CN113253383A - 一种波长不敏感的光波导耦合器结构 - Google Patents

一种波长不敏感的光波导耦合器结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波长不敏感的光波导耦合器结构，属于光器件技术领域，包括：输入区：包括第一输入波导和第二输入波导；光耦合区：包括第一耦合波导和第二耦合波导；输出区：包括第一输出波导和第二输出波导，所述第二输入波导、所述第二耦合波导及所述第二输出波导均为脊形直波导；所述脊形直波导由条形直波导Ⅰ及所述条形直波导Ⅰ一侧或两侧设有的平板波导组成。本发明通过在定向耦合器中引入不同的光波导结构：条形直波导和脊形直波导结构，可以实现波长不敏感的传输特性。

Description

一种波长不敏感的光波导耦合器结构
技术领域
本发明属于光器件技术领域，具体涉及一种波长不敏感的光波导耦合器结构。
背景技术
现在许多光子应用领域都需要光波导耦合器来实现光信号的分束和合束功能。一个尺寸紧凑的、对波长不敏感的光波导耦合器是急切需要的，尤其在数据中心通信领域的粗波分复用技术和光开关技术中。Y波导和多模干涉耦合器（MMI）结构作为光波导耦合器已经被人们广泛研究。另外，在某些应用领域如光监控、探测等需要将光信号不均匀地分配在不同的传输信道中，然而，MMI要想实现任意分光比是比较困难的，而且尺寸比较大。Y波导要想实现任意分光比，必须要特殊设计，且工艺制作比较复杂。相比于上述提出的光波导耦合器结构，定向耦合器由于可以实现任意分光比和简单的制作工艺而经常作为光的分束和合束器件。但是，定向耦合器对波长是非常敏感的，很难实现宽带特性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供的一种波长不敏感的光波导耦合器结构，该结构通过在定向耦合器中引入不同的光波导结构：条形直波导和脊形直波导结构，可以实现波长不敏感的传输特性。器件结构简单、紧凑。而且，还可实现对输入光信号的任意分光比功能。本发明提出的光波导耦合器结构在数据中心通信领域和光监控、探测等领域具有重要的研究和应用价值。
本发明第一个目的是提供一种波长不敏感的光波导耦合器结构，包括：
输入区：包括第一输入波导和第二输入波导；
光耦合区：包括第一耦合波导和第二耦合波导；所述第一耦合波导一端与所述第一输入波导一端相连；所述第二耦合波导一端与所述第二输入波导一端相连；
输出区：包括第一输出波导和第二输出波导，所述第一输出波导一端与第一耦合波导另一端相连，所述第二输出波导一端与第二耦合波导另一端相连；
所述第二耦合波导为脊形直波导；
所述脊形直波导由条形直波导Ⅰ及所述条形直波导Ⅰ一侧或两侧设有的平板波导组成。
优选的，所述第一输入波导、所述第一耦合波导及所述第一输出波导均为条形直波导Ⅱ。
优选的，所述第二输入波导和所述第二输出波导各自独立为所述脊形直波导或所述条形直波导Ⅰ。
优选的，所述输入区内位于所述第一输入波导与所述第一耦合波导之间还设有第一弯曲波导，所述第一弯曲波导一端与所述第一输入波导一端相连，另一端与所述第一耦合波导的一端相连。
优选的，所述输出区内位于所述第一耦合波导与所述第一输出波导之间设有第二弯曲波导，所述第二弯曲波导一端与所述第一耦合波导一端相连，另一端与所述第一输出波导一端相连。
优选的，所述第一输入波导远离所述第一耦合波导的一端设为波导输入端。
优选的，所述第一输出波导远离所述第一耦合波导的一端为第一波导输出端，所述第二输出波导远离所述第二耦合波导的一端为第二波导输出端。
优选的，所述光耦合区发生波导相互耦合，使所述第一耦合波导内传输的部分光信号耦合到第二耦合波导中。
本发明第二个目的是提供一种光波导耦合器，所述光波导耦合器包括上述的光波导耦合器结构。
本发明第三个目的是提供一种上述光波导耦合器在不同波长光传输中的应用。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提出的光波导耦合器结构简单、紧凑，非常适于与其他器件集成；
本发明提出的光波导耦合器结构可以通过光刻、电子束刻蚀、等离子体刻蚀等与CMOS兼容的工艺进行制作，且对工艺要求不苛刻；
本发明提出的光波导耦合器结构通过引入不同的光波导结构：条形直波导和脊形直波导，可以实现波长不敏感的传输特性；
本发明提出的光波导耦合器结构可实现对输入光信号的任意分光比功能；
本发明提出的光波导耦合器结构在数据中心通信领域和光监控、探测等领域具有重要的研究和应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的波长不敏感的光波导耦合器结构示意图；
图2为本发明提供的光波导耦合器结构中第一输入波导、第一耦合波导及第一输出波导均为条形直波导结构横截面示意图；
图3为本发明提供的光波导耦合器结构中一侧有平板波导的脊形直波导结构横截面示意图；
图4为本发明提供的光波导耦合器结构中两侧都有平板波导的脊形直波导结构横截面示意图；
图5为本发明提供的光波导耦合器结构光信号注入输入端时的光场传输仿真结果；
图6为本发明提供的光波导耦合器结构的波长敏感特性仿真结果；
图7为本发明提供的光波导耦合器结构中第二波导输出端的分光比随着平板波导厚度（H_Slab）变化的仿真结果；
图8为本发明提供的光波导耦合器结构在不同分光比条件下的波长敏感特性仿真结果。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供的一种波长不敏感的光波导耦合器结构，见图1所示，包括：
输入区100：包括第一输入波导101和第二输入波导102；
光耦合区200：包括第一耦合波导201和第二耦合波导202；第一耦合波导201一端与第一输入波导101一端相连；第二耦合波导202一端与第二输入波导102一端相连；
输出区300：包括第一输出波导301和第二输出波导302，第一输出波导301一端与第一耦合波导201另一端相连，第二输出波导302一端与第二耦合波导202另一端相连；
第二耦合波导202为脊形直波导；
见图3和图4所示，脊形直波导由条形直波导Ⅰ001及条形直波导Ⅰ001一侧或两侧设有的平板波导002组成。
见图2所示，第一输入波导101、第一耦合波导201及第一输出波导301均为条形直波导Ⅱ003。
第二输入波导102和第二输出波导302各自独立为脊形直波导或条形直波导Ⅰ001。
条形直波导Ⅰ001和平板波导的底面处于同一平面。
输入区100内位于第一输入波导101与第一耦合波导201之间还设有第一弯曲波导103，第一弯曲波导103一端与第一输入波导101一端相连，另一端与第一耦合波导201的一端相连。
输出区300内位于第一耦合波导201与第一输出波导301之间设有第二弯曲波导303，第二弯曲波导303一端与第一耦合波导201一端相连，另一端与第一输出波导301一端相连。
第一输入波导101远离第一耦合波导201的一端设为波导输入端。
第一输出波导301远离第一耦合波导201的一端为第一波导输出端，第二输出波导302远离第二耦合波导202的一端为第二波导输出端。
光耦合区200发生波导相互耦合，使第一耦合波导201内传输的部分光信号耦合到第二耦合波导202中。
本发明提供的光波导耦合器结构基于硅、SOI、二氧化硅、氮化硅、InP、GaAs等波导结构材料；
本发明提供的光波导耦合器可以通过光刻、电子束刻蚀、等离子体刻蚀等工艺制作，结构紧凑。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
实施例1
一种波长不敏感的光波导耦合器结构，见图1~3所示，包括：
输入区100：包括第一输入波导101和第二输入波导102；
光耦合区200：包括第一耦合波导201和第二耦合波导202；第一耦合波导201一端与第一输入波导101一端相连；第二耦合波导202一端与第二输入波导102一端相连；
输出区300：包括第一输出波导301和第二输出波导302，第一输出波导301一端与第一耦合波导201另一端相连，第二输出波导302一端与第二耦合波导202另一端相连；
第二输入波导102、第二耦合波导202及第二输出波导302均为脊形直波导；
见图2所示，第一输入波导101、第一耦合波导201及第一输出波导301均为条形直波导Ⅱ003，其中，条形直波导Ⅱ003高度H1为220nm，宽度W1为450nm；
见图3，脊形直波导由条形直波导Ⅰ001及条形直波导Ⅰ001一侧设有的平板波导002组成；条形直波导Ⅰ001和平板波导002的底面处于同一平面，且平板波导002设于远离第一耦合波导201一侧设置；其中，条形直波导Ⅰ001高度H2为220nm，宽度为W2为450nm，平板波导002高度H_Slab为50nm。
输入区100内位于第一输入波导101与第一耦合波导201之间还设有第一弯曲波导103，第一弯曲波导103一端与第一输入波导101一端相连，另一端与第一耦合波导201的一端相连。
输出区300内位于第一耦合波导201与第一输出波导301之间设有第二弯曲波导303，第二弯曲波导303一端与第一耦合波导201一端相连，另一端与第一输出波导301一端相连。
第一输入波导101远离第一耦合波导201的一端设为波导输入端。
第一输出波导301远离第一耦合波导201的一端为第一波导输出端，第二输出波导302远离第二耦合波导202的一端为第二波导输出端。
光耦合区200发生波导相互耦合，使第一耦合波导201内传输的部分光信号耦合到第二耦合波导202中，其中，光耦合区200的波导间距为210nm，耦合区长度只有20.5 μm。
本实施例以SOI光波导结构为例进行仿真分析。SOI波导结构材料为硅，折射率为3.455，缓冲层和上盖层为二氧化硅，折射率为1.445。
首先，采用束传播法对本实施例提供的波长不敏感的光波导耦合器结构进行仿真，设定波长为1550 nm的光从输入端输入，模式为TE，其仿真结构如图5所示。可见，光波导耦合器结构可以实现对输入光信号的3dB分光，并分别从第一波导输出端和第二波导输出端输出的功能。
接着，对实现3dB分光比的光波导耦合器结构的波长敏感特性进行仿真分析，设定扫描波长区间为1500nm-1600nm，仿真结果如图6所示，虚线部分对应的是传统的定向耦合器结构的传输特性，实线部分为本发明的光波导耦合器结构的传输特性。从仿真结果可以看出，相比于传统的定向耦合器结构，本发明的光波导耦合器结构受波长的依赖大大减小。在工作波长的变化范围为100nm时，其第一波导输出端和第二波导输出端的分光比变化均在3dB ± 0.4 dB的范围内，因此，本发明的光波导耦合器结构可以实现随波长不敏感的传输特性。
最后，对光波导耦合器的不同分光比特性进行仿真分析，如图7所示。通过设计不同的脊形直波导结构平板区域高度H_Slab，可以实现不同分光比功能。图8为不同分光比的光波导耦合器结构的波长敏感特性仿真结果。当第二波导输出端的分光比从0.1变化到0.5的范围内，波长为1500nm-1600nm的区间内，分光比变化均小于0.04，可见，不同分光比的光波导耦合器结构均可实现波长不敏感特性。
实施例2
一种波长不敏感的光波导耦合器结构，见图1~2和4所示，包括：
输入区100：包括第一输入波导101和第二输入波导102；
光耦合区200：包括第一耦合波导201和第二耦合波导202；第一耦合波导201一端与第一输入波导101一端相连；第二耦合波导202一端与第二输入波导102一端相连；
输出区300：包括第一输出波导301和第二输出波导302，第一输出波导301一端与第一耦合波导201另一端相连，第二输出波导302一端与第二耦合波导202另一端相连；
第二输入波导102、第二耦合波导202及第二输出波导302均为脊形直波导；
见图2所示，第一输入波导101、第一耦合波导201及第一输出波导301均为条形直波导Ⅱ003；
见图4，脊形直波导由条形直波导Ⅰ001及条形直波导Ⅰ001两侧设有的平板波导002组成；条形直波导Ⅰ001和平板波导002的底面处于同一平面；
输入区100内位于第一输入波导101与第一耦合波导201之间还设有第一弯曲波导103，第一弯曲波导103一端与第一输入波导101一端相连，另一端与第一耦合波导201的一端相连。
输出区300内位于第一耦合波导201与第一输出波导301之间设有第二弯曲波导303，第二弯曲波导303一端与第一耦合波导201一端相连，另一端与第一输出波导301一端相连。
第一输入波导101远离第一耦合波导201的一端设为波导输入端。
第一输出波导301远离第一耦合波导201的一端为第一波导输出端，第二输出波导302远离第二耦合波导202的一端为第二波导输出端。
光耦合区200发生波导相互耦合，使第一耦合波导201内传输的部分光信号耦合到第二耦合波导202中。
综上，本发明提出的光波导耦合器结构简单、紧凑，非常适于与其他器件集成；
本发明提出的光波导耦合器结构可以通过光刻、电子束刻蚀、等离子体刻蚀等与CMOS兼容的工艺进行制作，且对工艺要求不苛刻；
本发明提出的光波导耦合器结构通过引入不同的光波导结构：条形直波导和脊形直波导，可以实现波长不敏感的传输特性；
本发明提出的光波导耦合器结构可实现对输入光信号的任意分光比功能；
本发明提出的光波导耦合器结构在数据中心通信领域和光监控、探测等领域具有重要的研究和应用价值。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种波长不敏感的光波导耦合器结构，其特征在于，包括：
输入区：包括第一输入波导和第二输入波导；
光耦合区：包括第一耦合波导和第二耦合波导；所述第一耦合波导一端与所述第一输入波导一端相连；所述第二耦合波导一端与所述第二输入波导一端相连；
输出区：包括第一输出波导和第二输出波导，所述第一输出波导一端与第一耦合波导另一端相连，所述第二输出波导一端与第二耦合波导另一端相连；
所述第二耦合波导为脊形直波导；
所述脊形直波导由条形直波导Ⅰ及所述条形直波导Ⅰ一侧或两侧设有的平板波导组成。
2.根据权利要求1所述的波长不敏感的光波导耦合器结构，其特征在于，所述第一输入波导、所述第一耦合波导及所述第一输出波导均为条形直波导Ⅱ。
3.根据权利要求1所述的波长不敏感的光波导耦合器结构，其特征在于，所述第二输入波导和所述第二输出波导各自独立为所述脊形直波导或所述条形直波导Ⅰ。
4.根据权利要求1所述的波长不敏感的光波导耦合器结构，其特征在于，所述输入区内位于所述第一输入波导与所述第一耦合波导之间还设有第一弯曲波导，所述第一弯曲波导一端与所述第一输入波导一端相连，另一端与所述第一耦合波导的一端相连。
5.根据权利要求1所述的波长不敏感的光波导耦合器结构，其特征在于，所述输出区内位于所述第一耦合波导与所述第一输出波导之间设有第二弯曲波导，所述第二弯曲波导一端与所述第一耦合波导一端相连，另一端与所述第一输出波导一端相连。
6.根据权利要求1所述的波长不敏感的光波导耦合器结构，其特征在于，所述第一输入波导远离所述第一耦合波导的一端设为波导输入端。
7.根据权利要求1所述的波长不敏感的光波导耦合器结构，其特征在于，所述第一输出波导远离所述第一耦合波导的一端为第一波导输出端，所述第二输出波导远离所述第二耦合波导的一端为第二波导输出端。
8.根据权利要求1所述的波长不敏感的光波导耦合器结构，其特征在于，所述光耦合区发生波导相互耦合，使所述第一耦合波导内传输的部分光信号耦合到第二耦合波导中。
9.一种光波导耦合器，所述光波导耦合器包括权利要求1~8任一项所述的光波导耦合器结构。
10.权利要求9所述的光波导耦合器在不同波长光传输中的应用。
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