CN111830636B - 基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器 - Google Patents

基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器，包括耦合波导和位于该耦合波导旁侧的光回路；所述光回路包括两个反向耦合器、上波导和下波导，两个反向耦合器通过上波导和下波导相向连接构成光回路。在本发明中，两个相向的耦合器起到两个反射镜的作用，从耦合波导耦合到回路的光会在两个反向耦合器之间被来回反射，当传播一圈积累的相位变化为2π的整数倍时谐振，形成谐振腔。此结构避免了微环结构中存在的弯曲损耗问题，从而可以有效的减小器件尺寸。

Description

基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器
技术领域
本发明属于光学谐振器技术领域，具体涉及一种基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器。
背景技术
近些年，微环谐振腔在光波导器件中发挥了越来越重要的作用，被认为是未来大规模集成光学回路的基本元件。典型的微环谐振腔如图1所示，光从直波导通过倏逝波耦合进微环腔中，当光在环中走的相移为2π的整数倍时，光会在微环谐振腔中发生谐振效应。利用这种谐振效应，微环谐振腔可以被用在调制器，滤波器，多波长光源发生器等领域。微环谐振腔除了环形之外，还可以是盘形，跑道型，球形等。
最近，研究者最近利用碳化硅，铌酸锂等材料设计了脊形波导的微环结构，来实现光学频率梳的产生等应用。此类应用要求微环的弯曲损耗不能太大，但由于碳化硅，铌酸锂等材料极难刻蚀，为了得到较小的弯曲损耗，微环的曲率半径不能过小，器件无法保证小型化，限制了其在集成光学领域的应用价值。
发明内容
为避免上述微环谐振腔不能有过大弯曲曲率半径的问题，提供一种基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器，其利用布拉格光栅反向耦合器和两段连接波导组成的光学回路代替微环结构，形成光学谐振器。其中布拉格光栅又被称为布拉格反射镜，亚波长光栅等。此结构避免了微环结构中存在的弯曲损耗问题，从而可以有效的减小器件尺寸。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器，包括耦合波导和位于该耦合波导旁侧的光回路；
所述光回路包括两个反向耦合器、上波导和下波导，两个反向耦合器通过上波导和下波导相向连接构成光回路。
在上述技术方案中，光回路中两个反向耦合器，对称布置在光回路两端；中间的上波导和下波导为弯曲波导或为折线波导，所述折线波导由中间直波导段和两端的斜波导段组成。
在上述技术方案中，反向耦合器结构为布拉格光栅结构，所述布拉格光栅结构包括上、下两个波导段，两个波导段既可平行也可以不平行，在上下波导段两侧或波导段上具有周期性或近似周期性结构对上下波导段的折射率进行周期性或近似周期性扰动。
在上述技术方案中，反向耦合器包括波导段a和波导段b，及在波导段a和波导段b的相对侧设置有周期性或近似周期性的齿状结构。
在上述技术方案中，反向耦合器包括波导段c和波导段d，及在波导段c的上下两侧和波导段d的上下两侧设置的周期性或近似周期性的齿状结构。
在上述技术方案中，反向耦合器包括波导段f和波导段g，及在波导段f和波导段g之间的平分线上周期性或近似周期性排布的长方体结构。
在上述技术方案中，反向耦合器包括波导段r和波导段t，及在波导段r和波导段t之间的平分线上周期性或近似周期性排布的圆柱体结构。
在上述技术方案中，反向耦合器包括波导段k和波导段x，在波导段k和波导段x的表面直接周期性或近似周期性地刻蚀凹槽。
在上述技术方案中，反向耦合器包括波导段，在该波导段中间周期性或近似周期性刻蚀孔，包括但不限于方孔、圆孔、椭圆孔，所述孔沿该波导段的中心线周期性或近似周期性地排布。
在上述技术方案中，反向耦合器结构为光子晶体结构，包括线缺失j和线缺失y作为光传输的波导，线缺失j和线缺失y之间有周期性或近似周期性的孔，其中线缺失j和线缺失y作为光传输波导，线缺失j和线缺失y之间周期性或近似周期性排布孔状结构。
在上述技术方案中，耦合波导的数量为一个或两个，若为两个，所述回路位于两个耦合波导之间。
在上述技术方案中，所述光回路的数量一个或为多个，若为光多个回路，则光回路级联放置，光通过倏逝波效应在相邻光回路之间耦合。
在上述技术方案中，组成该谐振器波导的横截面适用于所有集成光波导结构，至少包括：条型波导，脊型波导，槽型波导，多层波导；组成该谐振器波导的材料适用于所有集成光学材料，至少包括：LiNbO3，HfO2，SiO2，TiO2，Si3N4，SiC,，Ge，Si,AlN。
在上述技术方案中，波导的横截面为硅材料的脊波导结构，波导左右两边分别掺杂不同浓度和元素的粒子，形成PN结，在波导上下或左右加有金属电极。
所述的基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器的工作方法如下：
光从耦合波导的一端被打入，当传播到接近光回路的上波导区域后，耦合波导中的部分能量被耦合进光回路中的上波导，沿上波导继续传播，当光传播进入其中一个反向耦合器时，光从上波导被反向耦合至下波导，之后沿下波导继续传播，传播至另一反向耦合器后，光再一次被反向耦合至上波导，当沿上波导再一次传播至接近耦合波导处，部分能量耦合出至耦合波导中，并沿耦合波导继续传播，剩余能量在上述光回路中按上述过程继续传播，每次当回路中的光传播至上波导与耦合波导接近处，都有部分能量耦合出至耦合波导，同时，来自耦合波导的光也会不断耦合进回路中；当光在回路中传播一圈积累的相位变化为2π的整数倍时，光会在其中产生谐振效应。
本发明的优点和有益效果为：
本发明的基于布拉格光栅的反向耦合器可改变波导中原光场的传播方向：在相邻两波导中间引入光栅结构，当两波导中模式的传播常数满足布拉格条件时，其中某个波导内的导模的光能量会逐渐耦合到另一条波导的反向导模中，故被称为反向耦合器。
在本发明中，两个相向的耦合器起到两个反射镜的作用，从耦合波导耦合到回路的光会在两个反向耦合器之间被来回反射，当传播一圈积累的相位变化为2π的整数倍时谐振，形成谐振腔。此结构避免了微环结构中存在的弯曲损耗问题，从而可以有效的减小器件尺寸。
附图说明
图1是典型的微环谐振腔结构图。
图2.1是本发明实施例一的基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器结构图。
图2.2是本发明实施例二的基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器结构图。
图3.1是本发明实施例三中的反向耦合器的一种结构。
图3.2是本发明实施例三中的反向耦合器的一种结构。
图4.1是本发明实施例四中的反向耦合器的一种结构。
图4.2是本发明实施例四中的反向耦合器的一种结构。
图5.1是本发明实施例五中的反向耦合器的一种结构。
图5.2是本发明实施例五中的反向耦合器的一种结构。
图6.1是本发明实施例六中的反向耦合器的一种结构。
图6.2是本发明实施例六中的反向耦合器的一种结构。
图7.1是本发明实施例七中的反向耦合器的一种结构。
图7.2是本发明实施例七中的反向耦合器的一种结构。
图8.1是本发明实施例八中的反向耦合器的一种结构。
图8.2是本发明实施例八中的反向耦合器的一种结构。
图9.1是本发明实施例九中的反向耦合器的一种结构。
图9.2是本发明实施例九中的反向耦合器的一种结构。
图10是本发明实施例十中的反向耦合器的一种结构。
图11.1是本发明实施例十一的上下载型的基于布拉格光栅反向耦合器光学谐振器的结构图。
图11.2是本发明实施例十一的上下载型的基于布拉格光栅反向耦合器光学谐振器的结构图。
图12.1是本发明实施例十二的多个级联微环谐振腔的基于布拉格光栅反向耦合器光学谐振器的结构图。
图12.2是本发明实施例十二的多个级联微环谐振腔的基于布拉格光栅反向耦合器光学谐振器的结构图。
图13是本发明实施例十三中的组成布拉格光栅反向耦合器光学谐振器的波导的横截面结构图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
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，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
如图2.1所示，一种基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器，包括一个耦合波导1和位于该耦合波导一侧的光学回路。
所述回路包括两个反向耦合器2和3、上波导4和下波导5，两个反向耦合器通过上波导4和下波导5相向连接构成回路。具体的说，两个反向耦合器2和3结构相同，对称布置在光回路两端，中间是上波导4和下波导5；上波导4采用折线结构，其包括中间直波导段4.2和中间直波导段4.2两端的斜波导段4.1和4.3，中间直波导段4.2一端的斜波导段4.1与反向耦合器2连接，中间直波导段4.2另一端的斜波导段4.3与另一反向耦合器3连接；下波导5采用折线结构，其包括中间直波导段5.2和中间直波导段5.2两端的斜波导段5.1和5.3，中间直波导段5.2一端的斜波导段5.1与反向耦合器2连接，中间直波导段5.2另一端的斜波导段5.3与另一反向耦合器3连接。上波导4的中间直波导段4.2和下波导5的中间直波导段5.2相平行，二者之间的间距为微米量级，一般在5至10微米左右。所述斜波导段4.1、斜波导段4.3、斜波导段5.1和斜波导段5.3的作用是使上下波导保持足够大的间距，以防止上波导4与下波导5之间光场发生耦合。
工作时，光从耦合波导1的左端进入，当传播到接近光回路的上波导4的区域时，波导1中的部分光能量被耦合进上波导4，然后沿如图2箭头所示顺时针传播，当光进入反向耦合器3时，光从上波导被反向耦合至下波导5，之后沿箭头所示方向在下波导5继续按顺时针传播，传播至另一反向耦合器2后，光再一次被反向耦合至上波导4，当再一次传播至波导4的接近耦合波导1的区域处，部分能量耦合出至波导1上，并沿波导1继续传播，剩余能量在两个反向耦合器组成的回路中按上述过程继续顺时针传播，每次当回路中的光传播至波导4的接近耦合波导1的区域处，都有部分能量耦合至波导1，同时，来自耦合波导1的光也会不断耦合进回路中。当光在回路中传播一圈积累的相位变化为2π的整数倍时，光会在其中产生谐振效应，能量会在其中不断积累。通过以上所述的回路就可以替代传统微环谐振腔，实现谐振效应。
实施例二
参见附图2.2，本实施例与实施例一的不同之处是：上波导4采用弯曲结构，其向下弯曲；下波导5采用弯曲结构，其向上弯曲；上、下波导通过弯曲使上下波导之间保持足够大的间距，以防止上波导4与下波导5之间的光场发生耦合。
本发明中的反向耦合器是本设计的关键，两个反向耦合器排列方向相反，对称分布在光回路的两端。通过空间上设计布拉格光栅的周期性或近似周期性结构，实现对波导折射率的周期性扰动，进一步实现光从反向耦合器中的其中一个波导的导模耦合到另一个波导的反向导模中。布拉格光栅包含但不限于：均匀光栅，切趾光栅，啁啾光栅，相移光栅，取样光栅。下面实施例三至十是本发明给出的一些反向耦合器结构。
实施例三
参见附图3.1和3.2，反向耦合器包括波导段a和波导段b，波导段a和波导段b上下相互平行排布(图3.1)或者波导段a和波导段b非平行排布(图3.2)，在波导段a和波导段b的相对侧设置有周期性或近似周期性齿状结构，形成光栅。光栅周期的长度与传播的波长及波导材料相关，一般为几百纳米，其中单个齿状结构深度和宽度由具体情况进行设计。
实施例四
参见附图4.1和4.2，反向耦合器包括波导段c和波导段d，波导段c和波导段d上下相互平行排布(图4.1)或者波导段c和波导段d非平行排布(图4.2)，在波导段c的上下两侧和波导段d的上下两侧都有齿状周期性或近似周期性结构，形成光栅。光栅周期一般为几百纳米，相对于实施例二和实施例三中的波导具有单侧齿状周期性的结构，本实施例的双侧结构可以更有效调制波导的有效折射率，缩短耦合器总长度。
实施例五
参见附图5.1和5.2，反向耦合器包括波导段，在波导段中间周期性刻蚀方孔e，方孔沿波导中心线排布，方孔的长宽深与传播的波长及波导材料相关，一般为百纳米量级，方孔周期性或近似周期性排列，形成光栅(光栅周期一般为百纳米量级)。
实施例六
参见附图6.1和6.2，反向耦合器包括波导段f和波导段g，波导段f和波导段g上下相互平行排布(图6.1)或者波导段f和波导段g非平行排布(图6.2)，在波导段f和波导段g之间的平分线上周期性或近似周期性排布的长方体结构h(长方体h长宽深一般为百纳米量级)，形成光栅结构(光栅周期一般为几百纳米)。
实施例七
参见附图7.1和7.2，反向耦合器包括波导段，在波导段中间周期性或近似性刻蚀圆孔或椭圆孔m，圆孔或椭圆孔m沿波导中心线排布，形成光栅结构。孔尺寸一般为百纳米量级，光栅周期一般为几百纳米。
实施例八
参见附图8.1和8.2，反向耦合器包括波导段r和波导段t，波导段r和波导段t上下相互平行排布(图8.1)或者波导段r和波导段t非平行排布(图8.2)；在波导段r和波导段t之间的平分线上周期性或近似周期性排布的圆柱体结构n(圆柱体n横截面尺寸与深一般均为百纳米量级量级)，形成光栅(周期一般为几百纳米)。
实施例九
参见附图9.1和9.2，反向耦合器包括波导段k和波导段x，波导段k和波导段x上下相互平行排布(图9.1)或者波导段k和波导段x非平行排布(图9.2)；波导段k和波导段x的表面直接周期性地刻蚀凹槽z，凹槽z对波导的折射率形成周期性扰动，构成光栅结构(光栅周期一般为百纳米量级)。凹槽的深度和宽度由具体情况进行设计，此种结构带来较强的折射率扰动，能够有效缩短耦合器长度。
实施例十
如图10所示，反向耦合器结构为：光子晶体波导结构，包括两条线缺失j和线缺失y作为光传输的波导，在线缺失j和线缺失y之间有周期性的空气孔o(孔的半径一般为百纳米量级，周期由具体情况进行设计，孔对波导的折射率形成周期性或近似周期性扰动，形成光栅结构。此种结构能够利用光子晶体本身具有的周期性特征，便于器件集成化。
实施例十一
对应于上下载行的微环谐振腔结构，在实施例一或者实施例二的基础上，本光学谐振器结构也可以变形为图11.1或者图11.2的结构，即在所述回路下侧另有一耦合波导6与其相耦合，可用于滤波，波分复用/解复用等应用。
实施例十二
对于多个级联微环谐振腔结构，在实施例一或者实施例二的基础上，本光学谐振器结构也可以变形为图12.1或者图12.2的结构，即多个回路级联并排放置，光通过倏逝波在相邻回路间耦合，可用于调制器等应用。
实施例十三
如图13所示，波导的横截面结构为：以硅为材料的脊波导结构，波导左右两侧分别掺杂不同浓度和元素的粒子，形成PN或P-I-N结。其中P+区掺杂少量磞元素或铟元素，P++区掺杂大量的磞元素或铟元素，N+区掺杂少量的磷元素或锑元素，N++区掺杂大量的磷元素或锑元素。在波导上下或左右加有金属电极，可用作调制器应用。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器，其特征在于：包括耦合波导和位于该耦合波导侧旁的光回路；所述光回路包括两个反向耦合器、上波导和下波导，两个反向耦合器通过上波导和下波导相向连接构成光回路；
反向耦合器包括波导段，在该波导段中间周期性刻蚀孔，所述孔沿该波导段的中心线周期性地排布。
2.根据权利要求1所述的基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器，其特征在于：光回路中两个反向耦合器，对称布置在光回路两端；中间的上波导和下波导为弯曲波导或为折线波导，所述折线波导由中间直波导段和两端的斜波导段组成。
3.根据权利要求1任一项所述的基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器，其特征在于：光回路侧旁的耦合波导的数量为一个或两个，若耦合波导数量为两个，所述回路位于两个耦合波导之间。
4.根据权利要求1任一项所述的基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器，其特征在于：所述光回路的数量一个或为多个，若为光多个回路，则光回路级联放置，光通过倏逝波效应在相邻光回路之间耦合。
5.根据权利要求1-4所述的基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器，其特征在于：组成该谐振器波导的横截面适用于所有集成光波导结构，至少包括：条型波导，脊型波导，槽型波导，多层波导；组成该谐振器波导的材料适用于所有集成光学材料，至少包括：LiNbO3，HfO2，SiO2，TiO2，Si3N4，SiC,，Ge，Si,AlN。
6.根据权利要求1-4所述的基于布拉格光栅反向耦合器的光学谐振器，其特征在于：组成该谐振器波导的横截面为脊波导结构，由硅材料组成，波导左右两边分别掺杂不同浓度和元素的粒子，形成PN或P-I-N结，在波导上下或左右加有金属电极。
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