CN102944913A - 一种基于耦合模式分离的光分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合模式分离的光分束器，包括两条相邻的第一波导(1)和第二波导(2)，可实现2×2的光分束。首先两波导间距逐渐减小且波导尺寸不变构成耦合模式激发区，然后两波导间距逐渐增大且波导尺寸向相反方向变化构成耦合模式分离区。通过调整两波导在耦合模式激发区的结构，本光分束器可以实现各种不同的分束比。由于基于绝热模式变化来实现耦合模式的分离，本光分束器还具有插入损耗低、波长范围宽以及工艺容差大等优点。

Description

一种基于耦合模式分离的光分束器

技术领域

本发明涉及一种应用于光通信、光互连、光计算、集成光学、光学传感等领域的光分束器，特别是涉及一种可实现任意分光比、插入损耗低、波长范围宽以及工艺容差大的基于耦合模式分离的2×2光分束器。

背景技术

光分束器是一种重要的光学基本元器件，广泛应用于光通信、光互连、光计算、集成光学、光学传感等领域。目前常用的2×2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，随着集成度的增加两种分束器的尺寸不断减小，二者的缺陷变得日益显著。定向耦合型分束器的原理是基于耦合模式的干涉，由于耦合模式对波长和耦合区结构很敏感，所以这种分束器的工作波长范围很窄，工艺容差也很小。多模干涉型分束器基于多模干涉的自映像原理，主要用于均匀分光，因而其分束比变化范围很有限；2×2的多模干涉型分束器的两条输出波导与某一输入波导间存在不对称结构，为了实现均匀分光，就会激发起辐射模，因而插入损耗比较大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服上述光分束器的不足，本发明提出了一种基于耦合模式分离的2×2光分束器。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于耦合模式分离的光分束器，该光分束器包括相邻的第一波导1和第二波导2，用于实现2×2的光分束；其中，第一波导1和第二波导2的间距逐渐减小且波导尺寸不变构成耦合模式激发区，然后第一波导1和第二波导2的间距逐渐增大且波导尺寸向相反方向变化构成耦合模式分离区。

上述方案中，所述第一波导1和第二波导2是平面波导或非平面波导。所述平面波导是条形、脊形、圆形、椭圆形或狭缝形波导，所述非平面波导是光纤。

上述方案中，在所述耦合模式激发区该第一波导1和该第二波导2结构相同，该光分束器是均匀分束。

上述方案中，在所述耦合模式激发区该第一波导1和该第二波导2结构不相同，该光分束器是非均匀分束。

上述方案中，在所述耦合模式激发区该第一波导1和该第二波导2的间距逐渐减小的方式包括：线性或圆弧型、椭圆弧型、指数型、抛物型、双曲型的非线性绝热渐变方式。

上述方案中，在所述耦合模式分离区该第一波导1和该第二波导2的间距逐渐增大的方式包括：线性或圆弧型、椭圆弧型、指数型、抛物型、双曲型的非线性绝热渐变方式。

上述方案中，当在所述耦合模式激发区该第一波导1和该第二波导2的结构相同时，在所述耦合模式分离区该第一波导1和该第二波导2的尺寸向相反方向变化，包括：任选耦合模式分离区的一条波导的尺寸向有效折射率增大或减小的方向变化，而另一条波导的尺寸不变；或者任选耦合模式分离区的一条波导的尺寸向有效折射率增大的方向变化，同时另一条波导的尺寸向有效折射率减小的方向变化。

上述方案中，当在所述耦合模式激发区该第一波导1和该第二波导2的结构不同时，在所述耦合模式分离区该第一波导1和该第二波导2的尺寸向相反方向变化，包括：只将耦合模式分离区的有效折射率较大的波导的尺寸向有效折射率增大的方向变化，或者只将耦合模式分离区的有效折射率较小的波导的尺寸向有效折射率减小的方向变化，而另一条波导的尺寸不变；或者将耦合模式分离区的有效折射率较大的波导的尺寸向有效折射率增大的方向变化，同时有效折射率较小的波导的尺寸向有效折射率减小的方向变化。

上述方案中，在所述耦合模式分离区该第一波导1和该第二波导2的尺寸向相反方向变化，其变化方式包括：线性或圆弧型、椭圆弧型、指数型、抛物型、双曲型的非线性绝热渐变方式。

(三)有益效果

因为分配到两耦合模式中的光能量比例可以通过改变耦合模式激发区的结构来任意调整，所以本发明提供的光分束器可以实现各种不同的分光比。又因为本发明提供的光分束器基于绝热模式变化来实现耦合模式的分离，所以还具有插入损耗低、波长范围宽以及工艺容差大等优点。

附图说明

图1(a)和图1(b)是本发明提供的基于耦合模式分离的光分束器的结构示意图，其中图1(a)对应分束比为0.5/0.5的均匀分束，图1(b)对应非均匀分束。

图2(a)和图2(b)是束传播法模拟的分束比随传输长度变化的曲线，其中图2(a)实现了0.5/0.5的均匀分束，图2(b)则实现了0.9/0.1的非均匀分束。

附图标记说明：

1-0：第一波导1的输入端  1-1：第一波导1的耦合模式激发区

1-2：第一波导1的耦合模式分离区

2-0：第二波导2的输入端  2-1：第二波导2的耦合模式激发区

2-2：第二波导2的耦合模式分离区

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据光波导耦合模式理论，当两条单模光波导逐步靠近时，两波导的模式会相互耦合形成两个新的耦合模式——对称模式和反对称模式。当从某一路波导输入一束光，如果两波导的结构相同，则光能量会均分到两个耦合模式；如果两波导的结构不同，则光能量以其他比例分配到两个耦合模式。

本发明首先通过控制两波导在耦合模式激发区的结构，将入射光能量以一定比例分配到两耦合模式中，然后将两波导尺寸向相反的方向变化，使两耦合模式绝热变化最后分离，从而实现光能量的分束。

如图1所示，图1(a)和图1(b)是本发明提供的基于耦合模式分离的光分束器的结构示意图，其中图1(a)对应分束比为0.5/0.5的均匀分束，图1(b)对应非均匀分束。该光分束器包括两条相邻的光波导——第一波导1和第二波导2，光从第一波导1的输入端1-0或第二波导2的输入端2-0输入，可实现2×2的光分束；其中，第一波导1和第二波导2的间距逐渐减小且尺寸不变构成耦合模式激发区，然后第一波导1和第二波导2的间距逐渐增大且尺寸向相反方向变化构成耦合模式分离区。

首先第一波导1和第二波导2逐渐靠近且尺寸不变，形成耦合模式激发区。通过控制第一波导1的耦合模式激发区1-1和第二波导2的耦合模式激发区2-1的结构，将入射光能量以一定比例分配到两耦合模式中。如图1(a)所示，第一波导1的耦合模式激发区1-1和第二波导2的耦合模式激发区2-1结构相同，入射光能量均匀分配(如图2(a)所示)到两耦合模式中；如图1(b)所示，第一波导1的耦合模式激发区1-1比第二波导2的耦合模式激发区2-1宽度窄一些，入射光能量以非均匀的比例(如图2(b)所示，分光比例为0.9/0.1)分配到两耦合模式中。

然后，第一波导1和第二波导2间距逐渐增大且尺寸向相反方向变化构成耦合模式分离区。如图1所示，第一波导1的耦合模式分离区1-2逐渐变窄，而第二波导2的耦合模式分离区2-2逐渐变宽。这个过程中，第一波导1和第二波导2的耦合逐渐变弱，两耦合模式发生绝热变化，逐步分离。如图2(a)和图2(b)所示，第一波导1和第二波导2中的光能量振荡随传输长度增加而逐步减弱。

最后，当第一波导1和第二波导2间距足够大，尺寸差异也足够大时，第一波导1和第二波导2的耦合消失，两耦合模式彻底分离，从而实现了光能量的分束。如图2(a)和图2(b)所示，第一波导1和第二波导2中的光能量振荡最终变得十分微弱。

其中，所述第一波导1和第二波导2是条形、脊形、圆形、椭圆形、狭缝形以及其他非规则图形构成的平面波导，或者是光纤及其他类型的非平面波导。

所述的耦合模式激发区的两波导的结构可以相同或不同，相同时对应均匀分束，不同时对应非均匀分束。即如果在所述耦合模式激发区该第一波导1和该第二波导2结构相同，则该光分束器是均匀分束；如果在所述耦合模式激发区该第一波导1和该第二波导2结构不相同，则该光分束器是非均匀分束。

在所述耦合模式激发区该第一波导1和该第二波导2的间距逐渐减小的方式包括：线性或圆弧型、椭圆弧型、指数型、抛物型、双曲型以及其他类型的非线性绝热渐变方式。

在所述耦合模式分离区该第一波导1和该第二波导2的间距逐渐增大的方式包括：线性或圆弧型、椭圆弧型、指数型、抛物型、双曲型以及其他类型的非线性绝热渐变方式。

在所述耦合模式分离区该第一波导1和该第二波导2的尺寸向相反方向变化，包括：当在所述耦合模式激发区该第一波导1和该第二波导2的结构相同时，可以任选耦合模式分离区的一条波导的尺寸向有效折射率增大或减小的方向变化，而另一条波导的尺寸不变；也可以任选耦合模式分离区的一条波导的尺寸向有效折射率增大的方向变化，同时另一条波导的尺寸向有效折射率减小的方向变化。当在所述耦合模式激发区该第一波导1和该第二波导2的结构不同时，可以只将耦合模式分离区的有效折射率较大的波导的尺寸向有效折射率增大的方向变化，或者只将耦合模式分离区的有效折射率较小的波导的尺寸向有效折射率减小的方向变化，而另一条波导的尺寸不变；也可以将耦合模式分离区的有效折射率较大的波导的尺寸向有效折射率增大的方向变化，同时有效折射率较小的波导的尺寸向有效折射率减小的方向变化。

在所述耦合模式分离区该第一波导1和该第二波导2的尺寸向相反方向变化，其变化方式包括：线性或圆弧型、椭圆弧型、指数型、抛物型、双曲型以及其他非线性绝热渐变方式。

实施例1

本实施例是按照图1(a)所示的结构设计的分束比为0.5/0.5的光分束器，采用顶硅层为340nm厚的绝缘体上硅(SOI)材料，波导为脊形结构。第一波导1的输入端1-0和第二波导2的输入端2-0的脊宽均为500nm，在耦合模式激发区1-1或2-1，两波导间距以圆弧型方式减小，至100nm左右或更小，而且脊宽不变；在耦合模式分离区1-2或2-2，两波导间距线性增加，最大间距大于700nm，同时第一波导1的耦合模式分离区1-2脊宽线性减至小于450nm，而第二波导2的耦合模式分离区2-2脊宽线性增至大于550nm。

图2(a)是对上述实施例的束传播法模拟结果，波长为1.55μm，可见随着传输距离增加，分束比趋向于稳定在0.5/0.5附近，且无明显插入损耗。

实施例2

本实施例是按照图1(b)所示的结构设计的分束比为0.9/0.1的光分束器，除第一波导1的输入端1-0的脊宽为468nm和第二波导2的输入端2-0的脊宽为532nm外，其余参数与实施例1相同。

图2(b)是对上述实施例的束传播法模拟结果，同样可见随着传输距离增加，分束比趋向于稳定在0.9/0.1附近，且无明显插入损耗。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于耦合模式分离的光分束器，其特征在于，该光分束器包括相邻的第一波导(1)和第二波导(2)，用于实现2×2的光分束；其中，第一波导(1)和第二波导(2)的间距逐渐减小且波导尺寸不变构成耦合模式激发区，然后第一波导(1)和第二波导(2)的间距逐渐增大且波导尺寸向相反方向变化构成耦合模式分离区。

2.根据权利要求1所述的基于耦合模式分离的光分束器，其特征在于，所述第一波导(1)和第二波导(2)是平面波导或非平面波导。

3.根据权利要求2所述的基于耦合模式分离的光分束器，其特征在于，所述平面波导是条形、脊形、圆形、椭圆形或狭缝形波导，所述非平面波导是光纤。

4.根据权利要求1所述的基于耦合模式分离的光分束器，其特征在于，在所述耦合模式激发区该第一波导(1)和该第二波导(2)结构相同，该光分束器是均匀分束。

5.根据权利要求1所述的基于耦合模式分离的光分束器，其特征在于，在所述耦合模式激发区该第一波导(1)和该第二波导(2)结构不相同，该光分束器是非均匀分束。

6.根据权利要求1所述的基于耦合模式分离的光分束器，其特征在于，在所述耦合模式激发区该第一波导(1)和该第二波导(2)的间距逐渐减小的方式包括：线性或圆弧型、椭圆弧型、指数型、抛物型、双曲型的非线性绝热渐变方式。

7.根据权利要求1所述的基于耦合模式分离的光分束器，其特征在于，在所述耦合模式分离区该第一波导(1)和该第二波导(2)的间距逐渐增大的方式包括：线性或圆弧型、椭圆弧型、指数型、抛物型、双曲型的非线性绝热渐变方式。

8.根据权利要求1所述的基于耦合模式分离的光分束器，其特征在于，当在所述耦合模式激发区该第一波导(1)和该第二波导(2)的结构相同时，在所述耦合模式分离区该第一波导(1)和该第二波导(2)的尺寸向相反方向变化，包括：

任选耦合模式分离区的一条波导的尺寸向有效折射率增大或减小的方向变化，而另一条波导的尺寸不变；或者任选耦合模式分离区的一条波导的尺寸向有效折射率增大的方向变化，同时另一条波导的尺寸向有效折射率减小的方向变化。

9.根据权利要求1所述的基于耦合模式分离的光分束器，其特征在于，当在所述耦合模式激发区该第一波导(1)和该第二波导(2)的结构不同时，在所述耦合模式分离区该第一波导(1)和该第二波导(2)的尺寸向相反方向变化，包括：

只将耦合模式分离区的有效折射率较大的波导的尺寸向有效折射率增大的方向变化，或者只将耦合模式分离区的有效折射率较小的波导的尺寸向有效折射率减小的方向变化，而另一条波导的尺寸不变；或者将耦合模式分离区的有效折射率较大的波导的尺寸向有效折射率增大的方向变化，同时有效折射率较小的波导的尺寸向有效折射率减小的方向变化。

10.根据权利要求1所述的基于耦合模式分离的光分束器，其特征在于，在所述耦合模式分离区该第一波导(1)和该第二波导(2)的尺寸向相反方向变化，其变化方式包括：线性或圆弧型、椭圆弧型、指数型、抛物型、双曲型的非线性绝热渐变方式。

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