CN116774351A - 一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法 - Google Patents
一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116774351A CN116774351A CN202311053847.1A CN202311053847A CN116774351A CN 116774351 A CN116774351 A CN 116774351A CN 202311053847 A CN202311053847 A CN 202311053847A CN 116774351 A CN116774351 A CN 116774351A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- waveguide
- lithium niobate
- output waveguide
- output
- optical power
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 75
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 57
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 21
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000012792 core layer Substances 0.000 claims abstract description 20
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 10
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 10
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 2
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 230000006870 function Effects 0.000 description 7
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 7
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/125—Bends, branchings or intersections
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B2006/12035—Materials
- G02B2006/1204—Lithium niobate (LiNbO3)
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B2006/12133—Functions
- G02B2006/12154—Power divider
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本申请涉及一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法，光功率分配器包括：二氧化硅衬底、薄膜铌酸锂芯层以及上包层；薄膜铌酸锂芯层包括功率分配设计区，功率分配设计区连接有输入波导、第一输出波导、第二输出波导以及第三输出波导，输入波导、第一输出波导、第二输出波导以及第三输出波导中均包括宽度线性渐变楔形波导区域；上述基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法，用于控制光信号的传输方向，器件与器件之间的光耦合，以及光功率的分配，对于提高光互联网络的集成度也有积极作用，解决了铌酸锂平台上功率分配器研究有限，尺寸大的问题。
Description
技术领域
本申请涉及微纳光电子元器件技术领域，特别是涉及一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法。
背景技术
铌酸锂由于其优异的非线性光学特性、宽的透明范围和铁电特性，是非线性光子学的理想材料。周期性极化铌酸锂（PPLN）波导，其中周期性畴反转允许准相位匹配（QPM）二阶非线性光学参数振荡、光子对生成和超连续谱生成。由于非线性相互作用的强度与光强度成正比，因此使用具有强光学约束的高对比度波导可以极大地提高非线性光学效率。不幸的是，传统的PPLN波导是基于折射率对比度是约为0.02的弱约束波导，导致非线性相互作用强度较低。因此，传统的PPLN器件需要长的相互作用长度才能获得高的转换效率，这使得大规模的光子集成电路难以实现。近年来，薄膜铌酸锂（TFLN）由于TFLN波导提供的高折射率对比度，已成为紧凑和高性能光学调制器和非线性光学器件的一个有吸引力的平台。基于TFLN的PPLN器件已被证明在非线性光学效率和器件足迹方面都优于传统器件。
在光互联网络中，有时需要控制光信号的传输方向，器件与器件之间的光耦合，以及光功率的如何分配问题。所以在一个完整的光网络中，需要大量的无源光器件来实现需要的耦合及分配。功率分配器作为一种应用于光通信系统、光纤到户等领域的常见光学器件，广泛应用于信号监测、信号反馈、功率分配、无源光网络等领域。不同应用场景对光功率分配器输出端口的输出功率比要求也不同，而输出功率比可用功率分配比来表征。
目前基于TFLN平台的功率分配器的研究非常有限，设计、开发尺寸紧凑、功率分配比精确、损耗小的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器是十分重要和迫切的。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法。
第一方面，本申请提供了一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，所述光功率分配器包括：
二氧化硅衬底，在所述二氧化硅衬底上方设有呈十字交叉结构的薄膜铌酸锂芯层，在所述薄膜铌酸锂芯层上方设有上包层；
所述薄膜铌酸锂芯层包括功率分配设计区，所述功率分配设计区连接有输入波导、第一输出波导、第二输出波导以及第三输出波导，所述输入波导、第一输出波导、第二输出波导以及所述第三输出波导中均包括单模波导区域、宽度线性渐变楔形波导区域、多模波导区域；
其中，所述上包层使用材料的折射率低于铌酸锂。
在其中一个实施例中，所述光功率分配器包括：
所述功率分配设计区包括预设数量的矩形单元，所述矩形单元的状态为刻蚀或不刻蚀；
当所述矩形单元处于刻蚀状态时，所述矩形单元使用低折射率材料，所述矩形单元的刻蚀深度与薄膜铌酸锂芯层的厚度相同；
当所述矩形单元处于不刻蚀状态时，所述矩形单元使用铌酸锂材料。
在其中一个实施例中，所述输入波导包括：
输入波导的单模波导区域、输入波导的宽度线性渐变楔形波导区域和输入波导的多模波导区域。
在其中一个实施例中，所述第一输出波导包括：
第一输出波导的单模波导区域、第一输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域和第一输出波导的多模波导区域。
在其中一个实施例中，所述第二输出波导包括：
第二输出波导的单模波导区域、第二输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域和第二输出波导的多模波导区域。
在其中一个实施例中，所述第三输出波导包括：
第三输出波导的单模波导区域、第三输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域和第三输出波导的多模波导区域。
在其中一个实施例中，所述宽度线性渐变楔形波导区域包括连接单模波导区域的第一端以及连接多模波导区域的第二端。
第二方面，本申请还提供了一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器的设计方法，应用于所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，所述设计方法，包括：
将薄膜铌酸锂芯层中隶属于功率分配器内的所有矩形单元均处于不刻蚀状态的初始状态，计算处于所述初始状态下的光功率分配器的初始品质因子；
对所有矩形单元逐个进行改变所述矩形单元状态的预设操作，计算所述预设操作后的新品质因子，将所述新品质因子与所述初始品质因子进行对比；
若所述新品质因子大于所述初始品质因子，则保持所述矩形单元的状态为改变后的状态，基于所述新品质因子对所述初始品质因子进行赋值；
若所述新品质因子不大于所述初始品质因子，则设置所述矩形单元的状态调整为改变前的状态；
重复执行所述预设操作，直至所述初始品质因子停止增大或达到预设的终止迭代次数。
在其中一个实施例中，所述预设操作，包括：
若所述矩形单元处于不刻蚀状态，将所述矩形单元调整为刻蚀状态；
若所述矩形单元处于刻蚀状态，将所述矩形单元调整为不刻蚀状态。
在其中一个实施例中，所述设计方法，还包括：
针对从输入波导的单模波导区域输入的光，按照不同的比例分别从所述输入波导的第一输出波导的单模波导区域、所述输入波导的第二输出波导的单模波导区域输出。
上述基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法，用于控制光信号的传输方向，器件与器件之间的光耦合，以及光功率的分配，对于提高光互联网络的集成度也有积极作用，解决了铌酸锂平台上功率分配器研究有限，尺寸大的问题。
附图说明
图1是根据本申请提出的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器芯层十字交叉波导的整体结构示意图；
图2为图1中A-A处的剖视图；
图3（a）是根据实施例1示出的分光比例0：1的光功率分配器的功率分配设计区域结构示意图；
图3（b）是1550 nm波长下，实施例1示出的光功率分配器的场分布模拟结果示意图；
图4（a）是根据实施例2示出的分光比例1：1的光功率分配器的功率分配设计区域结构示意图；
图4（b）是1550 nm波长下，实施例2示出的光功率分配器的场分布模拟结果示意图；
图5（a）是根据实施例3示出的分光比例1：2的光功率分配器的功率分配设计区域结构示意图；
图5（b）是1550 nm波长下，实施例3示出的光功率分配器的场分布模拟结果示意图；
图6（a）是根据实施例4示出的分光比例1：3的光功率分配器的功率分配设计区域结构示意图；
图6（b）是1550 nm波长下，实施例4示出的光功率分配器的场分布模拟结果示意图；
图7（a）是根据实施例5示出的分光比例1：4的光功率分配器的功率分配设计区域结构示意图；
图7（b）是1550 nm波长下，实施例5示出的光功率分配器的场分布模拟结果示意图。
附图标记：
1、二氧化硅衬底；2、薄膜铌酸锂芯层；3、上包层；11、输入波导的单模波导区域；12、第一输出波导的单模波导区域；13、第二输出波导的单模波导区域；14、第三输出波导的单模波导区域；21、输入波导的宽度线性渐变楔形波导区域；22、第一输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域；23、第二输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域；24、第三输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域；31、输入波导的多模波导区域；32、第一输出波导的多模波导区域；33、第二输出波导的多模波导区域；34、第三输出波导的多模波导区域；44、功率分配设计区域。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例提出了一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，包括：
二氧化硅衬底1，在二氧化硅衬底上方设有呈十字交叉结构的薄膜铌酸锂芯层2，在薄膜铌酸锂芯层上方设有上包层3；薄膜铌酸锂芯层2包括功率分配设计区，功率分配设计区连接有输入波导、第一输出波导、第二输出波导以及第三输出波导，输入波导、第一输出波导、第二输出波导以及第三输出波导中均包括单模波导区域、宽度线性渐变楔形波导区域、多模波导区域；上包层3使用材料的折射率低于铌酸锂。
本申请提出的呈十字交叉结构的薄膜铌酸锂芯层2结构示意图如图1所示，包括：输入波导的单模波导区域11、第一输出波导的单模波导区域12、第二输出波导的单模波导区域13、第三输出波导的单模波导区域14，输入波导的宽度线性渐变楔形波导区域21、第一输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域22、第二输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域23、第三输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域24，输入波导的多模波导区域31、第一输出波导的多模波导区域32、第二输出波导的多模波导区域33、第三输出波导的多模波导区域34、功率分配设计区域44。其中图2为图1中A-A处的剖视图，包括二氧化硅衬底1、薄膜铌酸锂芯层2和上包层3。
其中，输入波导的单模波导区域11、输入波导的宽度线性渐变楔形波导区域21和输入波导的多模波导区域31组成输入波导；第一输出波导的单模波导区域12、第一输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域22和第一输出波导的多模波导区域32组成第一输出波导；第二输出波导的单模波导区域13、第二输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域23和第二输出波导的多模波导区域33组成第二输出波导；第三输出波导的单模波导区域14、第三输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域24和第三输出波导的多模波导区域34组成第三输出波导。
其中，输入波导、第一输出波导、第二输出波导和第三输出波导的形状完全一样，只是摆放的位置不同。
功率分配设计区域44被划分为M×N个矩形单元，矩形单元的状态为刻蚀或不刻蚀，刻蚀深度与顶层硅的厚度相同，当矩形单元处于刻蚀状态时，内部材料为低折射率材料；当矩形单元处于不刻蚀状态时，内部材料为铌酸锂，此处M、N的取值为正整数。
具体地，输入波导输入光的波长为1550 nm，也可以根据实际情况调整输入光的波长或者波长范围。铌酸锂采用x切铌酸锂，其在1550 nm波长下，o光折射率为2.20，e光折射率为2.14。输入波导、第一输出波导、第二输出波导和第三输出波导的单模波导区域宽度为1 μm，多模波导区域宽度为2.6 μm。
宽度线性渐变楔形波导区域作为连接单模波导区域和多模波导区域的区域，窄的一端宽度与单模波导区域宽度相同，为1 μm，宽的一端宽度与多模波导区域宽度相同，为2.6 μm。宽度线性渐变楔形波导区域长度为8 μm，多模波导区域长度为6 μm。
二氧化硅衬底1的厚度为4.7 μm，薄膜铌酸锂芯层2的厚度为600 nm，功率分配设计区域44为边长2.6μm的正方形，矩形单元为边长130nm的正方形，功率分配设计区域44被划分为20×20个矩形单元。低折射率材料在本实施例中为空气，器件的制作可以通过单步刻蚀实现，不需要额外生长上包层。
在本实施例中，功率分配设计区域44中所有的矩形单元均处于不刻蚀状态，如附图3（a）所示。此时，从输入波导的单模波导区域11输入的TE0光，全部从第二输出波导的单模波导区域13输出，如附图3（b）所示，器件整体的透射率大于98.3%，可以实现以0：1的功率分配比从第一输出波导和第二输出波导输出的功率分配功能。
实施例2：
在实施例1的基础上，通过品质因子对功率分配设计区域44中矩形单元的状态进行设置，实现目标分光比。
在本实施例中，即从输入波导的单模波导区域11输入的TE0光，按照1：1的比例分别从第一输出波导的单模波导区域12和第二输出波导的单模波导区域13输出。根据想要实现的器件功能来定义合适的品质因子（figure of merit，FOM）用于评价器件的性能。
通过品质因子设置功率分配设计区域44中矩形单元的状态包括：
1）设置所有矩形单元均处于不刻蚀状态为初始状态，计算初始状态下光功率分配器的初始品质因子（figure of merit，FOM），记作FOMmax。
2）从第一个矩形单元开始，对所有矩形单元依次进行如下操作：
改变矩形单元的状态：若矩形单元原本处于不刻蚀状态，则改变至刻蚀状态；反之，若矩形单元原本处于刻蚀状态，则改变至不刻蚀状态，并计算新品质因子temp。将新品质因子temp与初始品质因子FOMmax进行比较，若新品质因子temp大于初始品质因子FOMmax，则保持矩形单元的状态为改变后的状态，并将新品质因子temp赋值给初始品质因子FOMmax；反之则设置矩形单元的状态为改变前的状态。
3）重复执行步骤2），直至FOMmax不再增大或达到预设的迭代次数。
具体地，当结束400个矩形单元的计算后，称为一次迭代结束，之后再重复步骤2），进行多次迭代后，当FOMmax不再增大时输出的器件图形如图4（a）所示。
具体地，矩形单元的状态变换、FOM的计算、比较，均借助编程语言Python，采用光学仿真软件Lumerical中的三维有限时域差分（3D-FDTD）功能实现。
在本实施例中，初始品质因子。
其中，t1和t2为两条选定的输出波导输出的基模的归一化透射率，x1:x2为期望的两条选定的输出波导输出的基模的透射率比（即功率分配比）。FOM整体上由两部分组成，用于评价实际功率分配比距离期望功率分配比的误差，当偏离越多时，整体数值越大；反之，整体数值越小。当实际功率分配比与期望功率分配比相等时，该项数值为0，用于评价功率分配器的整体损耗，当器件损耗越小时，t1+t2越接近1，整体数值越接近1。理想的情况下，FOM数值等于1。
需要注意的是，上段中进行解释的“x1:x2”与公式中出现的中的计算顺序并不一致，之所以使用“x1:x2”的表述方式，是为了与后文中出现的“1：1”、“1：2”、“1：3”、“1：4”等示例中的表述顺序一致。
具体地，为了实现1：1的光功率分配功能，x1和x2的取值均为1。
在1550nm波长下，当TE0光从输入波导的单模波导区域11输入时，光功率分配器中场分布模拟结果如附图4（b）所示。可以看到从输入波导的单模波导区域11沿x轴正方向输入的TE0光，依次经过输入波导的宽度线性渐变楔形波导区域21和输入波导的多模波导区域31后，传输至功率分配设计区域44处，通过优化好的功率分配设计区域44，单束TE0光被分解为双束TE0光，分别从第一输出波导和第二输出波导的多模区域输出，并经过相应的宽度线性渐变楔形波导区域，最终从第一输出波导的单模波导区域12和第二输出波导的单模波导区域13输出。从第一输出波导的单模波导区域12和第二输出波导的单模波导区域13输出的TE0光的透射率分别为39.8%和39.5%。模拟结果表明设计得到的光功率分配器实现了预期的1：1比例的分光功能，证明了设计的可行性。
实施例3：
本实施例与实施例2提供的技术方案基本相同，不同之处在于，在本实施例中，实现的是从输入波导的单模波导区域11输入的TE0光，按照1：2的比例分别从第一输出波导的单模波导区域12和第二输出波导的单模波导区域13输出。相应地，在本实施例中，为了实现1：2的光功率分配功能，x1的取值均为1，x2的取值为2。
该实施例中最终计算得到的光功率分配器如附图5（a）所示。在1550nm波长下，当TE0光从输入波导的单模波导区域11输入时，光功率分配器中场分布模拟结果如附图5（b）所示。可以看到从输入波导的单模波导区域11沿x轴正方向输入的TE0光，依次经过输入波导的宽度线性渐变楔形波导区域21和输入波导的多模波导区域31后，传输至功率分配设计区域44处，通过优化好的功率分配设计区域44，单束TE0光被分解为双束TE0光，分别从第一输出波导和第二输出波导的多模区域输出，并经过相应的宽度线性渐变楔形波导区域，最终从第一输出波导的单模波导区域12和第二输出波导的单模波导区域13输出。从第一输出波导的单模波导区域12和第二输出波导的单模波导区域13输出的TE0光的透射率分别为23.3%和46.4%。模拟结果表明设计得到的光功率分配器实现了预期的1：2比例的分光功能，进一步证明了设计的可行性。
实施例4：
本实施例与实施例2提供的技术方案基本相同，不同之处在于在本实施例中，实现的是从输入波导的单模波导区域11输入的TE0光，按照1：3的比例分别从第一输出波导的单模波导区域12和第二输出波导的单模波导区域13输出。
相应地，在本实施例中，为了实现1：3的光功率分配功能，x1的取值均为1，x2的取值为3。
该实施例中最终计算得到的光功率分配器如附图6（a）所示。在1550nm波长下，当TE0光从输入波导的单模波导区域11输入时，光功率分配器中场分布模拟结果如附图6（b）所示。可以看到从输入波导的单模波导区域11沿x轴正方向输入的TE0光，依次经过输入波导的宽度线性渐变楔形波导区域21和输入波导的多模波导区域31后，传输至功率分配设计区域44处，通过优化好的功率分配设计区域44，单束TE0光被分解为双束TE0光，分别从第一输出波导和第二输出波导的多模区域输出，并经过相应的宽度线性渐变楔形波导区域，最终从第一输出波导的单模波导区域12和第二输出波导的单模波导区域13输出。从第一输出波导的单模波导区域12和第二输出波导的单模波导区域13输出的TE0光的透射率分别为22.4%和67.0%。模拟结果表明设计得到的光功率分配器实现了预期的1：3比例的分光功能，进一步证明了设计的可行性。
实施例5：
本实施例与实施例2提供的技术方案基本相同，不同之处在于在本实施例中，实现的是从输入波导的单模波导区域11输入的TE0光，按照1：4的比例分别从第一输出波导的单模波导区域12和第二输出波导的单模波导区域13输出。
相应地，在本实施例中，为了实现1：4的光功率分配功能，x1的取值均为1，x2的取值为4。
该实施例中最终计算得到的光功率分配器如附图7（a）所示。在1550nm波长下，当TE0光从输入波导的单模波导区域11输入时，光功率分配器中场分布模拟结果如附图7（b）所示。可以看到从输入波导的单模波导区域11沿x轴正方向输入的TE0光，依次经过输入波导的宽度线性渐变楔形波导区域21和输入波导的多模波导区域31后，传输至功率分配设计区域44处，通过优化好的功率分配设计区域44，单束TE0光被分解为双束TE0光，分别从第一输出波导和第二输出波导的多模区域输出，并经过相应的宽度线性渐变楔形波导区域，最终从第一输出波导的单模波导区域12和第二输出波导的单模波导区域13输出。从第一输出波导的单模波导区域12和第二输出波导的单模波导区域13输出的TE0光的透射率分别为18.0%和71.7%。模拟结果表明设计得到的光功率分配器实现了预期的1：4比例的分光功能，进一步证明了设计的可行性。
需要说明的是，上述实施例中涉及到的诸多尺寸参数仅为说明使用，可根据实际情况和要求进行调整，本申请不对其进行限制。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，其特征在于，所述光功率分配器包括：
二氧化硅衬底，在所述二氧化硅衬底上方设有呈十字交叉结构的薄膜铌酸锂芯层，在所述薄膜铌酸锂芯层上方设有上包层；
所述薄膜铌酸锂芯层包括功率分配设计区，所述功率分配设计区连接有输入波导、第一输出波导、第二输出波导以及第三输出波导，所述输入波导、第一输出波导、第二输出波导以及所述第三输出波导中均包括单模波导区域、宽度线性渐变楔形波导区域、多模波导区域；
其中，所述上包层使用材料的折射率低于铌酸锂。
2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，其特征在于，所述光功率分配器包括：
所述功率分配设计区包括预设数量的矩形单元，所述矩形单元的状态为刻蚀或不刻蚀；
当所述矩形单元处于刻蚀状态时，所述矩形单元使用低折射率材料，所述矩形单元的刻蚀深度与薄膜铌酸锂芯层的厚度相同；
当所述矩形单元处于不刻蚀状态时，所述矩形单元使用铌酸锂材料。
3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，其特征在于，所述输入波导包括：
输入波导的单模波导区域、输入波导的宽度线性渐变楔形波导区域和输入波导的多模波导区域。
4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，其特征在于，所述第一输出波导包括：
第一输出波导的单模波导区域、第一输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域和第一输出波导的多模波导区域。
5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，其特征在于，所述第二输出波导包括：
第二输出波导的单模波导区域、第二输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域和第二输出波导的多模波导区域。
6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，其特征在于，所述第三输出波导包括：
第三输出波导的单模波导区域、第三输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域和第三输出波导的多模波导区域。
7.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，其特征在于，所述宽度线性渐变楔形波导区域包括连接单模波导区域的第一端以及连接多模波导区域的第二端。
8.一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器的设计方法，应用于权利要求1至7任一项所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，其特征在于，所述设计方法，包括：
将薄膜铌酸锂芯层中隶属于功率分配器内的所有矩形单元均处于不刻蚀状态的初始状态，计算处于所述初始状态下的光功率分配器的初始品质因子；
对矩形单元逐个进行改变状态的预设操作，计算所述预设操作后的新品质因子，将所述新品质因子与所述初始品质因子进行对比；
若所述新品质因子大于所述初始品质因子，则保持所述矩形单元的状态为改变后的状态，基于所述新品质因子对所述初始品质因子进行赋值；
若所述新品质因子不大于所述初始品质因子，则设置所述矩形单元的状态调整为改变前的状态；
重复执行所述预设操作，直至所述初始品质因子停止增大或达到预设的终止迭代次数。
9.根据权利要求8所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器的设计方法，其特征在于，所述预设操作，包括：
若所述矩形单元处于不刻蚀状态，将所述矩形单元调整为刻蚀状态；
若所述矩形单元处于刻蚀状态，将所述矩形单元调整为不刻蚀状态。
10.根据权利要求8所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器的设计方法，其特征在于，所述设计方法，还包括：
针对从输入波导的单模波导区域输入的光，按照不同的比例分别从所述输入波导的第一输出波导的单模波导区域、所述输入波导的第二输出波导的单模波导区域输出。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311053847.1A CN116774351A (zh) | 2023-08-21 | 2023-08-21 | 一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311053847.1A CN116774351A (zh) | 2023-08-21 | 2023-08-21 | 一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116774351A true CN116774351A (zh) | 2023-09-19 |
Family
ID=87991589
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311053847.1A Pending CN116774351A (zh) | 2023-08-21 | 2023-08-21 | 一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116774351A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117008251A (zh) * | 2023-10-07 | 2023-11-07 | 之江实验室 | 垂直交叉波导及其形成方法、光子集成电路 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130259425A1 (en) * | 2012-03-30 | 2013-10-03 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Optical device |
| CN106980153A (zh) * | 2017-04-19 | 2017-07-25 | 浙江工业大学 | 一种基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的制作方法 |
| CN113204076A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-08-03 | 南京刻得不错光电科技有限公司 | 光子器件、交叉波导及其波导层 |
| CN113238319A (zh) * | 2021-05-11 | 2021-08-10 | 中国人民解放军国防科技大学 | 任意方向和通道的超紧凑功率分束器 |
| CN114578485A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-06-03 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种双模式功率分束器 |
| CN115390189A (zh) * | 2022-10-31 | 2022-11-25 | 之江实验室 | 一种基于伴随法的平面光交叉波导 |
| CN116088096A (zh) * | 2022-12-09 | 2023-05-09 | 之江实验室 | 一种双入双出模式转换器及设计方法 |
| CN116203742A (zh) * | 2023-03-10 | 2023-06-02 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种基于相变材料的非对称mmi功率分配器 |
| CN116224491A (zh) * | 2023-05-10 | 2023-06-06 | 之江实验室 | 狭缝交叉光波导及光学传感器件 |
| CN116540354A (zh) * | 2023-04-28 | 2023-08-04 | 南京理工大学 | 基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器 |
-
2023
- 2023-08-21 CN CN202311053847.1A patent/CN116774351A/zh active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130259425A1 (en) * | 2012-03-30 | 2013-10-03 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Optical device |
| CN106980153A (zh) * | 2017-04-19 | 2017-07-25 | 浙江工业大学 | 一种基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的制作方法 |
| CN113238319A (zh) * | 2021-05-11 | 2021-08-10 | 中国人民解放军国防科技大学 | 任意方向和通道的超紧凑功率分束器 |
| CN113204076A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-08-03 | 南京刻得不错光电科技有限公司 | 光子器件、交叉波导及其波导层 |
| CN114578485A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-06-03 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种双模式功率分束器 |
| CN115390189A (zh) * | 2022-10-31 | 2022-11-25 | 之江实验室 | 一种基于伴随法的平面光交叉波导 |
| CN116088096A (zh) * | 2022-12-09 | 2023-05-09 | 之江实验室 | 一种双入双出模式转换器及设计方法 |
| CN116203742A (zh) * | 2023-03-10 | 2023-06-02 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种基于相变材料的非对称mmi功率分配器 |
| CN116540354A (zh) * | 2023-04-28 | 2023-08-04 | 南京理工大学 | 基于亚波长孔阵列辅助的多模干涉型片上双偏振波导交叉器 |
| CN116224491A (zh) * | 2023-05-10 | 2023-06-06 | 之江实验室 | 狭缝交叉光波导及光学传感器件 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117008251A (zh) * | 2023-10-07 | 2023-11-07 | 之江实验室 | 垂直交叉波导及其形成方法、光子集成电路 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Singh et al. | Modeling of a high performance Mach--Zehnder interferometer all optical switch. | |
| Danaie et al. | Design of a high-bandwidth Y-shaped photonic crystal power splitter for TE modes | |
| Singh et al. | Ti indiffused lithium niobate (Ti: LiNbO3) Mach-Zehnder interferometer all optical switches: a review | |
| Prost et al. | A compact thin-film lithium niobate platform with arrayed waveguide gratings and MMIs | |
| CN116774351A (zh) | 一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法 | |
| Zhou et al. | Tunable on-chip mode converter enabled by inverse design | |
| Khatun et al. | Optimization of 2× 2 MZI electro-optic switch and its application as logic gate | |
| Jiang et al. | Broadband silicon four-mode (de) multiplexer using subwavelength grating-assisted triple-waveguide couplers | |
| Wang et al. | A cost-effective edge coupler with high polarization selectivity for thin film lithium niobate modulators | |
| Lu et al. | Compact and broadband silicon mode-order converter using bricked subwavelength gratings | |
| Swarnakar et al. | A Y-shaped photonic integrated device with XNOR/NAND/NOR for optical signal processing | |
| Castaldini et al. | Soft-Proton-Exchange Tapers for Low Insertion-Loss $\hbox {LiNbO} _ {3} $ Devices | |
| Das et al. | Binary to hexadecimal decoder using pockels’ effect guided Mach-Zehnder interferometer (MZI) and optical tree architecture | |
| CN117631146A (zh) | 一种基于薄膜铌酸锂波导超模演化的偏振转换器 | |
| CN116088096A (zh) | 一种双入双出模式转换器及设计方法 | |
| Chen et al. | Single-step etching polarization splitter-rotator based on lithium niobate ridge waveguide | |
| Paloczi et al. | Wavelength-insensitive nonadiabatic mode evolution couplers | |
| Wang et al. | Ultracompact multimode interference coupler designed by parallel particle swarm optimization with parallel finite-difference time-domain | |
| CN115576100A (zh) | 一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法 | |
| Zheng et al. | Microring-Based $ N\times N $ Scalable Polymeric Electrooptic Routing Switch Array: Theory, Architecture, and Design Scheme | |
| Baghban et al. | Waveguide gratings in thin-film lithium niobate on insulator | |
| Wang et al. | Ultra-Broadband Subwavelength Grating Coupler for Bound State in Continuum | |
| Wang et al. | Mode thermo-optic coefficient engineering of sub-wavelength gratings and its application for a mode-insensitive switch | |
| Schollhammer et al. | Birefringence-free lithium niobate waveguides | |
| Wang et al. | Reverse design of multifunctional demultiplexing devices |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230919 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |