CN103472597B - 片上特定频率滤波光隔离器 - Google Patents

Abstract

一种片上特定频率滤波光隔离器，其包括波导、含时微扰调制结构以及特定频率滤波结构，所述含时微扰结构实施于所述波导中，所述特定频率滤波结构与所述波导的末端连接；所述含时微扰调制结构用于将沿所述波导正向传播的特定频率的光信号耦合成沿所述波导正向传播的一目标频率的光信号，所述特定频率滤波结构用于吸收沿所述波导正向传播的目标频率光信号。本发明所使用的滤波材料为色散材料，对特定频率光波具有吸收效应，本发明提供的光隔离器尺度在微米量级，适合于大规模集成且不对信号强度有任何要求。

Description

片上特定频率滤波光隔离器

技术领域

本发明涉及一种片上特定频率滤波光隔离器，适用于光纤通信及集成光路系统，尤其涉及一种具有隔离反向光传输的片上特定频率滤波光隔离器。

背景技术

光隔离器是一种在光学传播介质（器件）中允许光信号单向传输的无源光器件，在光纤通信系统和大规模集成光路中阻止反射光信号的传播。目前常见的光隔离器的工作原理主要基于法拉第旋转的非互易性和非线性效应。但是法拉第旋转效应的光隔离器不适宜大规模集成，而非线性效应光隔离器对传播的光信号强度有额外要求。为解决这些问题，本发明提出了一种片上特定频率滤波光隔离器。

发明内容

本发明提供了一种片上特定频率滤波光隔离器，其包括波导、含时微扰调制结构以及特定频率滤波结构，所述含时微扰结构实施于所述波导中，所述特定频率滤波结构与所述波导的末端连接；

所述含时微扰调制结构用于将沿所述波导正向传播的特定频率的光信号耦合成沿所述波导正向传播的一目标频率的光信号，所述特定频率滤波结构用于吸收沿所述波导正向传播的目标频率光信号。

较佳地，所述波导为硅基波导。

较佳地，所述含时微扰调制结构实施于所述波导的方法为：

在硅基波导中进行掺杂，造成折射率的起伏，然后对掺杂后的波导通电，造成折射率的时间变化。

较佳地，所述含时微扰调制结构的调制函数的形式为，

${\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}(z,t)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z+\mathrm{\&pi;})& 0<x<\frac{d}{2}\\ \mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z)& -\frac{d}{2}<x<0\end{array}\right.$

其满足q=k₁-k₂和Ω=ω₂-ω₁，ω₁为所述特定频率光信号的频率，ω₂为所述目标频率信号的频率，k₁、k₂分别为所述特定频率光信号、目标频率信号的波数。

较佳地，所述特定频率滤波结构由色散材料构成，所述色散材料对所述特定频率的光信号具有吸收作用。

较佳地，所述色散材料对频率为f₀的光具有吸收效应，其介电常数满足关系：

$\mathrm{\&epsiv;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\mathrm{\&epsiv;}\left(2\mathrm{\&pi;f}\right)={\mathrm{\&epsiv;}}_{\&infin;}+\frac{f_0^2\&CenterDot;\mathrm{\&sigma;}}{f_0^2-f^2-\mathrm{if\&gamma;}/2\mathrm{\&pi;}}$

本发明所使用的滤波材料为色散材料，对特定频率光波具有吸收效应，本发明提供的光隔离器尺度在微米量级，适合于大规模集成且不对信号强度有任何要求。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的硅基波导结构示意图；

图2为发明实施例提供的硅基波导中TE光传播模式色散关系示意图；

图3为本发明实施例含时微扰调制结构示意图；

图4为本发明实施例提供的滤波光隔离器结构示意图；

图5为本发明实施例提供的滤波材料色散关系图；

图6为本发明实施例正反传播方向的FDTD数值模拟电场分布示意图。

具体实施例

本发明提供了一种片上特定频率滤波光隔离器，如图1所示，其包括波导、含时微扰调制结构以及特定频率滤波结构，所述含时微扰结构实施于所述波导中，所述特定频率滤波结构与所述波导的末端连接；

所述含时微扰调制结构用于将沿所述波导正向传播的特定频率的光信号耦合成沿所述波导正向传播的一目标频率的光信号，所述特定频率滤波结构用于吸收沿所述波导正向传播的目标频率光信号。

所述波导为硅基波导，在此处硅基波导和滤波材料不发生变化，而实施与硅基波导的含时微扰结构要随时间变化。

所述含时微扰调制结构实施于所述波导的方法为：

在硅基波导中进行掺杂，造成折射率的起伏，然后对掺杂后的波导通电，造成折射率的时间变化。

在图1所示的硅基波导中存在TE光信号的两个传播模式，TE模第一个模式TE₀的频率和波数为（ω₁、k₁），TE模第二个模式TE₁的频率和波数为（ω₂、k₂）。图2给出了TE₀和TE₁模式的色散关系图。图3所示的含时调制结构使正向传播的TE₀模式在通过调制区域时发生与TE₁模式的耦合，而反向传播时则不发生模式耦合。含时调制函数的形式为，

${\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}(z,t)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z+\mathrm{\&pi;})& 0<x<\frac{d}{2}\\ \mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z)& -\frac{d}{2}<x<0\end{array}\right.$

其满足Ω=ω₂-ω₁和q=k₁-k₂。该调制函数针对TE₀对称模式和TE₁奇对称模式分布进行了耦合强度优化。

如图6所示，将上述含时微扰调制结构实施于硅基波导，沿正向传播的TE₀模式的光信号与TE₁模式发生耦合，由TE₀模式转化为TE₁模式，频率由ω₁改变为ω₂。当转化完成的光信号通过含时微扰调制结构的硅基波导后，进入到具有特定频率滤波结构的滤波区域。滤波区域材料对频率为ω₂的光信号进行吸收，阻止光在波导中的传播。

而在相反方向传播时，TE₁模式在滤波区域由于频率不匹配而不会被吸收，在含时调制区域由于相位不匹配不发生模式耦合从而继续在波导中传播。

滤波区域材料为一般色散材料，对频率为f₀的光具有吸收效应。其介电常数满足关系：

$\mathrm{\&epsiv;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\mathrm{\&epsiv;}\left(2\mathrm{\&pi;f}\right)={\mathrm{\&epsiv;}}_{\&infin;}+\frac{f_0^2\&CenterDot;\mathrm{\&sigma;}}{f_0^2-f^2-\mathrm{if\&gamma;}/2\mathrm{\&pi;}}$

里给出的各个参数具体都是可以变化的，ω₁、ω₂、k₁、k₂分别都是可以变化的，本发明提供的片上特定频率滤波光隔离器并不是针对固定的两个特定频率光进行耦合、隔离，可以作用于其它特定频率的光，对于不同频率的光进行耦合就需要对含时微扰结构进行具体设计，对于不同频率光吸收也需要对光色散材料进行具体选择。

含时微扰结构只对特定频率的光波起耦合作用。改变微扰函数中Ω=ω₂-ω₁和q=k₁-k₂的取值，就可以改变作用频率。本发明的贡献不仅限于特定的Ω=ω₂-ω₁和q的取值，而是含时微扰结构的耦合函数。

实施例

取定归一化长度a=1μm，波导宽度取为d=0.22a。TE₀模式的频率和波数分别取定为：ω₁=0.6468(2πc/a)，k₁=1.836(2π/a)；TE₁模式的频率和波数分别取定为：ω₂=0.8879(2πc/a)，k₁=1.367(2π/a)。调制强度δ(x)=1，波导由硅材料构成，介电常数取为12.25，调制区的长度l_c=5.02a，该长度为模式完全转化长度。滤波区域材料ε_∞=12.25，f₀=0.88(2πc/a)，γ=10^-5，σ=0.5。图5给出了该材料的材料色散曲线。

当频率为ω₁=0.6468(2πc/a)的光信号自左向右沿波导传播时，经过含时调制区域后，光信号由TE₀模式转化为TE₁模式。转化完成的光信号经过滤波区域而被吸收，不能继续传播。而光信号以TE₀模式自右向左传播时，不能被滤波材料吸收且不发生模式耦合，可以在波导中继续传播。图6为光场分布的FDTD数值模拟结果。

本发明所使用的滤波材料为色散材料，对特定频率光波具有吸收效应，本发明提供的光隔离器尺度在微米量级，适合于大规模集成且不对信号强度有任何要求。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种片上特定频率滤波光隔离器，其特征在于，包括波导、含时微扰调制结构以及特定频率滤波结构，所述含时微扰结构实施于所述波导中，所述特定频率滤波结构与所述波导的末端连接；

所述含时微扰调制结构用于将沿所述波导正向传播的特定频率的光信号耦合成沿所述波导正向传播的一目标频率的光信号，所述特定频率滤波结构用于吸收沿所述波导正向传播的目标频率光信号。

2.如权利要求1所述的片上特定频率滤波光隔离器，其特征在于，所述波导为硅基波导。

3.如权利要求2所述的片上特定频率滤波光隔离器，其特征在于，所述含时微扰调制结构实施于所述波导的方法为：

在硅基波导中进行掺杂，造成折射率的起伏，然后对掺杂后的波导通电，造成折射率的时间变化。

4.如权利要求3所述的片上特定频率滤波光隔离器，其特征在于，所述含时微扰调制结构的调制函数的形式为，

${\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}(z,t)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;}t-(-q)z+\mathrm{\&pi;})& 0<x<\frac{d}{2}\\ \mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;}t-(-q\left)z\right)& -\frac{d}{2}<x<0\end{array}\right.$

其满足q＝k₁-k₂和Ω＝ω₂-ω₁，ω₁为所述特定频率光信号的频率，ω₂为所述目标频率信号的频率，k₁、k₂分别为所述特定频率光信号、目标频率信号的波数，d为波导宽度，δ(x)为调制强度。

5.如权利要求1所述的片上特定频率滤波光隔离器，其特征在于，所述特定频率滤波结构由色散材料构成，所述色散材料对所述特定频率的光信号具有吸收作用。

6.如权利要求5所述的片上特定频率滤波光隔离器，其特征在于，所述色散材料对频率为f₀的光具有吸收效应，其介电常数满足关系：

$\mathrm{\&epsiv;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\mathrm{\&epsiv;}\left(2\mathrm{\&pi;}f\right)={\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{\&infin;}}+\frac{f_0^2\&CenterDot;\mathrm{\&sigma;}}{f_0^2-f^2-if\mathrm{\&gamma;}/2\mathrm{\&pi;}};$

其中：w表示所述色散材料的角频率，f表示所述色散材料的频率，σ表示所述色散材料对频率为f₀的光的共振吸收强度，γ表示所述色散材料对频率为f₀的光的共振吸收宽度，ε_∞表示无穷大频率下的介电常数。