CN111158087A - 一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器 - Google Patents

一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器，其应用于光通信、光信息处理及光传感领域实现虑波，延迟，传感等功能，其包括主干波导、多模波导以及环形波导，主干波导与多模波导构成非对称定向耦合器，利用它可实现多个环形波导谐振腔同时耦合到主干波导，从而可利用游标效应增大FSR，实现高性能的环形谐振器，其结构上具有易拓展性，通过设计不同的非对称耦合器，所利用的环形谐振腔的数量可从两个扩展3个，甚至更多个，而器件的尺寸并不会显著增大。本环形谐振器结构紧凑，能以较小的尺寸实现较高的性能，进一步推动环形谐振器在光通信、光信息处理以及光传感等领域的应用，为上述领域提供重要的技术支持，具有较大的应用价值。

Description

一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器
技术领域
本发明涉及光波导器件、光通信、光信息处理与光传感技术领域，具体而言，涉及一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器。
背景技术
自激光技术及低损耗光纤技术诞生以来，以激光为信息载体的光通信技术、光信息处理技术以及光传感技术获得了飞速的发展，取得了令人瞩目的成就，推动了人类社会迅速迈向信息时代。时至今日，信息的获取、传递与处理已在国防、通信、交通、教育、医疗、环保等攸关国家安全与国民生计的各个领域都起着至关重要的作用，决定着这些领域的发展，成为了大国竞争的角力场和制高点。
信息技术的发展离不开各种器件的支撑，这其中，环形谐振器作为一种多功能光波导器件，不仅能实现滤波、延迟、缓存、路由、波长复用/解复用、开关、调制、传感等功能，而且具有结构紧凑、设计灵活、易于大规模单片集成等优点，因此，基于光波导环形谐振器开发各种应用于光通信、光信息处理及光传感领域的功能器件一直是光波导器件领域的研究热点。在上述众多研究中，级联环形谐振器由于可借助游标效应增大消光比与自由光谱区(FSR)，从而极大地改善单个环形谐振器的性能，成为了一个重要的研究方向。当前，级联环形谐振器已广泛应用于光通信与光信息处理领域，以改善滤波器的频响特性与带宽特性，增大环形延迟线的延迟量；以及应用于光传感领域从而在提高灵敏度的同时，增大传感范围。
尽管级联结构具备上述优点，但也带来了器件尺寸显著增大的问题，尤其是在级联多个环形谐振器的情形下，这与当前集成光学器件进一步向着微型化与集成化发展，以便在一个基底上实现功能强大的光子学“片上系统”的目标相违背。此外，研究探索新型的环形谐振器结构，以充分挖掘利用谐振腔的特性从而开发新型的谐振型光波导器件也一直是业界努力的方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器，针对传统的级联环形谐振器的串联型结构导致体积较大因而不利于进一步集成的问题，其所提出的谐振器结构中的两个或多个波导环通过一个非对称定向耦合器同时耦合到主干波导，从而使其在利用游标效应增大自由光谱范围(FSR)的同时保持了结构的紧凑性。
本发明的实施例是这样实现的：
一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器，其包括主干波导、多模波导和环形波导，主干波导为单模波导，主干波导分为三段：输入波导、耦合区波导和输出波导，多模波导间隔于耦合区波导的一侧，且多模波导与耦合区波导形成非对称定向耦合器，环形波导连接至多模波导，环形波导设置有至少两个。
在本发明较佳的实施例中，上述环形波导是呈环形的单模波导，环形波导的两端分别与多模波导的两端相连且形成闭合的环形波导谐振腔，不同长度环形波导的谐振腔共用多模波导。
在本发明较佳的实施例中，上述主干波导传输的基模由输入波导传输到耦合区波导时，基模经非对称定向耦合器的单模波导耦合成双模波导中的高阶模，双模波导的高阶模传输至不同的环形波导中并激发起环形波导所支持的基模。
在本发明较佳的实施例中，上述环形波导的基模分别沿不同环形波导返回至双模波导，并与耦合区波导耦合进双模波导的光发生干涉，部分光再次进入不同环形波导中，另一部分回到耦合区波导中并传输至输出波导。
在本发明较佳的实施例中，上述多模波导支持两个及以上的光传输模式。
在本发明较佳的实施例中，上述不同环形波导的宽度不限于相等。
在本发明较佳的实施例中，上述光波导环形谐振器由包括但不限于聚合物、硅或氮化硅的光波导材料制成。
在本发明较佳的实施例中，上述光波导环形谐振器可包括波导包层，主干波导、多模波导和环形波导外的不同区域采用一种材料的波导包层填充或不同材料的波导包层填充。
本发明的工作原理为：自主干波导输入的基模光波到达非对称定向耦合器后可以耦合到多模波导成为多模波导中的高阶模，该高阶模传输到达各环形单模波导时可均等地激发起各环形波导中的基模，这些基模经各个环形波导传输再次回到多模波导时，满足环形腔谐振条件的光波将在各环形谐振腔中谐振而留在环形谐振腔中，从而在主干波导的输出端将出现一个或多个阻带，利用这些阻带可实现光通信、光信息处理及光传感领域的滤波，延迟，传感(不限于此)等功能。
本发明的有益效果是：本发明利用一根主干波导、一根多模波导和至少两个环形波导构成一个基于非对称定向耦合器的新型光波导谐振器，该谐振器包括多个环形谐振腔，从而可利用游标效应增大自由光谱范围(FSR)，相较于级联多个环形谐振腔的情形，本发明提出的谐振器的多个环形谐振腔通过一个非对称定向耦合器同时耦合到主干波导，因而结构紧凑，并能以较小的尺寸实现较高的性能，这十分有利于与其它光波导结构进一步集成从而实现功能更强大的器件。
本发明还具备以下优点：
1、利用非对称定向耦合器实现多个环形波导谐振腔同时耦合到主干波导，从而可利用游标效应增大自由光谱范围(FSR)，实现高性能的环形谐振器。
2、所提出的环形谐振器中多个周长不同的环形波导可嵌套布置于同一区域，因而结构紧凑，并能实现多个环形腔同时谐振，从而实现较高的性能。
所提出的环形谐振器在结构上具有易拓展性，通过设计不同的非对称耦合器，所利用的环形谐振腔的数量可从两个扩展3个，甚至更多个，因此可根据应用场景选择最佳环形谐振腔的数量，以此同时，器件的尺寸并不会显著增大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。
图1为本发明中一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器在采用双环谐振腔时的基本结构俯视图。
图2为本发明中非对称定向耦合器俯视图。
图3为本发明中非对称定向耦合器的截面图。
图4为本发明中非对称定向耦合器的截面及其主干单模波导所支持的E11模式与双模波导所支持的E21模式场分布。
图5为本发明中一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器的仿真传输谱。
图6为本发明中一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器在采用三环谐振腔时的基本结构俯视图。
图7为本发明中非对称定向耦合器的截面图。
图8为本发明中非对称定向耦合器的截面及其主干单模波导所支持的E11模式与三模波导所支持的E31模式场分布。
图标：1-波导包层；2-主干波导；3-多模波导；4-环形波导。
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、完整地描述，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
第一实施例
请参照图1和图2，本实施例提供一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器，其包括波导包层1、主干波导2、多模波导3和环形波导4，其中多模波导3为双模波导，环形波导4为两个，环形波导4和主干波导2为单模波导，且主干波导2分为三个部分，即三段，并依次记为第一部分、第二部分、第三部分，第一部分为输入波导，第二部分为耦合区波导，第三部分为输出波导，光分别经输入波导、耦合区波导和输出波导，经过耦合区波导时，由于耦合区波导与双模波导构成一个非对称定向耦合器，通过该非对称定向耦合器，主干波导2传输的基模由输入波导传输到耦合区波导时，基模经非对称定向耦合器的单模波导耦合成双模波导中的高阶模，双模波导的高阶模传输至不同的环形波导4中并激发起环形波导4所支持的基模，环形波导4的基模分别沿不同环形波导4返回至双模波导，并与耦合区波导耦合进双模波导的光发生干涉，部分光再次进入不同环形波导4中，另一部分回到耦合区波导中并传输至输出波导。
本实施例的环形波导4设置为两个，两个环形波导4分别呈环形且周长不同，环形波导4的两端分别与多模波导3的两端相连且形成闭合的环形波导4谐振腔，两个不同长度环形波导4的谐振腔共用多模波导3，本实施例的多模波导3为双模波导，双模波导和主干波导2分别位于基底的上方，双模波导间隔于耦合区波导的一侧，这样双模波导与耦合区波导形成非对称定向耦合器，波导包层1填充在主干波导2、双模波导和环形波导4外，主干波导2、双模波导和环形波导4外的不同区域采用一种材料的波导包层1填充；两个环形波导4为呈环形的单模波导，本实施例的两个不同环形波导4的宽度相等，主干波导2的三段都是单模波导，双模波导支持两个光传输模式，主干波导2、双模波导和环形波导4由包括但不限于聚合物、硅或氮化硅的光波导材料制成，本实施例采用氮化硅。
请参照图3和图4，本实施例中，在主干波导2中传输的基模，标记为E11，基模E11到达耦合区波导后，经非对称定向耦合器的单模波导耦合成为双模波导中的高阶模，标记为E21，该高阶模E21分别传输到达两个环形波导4后将激发起各环形波导4所支持的基模，其沿该两个环形波导4传输的光返回到双模波导后与耦合区波导的单模波导耦合进双模波导的光发生干涉，满足谐振条件的光波再次进入两个环形的环形波导4中，而不满足谐振条件的光耦合回到耦合区波导中，最后光从主干波导2的输出波导输出。
本发明以1530nm至1590nm附近的一小段波长范围的光为例，根据所设计的器件结构及选取的波导芯折射率(1.5370)与包层折射率(1.4790)，计算选择合适的参数，包括波导的高度(1.7μm)，两个环形波导4的周长(分别为300μm与350μm)，单模环形波导4的宽度(1.8μm)，单模主干波导2的宽度(1.8μm)，双模波导的宽度(4.9μm)，非对称耦合器的波导间距，即耦合区波导与三模波导之间的距离(为1.5μm)以及耦合长度(230μm)，最后通过软件仿真得到的传输谱，请参照图5。
第二实施例
第二实施例与第一实施例部分相同，不同之处主要在于环形波导4的数量。
请参照图6，本实施例提供一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器，其包括波导包层1、主干波导2、多模波导3和环形波导4，其中多模波导3为三模波导，环形波导4为三个，环形波导4和主干波导2为单模波导，且主干波导2分为三个部分，即三段，并依次记为第一部分、第二部分、第三部分，第一部分为输入波导，第二部分为耦合区波导，第三部分为输出波导，光分别经输入波导、耦合区波导和输出波导，经过耦合区波导时，由于耦合区波导与三模波导构成一个非对称定向耦合器，通过该非对称定向耦合器，主干波导2传输的基模由输入波导传输到耦合区波导时，基模经非对称定向耦合器的单模波导耦合成三模波导中的高阶模，三模波导的高阶模传输至不同的环形波导4中并激发起环形波导4所支持的基模，环形波导4的基模分别沿不同环形波导4返回至三模波导，并与耦合区波导耦合进三模波导的光发生干涉，部分光再次进入不同环形波导4中，另一部分回到耦合区波导中并传输至输出波导。
本实施例的环形波导4设置为三个，三个环形波导4分别呈环形且周长不同，环形波导4的两端分别与多模波导3的两端相连且形成闭合的环形波导4谐振腔，三个不同长度环形波导4的谐振腔共用多模波导3，本实施例的多模波导3为三模波导，三模波导和主干波导2分别位于基底的上方，三模波导间隔于耦合区波导的一侧，这样三模波导与耦合区波导形成非对称定向耦合器，波导包层1填充在主干波导2、三模波导和环形波导4外，主干波导2、三模波导和环形波导4外的不同区域采用一种材料的波导包层1填充；三个环形波导4为呈环形的单模波导，本实施例的三个不同环形波导4的宽度相等，主干波导2的三段都是单模波导，三模波导支持三个光传输模式，主干波导2、三模波导和环形波导4由包括但不限于聚合物、硅或氮化硅的光波导材料制成，本实施例采用硅。
请参照图7和图8，本实施例中，在主干波导2中传输的基模，标记为E11，基模E11到达耦合区波导后，经非对称定向耦合器的单模波导耦合成为三模波导中的高阶模，标记为E31，该高阶模E31分别传输到达三个环形波导4后将激发起各环形波导4所支持的基模，其沿该三个环形波导4传输的光返回到三模波导后与耦合区波导的单模波导耦合进三模波导的光发生干涉，满足谐振条件的光波再次进入三个环形的环形波导4中，而不满足谐振条件的光耦合回到耦合区波导中，最后光从主干波导2的输出波导输出。
本实施例中，在主干波导2中传输的基模，标记为E11，基模E11到达耦合区波导后，经非对称定向耦合器的单模波导耦合成为三模波导中的高阶模，标记为E31，该高阶模E31分别传输到达三个环形波导4后将激发起各环形波导4所支持的基模，其沿该三个环形波导4传输的光返回到三模波导后与耦合区波导的单模波导耦合进三模波导的光发生干涉，满足谐振条件的光波再次进入三个环形的环形波导4中，而不满足谐振条件的光耦合回到耦合区波导中，最后光从主干波导2的输出波导输出。
综上所述，本发明实例通过结构上简单而紧凑的光波导环形谐振腔的结构，通过利用非对称定向耦合器实现多个环形波导谐振腔同时耦合到主干波导，从而可利用游标效应增大自由光谱范围(FSR)，实现高性能的环形谐振器，本发明提出的环形谐振器在结构上具有易拓展性，通过设计不同的非对称耦合器，所利用的环形谐振腔的数量可从两个扩展3个，甚至更多个，因此可根据应用场景选择最佳环形谐振腔的数量，以此同时，器件的尺寸并不会显著增大，因此本发明在光通信、光信息处理及光传感领域具有很好的实际应用价值。
本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器，其特征在于，包括主干波导、多模波导和环形波导，所述主干波导为单模波导，所述主干波导分为三段：输入波导、耦合区波导和输出波导，所述多模波导间隔于耦合区波导的一侧，且多模波导与耦合区波导形成非对称定向耦合器，所述环形波导连接至多模波导，所述环形波导设置有至少两个。
2.根据权利要求1所述的一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器，其特征在于，所述环形波导是呈环形的单模波导，所述环形波导的两端分别与多模波导的两端相连且形成闭合的环形波导谐振腔，不同长度环形波导的谐振腔共用多模波导。
3.根据权利要求2所述的一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器，其特征在于，所述主干波导传输的基模由输入波导传输到耦合区波导时，基模经非对称定向耦合器的单模波导耦合成双模波导中的高阶模，所述双模波导的高阶模传输至不同的环形波导中并激发起环形波导所支持的基模。
4.根据权利要求3所述的一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器，其特征在于，所述环形波导的基模分别沿不同环形波导返回至双模波导，并与耦合区波导耦合进双模波导的光发生干涉，部分光再次进入不同环形波导中，另一部分回到耦合区波导中并传输至输出波导。
5.根据权利要求2所述的一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器，其特征在于，所述多模波导支持两个及以上的光传输模式。
6.根据权利要求2所述的一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器，其特征在于，不同所述环形波导的宽度不限于相等。
7.根据权利要求6所述的一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器，其特征在于，所述光波导环形谐振器由包括但不限于聚合物、硅或氮化硅的光波导材料制成。
8.根据权利要求1所述的一种基于非对称定向耦合器的光波导环形谐振器，其特征在于，所述光波导环形谐振器可包括波导包层，所述主干波导、多模波导和环形波导外的不同区域采用一种材料的波导包层填充或不同材料的波导包层填充。
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