CN113568098B - 一种分光器设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种分光器，包括至少两个输入端和至少两个输出端，两个所述输入端具有用于增强相互之间耦合系数的结构，和/或两个所述输出端也具有用于增强相互之间耦合系数的结构。通过在两个所述输入端设置用于增强相互之间耦合系数的结构，两个所述输出端也设置用于增强相互之间耦合系数的结构，来提高分光器的均匀性。

Description

一种分光器设计方法
技术领域
本发明涉及集成光学领域，具体涉及一种分光器、分光器设计方法和改造方法。
背景技术
近10年来，光通信速率不断攀升，通信组件的速度和密度都不断增长，传统采用分立光学器件的方式已经不能适应新应用场景对器件尺寸功耗的要求，因而逐渐被集成光学的方法所取代。集成光学以硅、磷化铟等的半导体作为基材，利用现代精细的半导体加工技术，可以将多个光学功能单元集成在单个芯片上。
在集成光学中，2×2多模干涉分束器是最为常见的分光器件之一，其被广泛应用到光发射机、光接收机、光开关等有源或者无源光学组件中。然而集成光学系统为了实现高密度的波导集成，往往采用大折射率差的材料系统构建波导。这种大折射率差的波导结构会导致多模干涉时的各个光学模式之间的相位关系同理想模型产生失配，从而造成光学成像的质量不理想，从而导致分光比不均匀。这种现象普遍存在现有的2×2多模干涉分束器中。
相关技术中，为了解决上述问题，在公开号为“US20180003897A1”的美国专利中，公开了一种采用不规则的多模干涉区的设计方法来缓解上述分光不均匀的问题。具体的，该专利涉及一种光耦合器，包括:一种多模式区域，包括:在第一端和第二端之间的长度L，以及具有宽度的多个区段，从第一端到第二端的所述区段宽度中的至少五个区段宽度彼此不同。
但是，上述方法存在如下一些问题：(1)该方法将设计变量的数量提升了数倍，这就导致前期设计迭代时间较长；(2)由于采用的是不规则图形，设计图形在不同工艺平台下的可移植性难以进行评估，后期制造风险较大；(3)整个设计采用结果导向，暴力破解的方式，导致器件出现问题之后难以归因，很难在器件的整个生命周期中对其进行维护。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种分光器、分光器设计方法和改造方法，以解决现有技术中分光器分光不均匀的问题。
为达到以上目的，第一方面，本发明提供一种分光器，包括至少两个输入端和至少两个输出端，两个所述输入端具有用于增强相互之间耦合系数的结构，和/或两个所述输出端具有用于增强相互之间耦合系数的结构。
一些实施例中，两个所述输入端和两个所述输出端均包括：
端口；以及，
与所述端口光连接、且用于增强两个所述输入端或者两个所述输出端相互之间耦合系数的耦合修正结构，且所述耦合修正结构中至少一段的中心线向另一耦合修正结构靠近。
一些实施例中，所述耦合修正结构为弯曲光导，且位于两个输入端上的弯曲光导的弯曲方向相互靠近，所述两个输出端上的弯曲光导的弯曲方向也相互靠近；或者，
所述耦合修正结构为变截面光导，且两个所述输入端上的变截面光导具有中心间距缩小的区域，两个所述输出端上的变截面光导也具有中心间距缩小的区域。
一些实施例中，所述分光器包括多模干涉波导区，所述输入端和输出端分别用于将光导入和导出所述多模干涉波导区；
两个输入端分别为第一输入波导和第二输入波导，所述第一输入波导和第二输入波导的中心线在远离所述多模干涉波导区的方向上相互靠近；
两个输出端分别为第一输出波导和第二输出波导，所述第一输出波导和第二输出波导的中心线在远离所述多模干涉波导区的方向上相互靠近。
一些实施例中，两个所述输入端之间的耦合系数k1和/或两个所述输出端之间的耦合系数k2被配置为使所述分光器的分光不均匀性小于预定值。
第二方面，提供一种分光器设计方法，调整两个输入端之间的耦合系数k1、和/或两个输出端之间的耦合系数k2，提高分光器的分光均衡性。
一些实施例中，所述调整两个输入端之间的耦合系数k1、以及两个输出端之间的耦合系数k2，并提高分光器的分光均衡性，包括：
调整两个输入端和/或两个输出端的设计，并得到一组所述k1和所述k2；
计算所述分光器的不均衡性，并判断计算得到的不均衡性是否满足预设的均衡性要求；
若满足，则确定两个所述输入端和两个输出端的设计；若不满足，则再次调整两个所述输入端和两个输出端的设计。
一些实施例中，所述调整两个输入端之间的耦合系数k1、以及两个输出端之间的耦合系数k2，并提高分光器的分光均衡性，包括：
A：保持k1和k2其中之一不变，改变另一个大小，计算或测量分光器的不均衡性，确定最低不均衡度所对应的k1和k2中另一个大小。
一些实施例中，在步骤A之后，还包括：
B：改变在步骤A中k1和k2保持不变的一个，重复步骤A，得到多个最低不均衡度的情况下所对应的k1和k2；
C：在多个最低不均衡度的情况下所对应的k1和k2中选择一组，并根据选择的k1和k2确定两个输入端和两个输出端的结构。
第三方面，提供一种分光器改造方法，在分光器的两个输入端连接用于调整两个所述输入端相互之间耦合系数的耦合修正结构；和/或在分光器的两个输出端连接用于调整两个所述输出端相互之间耦合系数的耦合修正结构；并提高分光器的分光均衡性。
上述技术方案中的一个具有如下有益效果，通过在两个输入端设置用于增强相互之间耦合系数的结构，和/或两个输出端也设置用于增强相互之间耦合系数的结构，来提高分光器的均匀性。
并且，可以通过前期对分光器的设计，得到能满足分光均匀性要求的输入端和输出端的结构，从而达到分光均匀的目的。可以复用大部分前期设计，开发周期短。
同时，还可以对现有的分光器进行改造，从而提高现有器件的性能。
附图说明
图1为本发明实施例中2×2多模干涉分光器示意图；
图2为本发明实施例分光器设计方法数学原理的计算结果图；
图3为现有技术中现有技术中的2×2多模干涉分光器结构图；
图4为本发明一种实施例中2×2多模干涉分光器结构图；
图5为图4所示的2×2多模干涉分光器中输入波导详图；
图6为图4所示的2×2多模干涉分光器输入波导耦合系数的仿真结果；
图7为现有技术和本发明实施例中2×2多模干涉分光器结构图仿真结果对比图。
附图标记：
21-第一输入端口，22-第二输入端口，23-第一输出端口，24-第二输出端口；
3-耦合修正结构，4-多模干涉波导区；
51、61-输入端，52、62-输出端。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例涉及一种2×2多模干涉分光器，其包括，至少两个输入端和至少两个输出端，两个输入端具有用于增强相互之间耦合系数的结构，和/或两个输出端也具有用于增强相互之间耦合系数的结构。
通过多种尝试和多次实验发现，通过调整两个输入端之间的耦合系数K1和/或两个输出端之间的耦合系数K2，可以使得整个分光器的均匀性发生变化。因此，只需选择适当的输入端和输出端的结构，即可使分光器的均匀性达到理想情况，如可以降低到0.1dB以下，甚至可以调整到完全均衡的状态。
需要指出的是，两个输入端之间的耦合系数K1和两个输出端之间的耦合系数K2可以相同也可以不同。
在一些实施例中，两个上述输入端和两个上述输出端均包括端口；其中，输入端和两个上述输出端均包括与上述端口光连接、且用于增强两个输入端或者两个输出端相互之间耦合系数的耦合修正结构。且耦合修正结构中至少一段的中心线向另一耦合修正结构靠近。
其中，两个上述输入端分别是第一输入端和第二输入端，其中第一输入端具有第一输入端口21，第二输入端具有第二输入端口22，第一输入端口21和第二输入端口22则都与一个耦合修正结构3一体或连接。也就是说，耦合修正结构3可以采用不同的基材或集成于同一基材上。
应当理解的是，耦合修正结构3的基材可以是硅、硅的氮氧化物、磷化铟，砷化镓中的任意一种或几种。
耦合修正结构可以作为新增结构，直接使用相关技术中已有的分光器作为设计基础，然后通过在现有分光器设计的基础上增设耦合修正结构来提高其均匀性。
在一种可选的实施例中，耦合修正结构3可以包括弯曲光导，并且，为了能增加两个输入端的耦合系数，分别由第一输入端口21和第二输入端口22延伸形成的两个耦合修正结构3是相互靠近的。通过两个输入端的耦合修正结构3的靠近来提高两个输入端的耦合系数。
同理，两个输出端也具有第一输出端口23和第二输出端口24，分别由第一输出端口23和第二输出端口24延伸形成的两个耦合修正结构3也是相互靠近的。
在另一种可选的实施方式中，耦合修正结构还可以为变截面光导，且两个输入端上的变截面光导具有中心间距缩小的区域，两个输出端上的变截面光导也具有中心间距缩小的区域。
具体选择哪种耦合修正结构可以根据实际需求来选择，例如需要考虑使用了哪种结构的分光器，其对应的耦合修正结构也可以相应调整。
请再次参考图1，下面通过数学推导的方式来说明本发明实施例的物理过程，为了表达简单，下面所有表述都忽略了器件原本的损耗。由于2×2多模干涉分光器的分光比不理想，于是在其传输矩阵中引入一个系数ub用来描述其分光的不均衡性。需要注意的是，ub是一个由于2×2多模干涉分光器不均衡性客观存在而隐含的一个物理因子，其不显性表现为2×2多模干涉分光器的设计输入参数。因此2×2多模干涉分光器的传输矩阵Mmultimode可以表示为：
需要指出的是，在本实施例中，两个输入端的耦合修正结构3定义为第一耦合修正区，两个输出端的耦合修正结构定义为第二耦合修正区。而由于与耦合修正结构连接的端口之间都是几乎无耦合的，因此，第一耦合修正区和第二耦合修正区的耦合系数也分别为k1和k2，于是两个耦合修正区的光学传输矩阵M1和M2可表示为：
综上所述，整体分束器结构传输矩阵Msplitter为：
Msplitter＝M2MmultimodeM1
整个分束器结构的输入端口的光场强度分别是E1和E2，输出端口的光场强度分别是E3和E4，输出光场强度同输入光场强度的关系为：
为了评估分光器的分光均匀性，我们假定E1＝1,E2＝0，于是输出光功率E3和E4分别为：
通过下面式子，即分光的不均衡性，来评估分光的均衡性，按照这个定义，不均衡性0dB为分光完全均匀的状态。
在ub＝0.01的情况下，可以绘制出耦合系数k1和k2同分光不均衡性的关系。绘制即得到如图2所示的计算结果图。
请参考图2，其为本发明实施例分光器设计方法数学原理的计算结果图，当k1＝0且k2＝0时，也就是相当于没有增加耦合修正结构3的情况，2×2多模干涉分光器会存在0.25dB的分光不均衡。通过增加耦合修正结构3，只要k1和k2满足一定条件，如图2中粗线标出，分光可以达到完全的均衡。上述数学过程说明，通过加载耦合修正结构3，并设计合适耦合系数，可以使2×2多模干涉分光器基本完全均匀分光。需要说明的是，这里的耦合修正结构可以采用任何一种让两个端口产生耦合的方法，包括但不限于采用定向耦合器或者说广义的定向耦合器。
请进一步参考图3，图3是现有技术中2×2多模干涉分光器结构图。其两个输入端51和两个输出端52的中心线都是相互平行的，这样的设计使得他们之间几乎没有耦合，由于多模干涉波导区本身的成像不完美，进而导致整个分光器均匀性往往不佳。
请同时参考图4，图4为本发明一种实施例中2×2多模干涉分光器结构图。具体来说，上述分光器包括多模干涉波导区4，上述输入端61用于将光导入多模干涉波导区4，上述输出端62用于将光导出多模干涉波导区4。
两个输入端61分别为第一输入波导和第二输入波导，第一输入波导和第二输入波导的中心线在远离该多模干涉波导区的方向上相互靠近；同时，两个输出端62分别为第一输出波导和第二输出波导，第一输出波导和第二输出波导的中心线在远离该多模干涉波导区的方向上相互靠近。并且，第一输入波导、第二输入波导、第一输出波导和第二输出波导均为楔形波导。
由于第一输入波导和第二输入波导的中心线在远离该多模干涉波导区的方向上相互靠近，因此，也使得两者相互之间的耦合系数提高了，并且耦合系数可以通过波导之间的靠近量来进行调控。
优选的，上述多模干涉波导区4、两个输入波导、以及两个输出波导，可以采用条形波导、脊型波导中的任意一种或者两者的组合。
应当理解的是，多模干涉波导区4的基材同样可以是硅、硅的氮氧化物、磷化铟，砷化镓中的任意一种或几种。
示例性的，请参考图5，其为本发明实施例中2×2多模干涉分光器中输入(或者输出)波导详图。在本实施例中，远离多模干涉波导区4的输入端的端点相对于水平状态偏移了一个offset的距离。
计算输入端/输出端之间的耦合系数k与靠近距离offset的关系，仿真得到如图6所示的2×2多模干涉分光器输入波导耦合系数的仿真结果。从图6可以看到，控制offset的大小能够有效的控制两个输入端/输出端之间的耦合，当offset＝0的时候，也就是平行的情况，两个楔形波导之间几乎不发生耦合，而当offset约为1.2um的时候，两个楔形波导的耦合系数k就可以达到0.11附近。
请进一步参考图7，在本实施例中，多模干涉区宽度为6um，输入多模干涉区的波导入口间距为2um，楔形波导的长度为25um。输入端楔形波导远离多模干涉区的端口靠近量为offset1,输入端楔形波导远离多模干涉区的端口靠近量为offset2,我们通过数值计算的方法可以计算出2×2多模干涉分光器在整个C波段(1528～1569nm)的平均不均衡度和offset1和offset2的关系。可以看到选着合适的offset1和offset2的设计，如图7中粗实线的位置，2×2多模干涉分光器在整个C波段的分光不均衡性的平均值为零。而观察图7的原点offset1＝offset2＝0um，这种情况对应的已知技术方案，2×2多模干涉分光器会存在约0.15dB的不均衡性。该结果表明，在输出和输出楔形波导远离多模干涉区的端口采用相互靠近的设计能够有效的提高2×2多模干涉分光器的分光均衡度。其背后的物理原理，还是如本专利前面所述，应为offset1和offset2的值改变了输入和输出楔形波导的耦合系数，从而能够抵消掉多模干涉区内在的不均衡。
本发明实施例不仅提高了分光均衡性，还可以在现有器件的基础上进行简单修正，可以复用大部分前期设计，开发周期短，并且，只增添了少量自由度，设计方便，风险小。同时，在第一输入波导和第二输入波导的中心线在远离该多模干涉波导区的方向上相互靠近的实施例中，还不会增加现有设计的尺寸。
同时，由于各种工艺均可以有对应的手段来调整输入或者输出端的耦合系数，因此可以适用各种工艺以及材料平台。同时，由于采用了正向设计思想，若设计出错也容易排错和溯源。如发现分光均衡性不理想，则应当是耦合系数的选择有误。
从前面的原理推导和实施例可以知道，在多模干涉区的输入或者输出端口，采用可以调控输入或者输出端口耦合系数的物理结构，并选择恰当的耦合系数，就可以实现对分光器分光均匀的改善。
其中包括但不限于：
在输入或者输出端设弯曲光导，并且，为了能增加两个输入端的耦合系数，分别由第一输入端口21和第二输入端口22延伸形成的两个耦合修正结构3是相互靠近的。通过两个输入端的耦合修正结构3的靠近来提高两个输入端的耦合系数；即，弯曲光导需要设置相互靠近的部分来修正耦合系数。
同理，两个输出端也具有第一输出端口23和第二输出端口24，分别由第一输出端口23和第二输出端口24延伸形成的两个耦合修正结构3也是相互靠近的。
在另一种可选的实施方式中，耦合修正结构还可以为变截面光导，且两个输入端上的变截面光导具有中心间距缩小的区域，两个输出端上的变截面光导也具有中心间距缩小的区域。
具体选择哪种耦合修正结构可以根据实际需求来选择，例如需要考虑使用了哪种结构的分光器，其对应的耦合修正结构也可以相应调整。
第二方面，本发明还提供一种分光器设计方法，包括：调整两个输入端之间的耦合系数k1、和/或两个输出端之间的耦合系数k2，提高分光器的分光均衡性。
具体来说，其可以包括以下步骤：
调整两个输入端和/或两个输出端的设计，并得到一组k1和k2；
计算分光器的不均衡性，并判断计算得到的不均衡性是否满足预设的均衡性要求；优选的，预设的不均衡性要求可以为小于等于0.1dB。
若满足，则确定两个输入端和两个输出端的设计，若不满足，则再次调整两个输入端和两个输出端的设计。
在本实施例中，只要选取符合预设的不均衡性要求的k1和k2即可。其对分光器的设计过程中的计算量要求相对较小，重要的是，相对使用不均衡性要求最低的k1和k2组合，其可以降低加工和改造精度要求。
在一些实施例中，调整两个输入端之间的耦合系数k1、和/或两个输出端之间的耦合系数k2，提高分光器的分光均衡性还可以包括以下步骤：
A：保持k1和k2其中之一不变，改变另一个大小，计算或测量分光器的不均衡性，确定最低不均衡度所对应的k1和k2中另一个大小；
此时选出的一组k1和k2如满足要求，则可以完成分光器设计，若还不满足要求，或者对均匀性要求较高，需要使得分光器达到最好的效果，则在步骤A之后，还可以包括：
B：改变在步骤A中k1和k2保持不变的一个，重复步骤A，得到多个最低不均衡度的情况下所对应的k1和k2；
C：在多个最低不均衡度的情况下所对应的k1和k2中选择一组不均衡度最低的，并根据选择的k1和k2确定两个输入端和两个输出端的结构。
请同时参考图4至图7，在输入端和输出端中心线相互靠近的实施例中。其设计流程如下：
A1：保持offset1和offset2其中之一不变，改变另一个大小，计算或测量分光器的不均衡性，确定最低不均衡度所对应的offset1和offset2中另一个大小；
此时选出的一组offset1和offset2如满足要求，则可以完成分光器设计，若还不满足要求，或者对均匀性要求较高，需要使得分光器达到最好的效果，则在步骤A之后，还可以包括：
B1：改变在步骤A中offset1和offset2保持不变的一个，重复步骤A，得到多个最低不均衡度的情况下所对应的offset1和offset2；
C1：在多个最低不均衡度的情况下所对应的offset1和offset2中选择一组不均衡度最低的，并根据选择的offset1和offset2确定两个输入端和两个输出端的结构。
同时，从第一方面中关于计算的原理部分可以看到，只要有了k1和k2，即可计算得到不均衡性。其计算方法也可采用第一方面中关于不均衡度的计算方法。
第三方面，本发明还提供一种分光器改造方法，在分光器的两个输入端和/或两个输出端上连接耦合修正结构，用于调整两个输入端或者两个输出端相互之间耦合系数，并提高分光器的分光均衡性。由于可以使用对接级联等方式将其与现有分光器相连，只需针对性的增加耦合修正结构即可完成现有产品的升级。
有一些优选的实施例中，在分光器的两个输入端和/或两个输出端上连接上述耦合修正结构之前，还包括：
使用前述的分光器设计方法确定两个输入端和两个输出端连接的耦合修正结构的设计。
通过优选设计出符合的耦合修正结构，可以提前针对性的生产，并且，由于还可以根据现有分光器型号进行批量生产。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种分光器设计方法，其特征在于，所述分光器包括两个输入端和两个输出端，两个所述输入端具有用于增强相互之间耦合系数的结构，两个所述输出端具有用于增强相互之间耦合系数的结构；
两个所述输入端和两个所述输出端均包括端口、以及与所述端口光连接、且用于增强两个所述输入端或者两个所述输出端相互之间耦合系数的耦合修正结构，且所述耦合修正结构中至少一段的中心线向另一耦合修正结构靠近；
所述耦合系数的数值通过靠近距离确定；
以两个所述输入端的耦合修正结构为第一耦合修正区，两个所述输出端的耦合修正结构为第二耦合修正区，第一耦合修正区的光学传输矩阵M1和第二耦合修正区的光学传输矩阵M2表示为：
整体分光器的传输矩阵为：
Msplitter＝M2MmuttimodeM1
其中，ub为表征分光的不均衡性的系数；
所述方法包括：调整两个输入端之间的耦合系数k1、和/或两个输出端之间的耦合系数k2，提高分光器的分光均衡性；所述调整两个输入端之间的耦合系数k1、以及两个输出端之间的耦合系数k2，并提高分光器的分光均衡性，包括：
A：保持k1和k2其中之一不变，改变另一个大小，计算或测量分光器的不均衡性，确定最低不均衡度所对应的k1和k2中另一个大小；B：改变在步骤A中k1和k2保持不变的一个，重复步骤A，得到多个最低不均衡度的情况下所对应的k1和k2；
C：在多个最低不均衡度的情况下所对应的k1和k2中选择一组不均衡度最低的，并根据选择的k1和k2确定两个输入端和两个输出端的结构。
2.如权利要求1所述的分光器设计方法，其特征在于：
所述耦合修正结构为弯曲光导，且位于两个输入端上的弯曲光导的弯曲方向相互靠近，所述两个输出端上的弯曲光导的弯曲方向也相互靠近；或者，
所述耦合修正结构为变截面光导，且两个所述输入端上的变截面光导具有中心间距缩小的区域，两个所述输出端上的变截面光导也具有中心间距缩小的区域。
3.如权利要求1所述的分光器设计方法，其特征在于，所述分光器包括多模干涉波导区，所述输入端和输出端分别用于将光导入和导出所述多模干涉波导区；
两个输入端分别为第一输入波导和第二输入波导，所述第一输入波导和第二输入波导的中心线在远离所述多模干涉波导区的方向上相互靠近；
两个输出端分别为第一输出波导和第二输出波导，所述第一输出波导和第二输出波导的中心线在远离所述多模干涉波导区的方向上相互靠近。
4.如权利要求1-3任意一项所述的分光器设计方法，其特征在于，两个所述输入端之间的耦合系数k1和/或两个所述输出端之间的耦合系数k2被配置为使所述分光器的分光不均匀性小于预定值。
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