CN112230336B - 一种支持片上多模式的任意比例分光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种支持片上多模式的任意比例分光器，其包括含有一个输入端波导和两个输出端波导的多模波导，所述多模波导的交叉区域设有纳米孔阵列，所述纳米孔由低折射材料填充。采用本发明的技术方案，在片上实现任意比例的分光功能，而且结构简单，占地小，超宽带；通过选取合适的1×2多模波导的宽度，分光器可以具有支持多个模式的功能，通过改变纳米孔的占空比，可以使得分光器实现任意比例分光。

Description

一种支持片上多模式的任意比例分光器
技术领域
本发明属于集成硅光子技术领域，尤其涉及一种支持片上多模式的任意比例分光器。
背景技术
在当今互联网时代，云计算、大数据等技术的出现对传输系统的带宽要求越来越高。目前电子芯片性能受到电互连物理特性的制约，成为阻碍片上通信性能进一步提高的瓶颈。而硅光电子芯片利用光为信息的载体而不是电，这为突破芯片性能带来一丝曙光。为了满足指数型的信息容量增长，波分复用技术成为光传输网络的重要技术。然而，片上波分复用系统需要多波长光源等昂贵设备，且实现精准的波长控制十分困难，这导致成本居高不下。同时，波分复用系统的信道规模依然有限，在此背景下，模分复用技术应运而生了。模分复用技术作为空分复用的一种，为提高信道容量增加了新的维度。它利用各模式间的正交性，以有限的稳定模式作为独立信道传递信息。如果模分复用技术与现有的波分复用技术相结合，可以成倍的提高系统容量和频谱效率，为进一步提高系统带宽提供了另一种可能。
而多模分光器作为模分复用系统中的关键模块已经受到了广泛关注，目前片上多模式分光器的方案有：（1）Y分支结合模式转换器或Y分支结合绝热型耦合器；（2）类纳米孔结构。Y分支结合模式转换器和对称Y分支结合绝热型耦合器这两类需要巨大的占地面积，尺寸往往需要超过数百微米，不利于集成，而且仅能实现50:50的分光比例。类纳米孔结构尺寸虽然很小，小于十微米，但其可工作带宽一般较小。以上两种方法，虽然可实现多模式功率分配，但只能实现50:50的功率分配。
目前关于片上任意比例分光器的方案有：（1）不对称多模干涉（MMI）分光器；（2）不对称Y分支型分光器。MMI分光器占地面积巨大，不利于集成，而且，它与不对称Y分支型分光器类似，仅能支持单模式，无法同时支持多个模式。
因此，目前尚未出现能同时实现小尺寸、制作简单、超宽带和任意比例的片上多模式分光器。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种支持片上多模式的任意比例分光器，结构简单，尺寸小，具有超宽带、多模式和任意比例分光的特点。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种支持片上多模式的任意比例分光器，其包括含有一个输入端波导和两个输出端波导的多模波导，所述多模波导的交叉区域设有纳米孔阵列，所述纳米孔由低折射材料填充。
作为本发明的进一步改进，所述多模波导的输入端波导与其中一个输出端波导位于同一轴线上，另一个输出端波导的方向可改变。
作为本发明的进一步改进，所述多模波导的输入端波导和两个输出端波导的宽度相等。其中，波导的宽度选择大于工作波长的数倍。
作为本发明的进一步改进，所述纳米孔阵列与输入端波导的夹角为两个输出端波导的夹角的一半。
作为本发明的进一步改进，所述纳米孔阵列的周期Λ满足：Λ＜λ/neff(1+sinα) ；其中，Λ为纳米孔的周期，λ为光波长，neff为相应波导宽度下相应模式的有效折射率，α为纳米孔阵列与输入端波导的夹角。
采用此技术方案，根据工作波长、各个模式的有效折射率和纳米孔阵列与波导的夹角这三个参数并结合上述不等式来决定纳米孔的周期，可显著降低纳米孔由后向散射所带来的光损耗。
作为本发明的进一步改进，所述纳米孔阵列的中心偏离多模波导交叉区域的正中心，并朝着光传输的负方向偏移。采用此技术方案，可以抵消由于古斯汉欣位移导致的性能下降。
作为本发明的进一步改进，通过调节所述纳米孔的占空比调整所述多模波导的两个输出端波导的功率比例。纳米孔的占空比增加，纳米孔阵列的反射越强，透射越弱，即与输入端在同一轴线上的输出端功率减少，而另一个输出端的光功率增加。反之，若纳米孔的占空比减少，则与输入端在同一轴线上的输出端功率增加，而另一个输出端的光功率减少。
作为本发明的进一步改进，所述纳米孔为圆柱形孔。
作为本发明的进一步改进，所述纳米孔阵列为直线阵列。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明的技术方案，在片上实现任意比例的分光功能，而且结构简单，占地小，超宽带；通过选取合适的1×2多模波导的宽度，分光器可以具有支持多个模式的功能；并在多模波导的交叉区域引入纳米孔阵列，通过改变纳米孔的占空比，使得分光器实现任意比例分光。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种支持多模式的任意比例分光器的结构示意图。
图2为本发明实施例的多模波导的横截面示意图。
图3为本发明实施例输入为TE0模式时的Hz场图。
图4为本发明实施例输入为TE1模式时的Hz场图。
图5为本发明实施例的两个输出端中两个模式之间的串扰随纳米孔的水平位置变化曲线图。
图6为本发明实施例的两个模式的插入损耗随纳米孔的水平位置变化曲线图。
图7为本发明实施例输入为TE0模式时，两个输出端的分光比随纳米孔的占空比变化曲线图。
附图标记包括：
1-输入端，2-第一输出端，3-第二输出端，4-纳米孔阵列。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，需要说明的是，本实施例中所提供的图示和参数仅展示与本发明中有关的组件，而非按照实际实施时的材料、组件数目、形状及尺寸。
如图1所示，一种支持片上多模式的任意比例分光器，其包括具有一个输入端1和两个输出端的1×2多模波导，该多模波导形成于位于绝缘体上硅（SOI）平台的顶层硅中。由空气圆形柱构成的纳米孔阵列4，形成于所述绝缘体上硅衬底的顶层硅中，位于1×2多模波导的交叉区域。所述的1×2多模波导中的输入端1波导、第一输出端2波导和第二输出端3波导均为多模波导，且波导宽度均相等。为了容纳多个模式和降低衍射效应，波导宽度应选择大于工作波长的数倍。输入端1波导与第一输出端2波导位于同一轴线上，而第二输出端3波导的方向可改变。所述纳米孔阵列与输入端1波导的夹角为第一输出端2波导和第二输出端3波导的夹角的一半。此时，光经过反射后能顺利进入第二输出端3。
所述纳米孔阵列的周期Λ满足下列不等式：Λ＜λ/neff(1+sinα)。其中，Λ为纳米孔的周期即纳米孔之间的间距，λ为光波长，neff为相应波导宽度下相应模式的有效折射率，α为纳米孔与输入端波导的夹角。根据光栅衍射理论，若纳米孔周期满足上述不等式，则反射光大部分为0级衍射光。此时，反射角与入射角相同，反射光中几乎只有镜面反射，后向散射所占比例很小。因此，应根据工作波长、各个模式的有效折射率和纳米孔阵列与波导的夹角等参数并结合上述不等式来决定纳米孔的周期，通过这种方式，可显著降低纳米孔由后向散射所带来的光损耗。
通过改变位于1×2多模波导交叉区域的纳米孔的占空比，即可改变第一输出端2和第二输出端3的光功率比例。
如图2所示，在上述具体实例的实施过程中，芯片平台采用绝缘体上硅（SOI）平台，该平台为三层结构，由上到下，分别为顶层硅、SiO2埋氧化层和Si背衬底。其中，光波导位于顶层硅。
如图3与图4所示为本发明实施例在TE0和TE1这两个模式输入时1×2多模波导的Hz场图。当TE0和TE1这两个模式的光进入输入端之后，传输到1×2多模波导交叉区域。由于纳米孔的存在，一部分光发生透射，进入第一输出端，另一部分则发生反射，进入第二输出端。可从图3和图4中看到，在第一输出端和第二输出端处，模式基本不发生改变。
如图5与图6所示，以TE0和TE1这两个模式为例，可看出纳米孔的水平位置对器件的插入损耗和模间串扰有明显的影响。插入损耗和模间串扰的最低值并不在dx=0处，即纳米孔阵列水平位置的最优选择并不是在1×2多模波导交叉区域正中心。为了提高器件性能，将纳米孔阵列的位置偏离1×2多模波导交叉区域的正中心，并朝着光传输的负方向偏移。由于古斯汉欣位移的存在，光实际上发生反射的平面并非在纳米孔平面上。如果将纳米孔阵列置于1×2多模波导交叉区域正中心，经过纳米孔阵列反射后的光模场轴线将会与第二输出端的波导轴线发生偏移，即发生模场失配。这将导致器件的损耗和模间串扰增加。为此，应该对纳米孔阵列的水平位置进行优化，使经过纳米孔阵列反射后的模场与第二输出端的波导模场匹配。经过优化后，当包含多个模式的光从输入波导，经纳米孔阵列反射后，进入到第二输出端波导时，模式之间基本不发生耦合并且辐射损耗较低。
如图7所示，两个输出端的分光比随着纳米孔的占空比的变化而发生改变，并且分光比具有极大范围。1×2多模波导的两个输出端的功率比例可通过改变纳米孔的占空比进行调节。如果纳米孔的占空比增加，纳米孔阵列的反射越强，透射越弱，即第二输出端的光功率增加而第一输出端的功率减少。反之，若纳米孔的占空比减少，第一输出端 光功率增加而第二输出端的功率减少。因此，可通过改变纳米孔的占空比，则可实现任意比例的分光比。
进一步的，所述纳米孔阵列为直线阵列，能刚好使光进入第二输出端时，模式不发生变化。
综上分析可见，本发明的技术方案可在较大波长范围内实现低损耗多模式任意比例的分光器，并且器件结构简单易于制作。同时，器件尺寸小，有利于光芯片密集集成。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种支持片上多模式的任意比例分光器，其特征在于：其包括含有一个输入端波导和两个输出端波导的多模波导，所述多模波导的交叉区域设有纳米孔阵列，所述纳米孔由低折射材料填充；所述纳米孔阵列为直线阵列；
所述纳米孔阵列的周期Λ满足：Λ＜λ/neff(1+sinα) ；其中，Λ为纳米孔阵列的周期，λ为光波长，neff为相应波导宽度下相应模式的有效折射率，α为纳米孔阵列与输入端波导的夹角；
所述多模波导的输入端波导与其中一个输出端波导位于同一轴线上；
所述多模波导的输入端波导和两个输出端波导的宽度相等；
所述纳米孔阵列与输入端波导的夹角为两个输出端波导的夹角的一半；
所述纳米孔阵列的中心偏离多模波导交叉区域的正中心，并朝着光传输的负方向偏移；
通过调节所述纳米孔的占空比调整所述多模波导的两个输出端波导的功率比例。
2.根据权利要求1所述的支持片上多模式的任意比例分光器，其特征在于：所述纳米孔为圆柱形孔。
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