CN112601994B - 用于分离光束的光子器件 - Google Patents

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Abstract

一种用于分离光束的光子器件包括：输入端口，其被配置为接收具有输入功率的输入光束；功率分离器，其包括布置在具有第一折射率的引导材料的第一区域和第二区域中的扰动段，每个段具有第二折射率，其中，所述第一区域被配置成将所述输入光束分离成第一光束和第二光束，并且其中，所述第二区域被配置成单独地引导所述第一光束和所述第二光束，其中，所述第一折射率大于所述第二折射率；以及输出端口，其包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口和所述第二输出端口连接到所述功率分离器以分别接收和发送所述第一光束和所述第二光束。

Description

用于分离光束的光子器件
技术领域
本发明总体上涉及紧凑纳米结构光子器件，并且更具体地涉及用于宽带功率分离器的紧凑光子器件。
背景技术
将单通道光功率的光束以任意功率比分离成两个或更多个输出波导的片上任意比功率分离的研究已有多年。
已经开发了许多功率分离器设备，包括基于多模干涉仪(MMI)的功率分离器、Y形功率分离器或者在输入端口和输出端口处具有500nm宽波导的纳米结构功率分离器。然而，总的传输效率被限制在约80％(约-1dB)，并且不可忽略的背向反射值返回到输入端口(或附近的输出端口)。减少背向反射的一种理论方法是在两个输出的交叉处使用无限锐利的Y分离器。然而，在实践中，对于具有如此极端尖锐边缘的分离器，小的制造公差会导致到输入端口的大的背向反射。
需要开发用于功率分离器的新型紧凑光子器件，其能够在紧凑纳米结构设备中根据预定功率比将光束的光功率有效地分离成多个输出光束，同时使输入处的背向反射最小化。
发明内容
本公开的一些实施方式基于如下认识：可以根据使用机器学习辅助优化方法的设计优化来获得基于超紧凑型(约2.6μm长度)SOI功率分离器族的紧凑型光子器件。可以在100nm带宽上实现90％以上的传输效率和可忽略的反射的情况下实现诸如1:1、1:2和1:3的任意分离比。原则上，优化技术可以用于设计具有多个输入和输出的任意功率分离器。另外，使用这种方法的拓扑优化的纳米结构集成光子器件可以帮助在紧凑的覆盖区内建立替代功能，诸如光谱分离、模式转换和波导弯曲。
根据实施方式，可以实现用于功率分离器的新型紧凑光子器件，其能够在紧凑纳米结构器件中根据预定功率比将光束的光功率有效地分离成多个输出光束，同时使用不小于45nm的纳米结构扰动段将输入端口处的背向反射最小化至-20dB以下。
根据本公开的一些实施方式，提供了一种用于将光功率分离到分离通道的光子器件。用于分离光束的光子器件包括：输入端口，其被配置为接收具有输入功率的输入光束；功率分离器，其包括布置在具有第一折射率的引导材料的第一区域和第二区域中的扰动段，每个段具有第二折射率，其中，所述第一区域被配置成将所述输入光束分离成第一光束和第二光束，并且其中，所述第二区域被配置成单独地引导所述第一光束和所述第二光束，其中，所述第一折射率大于所述第二折射率；以及输出端口，其包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口和所述第二输出端口连接到所述功率分离器以分别接收和发送所述第一光束和所述第二光束。
此外，本发明的一些实施方式基于如下认识：用于分离光束的光子器件包括：输入端口，其被配置为接收具有输入功率的输入光束；功率分离器，其包括布置在具有第一折射率的引导材料的第一区域和第二区域中的扰动段，每个段具有第二折射率，其中，所述第一区域被配置为加宽所述输入光束，并且所述第二区域被配置为将加宽的输入光束分离成第一光束和第二光束，其中所述第一折射率大于所述第二折射率；以及输出端口，其包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口和所述第二输出端口连接到所述功率分离器以分别发送所述第一光束和所述第二光束。
将参照附图进一步解释当前公开的实施方式。所示出的附图不一定是按比例绘制的，而是通常将重点放在说明当前公开的实施方式的原理上。
附图说明
[图1]
图1示出了现有技术的功率分离器。
[图2A-1]
图2A-1示出了根据本公开的实施方式的1:1功率分离器的顶视图。
[图2A-2]
图2A-2示出了根据本公开的实施方式的1:1功率分离器的侧视图。
[图2B]
图2B示出了图2A-1的1:1功率分离器的E场分布图。
[图2C]
图2C是指示图2A-1的1:1功率分离器的效率的FDTD光谱。
[图2D]
图2D示出了根据本公开的实施方式的1:1功率分离器，其中12个孔与图2A不同地定位在远离从输入到输出的直接路径的纳米结构功率分离器的左手侧边缘附近。
[图2E]
图2E示出了图2D的1:1功率分离器的E场分布图。
[图2F]
图2F是示出图2D的1:1功率分离器的效率的FDTD光谱。
[图3A]
图3A示出了根据本公开的实施方式的1:2功率分离器。
[图3B]
图3B示出了图3A的1:2功率分离器的E场分布图。
[图3C]
图3C是示出图3A的1:2功率分离器的效率的FDTD光谱。
[图4A]
图4A示出了根据本公开的实施方式的1:3功率分离器。
[图4B]
图4B示出了图4A的1:3功率分离器的E场分布图。
[图4C]
图4C是示出图4A的1:3功率分离器的效率的FDTD光谱。
[图5A]
图5A示出了根据本公开的实施方式的1:3功率分离器。
[图5B]
图5B示出了图5A的1:3功率分离器的E场分布图。
[图5C]
图5C是指示图5A的1:3功率分离器的效率的以dB为单位的FDTD光谱。
[图5D]
图5D示出了根据本公开的实施方式的1:3功率分离器，其具有在纳米结构功率分离器附近不加宽的直线状的输入端口和输出端口。
[图5E]
图5E示出了图5D的1:3功率分离器的E场分布图。
[图5F]
图5F是指示图5D的1:3功率分离器的效率的以dB为单位的FDTD光谱。
[图6A]
图6A示出了根据本公开的实施方式的1:3功率分离器。
[图6B]
图6B示出了指示图6A的1:3功率分离器在1.3μm至1.8μm的宽带范围内的效率的宽带传输和反射光谱。
[图6C]
图6C(i)、图6C(ii)和图6C(iii)示出了图6A中的1:3功率分离器在1.3μm、1.55μm和1.8μm处的E场分布图。
[图7]
图7(A)、图7(B)和图7(C)示出了从输入端口经由功率分离器传播到输出端口的光波。
[图8]
图8(A)、图8(B)和图8(C)是根据本公开的实施方式的光子器件的其它示例。
[图9]
图9(A)、图9(B)和图9(C)是根据本公开的实施方式的光子器件的其它示例。
具体实施方式
以下描述仅提供示例性实施方式，而并非旨在限制本公开的范围、适用性或配置。相反，示例性实施方式的以下描述将向本领域技术人员提供用于实现一个或更多个示例性实施方式的使能描述。预期可在不脱离所附权利要求书中阐述的所公开主题的精神和范围的情况下，对元件的功能和布置进行各种改变。
在以下描述中给出具体细节以提供对实施方式的全面理解。然而，所属领域的技术人员可理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述实施方式。例如，所公开的主题中的系统、过程和其它元件可以以框图形式示出为组件，以避免不必要的细节模糊实施方式。在其它实例中，可在没有不必要细节的情况下示出众所周知的过程、结构及技术以避免使实施方式模糊。此外，各个附图中相同的参考标号和指定指示相同的元件。
另外，可以将各个实施方式描述为被描绘为流程图、流图、数据流图、结构图或框图的过程。尽管流程图可将操作描述为顺序过程，但许多操作可并行或同时执行。另外，可以重新排列操作的顺序。过程可在其操作完成时终止，但可具有未在图中论述或未包括的额外步骤。此外，并非在所有实施方式中都会发生任何特别描述的过程中的所有操作。过程可以对应于方法、功能、过程、子例程、子程序等。当过程对应于函数时，函数的终止可以对应于函数返回到调用函数或主函数。
此外，所公开的主题的实施方式可以至少部分地手动或自动地实现。可通过使用机器、硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合来执行或至少辅助手动或自动实施方案。当以软件、固件、中间件或微代码来实现时，用于执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在机器可读介质中。处理器可以执行必要的任务。
概述
片上功率分离器是集成光子系统的重要组件。功率分离器用于以预先设计的分离比将单个光束分离成多个光束。已经开发了许多功率分离器设备，并且Y形功率分离器、基于MMI的功率分离器或快速响应(QR)码的纳米结构功率分离器显示出限制于80％的传输效率。
绝缘体上硅(SOI)功率分离器可以作为集成光子系统的这些关键组件的候选之一。最直观的功率分离器是打破传统多模干涉(MMI)功率分离器的对称性，以通过调整MMI结构的形状来实现任意分离比。
图1示出了根据现有技术的多模干涉(MMI)功率分离器100。例如，功率分离器100可以形成在长度为数十微米量级的器件上。功率分离器100包括输入端口110、功率分离器120以及两个输出端口(第一输出端口)130和(第二输出端口)140。第一输出端口130发送具有第一输出功率的第一输出光束，并且第二输出端口140发送具有第二输出功率的第二输出光束。
当功率分离器100被设计为1:1功率分离器时，输入光束在功率分离器120中被分成两个光束(第一输出光束T1和第二输出光束T2)，并将这两个光束分别引导至第一输出端口130和第二输出端口140，其中第一输出光束和第二输出光束的光功率比由1:1(T1:T2＝1:1)表示。一些器件几何尺寸在图中使用符号W1、Dx和Dy来指示。
基于MMI的功率分离器100的工作原理得到了很好的研究，并且还可以在打破对称性的情况下实现任意的分离比。然而，随着器件尺寸变小，MMI宽度的微小变化显著地改变了器件特性。另外，MMI的原理依赖于器件内的结合长度，并且器件特性固有地对波长敏感。因此，实现基于超宽带的MMI的分离器是非常困难的。
为了解决上述问题，仍然需要用于有效地分离光学(光)束的光子器件的新颖设计。因此，下面将基于如下认识来描述提供关于该问题的解决方案的一些实施方式：用于分离光束的光子器件包括：输入端口，其被配置为接收具有输入功率的输入光束；功率分离器，其包括布置在具有第一折射率的引导材料的第一区域和第二区域中的扰动段，每个段具有第二折射率，其中，所述第一区域被配置成将所述输入光束分离成第一光束和第二光束，并且其中，所述第二区域被配置成单独地引导所述第一光束和所述第二光束，其中，所述第一折射率大于所述第二折射率；以及输出端口，其包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口和所述第二输出端口连接到所述功率分离器以分别接收和发送所述第一光束和所述第二光束。
此外，应当注意，功率分离器由纳米结构段形成，所述纳米结构段布置在引导材料中以沿着预先设计的光束路径朝向输出端口有效地引导输入光束。在这种情况下，纳米结构段可以是纳米尺寸的圆柱体或折射率小于功率分离器的引导材料的折射率的任何任意形状。在一些情况下，纳米结构段可以是具有诸如椭圆形、矩形、正方形、三角形或它们中的一些的组合的横截面形状的纳米结构尺寸的棒。举例来说，当导引材料为硅时，所述段可由二氧化硅或甚至空气孔形成。在一些情况下，纳米结构段可称为扰动段。根据本发明的实施方式，扰动段的折射率小于引导材料的折射率。为了布置扰动段，确定扰动段之间的最小距离满足d<λ/(2neff)的条件，其中，d是扰动段之间的最小节距或距离，neff是引导材料的波导模的最高有效折射率，并且λ是输入信号的波长。关于设计光子器件的方法，将在下面进行详细论述。
图2A-1示出了根据本公开的实施方式的1:1功率分离器200的顶视图。这是示出1:1功率分离器的优化几何尺寸的示例。1:1功率分离器200包括输入端口210、功率分离器220和两个输出端口230和240，这些组件以等于输入功率的1:1比的光功率引导输出模式。此外，将输入端口210侧称为前侧，将输出端口230和240侧称为端侧。在以下论述中，将前侧和端侧的定义类似地应用于本公开中描述的功率分离器或光子器件，而无需进一步解释。
功率分离器200可以通过2.6×2.6μm2的紧凑器件尺寸来实现。这种器件可以在纳米结构波导内优化，在100nm带宽上提供90％的分离传输效率。
输入端口210接收具有第一模式的第一光束(输入光束，在图中由箭头指示)。功率分离器220包括确定输入光束的第一输入宽度和第二输入宽度的分离段(S段)。S段将输入光束分成第一光束和第二光束。
第一输入宽度允许将第一光束引导至第一输出端口230，并且第二输入宽度允许将第二光束引导至第二输出端口240。
在这种情况下，第一输入宽度和第二输入宽度可以由功率分离器220中的S段部分的位置限定，其中S段部分从输入端口朝向输出端口230和240布置。
在第一输出端口和第二输出端口处的输出功率比被设计为1:1的情况下，功率分离器220中的第一输入宽度和第二输入宽度可以被布置为近似相等的距离。在一些情况下，由于积累制造误差，第一输入宽度和第二输入宽度之间的几个百分比的差在实际使用中是可接受的。
此外，例如，当第一输出端口230和第二输出端口240处的第一输出功率和第二输出功率的功率比由T1:T2表示并且T1<T2时，将输入光束的一部分引导至第一输出端口的第一输入宽度被布置成小于将输入光束的剩余部分引导至第二输出端口的第二输入宽度。换句话说，当第一输出功率被设计为大于第二输出功率时，通过将S段朝向第二宽度侧布置来将第一输入宽度设置为大于第二输入宽度。此外，当第一输出功率被设计为小于第二输出功率时，通过将S段朝向第一宽度侧布置来将第一输入宽度设置为小于第二输入宽度。
图3A、图4A、图5A、图5D和图6A中示出了一些示例。
根据本发明的一些实施方式，功率分离器的第一区域和第二区域的功能可以互换。例如，功率分离器220可以被配置为在功率分离器220的第一区域中加宽第一光束并且在第二区域将功率分成两个。此外，功率分离器220指引分离的光束的波矢量，并且使加宽的光束居中以引导至功率分离器200的输出端口，从而分离其相对功率。功率分离器220中的所有上述功能都是以分布式方式完成的。功率分离器220包括具有第一折射率的引导材料221和具有第二折射率的扰动段222。在这种情况下，每个扰动段222具有较低的折射率，并且扰动段222之间的最小节距由图中的节距d表示，该节距d确定局部有效折射率。
第一折射率大于第二折射率，并且扰动段222被布置在引导材料221中以与第一光束交叉。此外，第一输出端口230和第二输出端口240被配置为发送具有相同模式的第一波束的一部分。在这种情况下，功率分离器220的宽度被布置为大于输入端口210和输出端口230和240的宽度。选择第一端口210的宽度以支持TE0模式。为了支持相同的TE0模式，将输出端口230和240的宽度布置为与第一端口210的宽度相等。输入端口210和输出端口230、240以及功率分离器220被配置为具有相同的厚度。
此外，当分离比不对称时，扰动段222被布置为沿着从输入端口210到输出端口230和240绘制的光束方向中心线211不对称。
根据一些实施方式，1:1功率分离器200可以在2.6×2.6μm2的硅区域上优化，该硅区域被离散成20×20的扰动段222(方形晶格)二进制问题。每个扰动段222表示在130nm晶格常数(或节距)d下具有45nm半径的完全蚀刻的孔，其中“1”表示蚀刻的孔，“0”表示没有孔。1:1功率分离器200可以由SiO2顶部包层覆盖。对应于扰动段222的圆柱形孔也填充有SiO2。
应当注意，一些扰动段(在图中被表示为段222’)可以布置成与一组扰动段222相隔大于节距d。
可以数值优化局部折射率分布。其中一种方法是使用直接二进制搜索(DBS)，另一种方法是使用机器学习。在这两种方法中，局部折射率变化或固定尺寸的孔被描述为二进制问题。另选地，可以以更小的粒度，即，整体尺寸的连续值，或形状的连续变化来描述变化。
图2B示出了1:1功率分离器200的E场(电场)分布图。从场分布可以看出，输入光束被分离然后在输出端口230和240处变窄。由于扰动段222的平均折射率小于引导材料221(Si区域)的平均折射率，所以与没有孔(扰动段222)的Si区域(引导材料221)相比，可被称为扰动段222的分布式孔增加了光束的相速度。
图2C是作为频率函数的分离器200的每个端口的传输和反射，示出了在100nm带宽上获得的小于-20dB反射的约90％的传输效率。与现有技术的基于光子晶体的功率分离器相比，图2C示出了分离器200在显著更宽的带宽上工作，这是因为分离器200避免了如在光子晶体中观察到的布拉格反射区。虽然将需要更大的安装区和更高的计算工作量，但是通过使用更大的矩阵，可以潜在地提高分离器200的效率。
此外，本公开的一些实施方式基于这样的认识，即，亚波长器件可以提供紧凑型光子器件，而不依赖于特定的谐振条件。光场感知到小结构的局部平均值。小结构可以被称为扰动段或像素。亚波长器件的条件表示为：
d<λ/(2neff) (1)
其中d是扰动段之间的最小节距或距离，neff是引导材料的波导模的最高有效折射率，并且λ是输入信号的波长。当使用典型的SOI(绝缘体上硅)结构时，neff在1550nm波长附近为2.85。因此d应当被确定为小于270nm。
使用亚波长结构的优点是双重的：首先，可以从二进制折射率材料产生任意折射率分布，其中电场感知到局部平均折射率，其次，由于公式(1)中描述的小于布拉格条件的节距，所以不存在共振效应并且可实现宽带操作。
图2D示出了根据本公开的实施方式的1:1功率分离器250的顶视图。这是示出1:1功率分离器的几何尺寸的另一示例。1:1功率分离器250包括输入端口260、功率分离器270和两个输出端口280和290，这些组件以等于输入功率的1:1比的光功率引导输出模式。扰动段272’(正方形网格)以如图2A所示的20×20的格式排列。这里，除了输入侧的左上角和左下角之外，扰动段272’几乎与图2A中的扰动段相同。它并不完全对称于中心水平轴，而是近似对称。
图2E示出了1:1功率分离器250的E场(电场)分布图。从场分布可以看出，输入光束被分离，然后像图2B中那样变窄。
图2F是作为频率函数的分离器250的每个端口的传输和反射，示出了在100nm带宽上获得的小于-20dB反射的约90％的传输效率。与图2C相比，图2F示出分离器250作为1:1功率分离器工作，几乎与图2C中所示的一样好。这表明只要扰动段的布置近似对称，就可以设计1:1分离器。换句话说，存在多种设计以实现某些期望的特性。
此外，1:2功率分离器可以用上述类似的过程来设计。在这种情况下，形成的两个波导路径看起来不对称。
图3A示出了根据本公开的实施方式的1:2功率分离器300的示例。在图中示出了优化之后1:2分离器300的最终几何尺寸的示例。
1:2功率分离器300包括输入端口310、功率分离器320以及两个输出端口330和340。1:2功率分离器300的结构类似于1:1功率分离器200的结构。
功率分离器320包括具有第一折射率的引导材料321以及扰动段322。每个扰动段322具有第二折射率，并且扰动段322之间的最小节距被布置为具有如图中所示的节距d。应当注意，一些扰动段(在图中被表示为段322’)可以布置成与一组扰动段322相隔大于节距d。注意，由于1:2的功率分离比，第一输入宽度小于第二输入宽度。
此外，当第一分离比和第二分离比分别是由Tm％和Tn％表示的m分之一和n分之一时，并且当m和n是相等的数字时，扰动段322被布置为沿着从输入端口310到输出端口330和340的中间的光束方向中心线是非对称的。
为了设计1:2功率分离器300，在2.6μm×2.6μm2方形硅区域上评估水平不对称的20×20结构。
图3B示出了1:2功率分离器300的主要E场分布图，示出了在分离器320的前半部分中，输入的大部分以1:2的比率分成两个输出路径，并且在后半部分中，分离的光束被重新聚焦并沿着每个输出波导的中间居中。
图3C示出了最终器件的传输和反射，其指示超过90％的传输效率和小于1％的反射。
图4A示出了根据本公开的实施方式的1:3功率分离器400。1:3功率分离器400可以以与图2A和图3A中所示的方式类似的方式实现。如上所述，在一些情况下，根据功率分离器的设计优化，一些扰动段可以布置成与一组扰动段相距大于节距d。注意，由于1:3的功率分离比，第一输入宽度小于第二输入宽度。
图4B示出了1:3功率分离器400的主要E场分布图，示出了在分离器420的前半部分中，输入的大部分以1:3的比率分成两个输出路径，并且在后半部分中，分离的光束被重新聚焦并沿着每个输出波导的中间居中。
图4C示出了优化的器件可以以小于1％的背向反射获得90％的传输效率。
与示出了在输入端口和输出端口处没有扩展波导宽度的相同功率分离器的图5D的示意图相比，图5A示出了示出根据本公开的实施方式的1:3功率分离器500的示意图。
图5C示出了模拟结果，其表明与示出了较高的背向反射和较低的传输效率的图5F相比，在100nm带宽上获得了小于-25dB的背向反射。这表明加宽输出端口由此减小垂直于输出光束方向的壁的宽度，增加了传输效率并减少了反射。
在上述示例中，功率分离器的输入侧具有将输入光束分离成期望的分离比的扰动段，而分离光束在功率分离器的输出侧被重新聚焦、平行于输出端口进行重定向、并且沿着每个输出波导的中间居中，其中超过50％的功率在引导材料521中被引导。
图6A示出了图示根据本公开的实施方式的1:3(功率比)功率分离器600的示意图，以研究功率分离器的宽带频谱响应的程度。
图6B示出了优化后的器件在1.45μm-1.65μm光谱范围内的-0.46±0.05dB的恒定的宽带传输效率，在更宽的1.3μm-1.8μm光谱范围内的-0.97dB的传输效率。
图6C(i)、图6C(ii)和图6C(iii)示出了图6A中的1:3功率分离器在1.3μm、1.55μm和1.8μm处的E(电)场分布图。可以看出，波长为1.3μm、1.55μm和1.8μm的光束由功率分离器按照在输出端口处预先设计的1:3的功率比进行了适当的分配。有利地是，单个光子器件可以被用作能够将具有不同波长的输入光学(光)束分离成预定功率比的功率分离器。
本发明的上述实施方式已经示出了分离功能的优点。第一区域集中于对输入光束进行分离，以获得目标分离比。第二区域集中于对第一光束和第二光束进行整形，使得其到输出端口的结合变得有效。每个区域可以被优化以最大化其功能。
此外，根据本发明的其它实施方式，一种用于功率分离器的新型光子器件可以根据输出端口处的预定(预先设计的)功率比将输入光束的光功率有效地分离成多个输出光束。在这种情况下，光子器件包括：输入端口，其被配置为接收具有输入功率的输入光束；功率分离器，其包括布置在具有第一折射率的引导材料的第一区域和第二区域中的扰动段，每个段具有第二折射率，其中，所述第一区域被配置为加宽所述输入光束，并且所述第二区域被配置为将加宽的输入光束分离成第一光束和第二光束，其中所述第一折射率大于所述第二折射率；以及输出端口，其包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口和所述第二输出端口连接到所述功率分离器以分别发送所述第一光束和所述第二光束。下面描述根据上述概念的一些示例。
图7A、图7B和图7C示出了光波通过光子器件从输入端口经由功率分离器传播到输出端口。图7A示出了根据其它实施方式的光子器件700的示例。光子器件700包括功率分离器720，功率分离器720包括布置在具有第一折射率n1的引导材料721的第一区域和第二区域中的扰动段722，并且每个段具有第二折射率n2，其中所述第一区域被配置为加宽所述输入光束，并且所述第二区域被配置为将加宽的输入光束分离成第一光束和第二光束。此外，光子器件700包括分别传输第一光束和第二光束的第一输出端口730和第二输出端口740。应当注意，图7A中的光子器件的第一区域中的扰动段用于在扰动段的第二区域之前加宽输入光束，并且加宽的输入光束在扰动段的第二区域中被分离成两个输出光束(第一输出光束和第二输出光束)，并且被分离的输出光束被对准以分别通过第一输出端口和第二输出端口传输。
另一方面，图7B和图7C示出了具有功率分离器的光子器件的示例，功率分离器包括布置在具有第一折射率的引导材料的第一区域和第二区域中的扰动段，每个段具有第二折射率，并且第一区域被配置为将输入光束分成第一光束和第二光束，并且第二区域被配置为单独地引导第一光束和第二光束。应当注意，图7B和图7C中的光子器件的第一区域中的扰动段用于在扰动段的第二区域之前将输入光束分成两个光束。
图7A示出具有1:1功率分离器720的光子器件700A，所述1:1功率分离器720以1:1的功率比将输入光分成两个光束。图7B示出具有1:2功率分离器的另一光子器件700B，所述1:2功率分离器以1:2的功率比将输入光分成两个光。图7C示出具有1:3功率分离器的另一光子器件700C，所述1:3功率分离器以1:3的功率比将输入光分成两个光。
每个光子器件包括输入端口、功率分离器和输出端口。功率分离器包括由第一折射率材料和第二折射率材料(开口(孔)或与周围区域的材料不同的材料，例如，二氧化硅：SiO2)组成的扰动段，扰动段在图中用圆圈表示。例如，第一折射率材料的第一折射率可以大于第二折射率材料的折射率。此外，输入端口、输出端口的材料以及圆圈的周围区域可以是相同的材料。
每个功率分离器包括至少两个功能区域，即，第一区域和第二区域。在图7A中，第一区域中的扰动段可以起到在将输入光束传递到功率分离器的第二区域之前加宽输入光束的作用。
在所有情况下，输入光束通过加宽的输入波导端口进入功率分离器(纳米结构功率分离器)。在功率分离器的第一区域处与扰动段相互作用之后，确定分离功率比；在传播通过功率分离器的第二区域之后，传播光束的波矢量被定向并对准相应输出端口的中心。在一些情况下，第一区域和第二区域的长度的比率可以在50％和65％之间。这些比率可以为1.45μm到1.65μm的波长提供线性传输。这种传输特性在实际应用(工业应用)中是有利的。
此外，超紧凑型功率分离器还可以与其它设备级联，以处理任何数量的分离路线和比率。图8示出了使用7个功率分离器的1输入到8输出的功率分离器的示例。
输入端口和输出端口以及功率分离器可以在各种材料系统中实现。上面的示例使用SOI。另选地，可以使用沉积在二氧化硅上的氮化硅。此外，还可以使用生长在磷化铟(InP)基板上的磷化砷镓铟(InGaAsP)材料层。
在某些情况下，输入端口的宽度或输出端口的各宽度都宽于0.5μm，以支持输入光束在整个光子器件中的单模传播。
此外，光子器件可以包括布置在输入端口一侧或输出端口一侧的一个或更多个端口，其中所有端口的宽度相同。
对于光子器件，来自第一端口的背向反射被配置为小于-20dB。此外，功率分离器中的扰动段可以被布置成沿着输入光束的传播方向形成第一光束和第二光束的类似波导的路径。
本发明的上述实施方式仅描述了TE模式。然而，器件也可以设计用于横向磁(TM)模式。
此外，本发明的实施方式可以实现为已经提供了其示例的方法。作为方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构建其中以不同于所示出的顺序执行动作的实施方式，其可包括同时执行一些动作，虽然在说明性实施方式中示出为顺序动作。
在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”之类的顺序术语来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素相对于另一个权利要求元素的任何优先级、优先序或顺序或者执行方法动作的时间顺序，而仅仅用作将具有某一名称的一个权利要求元素与具有相同名称的另一元素(除了使用顺序术语)区分开来以区分权利要求元素的标签。例如，由于互易性原理，如果分离器在端口2和端口3处将输入的光功率分成两个任意光功率，则该设备对于将来自端口2和端口3的光功率组合到端口1同样良好地起作用。

Claims (15)

1.一种用于分离光束的光子器件，该光子器件包括：
输入端口，该输入端口被配置为接收具有输入功率的输入光束；
功率分离器，该功率分离器包括布置在具有第一折射率的引导材料的第一区域和第二区域中的扰动段，每个段具有第二折射率，其中所述第一区域被配置为将所述输入光束分离成第一光束和第二光束，并且其中所述第二区域被配置为单独地引导所述第一光束和所述第二光束，其中所述第一折射率大于所述第二折射率，其中，所述扰动段之间的最小节距d被设置为满足d<λ/(2neff)的条件，其中，neff是所述引导材料的波导模的最高有效折射率，其中λ是所述输入光束的波长；以及
输出端口，所述输出端口包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口和所述第二输出端口连接到所述功率分离器以分别接收和发送所述第一光束和所述第二光束，
所述功率分离器还包括布置在所述引导材料的所述第一区域和所述第二区域中的分离段，所述第一区域基于由所述分离段的位置限定的第一输入宽度和第二输入宽度的比率将所述输入光束分离成由所述第一输入宽度引导的第一光束和由所述第二输入宽度引导的第二光束。
2.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述输出端口由输出材料形成，其中，所述输入端口由输入材料形成，其中，所述第一输出端口和所述第二输出端口的宽度相同，其中，所述功率分离器的宽度大于所述输入端口以及所述第一输出端口和所述第二输出端口的宽度。
3.根据权利要求2所述的光子器件，其中，所述输入材料、所述引导材料和所述输出材料具有相同的厚度。
4.根据权利要求3所述的光子器件，其中，所述相同的厚度为0.2μm至0.5μm。
5.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述输入端口和所述输出端口的每个宽度被配置为朝向所述功率分离器加宽。
6.根据权利要求2所述的光子器件，其中，所述输入材料、所述输出材料和所述引导材料是相同材料。
7.根据权利要求6所述的光子器件，其中，所述相同材料是硅。
8.根据权利要求6所述的光子器件，其中，所述相同材料是InGaAsP。
9.根据权利要求1所述的光子器件，该光子器件还包括顶层和底层，其中，具有第三折射率的所述顶层和所述底层被配置为将所述输入端口、所述功率分离器和所述输出端口夹在中间，其中，所述第一折射率大于所述第三折射率。
10.根据权利要求9所述的光子器件，其中，所述顶层和所述底层是二氧化硅层。
11.根据权利要求1所述的光子器件，其中，每个所述扰动段由所述引导材料中的孔形成。
12.根据权利要求1所述的光子器件，其中，所述扰动段包括所述扰动段中的被布置成与其它扰动段分开大于最小节距d的距离的至少一个扰动段。
13.根据权利要求2所述的光子器件，其中，所述输入材料和所述输出材料的折射率与所述第一折射率相同。
14.根据权利要求1所述的光子器件，其中，当所述第一输出功率和所述第二输出功率的功率比由T1:T2表示并且T1<T2时，将与所述第一输出端口相对应的所述第一输入宽度布置成小于与所述第二输出端口相对应的所述第二输入宽度。
15.一种用于分离光束的光子器件，该光子器件包括：
输入端口，该输入端口被配置为接收具有输入功率的输入光束；
功率分离器，该功率分离器包括布置在具有第一折射率的引导材料的第一区域和第二区域中的扰动段，每个段具有第二折射率，其中，所述第一区域被配置为加宽所述输入光束，并且所述第二区域被配置为将加宽的输入光束分离成第一光束和第二光束，其中，所述第一折射率大于所述第二折射率，其中，所述扰动段之间的最小节距d被设置为满足d<λ/(2neff)的条件，其中，neff是所述引导材料的波导模的最高有效折射率，其中λ是所述输入光束的波长；以及
输出端口，该输出端口包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口和所述第二输出端口连接到所述功率分离器以分别发送所述第一光束和所述第二光束，
所述功率分离器还包括布置在所述引导材料的所述第二区域中的分离段，所述第二区域基于由所述分离段的位置限定的第一输入宽度和第二输入宽度的比率将所述加宽的输入光束分离成由所述第一输入宽度引导的第一光束和由所述第二输入宽度引导的第二光束。
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