CN108345064A - 一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器 - Google Patents

一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器 Download PDF

Info

Publication number
CN108345064A
CN108345064A CN201810097779.1A CN201810097779A CN108345064A CN 108345064 A CN108345064 A CN 108345064A CN 201810097779 A CN201810097779 A CN 201810097779A CN 108345064 A CN108345064 A CN 108345064A
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
input
output
multimode
mixing
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
CN201810097779.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108345064B (zh
Inventor
王瑾
翟雨萌
祁优
张云超
陆云清
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.)
Nanjing Post and Telecommunication University
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Original Assignee
Nanjing Post and Telecommunication University
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 Nanjing Post and Telecommunication University filed Critical Nanjing Post and Telecommunication University
Priority to CN201810097779.1A priority Critical patent/CN108345064B/zh
Publication of CN108345064A publication Critical patent/CN108345064A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108345064B publication Critical patent/CN108345064B/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
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29344—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by modal interference or beating, i.e. of transverse modes, e.g. zero-gap directional coupler, MMI
    • 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
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1226—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths involving surface plasmon interaction

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，由单个的4×4多模干涉耦合器（MMI）构成。混合等离子激元波导结构由介质波导层，在介质波导层之上的狭缝介质夹层和在狭缝介质夹层之上的金属层构成。当光进入混合等离子激元波导后，由于混合等离子激元波导的特殊结构可以激发混合等离子激元模式并将该模式很好地限制在狭缝介质夹层内传播，所以可以大大缩小相同光程下光的传播距离，因而大大缩小器件的尺寸。因此，与传统的介质波导混频器相比较，本发明将混频器的尺寸从毫米量级减至微米量级，为高度集成的光子器件提供了新的结构方案，并对光子器件的进一步集成化有着深远的影响。

Description

一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器
技术领域
本发明涉及光学混频技术，尤其涉及一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器。
背景技术
相干光通信是一种重要的现代通信方式，其中相干光接收机是相干光通信系统最重要的设备。在相干光接收机中，接收到的相干光信号与本地振荡器产生的光信号进行混频再输出到光电二极管进行差分处理。其中，光学混频器是相干光接收机最重要的组件之一。当前，集成化地实现光学混频器的主要选择是多模干涉耦合器(MMI)，传统光学混频器的结构通常由一个4×4MMI或四个2×2MMI构成，但传统的MMI都是基于介质光波导的，其器件尺寸在百微米量级，不易于进一步提升芯片的集成度。
基于混合等离子激元来实现光波导器件可以提高光学芯片的集成度，特别是基于混合等离子激元的MMI，在与介质波导相同的波导宽度下，能容纳更多的光波导模式。换而言之，当需要容纳相同数目的光波导模式时，基于混合等离子激元的MMI的波导宽度更小。所以，尽管混合等离子激元波导的传输损耗较大，但基于此的MMI器件尺寸会大大小于基于介质波导的MMI，从而提高相干光接收机的集成度，为实现高度集成的相干光接收机提供了新的方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提高光学混频器的集成度，从而提高相干光接收机的集成度。为实现上述目的，提出一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器。
本发明为解决上述技术问题而采用以下技术方案：
一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，包括：四个依次排列设置的输入波导，四个依次排列设置的输出波导，一个多模波导；其中，
所述四个输入波导分别与所述多模波导相连并分布在它的同一侧；
所述四个输出波导分别与所述多模波导相连并分布在与输入波导的相对侧；
所述多模波导，从下至上依次由衬底层，介质波导层，狭缝介质夹层与金属层叠加而成；
混频器工作时，混合等离子激元基模模式的两个光信号分别由第一、第三输入波导进入多模波导，或由第二、第四输入波导进入多模波导，然后经过一定的多模波导长度，在四个不同输出端口形成相应的自映像并混频，再由相应输出波导输出。
进一步的，本发明提出的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，第一输入波导和第一输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的1/8处，第二输入波导和第二输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的3/8处，第三输入波导和第三输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的5/8处，第四输入波导和第四输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的7/8处。
进一步的，本发明提出的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，输入、输出波导的实际位置是通过调整所述输入、输出波导与所述多模波导的相对位置，直到符合混合等离子激元波导光学混频器的相位特性得到。
进一步的，本发明提出的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，所述金属层的材料为Au，所述狭缝介质夹层的材料为SiO2，所述介质波导层的材料为Si。
进一步的，本发明提出的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，所述金属层和所述狭缝介质夹层厚度均为100nm，所述介质波导层厚度为250nm，所述第一、第三输入波导以及所述四个输出波导的宽度均为0.2μm，所述多模波导的宽度为3.23μm。
进一步的，本发明提出的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，所述第一输入波导及所述第一输出波导与其所述理论位置的偏移量均为60nm，所述第三输入波导及所述第二输出波导与其所述理论位置的偏移量均为30nm，所述第三输出波导与其所述理论位置的偏移量为-30nm，所述第四输出波导与其所述理论位置的偏移量为-60nm。
进一步的，本发明提出的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，所述一定的多模波导长度为17.5μm。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比具有以下技术效果：
在本发明提出的光混频器中，混合等离子激元模式的光被很好地限制在波导结构的狭缝介质夹层，因此不仅减少了金属带来的传输损耗，也由此减小了相同光程下光传播的距离，从而将光混频器的器件尺寸从传统介质结构的百微米量级缩减至混合等离子激元结构的十微米量级。
附图说明
图1是混合等离子极化激元波导的横截面结构；
图2是所述混频器结构俯视图；
图3为本发明所述MMI结构在实施例中所涉及的输入、输出波导位置示意图；
图4为本发明实例中，当两个混合等离子激元基模的光分别从输入波导10、11输入到多模波导时，各多模波导输出端口传输率T随着两个输入光信号之间相位差的关系；
图5为本发明实例中，当两个分别从输入波导10、11输入的混合等离子激元基模的输入光信号之间的相位差为π/4，3π/4，5π/4和7π/4时在MMI中的光功率分布。
具体实施方式
下面结合附图对该发明的技术方案做进一步详细说明。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
在基于混合等离子激元波导结构的光混频器中，其输入及输出光是在波导狭缝介质夹层传输的混合等离子激元光波导基模模式。当混合等离子激元基模模式的输入光进入该混频器的多模波导后，在波导的狭缝介质夹层激发多个混合等离子激元模式，在经过一定的多模波导长度后通过自映像效应在输出端口输出。而当两个混合等离子激元基模模式的光输入至多模波导，其经过一定的多模波导长度后相应的自成像可以在多模波导的不同输出端口混频。
该混合等离子激元波导结构的横截面图如图1所示，其中1为金属层，2为狭缝介质夹层，3为介质波导层，4为空气包层，5为衬底层。金属层1为Au，其厚度为100nm；狭缝介质夹层2为SiO2，其厚度为100nm；介质波导层3为Si，其厚度为250nm。图2是所述混频器结构俯视图，其中10、30、11、31分别为四个输入波导，12为多模波导，20、21、22、23分别为四个输出波导。输入波导10、30、11、31以及输出波导20、21、22、23的宽度均为0.2μm。
混频器工作时，混合等离子激元基模模式的两个光信号分别由输入波导10、11进入多模波导，然后经过一定的多模波导长度，在四个不同输出端口形成相应的自映像并混频，再由相应输出波导输出。此外，也可选取30、31为输入波导，这样的输入波导设计也可实现混频，且在4个输出波导中输出90°相位关系的光信号，只是输出信号的绝对相位关系会有所改变。
在本实施例中，混合等离子激元基模模式的光由输入波导10、11进入该混频器的多模波导12，各自激发多阶的混合等离子激元模式；这些模式在多模波导12经过一定的波导长度传输后，通过干涉成像分别在输出波导20、21、22、23输出各自的自成像；这两个输入光在每个输出波导中的自成像之间具备一定的相位差，而这4个相位差之间具备固有的90°相位关系(Seimetz M,Weinert C M.Options,feasibility,and availability of 2×490hybrids for coherent optical systems[J].J.Lightwave Technology,2006,24(3):1317)，从而实现两个混合等离子激元基模模式的输入光之间的混频。经过理论计算，可实现混频的多模波导12的长度为17.5μm。
图3为本发明所述MMI结构在本实施例中所涉及的输入、输出波导位置示意图，其中多模波导宽度为WMMI；理论上，输入波导10、11分别在多模波导宽度x方向上的WMMI/8和5WMMI/8处，输出波导20、21、22、23分别在多模波导宽度x方向上的WMMI/8、3WMMI/8、5WMMI/8、7WMMI/8处。但是，此时得到的输出信号的不均匀度小于0.2dB，但混频后输出信号的相位误差为～7°。这个相位误差达不到对混频器的产品化要求的相位误差为<5°的指标。
因此，在本发明中，相比于传统的混频器结构，该混频器改变了多模波导区输入及输出波导的相对位置，使该混频器输出光信号的相位误差得到改善。如图3所示，输入波导10及输出波导20与理论位置的偏移量为Δ1，对称的输出波导23与理论位置的偏移量为-Δ1；输入波导11及输入波导21与理论位置的偏移量为Δ2，对称的输出波导22与理论位置的偏移量为-Δ2。在本实施例中，当Δ1＝60nm、Δ2＝30nm时，混频后输出信号的相位误差改善到仅为0.7°，从而可以很好地实现混频。
在上述实施例的混频器结构参数下，图4给出了当两个混合等离子激元基模的光输入到多模波导时，各多模波导输出端口传输率T随着两个输入光信号之间相位差变化的关系，其中传输率T的单位为dB，相位差的单位是弧度radian。可以看到，本实施案例的混频输出信号具备很好的90°相位差关系及传输均匀度。
图5给出了在本发明实例中的两个混合等离子激元基模的输入光信号的相位差为π/4，3π/4，5π/4和7π/4时在MMI中的光功率分布。同样可以看到，随着两个输入光信号的相位差的不同，混频后的信号可以在不同的输出端口输出。
在本发明提出的光混频器中，混合等离子激元模式的光被很好地限制在波导结构的狭缝介质夹层，因此不仅减少了金属带来的传输损耗，也由此减小了相同光程下光传播的距离，从而将光混频器的器件尺寸从传统介质结构的百微米量级缩减至混合等离子激元结构的十微米量级。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，其特征在于，包括：四个依次排列设置的输入波导，四个依次排列设置的输出波导，一个多模波导；其中，
所述四个输入波导分别与所述多模波导相连并分布在它的同一侧；
所述四个输出波导分别与所述多模波导相连并分布在与输入波导的相对侧；
所述多模波导，从下至上依次由衬底层，介质波导层，狭缝介质夹层与金属层叠加而成；
混频器工作时，混合等离子激元基模模式的两个光信号分别由第一、第三输入波导进入多模波导，或由第二、第四输入波导进入多模波导，然后经过一定的多模波导长度，在四个不同输出端口形成相应的自映像并混频，再由相应输出波导输出。
2.如权利要求1所述的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，其特征在于，第一输入波导和第一输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的1/8处，第二输入波导和第二输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的3/8处，第三输入波导和第三输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的5/8处，第四输入波导和第四输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的7/8处。
3.如权利要求2所述的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，其特征在于，输入、输出波导的实际位置是通过调整所述输入、输出波导与所述多模波导的相对位置，直到符合混合等离子激元波导光学混频器的相位特性得到。
4.如权利要求1或2所述的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，其特征在于，所述金属层的材料为Au，所述狭缝介质夹层的材料为SiO2，所述介质波导层的材料为Si。
5.如权利要求4所述的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，其特征在于，所述金属层和所述狭缝介质夹层厚度均为100nm，所述介质波导层厚度为250nm，所述第一、第三输入波导以及所述四个输出波导的宽度均为0.2μm，所述多模波导的宽度为3.23μm。
6.如权利要求5所述的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，其特征在于，所述第一输入波导及所述第一输出波导与其所述理论位置的偏移量均为60nm，所述第三输入波导及所述第二输出波导与其所述理论位置的偏移量均为30nm，所述第三输出波导与其所述理论位置的偏移量为-30nm，所述第四输出波导与其所述理论位置的偏移量为-60nm。
7.如权利要求1所述的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，其特征在于，所述一定的多模波导长度为17.5μm。
CN201810097779.1A 2018-01-31 2018-01-31 一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器 Active CN108345064B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810097779.1A CN108345064B (zh) 2018-01-31 2018-01-31 一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810097779.1A CN108345064B (zh) 2018-01-31 2018-01-31 一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108345064A true CN108345064A (zh) 2018-07-31
CN108345064B CN108345064B (zh) 2019-10-15

Family

ID=62961522

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810097779.1A Active CN108345064B (zh) 2018-01-31 2018-01-31 一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108345064B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109143467A (zh) * 2018-10-09 2019-01-04 南京邮电大学 一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器
CN110297289A (zh) * 2019-04-17 2019-10-01 中国科学院半导体研究所 一种磷化铟基光学混频器及其制备方法
JP2020154038A (ja) * 2019-03-18 2020-09-24 沖電気工業株式会社 光ハイブリッド回路

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070274733A1 (en) * 2001-09-26 2007-11-29 Isaac Shpantzer Coherent optical detector and coherent communication system and method
CN101464608A (zh) * 2007-12-20 2009-06-24 Ncr公司 光导器件
CN106908903A (zh) * 2017-03-08 2017-06-30 湖北捷讯光电有限公司 一种耦合器型90度光学混频器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070274733A1 (en) * 2001-09-26 2007-11-29 Isaac Shpantzer Coherent optical detector and coherent communication system and method
CN101464608A (zh) * 2007-12-20 2009-06-24 Ncr公司 光导器件
CN106908903A (zh) * 2017-03-08 2017-06-30 湖北捷讯光电有限公司 一种耦合器型90度光学混频器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WEI YANG, ET AL.: ""Ultra-compact optical 90° hybrid based on a wedge-shaped 2 × 4 MMI coupler and a 2 × 2 MMI coupler in silicon-on-insulator"", 《OPTICS EXPRESS》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109143467A (zh) * 2018-10-09 2019-01-04 南京邮电大学 一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器
JP2020154038A (ja) * 2019-03-18 2020-09-24 沖電気工業株式会社 光ハイブリッド回路
CN110297289A (zh) * 2019-04-17 2019-10-01 中国科学院半导体研究所 一种磷化铟基光学混频器及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108345064B (zh) 2019-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6198091B2 (ja) 導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子
CN108345064B (zh) 一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器
US7272279B2 (en) Waveguide type optical branching device
EP3009869A1 (en) Polarization conversion element
US8615148B2 (en) Optical coupler between planar multimode waveguides
US20110194803A1 (en) Optical modulator formed on bulk-silicon substrate
US11125942B2 (en) Optical waveguide element
CN105190383B (zh) 偏振分束器和光器件
Bahadori et al. High performance fully etched isotropic microring resonators in thin-film lithium niobate on insulator platform
CN105264414A (zh) 波导模式转换元件、正交模转换器和光学装置
US8442364B2 (en) Optical waveguide circuit and manufacturing method of optical waveguide circuit
WO2022222599A1 (zh) 模斑转换器和光子器件
CN102681094A (zh) 光混合器电路和光接收器
Sumimura et al. Low-return-loss plasmonic multiplexer with tapered structure
Firby et al. Versatile broadband polarization-independent optical circulators for nanophotonic integrated circuits
Guo et al. Ultracompact mode-order converting power splitter for mid-infrared wavelengths using an MMI coupler embedded with oblique subwavelength grating wires
CN104090375A (zh) 光隔离装置和光隔离方法
CN108923858A (zh) 一种硅基波导光学混频器装置
CN214256319U (zh) 一种基于硅基氮化硅波导的90度光混频器
Lin et al. Novel optical single-mode asymmetric Y-branches for variable power splitting
WO2018135429A1 (ja) 交差光導波路構造及び光導波路素子
CN108594364A (zh) 基于狭缝波导的超宽带宽3dB分合束器及方法
CN116880011A (zh) 一种基于高阶模转换的零色散低损耗延迟线
Li et al. Modeling of thin-film lithium niobate modulator for visible light
CN109143467A (zh) 一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器

Legal Events

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