CN102354023A - 一种1×n波导型可调光功率分束器 - Google Patents

Abstract

一种1×N波导型可调光功率分束器，属于集成光子器件技术领域。该波导型可调光功率分束器基于光学隧道效应和倏逝波耦合原理，在Y分支波导分支连接处设置空气槽、并在空气槽下方设置电流控制的热点材料层，利用控制电流加热热电材料层所引起波导结构的热膨胀效应来调制空气槽的宽度，从而改变空气槽出光学隧道效应的强弱，最终引起倏逝波耦合大小的变化而达到光功率在Y分支波导中不同的分支输出波导之间可调分配的目的。本发明具有结构简单、易于设计和制作、波长和偏振依赖性低、动态范围大、调控简便等诸多优点，在集成光子系统中有重要的应用前景。

Description

一种1×N波导型可调光功率分束器

技术领域

本发明属于集成光子学技术领域，涉及光波导器件，具体指一种由Y分支波导结构所构成的1×N型可调光功率分束器。

背景技术

光波导器件因其体积小、结构紧凑、损耗小、可靠性好、性能稳定、使用方便以及易于集成等诸多优点而受到国内外研究人员的广泛关注和重视，且发展十分迅速。光波导器件是集成光子系统中的关键单元器件之一，采用不同的集成方式(包括单片集成和混合集成)可将各种不同有源器件和无源器件实现有效集成，从而实现具有相应光信息处理功能的集成光子系统，它们在光通信、信号处理等领域应用广泛。

波导型光功率分束器是集成光子系统中不可或缺的光波导器件，用于实现系统中的光功率分配与监控，以及用于实现其他各种功能光子器件之间的有效集成，在系统中起着重要作用。另外，在光通信系统、光无源网络、光局域网以及光纤用户网中也有广泛应用，如用来进行光路连接、光信号功率分配以及各器件之间的耦合控制等。波导型光功率分束器的结构形式主要有Y分支型波导结构、光子晶体型波导结构、表面等离子型波导结构以及多模干涉型波导结构等多种实现方案。但是，这些结构形式的光功率分束器通常属于“静态”型结构，即一旦设计和制作完成，其光功率分束比不能改变，这不仅使其应用领域和范围受到较大的限制，同时与其它可调光子器件集成时也会存在诸多问题。基于上述原因，波导型可调光功率分束器的研究开始引起了人们的关注和重视，它是通过施加可控物理量来改变其各个分支中光功率输出，实现其动态调控。这不仅能解决集成光子系统中其它不同光子元器件对其输入光功率不同需求，同时能通过动态调控来使系统中光子器件在不同时刻的光功率需求得到实时满足，这有利于提高集成光子系统的性能，有利于设计、制作具有新型功能的集成光子系统。近年来，关于波导型可调光功率分束器的报道还相对较少，且存在动态范围小、损耗高、偏振依赖性高、波长依赖性强、结构参数影响敏感、工艺制作难度大等诸多缺点，离实际应用还有较大距离。因而，设计和制作新型波导型可调光功率分束器对于集成光子学领域发展具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种1×N波导型可调光功率分束器，该波导型可调光功率分束器基于光学隧道效应和倏逝波耦合原理，在Y分支波导分支连接处设置空气槽、并在空气槽下方设置电流控制的热点材料层，利用控制电流加热热电材料层所引起波导结构的热膨胀效应来调制空气槽的宽度，从而改变空气槽出光学隧道效应的强弱，最终引起倏逝波耦合大小的变化而达到光功率在Y分支波导中不同的分支输出波导之间可调分配的目的。本发明具有结构简单、易于设计和制作、波长和偏振依赖性低、动态范围大、调控简便等诸多优点。

本发明技术方案如下：

一种1×N波导型可调光功率分束器(N为正整数)，如图1～3所示，包括采用上包层材料6、芯层材料7和下包层材料8制作于基片9表面的一个波导输入端口1、N个波导输出端口2和N-1个Y分支波导3；从波导输入端口1输入的光束通过第一个Y分支波导3分成两束光，其中一束光从第一个输出端口2输出，另一束光输入第二个Y分支波导3的输入端；从第二个Y分支波导3的输入端输入的光束通过第二个Y分支波导3分成两束光，其中一束光从第二个输出端口2输出，另一束光输入第三个Y分支波导3的输入端；直至从第N-2个Y分支波导3的输入端输入的光束通过第N-1个Y分支波导3分成两束光，其中一束光从第N-1个输出端口2输出，另一束光从第N个输出端口2输出。所述N-1个Y分支波导3中，每个Y分支波导3由输入波导a、偏向波导b、第一分支输出波导c和第二分支输出波导d共四段波导构成；其中输入波导a、偏向波导b和第一分支输出波导c顺序相连，第二分支输出波导d与偏向波导b之间的分支连接处具有一个平行于偏向波导b的空气槽5；所述空气槽5下方的基片9表面具有一热电材料层4，通过对热电材料层4施加控制电流能够对热电材料层4加热并传递到热电材料层4上方的波导结构，热电材料层4上方的波导结构由于热膨胀效应能够使得空气槽5的宽度受到控制电流的调制。

上述技术方案中：1)N-1个Y分支波导3中：每个Y分支波导3的输入波导a与偏向波导b之间的夹角和偏向波导b与第一分支输出波导c之间的夹角最好相等；第二分支输出波导d与输入波导a的光传输方向最好一致；2)空气槽5的宽度尺寸为微米量级；3)上包层材料6、芯层材料7和下包层材料8采用有机聚合物，且三者的热膨胀系数应该大于基片9材料的热膨胀系数。

本发明的工作原理是：

1×N波导型光功率分束器如图1所示，图中的各个Y分支波导分支连接处的空气槽5的初始宽度为W(其宽度约为1～5倍工作波长)，空气槽长度为L，空气槽与输入波导a的夹角为θ，其大小由波导折射率决定。当热电材料层4上没有施加电流信号时，在各个相应的Y分支处将不会产生热量，因而其温度保持不变，这时其空气槽的宽度保持原来初始宽度。光信号通过光纤耦合到波导端口1后，在光波导中将向前传播；当光信号到达Y分支波导时，由于这时空气槽宽度最大(即等于初始宽度)，且空气槽折射率(其大小等于1)与波导的折射率之差较大，因而光信号在空气槽位置处发生全反射，其反射后光信号将沿偏向波导b传输到第一分支输出波导a；而在空气槽与偏向波导b的分界面处，由于其空气槽宽度很大，这时光学隧道效应很小，故耦合到第二分支输出波导d中的光功率很弱。当热电材料层4上施加电流信号时，对应控制区域的温度将升高，使得光波导受热而发生膨胀，引起其对应空气槽的宽度变小，因而这时光学隧道效应增强，其倏逝波的耦合也增强，使得光信号透过空气槽后沿第二分支输出波导d传播的光功率将增加，而光信号在空气槽与偏向波导b分界面处发生反射后沿第一分支输出波导a传播的光功率将减小。其第一、二分支输出波导的光功率将随控制电流的变化而发生改变，从而实现了对各个输出分支波导中的光功率大小的调控。

本发明的有益效果是：

本发明提供的1×N波导型可调光功率分束器，具有结构简单、易于设计和制作、波长和偏振依赖性低、动态范围大、调控简便等诸多优点，在集成光子系统中具有重要的应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的1×N波导型可调光功率分束器的平面结构示意图。

图2是本发明提供的1×N波导型可调光功率分束器中，Y分支波导3的结构示意图。

图3是本发明提供的1×N波导型可调光功率分束器中，Y分支波导3的分支连接处的剖面结构示意图。

图1至图3中，1是波导输入端口，2是波导输出端口，3是Y分支波导，4是热电材料层，5是空气槽，6是上包层材料，7是芯层材料，8是下包层材料，9是基片，a是Y分支波导3的输入波导，b是Y分支波导3的偏向波导，c是Y分支波导3的第一分支输出波导，d是Y分支波导3的第二分支输出波导。

图4是本发明提供的1×2导型可调光功率分束器在不同空气槽宽度下光波传播过程中的光场分布，(a)、(b)、(c)表示空气槽宽度分别等于0.3μm、0.5μm、0.8μm(图中坐标单位：μm)。

图5是本发明提供的1×2导型可调光功率分束器的归一化光功率输出随空气槽宽度变化关系，其中虚线和实线分别表示第一、二分支输出波导的归一化光功率输出。

图6是本发明提供的1×2导型可调光功率分束器的归一化光功率输出随工作波长变化关系，其中虚线和实线分别表示第一、二分支输出波导的归一化光功率输出。

图7是本发明提供的1×3导型可调光功率分束器在不同空气槽宽度下光波传播过程中的光场分布，其上、下两个空气槽分别为(a)W₁＝0.4μm，W₂＝0.2μm，(b)W₁＝0.2μm，W₂＝0.4μm(图中坐标单位：μm)。

具体实施方式

下面结合附图，首先以1×2可调光功率分束器为例进一步说明本发明。通常，光通信系统中通信窗口为近红外，这里，假定光信号的工作波长为1.55μm，其偏振态为TM波。如图1所示，芯层脊的宽度为1.5μm，芯层的厚度为1.8μm，上、下包层材料为PMMA，其折射率为1.48，其芯层材料为SU-8，其折射率为1.57(PMMA和SU-8均有美国MicroChem Corp.生产)。这两种材料PMMA和SU-8均有较大的热膨胀系数，两者大小较为接近，分别为52ppm/K和71ppm/K，且有较大的玻璃化温度(大于200℃)，这里选用硅片作为基底材料，其热膨胀系数很小(约为2.3ppm/K)，其热膨胀效应可忽略不计。为简单起见，这里设加热区域为1mm，温度变化范围为20℃～100℃，则波导的热膨胀范围在0μm～5.68μm。而空气槽的宽度的变化范围只需达到0μm～2.0μm，这表明利用热膨胀效应来改变空气槽的宽度是可行的。

这里采用有限元计算方法，首先模拟计算了1×2可调光功率分束器在空气槽宽度分别等于0.3μm、0.5μm、0.8μm条件下光波在波导内传播的光场分布，如图4所示。由图可以看出，分束器第一、二分支输出波导的输出光功率随空气槽宽度变化而发生明显改变，表明利用热膨胀效应来改变空气槽宽度是能够实现输出光功率的有效调控。通过数值计算，这里给出了在TM波入射条件下1×2可调光功率分束器第一、二分支输出波导归一化光功率输出随空气槽宽度的变化关系，如图5所示。由图5可以看出，第一分支输出波导的光功率输出随空气槽宽度增加而增加，第二分支输出波导的光功率输出随空气槽宽度增加而减小，且调控范围大。同样，对于TE波入射条件，对其第一、二分支输出波导归一化光功率输出随空气槽宽度的变化关系进行了数值计算，其变化曲线与图5中曲线基本一致，其原因是基于倏逝波的耦合来实现光功率分束调控功能，因而对偏振态变化不敏感。因而，该器件具有偏振依赖性低的特点，这在集成光子系统中实际应用十分重要。

通常，入射光信号存在一定的谱宽，约几十纳米～一百纳米左右，如光通信系统C带窗口为1530nm～1565nm。这里进一步考察了其第一、二分支输出波导归一化光功率输出在空气槽宽度为0.8μm、TM波入射条件下随入射波长变化曲线。模拟结果如图6，结果表明其各个分支光功率输出在不同入射波长下变化很小。由此可以看出，该器件的波长依赖性很低，这有利于其在光子通信系统中的应用。

最后，根据上述模拟分析，设计了1×3可调光功率分束器，模拟了其在不同空气槽宽度条件下的光波在波导内传播的光场分布，其其结果如图7所示(入射波长为1.55μm、偏振态为TM波)。图7中(a)、(b)和(c)分别表示上、下两个空气槽的宽度为：(a)W₁＝0.4μm，W₂＝0.2μm，(b)W₁＝0.2μm，W₂＝0.4μm。模拟结果表明通过电极加热来改变各个空气槽的宽度，能够容易实现各个分支中光功率输出的调控。对于输出波导端口数超过3的1×N可调光功率分束器，利用本发明所提供的方法同样能够实现，这里不再举例一一加以模拟分析。

本发明所提出的一种新型的1×N波导型可调光功率分束器，具有结构简单、易于设计与制作、波长和偏振依赖性低、调控范围大等优点。本发明提供了的1×N可调光功率分束器，在集成光子系统中具有重要的应用前景。

Claims (4)

1.一种1×N波导型可调光功率分束器，其中N为正整数，包括采用上包层材料(6)、芯层材料(7)和下包层材料(8)制作于基片(9)表面的一个波导输入端口(1)、N个波导输出端口(2)和N-1个Y分支波导(3)；从波导输入端口(1)输入的光束通过第一个Y分支波导(3)分成两束光，其中一束光从第一个输出端口(2)输出，另一束光输入第二个Y分支波导(3)的输入端；从第二个Y分支波导(3)的输入端输入的光束通过第二个Y分支波导(3)分成两束光，其中一束光从第二个输出端口(2)输出，另一束光输入第三个Y分支波导(3)的输入端；直至从第N-2个Y分支波导(3)的输入端输入的光束通过第N-1个Y分支波导(3)分成两束光，其中一束光从第N-1个输出端口(2)输出，另一束光从第N个输出端口(2)输出；

其特征在于：

所述N-1个Y分支波导(3)中，每个Y分支波导(3)由输入波导(a)、偏向波导(b)、第一分支输出波导(c)和第二分支输出波导(d)共四段波导构成；其中输入波导(a)、偏向波导(b)和第一分支输出波导(c)顺序相连，第二分支输出波导(d)与偏向波导(b)之间的分支连接处具有一个平行于偏向波导(b)的空气槽(5)；所述空气槽(5)下方的基片(9)表面具有一热电材料层(4)，通过对热电材料层(4)施加控制电流能够对热电材料层(4)加热并传递到热电材料层(4)上方的波导结构，热电材料层(4)上方的波导结构由于热膨胀效应能够使得空气槽(5)的宽度受到控制电流的调制。

2.根据权利要求1所述的1×N波导型可调光功率分束器，其特征在于，所述N-1个Y分支波导(3)中：每个Y分支波导(3)的输入波导(a)与偏向波导(b)之间的夹角和偏向波导(b)与第一分支输出波导(c)之间的夹角相等；第二分支输出波导(d)与输入波导(a)的光传输方向一致。

3.根据权利要求1或2所述的1×N波导型可调光功率分束器，其特征在于，所述空气槽(5)的宽度尺寸为微米量级。

4.根据权利要求1或2所述的1×N波导型可调光功率分束器，其特征在于，所述上包层材料(6)、芯层材料(7)和下包层材料(8)采用有机聚合物，且三者的热膨胀系数大于基片(9)材料的热膨胀系数。

Images