距定向耦合结构，利用其基模和一次模的非互易相移差原理，来实现光隔离器和光环行器。

如图1所示，本发明的光隔离器和光环行器，利用了双模波导的成像原理，通过非互易相移，实现光路非可逆传输。其结构由输入Y分支波导1、具有或设置有磁性材料的矩形双模波导2和输出Y分支波导3串接，在具有或设置有磁性材料的矩形双模波导2上直接引入非互易相移区。

根据双模波导的成像原理，当一束偏振光从A端口或B端口入射后，会激起两个模式：基模和一阶模，若以矩形双模波导的水平对称线看，可以把它们当作对称模和反对称模。对称模和反对称模是相干的，在双模波导区中传播时，二者会发生相互干涉。由于这二个模式传播速度不同，存在传播常数差Δβ。设矩形双模波导的长度为L，则相对相位差

假设光从A端口输入，输入光功率为P₀，输出端的光功率P_C、P_D可分别表示为

选取合适的波导长度L，可以实现正向传输的光从直通端或交叉端输出。若相对相位差为π的偶数倍，对称模和反对称模在矩形双模波导区末端发生相长干涉，光从C端口；若相对相位差为π的奇数倍，对称模和反对称模在矩形双模波导区末端发生相消干涉，光从D端口。

反向传输时，利用基模和一次模的非互易相移差不同的原理，磁光材料产生的非互易相移只对基模作用，而对一次模的影响很小，所以只需在双模波导区的中心或边缘对称设置磁光材料区，使对称模和反对称模成像规律与正向传输刚好相反，从直通端输出的光反向传输时从交叉端输出。以A端口为例，矩形双模波导的长度L满足

$L=\mathrm{\π}\frac{2n}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{fw}}^e-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{fw}}^o}=\mathrm{\π}\frac{2m+1}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{bw}}^e-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{bw}}^o}$

其中β_fw ^e、β_fw ^o分别是正向传输时对称模和反对称模的传播常数，β_bw ^e、β_bw ^o分别是反向传输时对称模和反对称模的传播常数，n、m为整数。可以实现从A端口输入的光从直通端C输出，光反向传输时从交叉端B输出，反射回来后，光正向传输从直通端D输出，反射回来后，光反向传输从交叉端A输出，即：

$A\⇒C\⇒B\⇒D\⇒A.$

当矩形双模波导的长度L满足

$L=\mathrm{\π}\frac{2n+1}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{fw}}^e-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{fw}}^o}=\mathrm{\π}\frac{2m}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{bw}}^e-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{bw}}^o}$

可以实现

从而实现光环行的功能。

利用该结构还可以实现光隔离的功能，即

或

根据所采用的材料不同，本发明的实施方式可以多种途径，如材料可以采用Si、SiO₂、GaAs等半导体，聚合物材料，LiNbO₃，玻璃等波导材料来制作。

实施例1：

在器件制作上，采用在介质衬底上生长一层非磁性金属膜或介质膜，再用化学湿法刻蚀或反应离子刻蚀方法制作矩形双模波导，再在矩形双模波导区上面采用局部键合或溅射的方法制备中心(如图2(a)所示)或中心对称(如图2(b)所示)设置磁性材料薄膜5。

实施例2：

采用在衬底上生长一层磁性材料薄膜，再用化学湿法刻蚀或反应离子刻蚀方法制作波导，也可以在再上面长一层折射率与衬底差别较大的覆盖层6，如图3所示。

为了增强非互易相移，实现结构更为紧凑的光隔离器和光环行器，还可以采用在磁性材料薄膜上再长一层法拉第旋转系数θ_F相反的磁性材料薄膜，再用化学湿法刻蚀或反应离子刻蚀方法制作波导。如图3所示中法拉第旋转系数θ_F＞0位于法拉第旋转系数θ_F＜0的上方，也可以将法拉第旋转系数θ_F＜0设置在法拉第旋转系数θ_F＞0的下方。

Claims (1)

1、一种基于无间距定向耦合结构的光环行器，其特征在于：在衬底(4)上依次由具有两个输入端口A端口和B端口的输入Y分支波导(1)、具有或设置有磁性材料的矩形双模波导(2)和具有两个输出端口C端口和D端口的输出Y分支波导(3)串接而成；在具有或设置有磁性材料的矩形双模波导(2)上直接引入非互易相移区，且所述具有或设置有磁性材料的矩形双模波导(2)的长度满足对称模和反对称模在正向传输时相长干涉、反向传输时相消干涉，或者对称模和反对称模在正向传输时相消干涉、反向传输时相长干涉；所述设置有磁性材料矩形双模波导(2)上表面中心或中心对称设置磁性材料薄膜(5)、或者所述具有磁性材料矩形双模波导(2)由两层法拉第旋转系数θ_F相反的磁性材料薄膜(5)构成，使A端口输入的光在B，C，D端口处被反射。

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