CN116381858A - 一种宽带不同分光比的1×2集成分光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带不同分光比的1×2集成分光器，包括：输入波导、组合波导、锥形波导、不同宽度的接收波导、输出直波导；其中，所述输入波导、组合波导、锥形波导、宽度不同的锥形波导、输出直波导依次相连。本发明通过使用锥形波导和S形波导组合作为调节输入的第一部分，锥形波导作为光进行稳定传输的区域，和不同宽度的接收波导一起来调节输出的分光比；在保证结构紧凑的同时，实现了插入损耗低，大范围变化的分光比以及在超大带宽内两通道输出强度的小幅度变化。
Description
技术领域
本发明涉及分光器件技术领域，具体涉及一种宽带不同分光比的1×2集成分光器。
背景技术
分光器是构建高密度光子集成回路(PICs)的重要组成部分，1×2多模干涉(MMI)型分光器已经作为基础模块在集成光子芯片中广泛应用。然而在某些特定的应用中，如信号监测、光路反馈和功率分配等，经常需要将光信号分成两个不均匀的部分，主光路负责信号的传输，副光路负责对信号实时的监控，因此分光器能够实现任意不同的分光比则显得十分重要。
当前实现任意不同分光比的1×2集成光子器件设计主要是基于MMI干涉型、Y分支型、反向锥型、反向算法设计型等方式来实现。存在的主要问题有：Y分支型和反向锥型结构由于需要精确控制分光部分的加工而需要高昂的成本，而反向算法设计型的结构算法太过复杂，易受加工精度的误差影响，同时由于引入了复杂的散射结构导致光利用率降低，增加了额外损耗。基于多模干涉型的结构则需要在原有1×2MMI器件的基础上切除部分干涉区域实现非对称分光，虽然能够实现大范围分光比变化，但是由于改变了边界条件会额外增加损耗，另外由于非对称结构主要在干涉区域中，会导致器件的分光比难以在大带宽下保证小幅度波动，因此不利于更广泛的应用。
而对于构建超高密度光子集成回路(PICs)，实现低损耗、大带宽以及具有任意不同分光比的1×2集成光子器件是非常重要的，未来可能会广泛应用到光开关、光调制器、光复用器、光相控阵等集成光子回路中的复杂模块上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低损耗、大带宽、能够实现任意分光比调节的1×2集成分光器，在保证结构紧凑的同时，解决插入损耗高，分光比变化范围小，工作带宽小、难于加工等问题。
实现上述目的的技术方案是：
一种宽带不同分光比的1×2集成分光器，包括输入波导、组合波导、锥形波导、不同宽度接收波导、输出直波导；其中，所述输入波导、组合波导、锥形波导、不同宽度接收波导、输出直波导依次相连；所述的组合波导由锥形波导和S形波导组成，利用组合波导将输入到结构中的光进行初步调节实现非对称输入，通过后续锥形波导将该光进行稳定传输，并使光的传输角度匹配相连的不同宽度接收波导后由直波导输出，以此实现低损耗、大带宽范围下的不同分光比输出。
进一步的，所述组合波导作为第一级调节不同分光比的结构，锥形波导作为后续稳定光传输的结构，并与不同宽度接收波导组合实现不同分光比的输出。
进一步的，在分光比较小时，组合波导主要靠锥形波导进行光的非对称性调节，当分光比较大时，主要靠组合波导中的S形波导进行调节。
进一步的，所述锥形波导用于保证光在结构中低损传输，且光在分光较强一侧的接收波导中传输时满足正入射条件。
进一步的，所述不同宽度接收波导的长度不仅满足波导模式之间绝热渐变转换的条件，还可以通过增加固定的长度来调节两通道之间的耦合实现分光比范围的增大。
进一步的，所述分光器可以在不同分光比下情况下，在更大的带宽内实现两通道能量的小幅度波动。
进一步的，所述分光器在分光比50％：50％到75％:25％之间时，可以保证两通道之间的相位差值低于20°；在分光比下50％：50％到98％:2％之间时，两通道之间的相位差值低于160°。
本发明的有益效果如下：
利用发明一种宽带不同分光比的1×2集成分光器，通过组合波导将输入到结构中的光进行初步调节实现非对称输入，通过后续锥形波导将该光进行稳定传输，并使光的传输角度匹配相连的不同宽度接收波导后由直波导输出，在保证结构紧凑的同时，实现了插入损耗低，大范围变化的不同分光比以及在超大带宽内两通道输出强度的小幅度变化。所述结构和非对称性1×2多模干涉器件(MMI)相比，可以在较低的损耗下实现更宽范围的分光比变化；和非对称Y型分支结构以及基于反向设计算法设计的结构相比，器件设计更加简单，加工也相对容易。
附图说明
图1为1×2不同分光比的分光器的结构示意图；
图2为1×2分光器的参数示意图和组合波导示意图；
图3为1×2分光器中组合波导进行不同分光比调节的示意图；
图4为1×2分光器中1550nm时两通道强度随着偏移量的变化关系图；
图5为1×2分光器中不同分光比时输出总强度随着波长的变化关系图；
图6为1×2分光器中不同分光比时输出总强度的比值随着波长的变化关系图；
图7为1×2分光器中不同分光比时输出通道的相位差值随着波长的变化关系图。
图中标记：1-输入直波导；2-组合波导；3-锥形波导；4-不同宽度接收波导；5-输出直波导。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
本发明基于常规的1×2MMI干涉型结构进行设计，通过使用锥形波导和S形波导组合作为调节输入的第一部分，结合锥形波导和不同宽度的接收波导来调节输出的分光比，不仅能在实现任意不同分光比的同时保持器件的低插入损耗，还可以在超大带宽内保证分光比的小幅度波动。
请参阅图1-3，本发明的分光型结构包括作为输入波导的输入直波导1、作为第一级锥形波导的组合波导2、作为第二级锥形波导的锥形波导3、作为第三级锥形波导的不同宽度接收波导4、作为输出波导的输出直波导5。其中，所述输入直波导、第一级锥形波导、第二级锥形波导、第三级锥形波导、输出直波导依次相连。
本实施例中，所述结构设计使用的材料为氮化硅薄膜材料，芯层折射率为2，包层折射率为1.4431；所述单模矩形波导尺寸为1.2um×250nm。材料和波导构型不仅限于氮化硅的设计，还可以选择其它材料，此处仅为示例说明。
如图2所示，组合波导2中锥形波导宽Wot1为1.95um，S形波导宽度width为单模波导的宽度1.2um，长度L1为6um；锥形波导3起始段宽度Wot2为3.25um，末端宽度Wot3为5.15um，长度L2为10.8um；不同宽度接收波导4中左侧部分起始段宽度为Wout1，末端宽度为width，右侧部分起始段宽度为Wout2，末端宽度为width，长度均为Lout，两者之间的间隔为gap；组合波导中S形波导偏移量用offset表示，锥形波导偏移量用offset2表示。
具体实施方式如下：
由光源输入的光经光纤透镜直接耦合到单模输入波导中去，组合波导作为实现分光比调节的第一级结构，当偏移量大于零时呈现非对称性，输入光开始偏向偏移的方向，因为组合波导尺寸较小且结构间平滑过渡，因此光在组合波导中是渐渐变向的，这既起到了对光的调控作用，同时减少了由于结构突变造成的损耗。
特别地，所述组合波导是由锥形波导和S形波导共同组成；锥形波导在光子器件中常用来减小光束的发散角，降低器件的插入损耗，而S形波导常用来实现波导间距变化间的无损转换，因为无损传输时需要保证弯曲半径大于该波导构型最小的弯曲半径，因此S形波导一般都比较大，而本发明中的S形波导则不需要考虑该细节，尺寸相对较小，仅保留其结构信息并将其作为调节输入的一部分。S形波导与锥形波导组合后是实现不同分光比的重要结构，同时该组合波导也是能实现超大带宽分光比稳定性的重要因素。
特别地，在分光比较小时，组合波导主要靠锥形波导进行光的非对称性偏转，当分光比较大时，锥形波导会因为将光偏折太大导致更多损耗，此时主要靠组合波导中的S形波导进行调控，S形波导在光方向偏折较大时通过缓变的边界条件使光回转向原来方向，由于结构是光滑渐变的，因此保证了光在结构中逐渐过渡到锥形波导3中去。
特别地，如附图3所示，组合波导中锥形波导的调节是通过将锥形波导的末端进行偏移来完成的，在进行不同分光比调节的过程中，保证此处锥形波导的两端宽度和长度不变，仅移动末端相对于初始端的中心轴线的距离offset2来完成，而S形波导在调节过程中也保证前后两端宽度和长度不变，轴线偏移的距离用offset来表示，offset2＝offset/2。
特别地，本发明结构中选用S形波导是为了将光在传输过程中缓缓转向，因为S形波导在末端会将入射光逐渐转回原来方向，在锥形波导3中传输后，由于光输入的位置处在锥形波导中心的另一侧，因此实现了光包络的偏向。
特别地，锥形波导3在本发明结构中的作用是为了将光包络进行稳定传输，并使光的传输角度匹配相连的不同宽度接收波导；同时也为了能够将更多的光局域到结构中去，因为增大了光在边界上的入射角，从而增强了光在边界的反射率，减少了因透射而引起的损耗；随着光在锥形波导3中传输，光在接触该锥形波导边界反射后正入射到相连的较宽一侧的不同宽度的接收波导4中去；为了避免激发不同宽度接收波导的高阶模式，减少模式不匹配引起的损耗，因此该锥形波导的末端宽度和长度需要特殊设计以保证光输出的角度呈正入射条件。
所述的不同宽度接收波导是为了实现不同分光比而设计的，由于光包络经锥形波导3输出后会呈现非对称性，因此可以利用不同宽度的锥形接收波导将光进行耦合后输出，此时需要保证锥形波导足够长来满足模式之间的绝热渐变转化条件，否则将引入额外的损耗。
特别的，与非对称性1×2MMI结构中的不同宽度锥形波导作用相比，本发明中不同宽度接收波导的长度不仅满足波导模式之间绝热渐变转换的条件，还可以通过增加固定的长度来调节两通道之间的耦合实现分光比范围的增大；由于光弱的一侧在经过锥形波导3的边界反射后并不能完全匹配较窄一侧的锥型波导的模式，因此会在该接收波导中呈现非对称性的干涉加强，而两个不同宽度的锥形波导之间的间距是逐渐增大的，因此两个波导之间的耦合系数逐渐变弱，在本发明结构中，光弱的一侧在进入接收波导后会在靠近较宽锥形波导的一侧干涉增强，而光强的一侧则由于光模式匹配，干涉最强的地方一直保持在中心附近，经过耦合后会把较弱一侧的光耦合到较强的一侧中去，从效果上来说增强了分光比的范围；因此需要特殊设计不同宽度接收波导的宽度和长度以及两者之间的间距。
特别地，由于本发明是通过利用组合波导来实现光的逐渐变向，组合波导尺寸较小，因此调节组合波导的偏移量只改变了整体光束输入方向，未引入其他影响光束发散方向的操作，同时在后续的结构设计中也保证了光的稳定传输，避免了额外损耗的引入，因此相对于其它设计，本发明可以在更宽的范围实现不同分光比下两通道能量的小幅度波动；根据仿真软件Rsoft的计算结果，在分光比为90:10时，两通道能量至少在200nm范围内波动不超过1dB，且损耗均低于0.2dB，远优于其它的设计。在输入光源为1550nm时，1×2分光器中两通道强度随着偏移量的变化关系如图4所示。
特别地，分光比为50％:50％时整体结构是对称的，此时S形波导因为偏移量为0，为直波导；在获得其它任意不同分光比时组合波导开始呈现非对称性，与后续的锥形波导以及不同宽度的接收波导组合起来实现不同强度的输出。所述结构在分光比50％:50％到75％:25％之间变化时，可以保证两通道之间的相位差值低于20°。在分光比50％:50％到98％:2％之间变化时，两通道之间的相位差值不超过160°。在不同分光比的情况下1×2分光器的两输出通道的相位差值随着波长的变化关系如图7所示。
通过组合波导将输入到结构中的光进行初步调节实现非对称输入，利用后续锥形波导将该光进行稳定传输，并使光的传输角度匹配相连的不同宽度接收波导后由直波导输出，在保证结构紧凑的同时，实现了插入损耗低，大范围变化的不同分光比以及在超大带宽内两通道输出强度的小幅度变化。在不同分光比的情况下1×2分光器输出总强度随着波长的变化关系如图5所示；在不同分光比的情况下1×2分光器两通道输出强度的比值随着波长的变化关系如图6所示；所述结构相比于非对称性1×2多模干涉器件(MMI)来说，可以在较低的损耗下实现更宽范围的分光比变化；和非对称Y型分支结构以及基于反向设计算法设计的结构相比，器件设计更加简单，加工也相对容易。
综上所述，本发明公开了一种低损耗、大带宽、具有任意不同分光比的1×2集成分光器。主要包括：输入波导、组合波导、锥形波导、不同宽度的接收波导、输出直波导；其中，所述输入波导、组合波导、锥形波导、宽度不同的锥形波导、直波导依次相连。本发明通过使用锥形波导和S形波导组合作为调节输入的第一部分，锥形波导作为光进行稳定传输的区域，和不同宽度的接收波导一起来调节输出的分光比；在保证结构紧凑的同时，实现了插入损耗低，大范围变化的分光比以及在超大带宽内两通道输出强度的小幅度变化。
以上实例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应有各权利要求所限定。
Claims (7)
1.一种宽带不同分光比的1×2集成分光器，其特征在于，包括输入波导、组合波导、锥形波导、不同宽度接收波导、输出直波导；其中，所述输入波导、组合波导、锥形波导、不同宽度接收波导、输出直波导依次相连；所述的组合波导由锥形波导和S形波导组成，通过组合波导将输入到结构中的光进行初步调节实现非对称输入，通过后续锥形波导将该光进行稳定传输，并使光的传输角度匹配相连的不同宽度接收波导后由直波导输出，以此实现低损耗、大带宽范围下的不同分光比输出。
2.根据权利要求1所述的一种宽带不同分光比的1×2集成分光器，其特征在于，所述组合波导作为第一级调节不同分光比的结构，锥形波导作为稳定后续光传输的区域，并与不同宽度接收波导组合进行不同分光比的输出。
3.根据权利要求1所述的一种宽带不同分光比的1×2集成分光器，其特征在于，在分光比较小时，组合波导主要靠锥形波导进行光的非对称性调节，当分光比较大时，主要靠组合波导中的S形波导进行调节。
4.根据权利要求1所述的一种宽带不同分光比的1×2集成分光器，其特征在于，所述锥形波导用于保证光在结构中低损传输，且光在分光较强一侧的接收波导中呈正入射条件。
5.根据权利要求1所述的一种宽带不同分光比的1×2集成分光器，其特征在于，所述不同宽度接收波导的长度不仅满足波导模式之间绝热渐变转换的条件，还可以通过增加固定的长度来调节两通道之间的耦合实现分光比范围的增大。
6.根据权利要求1所述的一种宽带不同分光比的1×2集成分光器，其特征在于，所述分光器可以在不同分光比下情况下，在更大的带宽内实现两通道能量的小幅度波动。
7.根据权利要求1所述的一种宽带不同分光比的1×2集成分光器，其特征在于，所述分光器在分光比50％：50％到75％:25％之间时，可以保证两通道之间的相位差值低于20°；在分光比50％：50％到98％:2％之间时，两通道之间的相位差值低于160°。
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