CN105425339A - 一种方向耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种方向耦合器，包括：第一输入端口1和/或第二输入端口2，耦合区5以及第一输出端口3和/或第二输出端口4；其中，第一输入端口1和/或第二输入端口2与耦合区5的输入端口连接，第一输出端口3和/或第二输出端口4与耦合区5的输出端口连接；耦合区5由两个相邻的光波导组成，两个光波导均处于对方波导模式倏逝场范围内；耦合区5中至少一个光波导设置光栅结构，以使横电波TE与横磁波TM在耦合区5中的耦合效率相同。本发明的方向耦合器，利用光栅对波导模式等效折射率的调控作用，减小奇对称模和偶对称模之间的等效折射率差，从而实现偏振不敏感的方向耦合。

Description

一种方向耦合器
技术领域
本发明涉及集成光电子器件领域，具体涉及一种方向耦合器。
背景技术
方向耦合器(Directionalcoupler)由输入端口、输出端口以及耦合区组成，在集成光电子器件领域具有诸多应用，例如传感器(sensor)、分束器(powersplitter)、光开关(opticalswitch)等功能型器件。然而方向耦合器面临到的一个问题是对偏振敏感。一种解决方法是引入偏振分束和偏振旋转元件，但这不可避免地会增大系统的尺寸和复杂度。另一个方法是通过合理地设计，使得方向耦合器本身偏振无关，即研制偏振不敏感方向耦合器。研究人员已经提出了两种结构，如图1a和图1b所示的两种偏振不敏感方向耦合器的横截面示意图，图1a中方向耦合器采用三个平行排列的沟道波导(horizontalslotwaveguide)，图1b中方向耦合器采用两个平行排列的沟道波导。这两种结构都可以同时实现横电波TE与横磁波TM的高效耦合，但是这两种结构的宽带工作特性不佳。
图2a和图2b示出目前已有的两种偏振不敏感方向耦合器结构，这两种结构的宽带工作特性不佳，在偏离中心波长50nm时，两种偏振的耦合效率差将达到15％以上。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种方向耦合器，以解决现有方向耦合器对偏振敏感的技术问题。
为此目的，本发明提出一种方向耦合器，包括：
第一输入端口1和/或第二输入端口2，耦合区5以及第一输出端口3和/或第二输出端口4；
其中，所述第一输入端口1和/或第二输入端口2与所述耦合区5的输入端口连接，所述第一输出端口3和/或第二输出端口4与所述耦合区5的输出端口连接；
其中，所述耦合区5由两个相邻的光波导组成，两个光波导均处于对方波导模式倏逝场范围内；
其中，所述耦合区5中至少一个光波导设置光栅结构，以使横电波TE与横磁波TM在所述耦合区5中的耦合效率相同。
可选的，所述光栅结构的排列方向与光传播方向一致。
可选的，所述光栅结构的周期长度T小于所述方向耦合器中传播的光的波长。
可选的，所述光波导为沟道波导、脊波导或条型波导。
可选的，所述光波导为非良导体波导。
可选的，所述非良导体波导为电介质波导、半导体波导或有机物波导。
可选的，所述电介质波导为二氧化硅波导、二氧化钛波导或氧化镓波导；所述半导体波导为硅波导、锗波导、氮化硅波导或三五族光电子化合物波导。
可选的，所述三五族光电子化合物波导为磷化铟波导或氮化镓波导。
相比于现有技术，本发明的方向耦合器，利用光栅对波导模式等效折射率的调控作用，减小奇对称模和偶对称模之间的等效折射率差，从而实现偏振不敏感的方向耦合。
进一步地，本发明的方向耦合器，具有器件尺寸小，损耗小，工作带宽宽，偏振不敏感，易于加工、集成的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
附图说明
图1a和图1b为背景技术涉及的两种方向耦合器结构横截面示意图，且为了更好地区分图中的各个波导，每个波导都用虚线框标示出来；
图2a和图2b为背景技术中涉及的两种偏振不敏感方向耦合器结构示意图；图2a和图2b中，标记1为输入端口，标记3和4为输出端口，标记5为耦合区；
图3为本发明实施例提供的一种方向耦合器结构图；
图4a和图4b为本发明实施例提供的方向耦合器的光场能流密度分布示意图；
图5为本发明实施例中仿真得到的TE和TM模式的耦合效率与光波波长的关系示意图；
图6a和图6b为本发明实施例中仿真得到的方向耦合器耦合效率随结构参数尺寸变化的关系示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，在本文中，“第一”和“第二”仅仅用来将名称相同的实体区分开来，而不是暗示这些实体之间的关系或者顺序。
如图3所示，本实施例公开一种方向耦合器，包括：第一输入端口1和/或第二输入端口2，耦合区5以及第一输出端口3和/或第二输出端口4。可见，本实施例中的方向耦合器可以有两个输入端口和两个输出端口，也可以有两个输入端口和一个输出端口，也可以有一个输入端口和两个输出端口，也可以有一个输入端口和一个输出端口。
所述第一输入端口1和/或第二输入端口2与所述耦合区5的输入端口连接，所述第一输出端口3和/或第二输出端口4与所述耦合区5的输出端口连接。
图3中，耦合区5具有两个输入端口和两个输出端口，第一输入端口1和第二输入端口2与耦合区5的不同输入端口连接，第一输出端口3和第二输出端口4与耦合区5的不同输出端口连接。
本实施例中，耦合区5由两个相邻的光波导组成，两个光波导均处于对方波导模式倏逝场范围内。
在具体应用中，可根据实际的加工条件来确定两个相邻的光波导之间的间距，缩短间距，可缩短耦合区长度，从而减小整个方向耦合器的尺寸，易于集成。
本实施例中的光波导为沟道波导。
本实施例中，耦合区5中至少一个光波导设置光栅结构，以使横电波TE与横磁波TM在所述耦合区5中的耦合效率相同。
在具体应用中，可根据实际的加工条件以及横电波TE与横磁波TM在耦合区5中具有相同耦合效率来确定光栅结构的结构参数，如图3所示的光栅槽深d，光栅结构的周期长度T以及光栅槽宽g，从而使横电波TE与横磁波TM在所述耦合区5中的耦合效率相同，达到偏振不敏感的效果。
需要说明的是，对于图3所示的方向耦合器，本领域技术人员应当理解光栅槽深d不得深至沟道波导的沟道区域。
相比于现有技术，本实施例公开的方向耦合器，利用光栅对波导模式等效折射率的调控作用，减小奇对称模和偶对称模之间的等效折射率差，从而实现偏振不敏感的方向耦合。
进一步地，图2a和图2b示出目前已有的两种偏振不敏感方向耦合器结构，这两种结构虽然都可以实现偏振不敏感的方向耦合，但是它们的耦合区长度分别为58μm和23.13μm，这种较大的器件尺寸不利于光电子器件的大规模集成应用。相比图2a和图2b所示的方向耦合器，本实施例公开的方向耦合器，采用光栅结构，耦合区长度仅为8.4μm，因此更易于集成。
进一步地，相比图2a和图2b所示的方向耦合器，本实施例公开的方向耦合器，采用光栅结构实现偏振不敏感高效耦合，在1480nm到1580nm波长范围内，两种偏振之间的耦合效率差始终小于1％，展现了良好的宽带工作特性。
可见，本实施例公开的方向耦合器具有器件尺寸小，损耗小，工作带宽宽，偏振不敏感，易于加工、集成的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
在一个具体的例子中，所述光栅结构的排列方向与光传播方向一致。
在一个具体的例子中，所述光栅结构的周期长度T小于所述方向耦合器中传播的光的波长。
在一个具体的例子中，所述光波导为沟道波导、脊波导或条型波导。
在一个具体的例子中，所述光波导为非良导体波导。
在一个具体的例子中，所述非良导体波导为电介质波导、半导体波导或有机物波导。
在一个具体的例子中，所述电介质波导为二氧化硅波导、二氧化钛波导或氧化镓波导；所述半导体波导为硅波导、锗波导、氮化硅波导或三五族光电子化合物波导。
在一个具体的例子中，所述三五族光电子化合物波导为磷化铟波导或氮化镓波导。
图4a和图4b中以上包层为二氧化硅的绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)材料为例，通过三维时域差分方法(3Dfinitedifferencetimedomain，FDTD)数值仿真示出了结构中光场能流的分布情况。图4a中，光场从图3所示的方向耦合器的上波导以TE基模入射到方向耦合器中，逐渐耦合到下波导的TE基模。图4b中，光场从图3所示的方向耦合器的上波导以TM基模入射到方向耦合器中，逐渐耦合到下波导的TM基模。TE和TM两种偏振光输入，得到的耦合效率相等，即本实施例的方向耦合器实现了偏振不敏感功能。本实施例的仿真过程中采用的结构参数为：绝缘体上硅顶硅厚度为250nm；沟道波导的总宽度w为520nm；沟道宽度为100nm，位于沟道波导中心；耦合区长度为8.4μm；光栅的周期T为370nm，槽宽g为100nm，槽深d为100nm。
图5示出了当入射光波长在1480nm至1580nm范围内变化时，仿真得到的方向耦合器耦合效率。由图可见，在这100nm宽的光谱范围内，两种偏振的耦合效率都在91.5％以上，且TE、TM耦合效率之间的差别始终小于1％。这100nm的光谱范围完全涵盖了光通信领域的C波段，由此可见本实施例公开的方向耦合器具有很宽的工作带宽，足以满足集成光电子系统的应用。
图6a和图6b通过改变方向耦合器的光栅结构的尺寸来模拟实际加工中工艺误差造成的加工尺寸不精准。由图6a可见光栅槽深d偏离设定尺寸±30nm的范围内，方向耦合器的耦合效率都在94％以上，且TE、TM耦合效率之间的差别始终小于4％；由图6b可见光栅槽宽g偏离设定尺寸±30nm的范围内，方向耦合器的耦合效率都在95％以上，且TE、TM耦合效率之间的差别始终小于3％。而目前的集成光电子器件主流加工工艺中加工此类无尖锐楔形结构的器件时通常都可以将加工误差控制在±30nm以内，因此本器件的工艺容差足以满足集成光电子器件加工的需求。
综上，本发明实施例至少具有如下有益效果：
本发明提供的方向耦合器，利用光栅对波导模式等效折射率的调控作用，减小奇对称模和偶对称模之间的等效折射率差，可以实现偏振不敏感方向耦合。本设计具有器件尺寸小，损耗小，工作带宽宽，偏振不敏感，易于加工的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种方向耦合器，其特征在于，包括：
第一输入端口(1)和/或第二输入端口(2)，耦合区(5)以及第一输出端口(3)和/或第二输出端口(4)；
其中，所述第一输入端口(1)和/或第二输入端口(2)与所述耦合区(5)的输入端口连接，所述第一输出端口(3)和/或第二输出端口(4)与所述耦合区(5)的输出端口连接；
其中，所述耦合区(5)由两个相邻的光波导组成，两个光波导均处于对方波导模式倏逝场范围内；
其中，所述耦合区(5)中至少一个光波导设置光栅结构，以使横电波TE与横磁波TM在所述耦合区(5)中的耦合效率相同。
2.根据权利要求1所述的方向耦合器，其特征在于，所述光栅结构的排列方向与光传播方向一致。
3.根据权利要求1所述的方向耦合器，其特征在于，所述光栅结构的周期长度T小于所述方向耦合器中传播的光的波长。
4.根据权利要求1所述的方向耦合器，其特征在于，所述光波导为沟道波导、脊波导或条型波导。
5.根据权利要求1所述的方向耦合器，其特征在于，所述光波导为非良导体波导。
6.根据权利要求5所述的方向耦合器，其特征在于，所述非良导体波导为电介质波导、半导体波导或有机物波导。
7.根据权利要求6所述的方向耦合器，其特征在于，所述电介质波导为二氧化硅波导、二氧化钛波导或氧化镓波导；所述半导体波导为硅波导、锗波导、氮化硅波导或三五族光电子化合物波导。
8.根据权利要求7所述的方向耦合器，其特征在于，所述三五族光电子化合物波导为磷化铟波导或氮化镓波导。
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