CN109143467A - 一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器 - Google Patents

一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种由单个3×3多模干涉耦合器构成的基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器，3×3多模干涉耦合器设置有一多模波导区及多模波导区的三个输入波导和三个输出波导，3×3多模干涉耦合器与光传播方向垂直的波导横截面结构为混合等离子激元波导结构；混合等离子激元波导结构包括从上到下依次叠层设计的金属层、狭缝型介质夹层、介质波导层和衬底层，金属层、狭缝型介质夹层和介质波导层与衬底层之间间隙形成空气包层；输入波导的输入光和输出波导的输出光均为混合等离子激元基模模式，混合等离子激元波导结构用于在多模波导区激发混合等离子激元基模模式的输入光形成多个混合等离子激元光波导模式；本发明将混频器的尺寸从毫米量级减至微米量级。

Description

一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器
技术领域
本发明属于光学混频技术领域，尤其涉及一种基于混合等离子激元光波导的120°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。在相干光接收机的实现方案中，120°相位差分接收器是一个非常有希望的方案。最近，它不仅被证明在微波频段下是耐硬件误差的宽带接收器[Perez-Lara P,et al.Broadband Five-Port Direct Receiver Based on Low-Passand High-Pass Phase Shifters.IEEE Transactions on Microwave Theory&Techniques,2010,58(4):849-853.]，同样在光通信频段下也表现出其可行性[Xie C,etal.Colorless coherentreceiverusing 3x3coupler hybrids and single-endeddetection.Optics express,2012,20(2):1164-71.]。其中，120°光学混频器是这种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(multimodeinterferometer:MMI)。最近，国外研究者实现了一个基于2x3MMI的单质集成120°混频器[Reyes-Iglesias P J,et al.High-performance monolithically integrated 120°downconverter with relaxedhardware constraints.Optics Express,2012,20(5):5725-41.]。该方法利用简单的线性校正策略来完全纠正接收机的不平衡。与传统的90°混合接收机相比，120°混频器的主要优点是动态范围更大，操作带宽更宽，制造公差更宽松。然后，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。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器，该混频器具有更小的量级尺寸，有利于光子器件的高度集成，解决了现有技术中混频器尺寸过大，不利于光子器件更进一步集成的问题；具体技术方案如下：
一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器，所述混频器由单个3×3多模干涉耦合器构成，所述3×3多模干涉耦合器设置有一多模波导区以及所述多模波导区的三个输入波导和三个输出波导，且所述3×3多模干涉耦合器与光传播方向垂直的波导横截面结构为混合等离子激元波导结构；所述混合等离子激元波导结构包括从上到下依次叠层设计的金属层、狭缝型介质夹层、介质波导层和衬底层，所述金属层、狭缝型介质夹层和介质波导层三者的宽度大小相同且小于所述衬底层的宽度，在所述衬底层之上、以及所述金属层、狭缝型介质夹层和介质波导层之外的空隙为空气；其中：
所述输入波导的输入光和输出波导的输出光均为混合等离子激元基模模式，所述混合等离子激元波导结构用于在所述多模波导区激发所述混合等离子激元基模模式的输入光形成多个混合等离子激元光波导模式。
进一步的，三个所述输入波导包括第一输入波导、第二输入波导和第三输入波导，三个所述输出波导包括第一输出波导、第二输出波导和第三输出波导，其中，所述第二输入波导和第二输出波导设置于所述3×3多模干涉耦合器的中心位置，所述第一输入波导和第一输出波导偏离所述3×3多模干涉耦合器沿横向负方向的1/3宽度位置0nm～200nm设置，所述第三输入波导和第三输出波导偏离所述3×3多模干涉耦合器沿横向负方向的1/3宽度位置0nm～200nm设置，用于改善所述光学混频器输出光信号的相位差误差。
进一步的，所述多个混合等离子激元光波导模式在所述多模波导区的输出端口通过自映像效应形成混合等离子激元基模模式。
进一步的，所述输出波导输出的所述混合等离子激元基模模式能量大小与输入波导输入光的混合等离子激元基模模式的能量大小相等。
进一步的，三个所述输入波导的输入光的相位差为120°或者120°的整数倍。
进一步的，所述混频器的器件尺寸量级为十微米。
本发明的基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器，将单个具有一个多模波导区和多模波导区具备三个波导输入和三个波导输出的3×3多模干涉耦合器制备形成混频器，并在混频器与光传播方向垂直的波导横截面处的结构设置成由金属层、狭缝型介质夹层、介质波导层以及衬底层叠层设计的混合等离子激元波导结构，这样当光由输入波导输入时的混合等离子激光波导基模模式在多模波导区激发形成多个混合等离子激元光波导模式，并在多模波导区的输出端口经过自映像效应再次转换成与输入光相同的混合等离子激光波导基模模式，再通过输出波导输出，保证输出波导的输出能量基本相等；与现有技术相比，本发明可以很好地将光很好限制在波导结构的介质层中，可以很好地减少光在传输过程中因为金属带来的损耗，同时减少了相同光程下光传播的距离，将光混频器的器件尺寸从减至十微米量级，有利于光子器件的高度集成。
附图说明
图1为本发明实施例中所述3×3多模干涉耦合器的结构俯视图；
图2为本发明实施例中所述混合等离子激元光波导的横截面结构图示意；
图3为本发明实施例中所述3×3多模干涉耦合器输入波导和输出波导位置示意图；
图4为本发明实施例中输入波导、输出波导位置与理论位置在指定偏移量范围时各输出波导中输出光的传输图结果数据示意图；
图5为本发明实施例中两个混合等离子激元基模的输入光信号之间的相位差分别为0°、120°和240°时在3×3多模干涉耦合器中各输出端口的功率分布图示意。
标识说明：1-金属层、2-狭缝型介质夹层、3-介质波导层、4-空气包层、5-衬底层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述。
实施例一
在本发明实施例中，提供了一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器，参阅图1，混频器由单个3×3多模干涉耦合器构成，3×3多模干涉耦合器设置有一多模波导区以及多模波导区的三个输入波导和三个输出波导，且3×3多模干涉耦合器与光传播方向垂直的波导横截面结构为混合等离子激元波导结构；结合图2，本发明的混合等离子激元波导结构包括从上到下依次叠层设计的金属层1、狭缝型介质夹层2、介质波导层3和衬底层5，金属层1、狭缝型介质夹层2和介质波导3层三者的宽度大小相同且小于衬底层5的宽度，这样，在金属层1、狭缝型介质夹层2介质波导层3与衬底层5之间的空隙充满空气，由充满的空气形成空气包层4。
在具体实施例中，三个输入波导的输入光和输出波导的输出光均为混合等离子激元基模模式，混合等离子激元波导结构用于在多模波导区激发混合等离子激元基模模式的输入光形成多个混合等离子激元光波导模式；多个混合等离子激元光波导模式在多模波导区的输出端口通过自映像效应形成混合等离子激元基模模式，且输出波导输出的混合等离子激元基模模式能量大小与输入波导输入光的混合等离子激元基模模式的能量大小相等。
再次参阅图1，在本实施例中，在3×3多模干涉耦合器的三个输入波导中从上到下依次为第一输入波导、第二输入波导和第三输入波导，对应的，三个输出波导中从上到下依次为第一输出波导、第二输出波导和第三输出波导，一般的，在传统的3×3多模干涉耦合器中，第二输入波导和第二输出波导设置于3×3多模干涉耦合器的中心位置，第一输入波导和第一输出波导设置于3×3多模干涉耦合器中心位置正上方沿横向负方向的1/3宽度位置，第三输入波导和第三输出波导设置于3×3多模干涉耦合器中心位置正下方沿横向负方向的1/3宽度位置，即传统3×3多模干涉耦合器中第一输入波导、第一输出波导和第三输入波导以及第三输出波导均设置在理论位置上；而本发明为了减少在实际应用中，使用光混频器时光信号的传输相位差减小，将第一输入波导和第一输出波导偏离传统3×3多模干涉耦合器中心位置正上方沿横向负方向的1/3宽度位置0nm～200nm设置，第三输入波导和第三输出波导偏离传统3×3多模干涉耦合器中心位置正下方沿横向负方向的1/3宽度位置0nm～200nm设置，以达到减少了光混频器在光传输过程中相位误差的效果，以减少光在传输过程中的能量损耗，提升光混频器的使用效率。
优选的，三个输入波导的输入光之间的相位差为120°或者120°的整数倍，例如0°、120°或者240°等，具体可根据实际情况进行选择。
本发明的基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器的工作原理为：假设输入波导中有两路输入光，两路输入光的电场分别为ES和ELO，分别对应应的光功率为PS和PLO，则可定义电场ES和ELO为：再假设ω＝ωS＝ωLO，则输出波导的输出电场强度和光功率分别为：
，其中n＝1,2,3，τ代表从输入到输出的时间延迟，代表输入端m到输出端n的相移，amn表示输入端m与输出端n的耦合系数；本发明的120°光学混频器，每个输出波导输出之间的相位关系满足：
其中在3×3多模干涉耦合器中，固有的相位差
实施例二
请再次参阅图1，本实施例将结合具体数据来说明本发明提出的基于混合等离子激元波导结构的120°光学混频器，设金属层1为Au，在1550纳米处的折射率为nAu＝0.559，kAu＝9.81，其厚度为100nm；中间介质夹层2为SiO2，在1550纳米处的折射率为nSiO2＝1.444，其厚度为100nm；介质波导层3为Si，在1550纳米处的折射率为nSi＝3.476，其厚度为250nm；并假设本发明的基于混合等离子激元波导结构的120°光学混频器各输入波导以及输出波导的宽度均为0.2m，多模波导区的宽度WMMI＝2.5μm。
结合图2，在具体实施例中，当模式混合等离子激元基模模式的光由输入波导1或输入波导2进入该混频器的多模波导区后，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区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1、输出波导2、输出波导3输出各自的自成像；由输入波导1或输入波导2输入的输入光在每个输出波导的自成像之间具备一定的相位差，而这三个相位差之间具备固有的120°相位关系，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区的波导长度为14.14um。
在本实施案例中，当输入波导1、输入波导2和输出波导1、输出波导2、输出波导3的位置在理论位置处时，即第二个输入波导、输出波导在多模波导区沿x方向的中心位置，第一个输入波导、输出波导在多模波导区沿负x方向的WMMI/3处，而第三个输出波导在多模波导区沿正x方向的WMMI/3处，具体可参阅图3，此时，得到的输出信号的传输不均匀度为1.89dB，但混频后输出信号的相位误差约为12.7°；根据理论判定规则可知，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。
相比于传统的混频器结构，本发明的混频器改变了多模波导区输入及输出波导的相对位置，使混频器输出光信号的相位误差得到改善，再次参阅图3可知，输入波导1及输出波导1的位置与理论位置的偏移量为Δ1，沿负x方向为正值；对称地，输入波导3及输出波导3的位置与理论位置的偏移量为Δ1，沿正x方向为正值；再结合图4，当Δ1＝0.1um时，混频后输出信号的相位误差改善到为4.5°，输出信号的传输不均匀度仅为0.78dB，从而可以很好地实现混频。
基于上述实施案例的混频器结构参数，并参阅图5，从中可知，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0，120°和240°时在3×3多模干涉耦合器中及各输出端口的光功率分布；同样可以看到，随着两个输入光信号之间相位差的不同，混频后的信号可以在不同的输出端口输出，即有选择地在两个输出端口输出，而在另一个输出端口的输出为0。
本发明的基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器，将单个具有一个多模波导区和多模波导区具备三个波导输入和三个波导输出的3×3多模干涉耦合器制备形成混频器，并在混频器与光传播方向垂直的波导横截面处的结构设置成由金属层、狭缝型介质夹层、介质波导层以及衬底层叠层设计的混合等离子激元波导结构，这样当光由输入波导输入时的混合等离子激光波导基模模式在多模波导区激发形成多个混合等离子激元光波导模式，并在多模波导区的输出端口经过自映像效应再次转换成与输入光相同的混合等离子激光波导基模模式，再通过输出波导输出，保证输出波导的输出能量基本相等；与现有技术相比，本发明可以很好地将光很好限制在波导结构的介质层中，可以很好地减少光在传输过程中因为金属带来的损耗，同时减少了相同光程下光传播的距离，将光混频器的器件尺寸从减至十微米量级，有利于光子器件的高度集成。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器，其特征在于，所述混频器由单个3×3多模干涉耦合器构成，所述3×3多模干涉耦合器设置有一多模波导区以及所述多模波导区的三个输入波导和三个输出波导，且所述3×3多模干涉耦合器与光传播方向垂直的波导横截面结构为混合等离子激元波导结构；所述混合等离子激元波导结构包括从上到下依次叠层设计的金属层、狭缝型介质夹层、介质波导层和衬底层，所述金属层、狭缝型介质夹层和介质波导层三者的宽度大小相同且小于所述衬底层的宽度，在所述衬底层之上、以及所述金属层、狭缝型介质夹层和介质波导层之外的空隙为空气；其中：
所述输入波导的输入光和输出波导的输出光均为混合等离子激元基模模式，所述混合等离子激元波导结构用于在所述多模波导区激发所述混合等离子激元基模模式的输入光形成多个混合等离子激元光波导模式。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器，其特征在于，三个所述输入波导包括第一输入波导、第二输入波导和第三输入波导，三个所述输出波导包括第一输出波导、第二输出波导和第三输出波导，其中，所述第二输入波导和第二输出波导设置于所述3×3多模干涉耦合器的中心位置，所述第一输入波导和第一输出波导偏离所述3×3多模干涉耦合器沿横向负方向的1/3宽度位置0nm～200nm设置，所述第三输入波导和第三输出波导偏离所述3×3多模干涉耦合器沿横向负方向的1/3宽度位置0nm～200nm设置，用于改善所述光学混频器输出光信号的相位差误差。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器，其特征在于，所述多个混合等离子激元光波导模式在所述多模波导区的输出端口通过自映像效应形成混合等离子激元基模模式。
4.根据权利要求3所述的一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器，其特征在于，所述输出波导输出的所述混合等离子激元基模模式能量大小与输入波导输入光的混合等离子激元基模模式的能量大小相等。
5.如权利要求4所述的一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器，其特征在于，三个所述输入波导的输入光的相位差为120°或者120°的整数倍。
6.根据权利要求1～5任一项所述的一种基于混合等离子激元光波导的120°光学混频器，其特征在于，所述混频器的器件尺寸量级为十微米。
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