CN104238009B - 利用模式耦合的非互易性实现光隔离的方法及光隔离器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成光电子技术领域，具体涉及一种利用模式耦合的非互易性实现光隔离的方法及光隔离器。应用本发明所述方法制成的光隔离器，还进一步的适用于太赫兹频段，具有非常广泛的用途。本发明提出一种小尺寸、低损耗、无附加能耗、易于加工、成本低廉的无源光隔离器，可以与激光器、放大器、调制器等器件或系统组合使用，也可以增大版图设计的自由度。本发明利用回音壁模式能够稳定沿外壁传输的特点做到：利用回音壁模式实现正向传输时导通，利用非回音壁模式实现反向传输时不导通。本发明进一步适用于光子集成、光电混合集成及光通信技术领域，相比现有技术，本发明更进一步的符合大规模集成的性能要求。
Description
技术领域
本发明涉及集成光电子技术领域，具体涉及一种利用模式耦合的非互易性实现光隔离的方法及光隔离器。
背景技术
隔离器是导波系统用来控制波的单向性的关键元件，光隔离器是光学系统中只允许光单向通过的至关重要的器件。光隔离器广泛用于配合激光器、放大器、发射机等，阻止反向传输的杂散光对光学系统产生干扰。通过在片上加入低插入损耗的光隔离器，还可以实现增加版图设计自由度、增加系统稳定性的效果。集成光电子芯片同样需要光隔离器来构建完整的光学系统，然而在分立器件系统中的光隔离器大多是利用法拉第效应实现的，基于该原理的隔离器插入损耗大、体积大，且采用了非CMOS工艺兼容的铁磁材料，难以实现大规模集成。近年来，国际上部分研究组提出了利用光的非线性效应或是外加的非线性调制实现片上光隔离器。但非线性效应的本质决定了器件的性能受入射光功率的影响，不能对任何功率的杂散光起到隔离效果，且效率较低，隔离带宽窄且不易控制。非线性调制引入了外加能耗，同时还需借助较复杂的结构才能使技术方案得以实现，因此也不是理想的解决方案。此外，上述的方案都会引入超过3dB的插入损耗，这是大规模集成无法承受的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
(1)提出一种利用模式耦合的非互易性实现光隔离的方法。
(2)提出一种小尺寸、低损耗、无附加能耗、易于加工、成本低廉的无源光隔离器，可以与激光器、放大器、调制器等器件或系统组合使用，也可以增大版图设计的自由度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用模式耦合的非互易性实现光隔离的方法，所述方法分为如下步骤：
S1、正向入射光从输入波导进入，先被转化为使光传播的过程中失去内侧边界的束缚的回音壁模式；
S2、将已转化为回音壁模式的入射光沿有外壁而无内壁的传输介质稳定传输；
S3、将沿外壁稳定传输的入射光收集后输出；
S4、反向入射光从输出波导进入，此时反向入射光的模式为波导所支持的非回音壁模式的导模；
S5、由于导模在谐振腔中向回音壁模式的耦合比例极小，所述反向入射光被耦合入谐振腔体；
S6、光能量在谐振腔体中以外壁散射和吸收的形式衰减，最终消散殆尽。
优选地，在步骤S1之后增加步骤：
S1.1、进一步增加被转化为回音壁模式的入射光的稳定性。
优选地，在步骤S2中，入射光沿有外壁而无内壁的传输介质稳定传输时所使用的传输介质为谐振腔。
优选地，在步骤S3中，在输出之前，先将收集到的入射光转化为单模后再输出。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光隔离器，包括：输入波导和输出波导，还包括：实现从导模到回音壁模式的转变的过渡波导和回音壁模式中央谐振腔；
所述回音壁模式中央谐振腔包括谐振腔体和内轮廓线贴合在所述谐振腔体外轮廓线上与所述谐振腔体形成一个整体的腔体波导；所述腔体波导的两端的端面为所述回音壁模式中央谐振腔的连接端面；所述谐振腔体为线段和/或光滑曲线围成的闭合图形，或者为由线段和/或光滑曲线围成的两组闭合线形共同围成的环形；
所述输入波导和过渡波导、回音壁模式中央谐振腔及输出波导依次以串联的形式进行光连接。
优选地，还包括，与所述过渡波导共同实现从导模到回音壁模式的转变的弯曲波导；
所述过渡波导的外轮廓是圆弧，内轮廓为一段能使所述过渡波导宽度逐渐变宽的平滑曲线；
所述弯曲波导的内、外轮廓均为圆弧；
所述弯曲波导光连接在所述过渡波导与所述回音壁模式中央谐振腔之间。
优选地，所述过渡波导的内轮廓为圆锥曲线、过渡曲线、欧拉螺线和样条曲线中的一种。
优选地，所述谐振腔体为：由圆形、椭圆形、矩形中的一种或多种拼接、重叠、组合而成的封闭图形。
优选地，还包括，锥形波导；所述锥形波导为宽度逐渐变窄的波导；所述锥形波导端面面积较大的一端与所述回音壁模式中央谐振腔光连接，另一端与输出波导光连接。
优选地，所述锥形波导与所述回音壁模式中央谐振腔连接时，所述锥形波导的轴线与所述腔体波导的轴线成角为小于180°的正角。
优选地，还包括，弯曲的过渡性波导；所述过渡性波导光连接在所述回音壁模式中央谐振腔与所述锥形波导之间。
优选地，所述过渡性波导的内外轮廓均为圆弧。
优选地，每个光连接处需满足：曲线本身的连续性、曲线的斜率连续性及曲线的方向角连续性。
优选地，组成光隔离器的所有结构部件均采用能制成工作波长范围内传输损耗不大于20dB/mm的波导的绝缘材料或有机物材料制作。
优选地，所述绝缘材料包括：硅、二氧化硅、锗、三五族半导体材料、铌酸锂、硫化玻璃，或由其中两种或两种以上物质构成的混合物。
优选地，所述有机物材料为有机聚合物，或由两种或两种以上类属于有机聚合物的物质构成的混合物。
(三)有益效果
本发明提出一种利用模式耦合的非互易性实现光隔离的方法，应用所述方法制成的光隔离器相比现有技术，本发明更进一步的符合大规模集成的性能要求；本方法适用于多种材料和材料平台，例如硅、聚合物、锗等材料。本发明是迄今为止最接近商用性能标准的片上光隔离器，有望成为未来大规模集成的重要组件；此外，应用所述方法制成的光隔离器，除主要适用于以光波的频段范围内的隔离的同时，还进一步的适用于太赫兹频段，具有非常广泛的用途。
本发明一种光隔离器，利用回音壁模式能够稳定沿外壁传输的特点做到：利用回音壁模式实现正向传输时导通，利用非回音壁模式实现反向传输时不导通。正向入射光从输入波导进入，经过过渡波导后被转化为回音壁模式，该模式经过弯曲波导的传输，获得了足够的稳定性，然后入射到回音壁模式中央谐振腔中，由于回音壁模式的特点，该光束贴外壁稳定传输，不会进入到谐振腔中，因此绝大部分入射光传输到锥形波导中，被转化为单模后从输出波导输出；反向传输时，光从锥形波导进入回音壁模式中央谐振腔。由于此时的光波模式是直波导的导模而不是回音壁模式，绝大部分能量将会耦合到谐振模式进入回音壁模式中央谐振腔，光能量在回音壁模式中央谐振腔中以外壁散射和吸收的形式衰减，最终消散殆尽，不能够通过弯曲波导回到输入波导，同时由于直波导的导模与回音壁模式不匹配，只有很少的能量可以进入弯曲波导传输。
本发明中：过渡波导和弯曲波导的选用将输入波导中传输的导模转化成回音壁模式；弯曲波导的选用增加器件的工艺性容差和稳定性；回音壁模式中央谐振腔的使用提供了光隔离器的非互易性，正向传输光低损耗通过，反向传输光不能通过；锥形波导的选用确保输出波导为单模。
本发明一种光隔离器，所采用的过渡性波导的作用是以更高的效率或更紧凑的结构设计来接收回音壁模式中央谐振腔中正向传输过来的入射光。
本发明一种光隔离器，可以与激光器、放大器、调制器等器件或系统组合使用，也可以增大版图设计的自由度。
本发明一种光隔离器，以过渡波导、弯曲波导、回音壁模式中央谐振腔为核心的部件本身尺寸很小；应用现有技术中的加工工艺，本发明一种光隔离器的尺寸限制在6*6平方微米到20*20平方微米之间。
本发明一种光隔离器，由于回音壁模式可以稳定地沿中央谐振腔外壁传输，经腔体波导高效率的收集后，绝大部分光能量都可以从输出波导输出，因此具有低插入损耗的特性。
本发明一种光隔离器，由于模式耦合的非互易性，正向传输时入射光以回音壁模式的形式传输经过中央谐振腔，而反向传输时入射光以导模的形式被直接耦合进入中央谐振腔，这种光路的不同可以产生很高的隔离度。
本发明一种光隔离器，由于本发明所提出的隔离器原理及设计只涉及较少、复杂度较低的工艺步骤，因此其技术加工成本较低。
本发明一种光隔离器，适用的材料体系覆盖了成本低廉、应用成熟的硅基材料体系、半导体三五族材料体系及有机物材料体系，恰当地选择材料体系可以大幅降低器件的材料成本。
本发明一种光隔离器，进一步适用于光子集成、光电混合集成及光通信技术领域，具有小尺寸、低损耗、高隔离度、无附加能耗、易于加工和成本低廉的优点；相比现有技术，本发明一种光隔离器更进一步的符合大规模集成的性能要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明一种光隔离器实施例1的结构示意图；
图2是根据本发明一种光隔离器实施例2的结构示意图；
图3是根据本发明一种光隔离器实施例3的结构示意图；
图4是根据本发明一种光隔离器实施例4的结构示意图；
图5是根据本发明一种光隔离器一个实施例的正向入射光场分布示意图；
图6是根据本发明一种光隔离器一个实施例的反向入射光场分布示意图；
图7是根据本发明一种光隔离器一个实施例的矩形谐振腔体的结构示意图；
图8是根据本发明一种光隔离器一个实施例的椭圆形谐振腔体的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
定义在光隔离器中，光的传播方向为从输入波导到输出波导为正向传输；光的传播方向为从输出波导到输入波导为反向传输。
本发明提供了一种利用模式耦合的非互易性实现光隔离的方法，所述方法分为如下步骤：
S1、正向入射光从输入波导进入，先被转化为使光传播的过程中失去内侧边界的束缚的回音壁模式；
S2、将已转化为回音壁模式的入射光沿有外壁而无内壁的传输介质稳定传输；
S3、将沿外壁稳定传输的入射光收集后输出；
S4、反向入射光从输出波导进入，此时反向入射光的模式为波导所支持的非回音壁模式的导模；
S5、由于导模在谐振腔中向回音壁模式的耦合比例极小，所述反向入射光被耦合入谐振腔体；
S6、光能量在谐振腔体中以外壁散射和吸收的形式衰减，最终消散殆尽。
优选地，在步骤S1之后增加步骤：
S1.1、进一步增加被转化为回音壁模式的入射光的稳定性。
优选地，在步骤S2中，入射光沿有外壁而无内壁的传输介质稳定传输时所使用的传输介质为谐振腔。
优选地，在步骤S3中，在输出之前，先将收集到的入射光转化为单模后再输出。
本发明提供了一种光隔离器，包括：输入波导1和输出波导6，还包括：实现从导模到回音壁模式的转变的过渡波导2和回音壁模式中央谐振腔4；
所述回音壁模式中央谐振腔4包括谐振腔体7和内轮廓线贴合在所述谐振腔体7外轮廓线上与所述谐振腔体7形成一个整体的腔体波导8；所述腔体波导8的两端的端面为所述回音壁模式中央谐振腔4的连接端面；所述谐振腔体7为线段和/或光滑曲线围成的闭合图形，或者为由线段和/或光滑曲线围成的两组闭合线形共同围成的环形；
所述输入波导1和过渡波导2、回音壁模式中央谐振腔4及输出波导6依次以串联的形式进行光连接。
优选地，还包括，与所述过渡波导2共同实现从导模到回音壁模式的转变的弯曲波导3；
所述过渡波导2的外轮廓是圆弧，内轮廓为一段能使所述过渡波导2宽度逐渐变宽的平滑曲线；
所述弯曲波导3的内、外轮廓均为圆弧；
所述弯曲波导3光连接在所述过渡波导2与所述回音壁模式中央谐振腔4之间。
优选地，所述过渡波导2的内轮廓为圆锥曲线、过渡曲线、欧拉螺线和样条曲线中的一种。
优选地，所述谐振腔体7为：由圆形、椭圆形、矩形中的一种或多种拼接、重叠、组合而成的封闭图形。其中，谐振腔体7为矩形时，其结构如图7所示；谐振腔体7为椭圆形时，其结构如图8所示。
优选地，还包括，锥形波导5；所述锥形波导5为宽度逐渐变窄的波导；所述锥形波导5端面面积较大的一端与所述回音壁模式中央谐振腔4光连接，另一端为与输出波导6光连接。
优选地，所述锥形波导5与所述回音壁模式中央谐振腔4连接时，所述锥形波导的轴线与所述腔体波导8的轴线成角为小于180°的正角。
优选地，还包括，内外轮廓均按照相同曲率半径弯曲的过渡性波导9；所述过渡性波导9光连接在所述回音壁模式中央谐振腔4与所述锥形波导5之间。
优选地，所述过渡性波导9的内外轮廓均为圆弧。
优选地，每个光连接处需满足：曲线本身的连续性、曲线的斜率连续性及曲线的方向角连续性。
优选地，组成光隔离器的所有结构部件均采用能制成工作波长范围内传输损耗不大于20dB/mm的波导的绝缘材料或有机物材料制作。
优选地，所述绝缘材料包括：硅、二氧化硅、锗、三五族半导体材料、铌酸锂、硫化玻璃或其中两种或两种以上物质构成的混合物。
优选地，所述有机物材料为有机聚合物，或由两种或两种以上类属于有机聚合物的物质构成的混合物。
实施例1：
图1所示，本发明提供了一种光隔离器，包括：输入波导1和输出波导6，还包括：实现从导模到回音壁模式的转变的过渡波导2和回音壁模式中央谐振腔4；
所述回音壁模式中央谐振腔4包括谐振腔体7和内轮廓线贴合在所述谐振腔体7外轮廓线上与所述谐振腔体7形成一个整体的腔体波导8；所述腔体波导8的两端的端面为所述回音壁模式中央谐振腔4的连接端面；所述谐振腔体7为线段和/或光滑曲线围成的闭合图形，或者为由线段和/或光滑曲线围成的两组闭合线形共同围成的环形；
所述输入波导1和过渡波导2、回音壁模式中央谐振腔4及输出波导6依次以串联的形式进行光连接，所有连接处需满足：曲线本身的连续性、曲线的斜率连续性及曲线的方向角连续性。
实施例2：
图2所示，本发明提供了一种光隔离器，在实施例1的基础上增加与所述过渡波导2共同实现从导模到回音壁模式的转变的弯曲波导3；
所述过渡波导2的外轮廓是圆弧，内轮廓为一段能使所述过渡波导2宽度逐渐变宽的平滑曲线；
所述弯曲波导3的内、外轮廓均为圆弧；
所述弯曲波导3光连接在所述过渡波导2与所述回音壁模式中央谐振腔4之间，每个连接处需满足：曲线本身的连续性、曲线的斜率连续性及曲线的方向角连续性。
优选地，所述过渡波导2的内轮廓为圆锥曲线、过渡曲线、欧拉螺线和样条曲线中的一种。
实施例3：
图3所示，本发明提供了一种光隔离器，在实施例2的基础上增加锥形波导5；所述锥形波导5为宽度逐渐变窄的波导；所述锥形波导5端面面积较大的一端与所述回音壁模式中央谐振腔4光连接，另一端为与输出波导6光连接；每个连接处需满足：曲线本身的连续性、曲线的斜率连续性及曲线的方向角连续性。
优选地，所述锥形波导5与所述回音壁模式中央谐振腔4连接时，所述锥形波导的轴线与所述腔体波导8的轴线成角为小于180°的正角。
实施例4：
图4所示，本发明提供了一种光隔离器，在实施例3的基础上增加内外轮廓均按照相同曲率半径弯曲的过渡性波导9；所述过渡性波导9光连接在所述回音壁模式中央谐振腔4与所述锥形波导5之间，每个连接处需满足：曲线本身的连续性、曲线的斜率连续性及曲线的方向角连续性。
优选地，所述过渡性波导9的内外轮廓均为圆弧。
所述过渡性波导9不同于过渡波导2。所述过渡性波导9的作用是以更高的效率或更紧凑的结构设计来接收回音壁模式中央谐振腔中正向传输过来的入射光。其可能的结构还可以包括增加弯曲的弧度、或者是改变与中央谐振腔连接的形状，例如锥形、或在适当的位置挖槽等，这些所提及的结构变化也涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。
实验效果：
本发明一种光隔离器，利用回音壁模式能够稳定沿外壁传输的特点做到：利用回音壁模式实现正向传输时导通，利用非回音壁模式实现反向传输时不导通。图5所示，正向入射光从输入波导进入，经过过渡波导后被转化为回音壁模式，该模式经过弯曲波导的传输，获得了足够的稳定性，然后入射到回音壁模式中央谐振腔中，由于回音壁模式的特点，该光束贴外壁稳定传输，不会进入到谐振腔中，因此绝大部分入射光传输到锥形波导中，被转化为单模后从输出波导输出；图6所示，反向传输时，光从锥形波导进入回音壁模式中央谐振腔。由于此时的光波模式是直波导的导模而不是回音壁模式，绝大部分能量将会耦合到谐振模式进入回音壁模式中央谐振腔，光能量在回音壁模式中央谐振腔中以外壁散射的形式衰减(散射和吸收)，最终消散殆尽，不能够通过弯曲波导回到输入波导，同时由于直波导的导模与回音壁模式不匹配，只有很少的能量可以进入弯曲波导传输。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (11)
1.一种光隔离器，包括：输入波导(1)和输出波导(6)，其特征在于，还包括：实现从导模到回音壁模式的转变的过渡波导(2)和回音壁模式中央谐振腔(4)；
所述回音壁模式中央谐振腔(4)包括谐振腔体(7)和内轮廓线贴合在所述谐振腔体(7)外轮廓线上与所述谐振腔体(7)形成一个整体的腔体波导(8)；所述腔体波导(8)的两端的端面为所述回音壁模式中央谐振腔(4)的连接端面；所述谐振腔体(7)为线段和/或光滑曲线围成的闭合图形，或者为由线段和/或光滑曲线围成的两组闭合线形共同围成的环形；
所述输入波导(1)和过渡波导(2)、回音壁模式中央谐振腔(4)及输出波导(6)依次以串联的形式进行光连接；
还包括，与所述过渡波导(2)共同实现从导模到回音壁模式的转变的弯曲波导(3)；
所述过渡波导(2)的外轮廓是圆弧，内轮廓为一段能使所述过渡波导(2)宽度逐渐变宽的平滑曲线；
所述弯曲波导(3)的内、外轮廓均为圆弧；
所述弯曲波导(3)光连接在所述过渡波导(2)与所述回音壁模式中央谐振腔(4)之间；
组成光隔离器的所有结构部件均采用能制成工作波长范围内传输损耗不大于20dB/mm的波导的绝缘材料或有机物材料制作；
所述绝缘材料包括：硅、二氧化硅、锗、铌酸锂、硫化玻璃，或由其中两种或两种以上物质构成的混合物；
所述有机物材料为有机聚合物，或由两种或两种以上类属于有机聚合物的物质构成的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种光隔离器，其特征在于，所述过渡波导(2)的内轮廓为圆锥曲线、欧拉螺线和样条曲线中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种光隔离器，其特征在于，所述谐振腔体(7)为：由圆形、椭圆形、矩形中的一种或多种拼接、重叠、组合而成的封闭图形。
4.根据权利要求1或2所述的一种光隔离器，其特征在于，还包括，锥形波导(5)；所述锥形波导(5)为宽度逐渐变窄的波导；所述锥形波导(5)端面面积较大的一端与所述回音壁模式中央谐振腔(4)光连接，另一端与输出波导(6)光连接。
5.根据权利要求4所述的一种光隔离器，其特征在于，所述锥形波导(5)与所述回音壁模式中央谐振腔(4)连接时，所述锥形波导的轴线与所述腔体波导(8)的轴线成角为小于180°的正角。
6.根据权利要求4所述的一种光隔离器，其特征在于，还包括，弯曲的过渡性波导(9)；所述过渡性波导(9)光连接在所述回音壁模式中央谐振腔(4)与所述锥形波导(5)之间。
7.根据权利要求6所述的一种光隔离器，其特征在于，所述过渡性波导(9)的内外轮廓均为圆弧。
8.根据权利要求1或6所述的一种光隔离器，其特征在于，每个光连接处需满足：曲线本身的连续性、曲线的斜率连续性及曲线的方向角连续性。
9.一种利用模式耦合的非互易性实现光隔离的方法，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的光隔离器，所述方法为：
当利用回音壁模式实现正向传输时导通，具体为：
S1、正向入射光从输入波导进入，先被过渡波导转化为使光传播的过程中失去内侧边界的束缚的回音壁模式；
S2、将已转化为回音壁模式的入射光沿有外壁而无内壁的回音壁模式中央谐振腔沿外壁稳定传输；
S3、将沿外壁稳定传输的入射光收集后输出；
当利用非回音壁模式实现反向传输时不导通，具体为：
S4、反向入射光从输出波导进入，此时反向入射光的模式为波导所支持的非回音壁模式的导模；
S5、由于导模在回音壁模式中央谐振腔中向回音壁模式的耦合比例极小，所述反向入射光被耦合入回音壁模式中央谐振腔体；
S6、光能量在回音壁模式中央谐振腔体中以外壁散射和吸收的形式衰减，最终消散殆尽。
10.根据权利要求9所述的一种利用模式耦合的非互易性实现光隔离的方法，其特征在于，在步骤S1之后增加步骤：
S1.1、所述回音壁模式经过弯曲波导的传输，以进一步增加被转化为回音壁模式的入射光的稳定性。
11.根据权利要求9或10所述的一种利用模式耦合的非互易性实现光隔离的方法，其特征在于，当采用权利要求4～7任一项所述的光隔离器时，在步骤S3中，在输出之前，先利用所述锥形波导将收集到的入射光转化为单模后再输出。
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