CN104965260A - 一种耦合器中存在反射的光学谐振器 - Google Patents

一种耦合器中存在反射的光学谐振器 Download PDF

Info

Publication number
CN104965260A
CN104965260A CN201510299646.9A CN201510299646A CN104965260A CN 104965260 A CN104965260 A CN 104965260A CN 201510299646 A CN201510299646 A CN 201510299646A CN 104965260 A CN104965260 A CN 104965260A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical
coupling mechanism
port
reflective optic
optic coupling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510299646.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104965260B (zh
Inventor
桂林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN201510299646.9A priority Critical patent/CN104965260B/zh
Publication of CN104965260A publication Critical patent/CN104965260A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104965260B publication Critical patent/CN104965260B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2821—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using lateral coupling between contiguous fibres to split or combine optical signals

Abstract

本发明的实施方式提供了一种包含反射式光学耦合器的光学谐振结构。具体地，本发明的实施方式提供了反射式光学耦合器的基本特征和反射式光学耦合器结构的设计方法。由于在反射式光学耦合器和环型波导中存在反射光波，本发明提供的光学谐振结构等效为两个级联的微环，但是对加工产生的误差不敏感。该结构，便于集成在未来的集成光学芯片上，且不局限于硅基材料体系，例如，该结构的器件可以集成在III/V族材料或者聚合物材料构成的光学芯片上，并应用在集成光学器件中，可以用来完成光学滤波、光学调制或者电光开关等功能，是最终降低光通信、光互联和光信号处理系统成本，并实现片上光子集成的有效方案。

Description

一种耦合器中存在反射的光学谐振器
技术领域
本发明涉及一种集成光学器件，特别涉及片上光学谐振器结构。
背景技术
集成光学是光电子领域的一项关键技术，它采用III/V族材料、硅基和聚合物等材料，在光学芯片上制作出光耦合器、光分束器、光滤波器等无源光学器件，或是光调制器、电光开关等有源光学器件。随着技术的发展，人们希望将计算机间的光互联设备、光通信和光网络中的器件集成在单个光学芯片上，最终实现片上光网络(network on chip，NOC)，从而使集成光学回路(Photonic integrated circuits，PIC)像集成电路一样，能够很好的提供未来信息传输和信息处理中的光模块资源。
III/V族材料、硅基材料和聚合物材料是当前集成光学中常用的三种材料体系。就实现工艺而言，由于采用绝缘衬底上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)技术的硅基集成器件能够很好的与CMOS工艺相兼容，因此硅基器件便于大规模生产且具有成本优势，但是由于不能发光的天然缺陷，发光器件和某些有源器件也会考虑采用III/V族材料来实现。硅基器件具有尺寸小，设计灵活等优点，便于设计一些新结构。例利用半导体的CMOS工艺，能够制作出包含大量微环等谐振结构的光学器件，可以应用在光学滤波器和调制器当中。除此之外，也有一些结构新颖的硅基光学器件1-3，例如最近研究的一些自耦合型的硅基光学器件1，如图1所示，它包含两个耦合器，但是耦合器的连接与常规的微环谐振器件不同，在该结构中，能够在环中产生两个方向的光波， 因此具有与常规谐振结构不同的特性。
双模光滤波器是最新提出的光滤波器结构，如图2所示，它是指在环形结构中加入反射机制而形成的新结构3。在该结构中，同一个谐振结构中同时存在正向和反向传播的光。根据最新研究，双模光滤波器能够利用单个微环形成二阶系统，即利用反射形成两个微环的效果。它不仅能够将微环数目加倍，形成新型的谐振结构，还为降低级联微环结构中不同微环的参数误差提供了新思路。利用双模光滤波器的特性，很容易构成两个参数完全一样的级联微环，这将会对硅基光滤波器的发展起到促进作用。
双模光滤波器的优势：1单个环可以形成二阶系统；2这种二阶系统，对加工产生的误差不敏感。级联的微环虽然也可以形成高阶系统，但是难以保证多个环的参数统一，而且环数越多，参数的一致性就会越差，在制作光滤波器等器件时，就会导致性能恶化。
正是由于上述原因，研究新结构的光学谐振器是集成光学器件中的一个关键问题，积极探索新型的光子器件结构会对提高光器件性能有很大帮助。
参考文献： 
1.L.zhou，T.Ye，J.Chen，“Coherent interference induced transparency in self-coupled optical waveguide-based resonators，”Opt.Lett.，36(1)：13-15(2011)
2.V.Van，“Dual-mode microring reflection filters，”J.Lightw.Technol.，vol.25，no.10，pp.3142-3150，Oct.2007.
3.C.Alonso-Ramos，Francesco Morichetti，Alejandro Ortega-Inigo Molina-Fernández，Michael J.Strain，and Andrea Melloni，“Dual-Mode Coupled-Resonator Integrated Optical Filters，”IEEE Photon.Technol.Lett.26，929-932(2014).
发明内容：
针对背景技术中的需求，本发明的目的在于提供一种包含耦合器反 射的光学谐振器结构，该器件便于集成在未来的集成光学芯片上，且不局限于硅基材料体系，例如，该结构的器件可以集成在硅基、III/V族材料或者聚合物材料构成的光学芯片上。
本发明的基本结构如图3所示，包括如下两部分：1)反射式光学耦合器(10)，这部分器件是与现有微环结构中采用的定向耦合器最大的不同，该器件同时包含光信号的定向耦合和反向耦合功能；2)环形波导(20)，用于连接反射式光学耦合器的一个透射输出端口和与输入端口不同的另一反射端口。
本发明中的反射式光学耦合器(10)为4端口器件，在该器件中，1端口为光的入射端口，3端口为光的输出端口，光波从1端口和2端口输入，则3端口和4端口会产生光波输出，同时在1端口和2端口会产生反射光波。如果光波从3端口入射，则1端口为光的输出端口，光波从3端口和4端口输入，则1端口和2端口会产生光波输出，同时在3端口和4端口会产生反射光波。该器件和常规的定向耦合器最大的不同在于，定向耦合器不会产生上述1端口和2端口的反射光波，或者是3端口和4端口的反射光波。因此，当反射式光学耦合器中存在反射光波时，环形波导和反射式光学耦合器中均同时存在顺时针和逆时针方向传播的光波。在常规的耦合器中不存在反射光波，因此，环形波导和光学耦合器中仅存在顺时针或者逆时针方向传播的光波。
需要说明的一点是，图1所示的自耦合结构，将最右边的环断开，两个耦合虽然也可以构成如图1(c)所示的4端口器件，各个光波导中存在反射光波，但是它不满足本发明提供的反射式光学耦合器中输入、输出或者反射光波的特征，即从1端口输入的光波，从3端口和4端口透射，从2端口反射，但是没有从1端口反射。
反射式光学耦合器是本发明的关键部分，其基本结构如图4和图5所示，其中，图4是仅有一个反射式元件的情况，图5是存在多个反射式元件的情况。
反射式光学耦合器包括：第一2×2光学耦合器(110)，用于将输入端的光信号耦合到所述光学谐振器中，该第一2×2光学耦合器(110)的两个输入端口作为所述反射式光学耦合器(10)的两个输入端口；第二2×2光学耦合器(120)，用于将所述光学谐振器中的光信号耦合到输出端，该第二2×2光学耦合器(120)的两个输出端口作为所述反射式光学耦合器(10)的两个输出端口；第一直波导(130)，用于连接第一2×2光学耦合器(110)输出端的一个端口和第二2×2光学耦合器(120)输入端的一个端口；第二直波导(140)，用于连接第一2×2光学耦合器(110)输出端的另一个端口和第二2×2光学耦合器(120)输入端的另一个端口；反射式元件(150)，用于提供光信号的反射功能，或者部分反射、部分透射功能。
如果反射式元件(150)的数量为一个，根据反射式元件(150)嵌入在第一直波导(130)和第二直波导(140)中的位置，可以得到如图4所示的三种结构，在具体应用中这三种结构都可以提供反射式光学耦合器(10)的反射功能，但是性能有所差别。
如果反射式元件(150)的数量为多个，可以得到图5所示的结构。 
除了上述结构之外，反射式光学耦合器也可以采用在常规的2×2定向光学耦合器上刻蚀一个或者多个光栅的方法提供反射功能。此时，需要在耦合器的波导耦合区刻蚀一个或多个光栅，保证光在反射式光学耦合器中既存在透射也存在反射。
在本发明提出的光学谐振结构中，反射式光学耦合器和环波导的具体几何尺寸也将影响器件的性能，例如，反射式光学耦合器的各个端口 的反射与透射系数，不仅和反射式元件(150)的设计有关，也和第一直波导(130)和第二直波导(140)的几何尺寸有关。因此，反射式光学耦合器的各个端口的反射与透射系数可以由各个单元的波导结构设计预先设定，但是，根据本发明的特征，反射式光学耦合器端口的反射系数不能为0。
考虑到本发明所述结构可以应用在可调谐光学器件中，反射式光学耦合器的各个端口的反射与透射系数可以设定为可调谐。例如，通过设定波导上的电极来改变波导折射率，从而改变各个端口的反射与透射系数。
本发明利用反射式光学耦合器和环波导构成的光学谐振结构，可以应用在未来集成光学器件当中，来完成光学滤波、光学调制或者电光开关等功能。
附图说明
根据下面结合附图的示例性实施方式的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优势将变得明显，在附图中：
图1是包含两个耦合器的自耦合光学谐振结构(a)基本结构图(b)自耦合光学谐振结构构成的阵列(c)自耦合光学谐振结构中最右边波导断开形成的4端口网络。
图2是环波导中存在反射元件的双模光滤波器结构图(a)单环双模光滤波器结构(b)单环双模光滤波器采用常规微环的等效结构(c)双环双模光滤波器结构(d)双环双模光滤波器采用常规微环的等效结构。
图3是本发明提供的包含反射式耦合器的光学谐振器基本结构图。
图4是本发明提供的将单个反射式元件嵌入MZI结构的反射式耦合器 的三种结构图。
图5是本发明提供的将多个反射式元件嵌入MZI结构的反射式耦合器的一种典型结构图。
图6是本发明提供的光学谐振器的两种实施例结构图(a)单个反射式元件仅关联一个波导的情况，(b)两个反射式元件各关联一个波导的情况。
图7是本发明提供的光学谐振器的另一种实施例结构图：单个反射式元件同时关联两个波导的情况。
具体实施方式
1，反射式光学耦合器的实施例：
当反射式元件(150)嵌入在第一直波导(130)和第二直波导(140)中的位置不同时，可以形成如图4和5所示的反射式光学耦合器(10)结构。在图4中，三种结构均为反射式元件(150)的数量为一个的情况。如果反射式元件(150)嵌入在第一直波导(130)中，则形成图4(a)所示结构；如果反射式元件(150)嵌入在第二直波导(150)中，则形成图4(b)所示结构；如果反射式元件(150)同时关联了第一直波导(130)和第二直波导(140)，则形成图4(c)所示结构。如果反射式元件(150)的数量为多个，反射式光学耦合器(10)的结构如图5所示。在此结构中，反射式光学耦合器中每个直波导上均至少嵌入一个反射式元件。当然，也可以存在其它的结构，例如，反射式元件(150)全部嵌入反射式光学耦合器(10)中某个直波导上。
2，包含反射式光学耦合器的光学谐振结构实施例，情况1：
根据图6结构，可以得到本发明所述的包含反射式耦合器的光学谐振结构的一种完整实施例。在该实施例中，反射式元件(150)可以采用 如图所示的Sagnac环的结构，通过调谐Sagnac环中耦合器的耦合系数，可以设计具有不同反射和透射的反射式耦合器，从而构成性能不同的光学谐振结构。在图6(a)中，仅仅存在一个Sagnac环的结构，若此时设计Sagnac环中耦合器的耦合系数为即50∶50的定向耦合器，则tg为Sagnac环的透射系数，则rg为Sagnac环的反射系数，rg＝2iδ1κ1＝i。反射式光学耦合器中上支路透射，下支路反射，因此，透射的光波被分配到3和4端口，反射的光波又被分配到1和2端口，即从1和2端口反射回来。就整个光学谐振结构来看，2端口和4端口分别接收来自对方的光波，在环形波导(20)中形成光波的双向传播。
3，包含反射式光学耦合器的光学谐振结构实施例，情况2：
如果反射式元件(150)同时关联了第一直波导(130)和第二直波导(140)，则会形成图4(c)所示结构，此处给出一种采用图4(c)所示结构构成的包含反射式耦合器的光学谐振结构实施例，如图7所示。
如果采用一个包含单个微环结构的4端口网络，则将这个网络的两个端口嵌入第一直波导(130)，另外两个端口嵌入第二直波导(140)，则可以得到图7所示结构，该结构和图6所示结构的区别在于反射式光学耦合器(10)的透射与反射数值和波长相关。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成光学器件来实现，集成光学器件的材料也不局限于某一种。

Claims (9)

1.一种光学谐振器，包括：
反射式光学耦合器，同时包含光信号的定向耦合和反向耦合功能；
环形波导，用于连接反射式光学耦合器的一个透射输出端口和与输入端口不同的另一反射端口。
2.如权利要求1所述的光学谐振器，其特征在于：
反射式光学耦合器为4端口器件，各个端口均可以输入光波，也可以输出或者反射光波，其输入、输出或者反射光波具有如下特征：
光波从1端口或者2端口输入，则3端口和4端口会产生光波输出，同时在1端口和2端口会产生反射光波；光波从3端口或者4端口输入，则1端口和2端口会产生光波输出，同时在3端口和4端口会产生反射光波。
3.如权利要求1所述的光学谐振器，其特征在于：
当反射式光学耦合器中存在反射光波时，环形波导和反射式光学耦合器中均同时存在顺时针和逆时针方向传播的光波。
4.如权利要求1所述的光学谐振器，其特征在于：
所述反射式光学耦合器可以采用如下构成：
第一2×2光学耦合器，用于将输入端的光信号耦合到所述光学谐振器中，该第一2×2光学耦合器的两个输入端口作为所述反射式光学耦合器的两个输入端口；
第二2×2光学耦合器，用于将所述光学谐振器中的光信号耦合到输出端，该第二2×2光学耦合器的两个输出端口作为所述反射式光学耦合器的两个输出端口；
第一直波导，用于连接第一2×2光学耦合器输出端的一个端口和第二2×2光学耦合器输入端的一个端口；
第二直波导，用于连接第一2×2光学耦合器输出端的另一个端口和第二2×2光学耦合器输入端的另一个端口；
反射式元件，用于提供光信号的反射功能，或者部分反射、部分透射功能。
5.如权利要求1所述的光学谐振器，其特征在于：
所述反射式光学耦合器可以采用在常规的2×2定向光学耦合器上刻蚀一个或者多个光栅的方法提供反射功能。
6.如权利要求4所述的反射式光学耦合器，其特征在于：
所述反射式元件的数目可以是一个，该反射式元件嵌入所述反射式光学耦合器中的第一直波导中或者第二直波导中；或者，该反射式元件同时关联所述反射式光学耦合器中的第一直波导和第二直波导，此时，该反射式元件至少是4端口器件。
7.如权利要求4所述的反射式光学耦合器，其特征在于：
所述反射式元件的数目可以是多个，反射式光学耦合器中每个直波导上均至少嵌入一个反射式元件，或者，所述反射式元件全部嵌入所述反射式光学耦合器中某个直波导上。
8.如权利要求4所述的反射式光学耦合器，其特征在于：
所述反射式光学耦合器的各个端口的反射与透射系数可以由波导结构设计预先设定，但必须包括反射系数。
9.如权利要求4所述的反射式光学耦合器，其特征在于：
所述反射式光学耦合器的各个端口的反射与透射系数可以设定为可调谐。
CN201510299646.9A 2015-06-04 2015-06-04 一种耦合器中存在反射的光学谐振器 Active CN104965260B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510299646.9A CN104965260B (zh) 2015-06-04 2015-06-04 一种耦合器中存在反射的光学谐振器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510299646.9A CN104965260B (zh) 2015-06-04 2015-06-04 一种耦合器中存在反射的光学谐振器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104965260A true CN104965260A (zh) 2015-10-07
CN104965260B CN104965260B (zh) 2019-07-09

Family

ID=54219300

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510299646.9A Active CN104965260B (zh) 2015-06-04 2015-06-04 一种耦合器中存在反射的光学谐振器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104965260B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108007481A (zh) * 2017-12-07 2018-05-08 上海第二工业大学 一种利用光学非互易器件进行光传感的系统及方法
CN111024058A (zh) * 2019-12-10 2020-04-17 浙江大学 一种基于电光效应开关的实现多次绕行的光纤陀螺仪及其方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62169107A (ja) * 1986-01-22 1987-07-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd ２重化光分岐結合器
US6621835B1 (en) * 2000-06-12 2003-09-16 Jds Uniphase Corporation Raman amplifier in ring configuration
US20050031349A1 (en) * 2003-08-09 2005-02-10 Sung-Bum Park Bidirectional optical add-drop multiplexer
CN101309115A (zh) * 2008-06-24 2008-11-19 浙江大学 一种用于光纤到户的单片集成单纤多向收发器
US20120063484A1 (en) * 2010-09-14 2012-03-15 Goddard Lynford L Distributed reflector in a microring resonator

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62169107A (ja) * 1986-01-22 1987-07-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd ２重化光分岐結合器
US6621835B1 (en) * 2000-06-12 2003-09-16 Jds Uniphase Corporation Raman amplifier in ring configuration
US20050031349A1 (en) * 2003-08-09 2005-02-10 Sung-Bum Park Bidirectional optical add-drop multiplexer
CN101309115A (zh) * 2008-06-24 2008-11-19 浙江大学 一种用于光纤到户的单片集成单纤多向收发器
US20120063484A1 (en) * 2010-09-14 2012-03-15 Goddard Lynford L Distributed reflector in a microring resonator

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108007481A (zh) * 2017-12-07 2018-05-08 上海第二工业大学 一种利用光学非互易器件进行光传感的系统及方法
CN108007481B (zh) * 2017-12-07 2020-06-05 上海第二工业大学 一种利用光学非互易器件进行光传感的系统
CN111024058A (zh) * 2019-12-10 2020-04-17 浙江大学 一种基于电光效应开关的实现多次绕行的光纤陀螺仪及其方法
CN111024058B (zh) * 2019-12-10 2021-04-20 浙江大学 一种基于电光效应开关的实现多次绕行的光纤陀螺仪及其方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104965260B (zh) 2019-07-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6683535B2 (ja) 光結合方式
JP6379245B1 (ja) 光導波路素子及び受信回路
US7283707B1 (en) Evanescently coupling light between waveguides and whispering-gallery mode optical resonators
CN105572796A (zh) 一种基于反对称多模布拉格波导光栅的上下路滤波器
CN112987183B (zh) 层间耦合器
Saber et al. Integrated polarisation handling devices
CN105629381A (zh) 光纤模式旋转器、全光纤模式复用器和解复用器
CN104965260B (zh) 一种耦合器中存在反射的光学谐振器
JPH10293219A (ja) 光導波路カプラの構造
CN106842631B (zh) 一种可集成多功能光学调制器
US8406579B2 (en) Wavelength division multiplexing and optical modulation apparatus
US20120087621A1 (en) Nanophotonic optical duplexer
US7231105B2 (en) Integrated dual waveguides
Cherchi et al. Flat-top MZI filters: a novel robust design based on MMI splitters
CN211454119U (zh) 硅基多模式干涉仪的偏振分束器
US10871615B2 (en) Optical add/drop multiplexer
US7620275B2 (en) Integrated polarization splitter/combiner
US20040037563A1 (en) Device and method for optical add/drop multiplexing
Le et al. The design of multimode interference couplers with arbitrary power splitting ratios on an SOI platform
Dehghani et al. HDMS: high-performance dual-shaped microring-resonator-based optical switch
CN101887144A (zh) 一种消除群速度色散的慢光效应光子晶体波导结构
MacDonald et al. Hybrid optoelectronic integrated circuit
JP2728421B2 (ja) 光導波路
JP5759039B1 (ja) 光結合構造
Preble et al. Passive silicon photonic devices

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant