CN115016153A - 一种可重构的定向耦合器 - Google Patents

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姜辉
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Abstract

本发明提出一种可重构的定向耦合器，可应用于光通信、光互连等，属于光电子领域。本发明由两个直波导构成，其中直波导间存在一定距离，在波导两侧放置有电极，电极呈非对称分布。光信号从端口1输入，当施加电压时，两根波导间的传播常数差发生变化，使波导间耦合长度改变，当距离达到一定长度，施加电压时，光信号的输出功率发生变化，以实现电压对光信号输出的灵活调控。本发明有利于构筑可重构的光链路，为制作大规模的光开关提供了灵活性。

Description

一种可重构的定向耦合器
技术领域
本发明涉及光学元器件，特别涉及一种可重构的定向耦合器，可应用于光通信、光互连等。
背景技术
随着科技的发展，云计算等应用的出现使光开关的需求逐渐加大。因为对于具有大量组件的复杂光子电路可以利用互补金属氧化物半导体等制造工艺以低成本和高产量进行集成，硅光子学已经成为高密度光子集成电路的强大平台。而铌酸锂（LiNbO3，LN）作为一种优异的光学材料，其具有良好的物理、化学稳定性，宽的光学损耗窗口、较大的电光系数以及优异的二阶非线性效应，且使用铌酸锂制成的光开关串扰、插入损耗较低，且铌酸锂的制作工艺相对较成熟，该类型的电光开关能够长时间保持稳定的工作状态，正是由于这些特点，铌酸锂材料已经被广泛应用于电光开关、电光调制器等器件中，基于此铌酸锂材料是构建可重构定向耦合器的最佳选择之一。由铌酸锂制成的光波导器件是构建现代超高速、大容量、长距离光纤通信和光交换的关键器件。
目前基于可重构的器件多为马赫曾德尔干涉仪（MZI），微环谐振器（MMR）以及微机电系统（MEMS），对于MZI而言，通常使用电光效应或热光效应来对光信号进行调制，对于MZI而言，对信号的调制性有限，且尺寸较大，能耗较高。对于MMR而言，其虽具有较优的调制性，但其对温度变化的容限较低，对MEMS而言，其驱动电压过大，通常大于40V，因此很有必要开发一种新的器件结构，在驱动电压较小且损耗较低的情况下实现对光信号的输出更加灵活的控制。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种可重构的定向耦合器。其特征在于所述的定向耦合器结构由下至上为Si衬底，SiO2层，LN芯层，Cu电极，SiO2绝缘层，所述的定向耦合器的芯层为两个脊型结构，且两个脊型结构中存在一定的间距，所述的脊型波导结构的尺寸相同，所述的定向耦合器中的电极段靠近右侧脊型波导结构，另一端电极为GND离左侧脊型波导结构存在一定的距离，两端电极对波导而言呈非对称式分布。
按照上述方案，所述的可重构定向耦合器，其特征在于所述的波导中的额外损耗满足以下线性关系式：
Figure 60116DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中EL为额外损耗，P1out为端口Port1的输出功率，P2out为端口Port2的输出功率，Pin为输入的功率。
按照上述方案，所述的可重构定向耦合器，其特征在于所述的波导中的消光比满足以下关系式：
Figure 2664DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中Pmout为期望输出端口的功率，Pnout为不期望输出端口的功率。
按照上述方案，所述的可重构定向耦合器，其特征在于所述的波导中的耦合效率满足以下关系式：
Figure 440598DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中Pmout为期望输出端口的功率，Pnout为不期望输出端口的功率。
按照上述方案，所述的可重构定向耦合器，其特征在于所述的可重构定向耦合器的端口1的输出功率随着电压的增大而增大，端口2的输出功率随着电压的增大而减小，当波导间距为3 µm，电极间距为10 µm，器件长度为1.81cm，施加电压为30V时，端口1的输出功率达到最大值，其中该位置的损耗为0.053dB，消光比ER12为30.27dB，耦合效率高于0.99。
按照上述方案，所述的可重构定向耦合器，其特征在于所述的可重构定向耦合器在波长为1550nm，TE偏振时，空气的折射率为1，SiO2的折射率为1.44，LN的非寻常折射率为2.21，LN的寻常折射率为2.14，铌酸锂的电光系数r33为30.9pm/V，电光系数r13为9.6pm/V。
本发明的有益效果在于：在三维空间中，两个靠的十分近的波导间会发生耦合，当电极呈非对称分布，且由于波导上层的SiO2层会对吸收部分电压，使电压主要作用在靠近电极的波导处，当施加电压时，使耦合波导间的传播常数发生变化，使耦合距离改变。通过电压的控制极大的提高了光信号输出的灵活性，有利于构建可重构的光学器件，在光通信等领域具有极好的潜力。
附图说明：
图1是本发明的可重构定向耦合器的正视图和俯视图。其中光信号从端口Port1中输入，通过电压的控制使光信号从端口Port1或端口Port2输出。
图2是本发明的可重构定向耦合器中，在两个波导间距为3µm，电极间距为10µm时，波导长度与输出功率的关系，其中“圆形”表示施加电压为30V时端口Port1的输出功率，“三角形”表示施加电压为0V时，即不施加电压时端口Port2的输出功率。
图3是本发明的可重构定向耦合器中，在两个波导间距为3 µm，电极间距为10 µm，器件长度为1.81cm时，输出功率与电压的关系，其中“正三角形”为输出端口Port1的输出功率，“倒三角形”为输出端口Port2的输出功率。
图4是本发明的可重构定向耦合器中，在两个波导间距为3 µm，电极间距为10 µm，器件长度为1.81cm时，耦合效率，插入损耗，消光比与电压的关系，其中图4（a）为电压与耦合效率的关系，其中“圆形”为耦合至端口1的耦合效率，“x形”为耦合至端口2的耦合效率，图4（b）为电压与额外损耗的关系，图4（c）为消光比与电压的关系。
具体实施步骤：
下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。本申请可以以多种不同的形式来实现，并不限制于本实施例所描述的实施方案。提供以下具体实施方式的目的以便于对本发明的发明内容更清楚透彻的理解。
参照图1至图4，本发明提出一种可重构的定向耦合器，如图1所示，在三维空间中，基于Si衬底，在衬底上为一层高度为H1的SiO2，在SiO2上为两个脊型波导，中H4+H2为该LN波导的高度，H4为刻蚀深度，在LN与电极间有一层厚度为H3的SiO2，该SiO2是为了减少电极对光信号传输时的影响，在最上层为高度为H5的SiO2层，其中整体波导结构的宽为W2，脊型LN的宽度为W3，Cu电极的宽度为W1，宽度为H6，其中两个脊型波导间间距为Gap，Cu电极与端口2的LN间距为Gc，两个电极间距为Ge，其中输入端口为端口Port1。本发明使用LN为波导芯层，在LN层上有SiO2层，最外侧为空气，其中在波长为1550nm处，LN的非寻常折射率为2.21，LN的寻常折射率为2.14，铌酸锂的电光系数r33为30.9pm/V，电光系数r13为9.6pm/V，SiO2的折射率为1.44，空气的折射率为1。本发明选取W3为1 µm，W2为6 µm，W1为3 µm，Gap为3 µm，Ge为10µm，Gc为1.5 µm，H2为600nm，H4为300nm，刻蚀角度Ө为19°，电压V为0~30V，器件L的为1~2cm。
按照可重构的定向耦合器的上述方案，在其所规定的范围内对波导的参数进行设计。基于光束传播法，通过仿真验证本发明。
图2为本发明中当施加电压为0V与30V时，长度与输出功率间的关系，当施加电压与不施加电压时，波导间的耦合长度间存在差值，当长度为1.81cm时，施加电压为30V，光信号大部分从端口Port1输出，施加电压为0V，即不施加电压，光信号大部分从端口Port2输出。
图3为电压与输出功率所对应的关系，其中当施加电压时，端口Port1的输出功率随着电压的增大而减小，端口Port2的输出功率随着电压的增大而增大。
图4为当波导间距为3µm，电极间距为10µm，器件长度为1.81cm时，不同电压下所对于的耦合效率，插入损耗与消光比，其中（a）为所对应的耦合效率，（b）为所对应插入损耗，（c）为所对应的消光比。当施加的电压为0~30V时，该器件的损耗皆低于0.073dB，当电压为30V时，耦合至输出端口Port1的耦合效率高于0.99，消光比E12高于30dB。
按照上述方案，所述的可重构定向耦合器，其特征在于所述的波导中的额外损耗满足以下线性关系式：
Figure 861215DEST_PATH_IMAGE001
（4）
其中EL为额外损耗，P1out为端口Port1的输出功率，P2out为端口Port2的输出功率，Pin为输入的功率。
按照上述方案，所述的可重构定向耦合器，其特征在于所述的波导中的消光比满足以下关系式：
Figure 146834DEST_PATH_IMAGE002
（5）
其中Pmout为期望输出端口的功率，Pnout为不期望输出端口的功率。
按照上述方案，所述的可重构定向耦合器，其特征在于所述的波导中的耦合效率满足以下关系式：
Figure 260284DEST_PATH_IMAGE003
（6）
其中Pmout为期望输出端口的功率，Pnout为不期望输出端口的功率。
需要说明的是本发明有利于构建可重构的光开关器件。在光通信等光学领域具有较好的潜力。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围内。

Claims (2)

1.本发明提出一种可重构的定向耦合器，如图1所示，在三维空间中，基于Si衬底，在衬底上为一层高度为H1的SiO2，在SiO2上为两个脊型波导，中H4+H2为该LN波导的高度，H4为刻蚀深度，在LN与电极间有一层厚度为H3的SiO2，该SiO2是为了减少电极对光信号传输时的影响，在最上层为高度为H5的SiO2层，其中整体波导结构的宽为W2，脊型LN的宽度为W3，Cu电极的宽度为W1，宽度为H6，其中两个脊型波导间间距为Gap，Cu电极与端口2的LN间距为Gc，两个电极间距为Ge，其中输入端口为端口Port1，本发明使用LN为波导芯层，在LN外有SiO2层，最外侧为空气，其中在波长为1550nm处，光源为TE偏振，LN的非寻常折射率为2.21，LN的寻常折射率为2.14，LN的电光系数r33为30.9pm/V，电光系数r13为9.6pm/V，SiO2的折射率为1.44，空气的折射率为1，本发明选取W3为1 µm，W2为6 µm，W1为3 µm，Gap为3 µm，Ge为10µm，Gc为1.5 µm，H2为600nm，H4为300nm，刻蚀角度Ө为19°，电压V为0~30V，器件长度L为1~2cm。
2.根据权利要求1所述的可重构定向耦合器，其特征在于所述的波导中的额外损耗满足以下线性关系式：
Figure 477698DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中EL为额外损耗，P1out为端口Port1的输出功率，P2out为端口Port2的输出功率，Pin为输入的功率，根据权利要求1所述的可重构定向耦合器，其特征在于所述的波导中的消光比满足以下关系式：
Figure 428337DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中Pmout为期望输出端口的功率，Pnout为不期望输出端口的功率，根据权利要求1所述的可重构定向耦合器，其特征在于所述的波导中的耦合效率满足以下关系式：
Figure 310842DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中Pmout为期望输出端口的功率，Pnout为不期望输出端口的功率，根据权利要求1所述的可重构定向耦合器，特征在于所述的可重构定向耦合器的端口1的输出功率随着电压的增大而增大，端口2的输出功率随着电压的增大而减小，当波导间距为3 µm，电极间距为10µm，器件长度为1.81cm，施加电压为30V时，端口Port1的输出功率达到最大值，其中该位置的损耗为0.053dB，消光比ER12为30.27dB，耦合效率CR1高于0.99，当不施加电压时，端口Port2的输出功率达到最大值，其中该位置的损耗为0.052dB，消光比ER21为35.61dB，耦合效率CR2高于0.99。
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