CN104614807B - 基于光栅相位臂的级联马赫曾德干涉仪型光功分‑波分器 - Google Patents

基于光栅相位臂的级联马赫曾德干涉仪型光功分‑波分器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光栅相位臂的级联马赫曾德干涉仪型光功分‑波分器，其包括一根主输入波导，两个1×2的3dB耦合器，四个2×2的3dB耦合器，两根耦合波导，两根输入波导，八个光栅耦合波导，四根完整相位臂，四根半相位臂和八根输出波导且八根波导中的波长均不同。本发明可以实现功分和波分，在八根光栅型相位臂和相位臂间的光栅波导中对输入光信号进行不断滤波达到降低串扰、提高输出特性的效果。同时一、二级马赫曾德干涉仪之间的耦合在相位臂处进行，形成三维立体结构，缩小体积且提高了集成度。

Description

基于光栅相位臂的级联马赫曾德干涉仪型光功分-波分器
技术领域
本发明属于集成光子器件领域，涉及一种基于光栅相位臂的级联马赫曾德干涉仪型光功分-波分器。
背景技术
马赫曾德干涉仪（英文全称：Mach-Zehnder Interferomet,文中简称MZI）作为相位检测光路结构已在光传感、通信系统中得到了广泛的应用。在光纤通信中MZI通常用来作为光纤波分复用器、光调制器、光开关和波长转换器等；在光传感系统中由于MZI灵敏度非常高，可以用来测量电流、电磁场、温度、压力等微弱等物理量。
马赫曾德干涉仪主要分为三类：第一类是传统基于分离元件的MZI；第二类 是传统全光纤型MZI；第三种是基于平面光波光路（英文全称：Planar Lightwave Ciruit,文中简称：PLC）的MZI。
基于PLC工艺的MZI利用半导体工艺制备，具有结构紧凑、可批量制作、稳定性高等优点。
级联MZI对于提高MZI的输出特性以及获得较好的边模抑制具有重大作用，但传统的级联MZI由于均是在MZI末端与其他MZI始端相连，所以往往器件比较长且成本较高；同时现在的波分、功分器件都是分开进行，导致期间的体积较大。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种可以实现波分加功分，降低串扰且结构紧凑、简单，稳定性高的基于光栅相位臂的级联马赫曾德干涉仪型光功分-波分器。
技术方案：本发明的基于光栅相位臂的级联马赫曾德干涉仪型光功分-波分器，包括主输入波导、对称设置在所述主输入波导的平面上下的两个一级马赫曾德干涉仪、两个二级马赫曾德干涉仪、两个耦合波导和两组光栅耦合波导，所述一级马赫曾德干涉仪设置在主输入波导的平面与二级马赫曾德干涉仪之间，所述耦合波导设置在主输入波导的平面与一级马赫曾德干涉仪之间，所述光栅耦合波导设置在一级马赫曾德干涉仪和二级马赫曾德干涉仪之间。一级马赫曾德干涉仪包括依次连接的输入波导、1×2的3dB耦合器、两根完整相位臂、第一2×2的3dB耦合器、两根第一输出波导。二级马赫曾德干涉仪包括依次连接的两根半相位臂、第二2×2的3dB耦合器、两根第二输出波导。
本发明的优选方案中，耦合波导设置在输入波导和主输入波导1之间，所述两根半相位臂与两根完整相位臂对应设置，第二2×2的3dB耦合器与第一2×2的3dB耦合器对应设置，两根第二输出波导与两根第一输出波导对应设置。
本发明的优选方案中，光栅耦合波导设置在两根半相位臂与两根完整相位臂之间，实现同一侧的两层马赫曾德干涉仪之间的耦合。
本发明的优选方案中，每根半相位臂与其对应设置的一根完整相位臂之间设置有两个光栅耦合波导。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）降低串扰，提高输出特性。本发明的所有MZI相位臂均为光栅波导，相位臂之间也用光栅波导进行耦合，通过光栅对输入光信号进行不断滤波的方式将不需要的波长滤掉从而实现降低串扰的作用，提高了输出特性，抑制了噪声。
（2）同时实现波分和功分功能。本发明利用倏逝场耦合原理将输入波导中的输入光信号通过两根耦合波导耦合到两个关于中心平面对称的MZI上从而实现功分功能；其次，利用光栅耦合波导将光信号从两个MZI的相位臂上耦合到最上方和最下方两个耦合器构成的MZI上，由四个MZI实现光信号的波分功能。
（3）成本低，体积小，集成度高。本发明先利用耦合波导将光信号功分到两个MZI上，再用光栅耦合波导将光信号从这两个一级MZI的相位臂上引导到上下两个耦合器构成的MZI上从而构成了级联MZI立体集成结构。其中从相位臂上引出光信号有效地缩短了器件的总长度，立体集成结构减小了器件体积，提高了集成度，从而使器件拥有了成本低，体积小，集成度高的优点。
附图说明
图1为基于光栅相位臂的级联马赫曾德干涉仪型光功分/波分器的三维示意图。
图2为图1中本发明结构的左端面图。
图3为图1中本发明结构的右端面图。
图4为图1中本发明结构的俯视图。
图中有：主输入波导1、耦合波导201、输入波导301、1×2的3dB耦合器401、两根完整相位臂501，502、第一2×2的3dB耦合器601、两根第一输出波导701，702、两根半相位臂801，802、第二2×2的3dB耦合器602、两根第二输出波导703，704、两组光栅波导901-904、硅衬底10、十一层波导层11-21。
具体实施方式
为进一步说明本发明的内容及特点，下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但本发明不限制于实施例。
本发明应用在基于三维立体集成型平面光波光路芯片中，该芯片包括：硅衬底10，在硅衬底上设有十二层二氧化硅缓冲层，在每两层缓冲层之间都设有一层波导层即一共设有十一层波导层11-21，在最上方设有覆盖层，本发明即放置在波导层中。
本发明包括主输入波导1、对称设置在所述主输入波导的平面上下的两个一级MZI、两个二级MZI、两个耦合波导和两组光栅耦合波导，所述一级MZI设置在主输入波导1的平面与二级MZI之间，所述耦合波导201设置在主输入波导1的平面与一级MZI之间，所述光栅耦合波导设置在一级MZI和二级MZI之间；
所述一级MZI包括依次连接的输入波导301、1×2的3dB耦合器401、两根完整相位臂501，502、第一2×2的3dB耦合器601、两根第一输出波导701，702；
所述二级MZI包括依次连接的两根半相位臂801，802、第二2×2的3dB耦合器602、两根第二输出波导703，704。
该实施例中，耦合波导201设置在输入波导301和主输入波导1之间，所述两根半相位臂801，802与两根完整相位臂501，502平行放置且对应的形状相同，第二2×2的3dB耦合器602与第一2×2的3dB耦合器601平行放置且形状相同，两根第二输出波导703，704与两根第一输出波导701，702平行放置且形状相同。
该实施例中，光栅耦合波导901-904设置在两根半相位臂801，802与两根完整相位臂501，502之间，实现同一侧的两层马赫曾德干涉仪之间的耦合。
该实施例中，每根半相位臂801，802与其对应设置的一根完整相位臂501，502之间设置有两个光栅耦合波导901-904，两个光栅波导完全相同且平行放置。
该实施例中，所述的主输入波导1通过耦合波导201将光波功分到一级MZI上，此处实现了功分。光波通过一MZI实现波分的同时在完整相位臂501，502处借由光栅耦合波导901-904耦合至二级MZI继续波分，此处实现了波分。最后光波由八根输出波导701-704输出实现了波分加功分。
该实施例中各个波导截面均为3μm×3μm的正方形，主输入波导1和上下两个耦合波导201间距为2μm，耦合波导201和第一MZI的间距也均为2μm，一级MZI和一组光栅波导901-904以及光栅波导901-904到二级MZI之间间距为1.5μm，一组光栅波导901-904中两层光栅波导的间距为1μm。其中，两根耦合波导201的长度为10μm，完整相位臂501，502的长度根据所需滤波自由设定，该实施例中完整相位臂501的长度为20μm，完整相位臂502的长度为18μm，半相位臂801，802长度均为5μm。所有相位臂501，502、801，802以及光栅耦合波导901-904的光栅常数根据所需滤波自由设定，该实施例中光栅常数均为3μm。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于光栅相位臂的级联马赫曾德干涉仪型光功分-波分器，其特征在于，该光功分-波分器包括：主输入波导（1）、对称设置在所述主输入波导（1）的平面上下的两个一级马赫曾德干涉仪、两个二级马赫曾德干涉仪、两个耦合波导（201）和两组光栅耦合波导，所述一级马赫曾德干涉仪设置在主输入波导（1）的平面与二级马赫曾德干涉仪之间，所述耦合波导（201）设置在主输入波导（1）的平面与一级马赫曾德干涉仪之间，所述光栅耦合波导设置在一级马赫曾德干涉仪和二级马赫曾德干涉仪之间；
所述一级马赫曾德干涉仪包括依次连接的输入波导（301）、1×2的3dB耦合器（401）、两根完整相位臂（501，502）、第一2×2的3dB耦合器（601）、两根第一输出波导（701，702）；
所述二级马赫曾德干涉仪包括依次连接的两根半相位臂（801，802）、第二2×2的3dB耦合器（602）、两根第二输出波导（703，704）。
2.根据权利要求1所述的基于光栅相位臂的级联马赫曾德干涉仪型光功分-波分器，其特征在于，所述耦合波导（201）设置在输入波导（301）和主输入波导（1）之间，所述两根半相位臂（801，802）与两根完整相位臂（501，502）对应设置，第二2×2的3dB耦合器（602）与第一2×2的3dB耦合器（601）对应设置，两根第二输出波导（703，704）与两根第一输出波导（701，702）对应设置。
3.根据权利要求1或2所述的基于光栅相位臂的级联马赫曾德干涉仪型光功分-波分器，其特征在于，所述光栅耦合波导（901-904）设置在两根半相位臂（801，802）与两根完整相位臂（501，502）之间，实现同一侧的两层马赫曾德干涉仪之间的耦合。
4.根据权利要求3所述的基于光栅相位臂的级联马赫曾德干涉仪型光功分-波分器，其特征在于，每根半相位臂（801，802）与其对应设置的一根完整相位臂（501，502）之间设置有两个光栅耦合波导（901-904）。
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