CN1209646C - 二维限制的多模干涉功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维限制的多模干涉功分器，它由一根以上输入单模波导阵列、X、Y二个方向二维限制的多模矩形波导区和二根以上二维分布的输出单模波导阵列依次连接构成，X、Y二个方向的等效波导宽度(W_xe，W_ye)平方之比是有理数，即W² _xe/W²W_ye＝p/q，式中：p，q为整数。本发明采用光波导来构成具有二维分布光功分器，提供一种实现二维空间光功率分配的基本单元器件，并具有结构紧凑，集成度高的特点。若在矩形波导区，利用各种光折射效应，如电光效应、热光效应、载流子注入效应等，可控制输出光波的强度和相位分布，实现三维集成光波导器件，如结合二维波导光栅阵列器件可实现二维空间分布的波分复用器、开关光和光可变衰减器阵列等。

Description

二维限制的多模干涉功分器

技术领域

本发明涉及一种光学元器件，特别涉及一种二维限制的多模干涉功分器。

背景技术

光功分器是一种基本的光学功能元件，在光通信、光互连、光信息处理等领域有着广泛的应用，如光纤到大楼、用户乃至家庭，光信号的分配是必不可少的器件。常见的光功分器有光纤熔拉型、集成光学波导型等，如基于一维限制的多模干涉型光功分器件(MMI)(图1)，这是一种较普遍的波导型光功分器器件，由输入1输出3波导和一维限制的平面波导2组成，由于它的理论设计和制造工艺相对比较容易，器件尺寸紧凑、插入损耗低、光分路均匀性好、制作容差性大等优点而广受重视。一维限制的平面型多模干涉(MMI)器件已应用于各种功能的集成光学器件，包括MMI光功分器、MMI光开关、TE/TM模式分离器、粗波分复用/解复用器等。但这个MMI结构是基于二维平面波导型，只利用了一维自映像效应。一般传统集成光学器件，其结构多数情况下也是在二维平面上制作，输出端为一维的，也就是说，只能处理零维(点)或一维(线)空间的光信号。然而在大容量数据流、图像处理、人工视觉、神经网络、光学并行逻辑运算和集成电路芯片的光互连等许多应用领域实际需要的是二维空间的光信息处理。集成光学要适应这些领域的应用，就需要发展三维集成光学器件。同时，集成光学向三维或空间发展，可以有效扩大单个芯片上的通信信道数，增加集成密度，而且可以缓和二维平面结构的路由困难及大量输入输出光纤连接或电子连接困难等问题。

三维集成波导光学器件具有可靠和结构稳定的特点，近来三维集成光学器件得到了快速发展，但大多数都是基于一种“堆”的观点，即它是由多个平面的二维集成光路叠合混合集成而成，并在叠合的水平层之间适当地进行光波导互连。这种叠合三维集成光学器件的制作包括分离水平多层层内波导的制作和层间互连波导的制作，一般需要多个制作工艺流程，特别是层间互连波导的制作较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种二维限制的多模干涉功分器，它利用器件内部的物理机制产生的相互作用，即二维自映像效应，直接产生二维空间分布的光功分器。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)由一根以上输入单模波导阵列，X、Y二个方向二维限制的多模矩形波导区和二根以上二维分布的输出单模波导阵列依次连接构成，X、Y二个方向的等效波导宽度W_xe，W_ye平方之比是有理数，即 $W_{\mathrm{xe}}^2/W_{\mathrm{ye}}^2=p/q,$ 式中：p，q为整数；

2)一根以上输入单模波导阵列是中心输入，或非中心位置输入，或由多根二维分布的单模波导阵列输入，构成[S×(M×N)]路的光功分器，式中：S为输入单模二维波导阵列数，M×N分别为输出单模波导阵列数。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

本发明采用光波导来构成具有二维分布光功分器，提供一种实现二维空间光功率分配的基本单元器件，并具有结构紧凑，集成度高的特点。若在矩形波导区，利用各种光折射效应，如电光效应、热光效应、载流子注入效应等，可控制输出光波的强度和相位分布，实现三维集成光波导器件，如结合二维波导光栅阵列器件可实现二维空间分布的波分复用器、开关光和光可变衰减器阵列等。

附图说明

图1是一维限制的多模干涉型功分器器件的结构示意图；

图2是本发明的二维限制的多模干涉功分器的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明它由一根以上输入单模波导阵列4，X、Y二个方向二维限制的多模矩形波导区5和二根以上二维分布的输出单模波导阵列6依次连接构成，X、Y二个方向的等效波导宽度W_xe，W_ye平方之比是有理数，即 $W_{\mathrm{xe}}^2/W_{\mathrm{ye}}^2=p/q,$ 式中：p，q为整数。

一根以上输入单模波导阵列4是中心输入，或非中心位置输入，或由多根二维分布的单模波导阵列输入，构成[S×(M×N)]路的光功分器，式中：S为输入单模波导阵列数，M×N分别为输出单模波导阵列数。

一根以上输入单模波导阵列4和二根以上二维分布的输出单模波导阵列6均为单模波导的结构，可以是采用光纤和二维光纤阵列。

矩形波导区5可以通过各种光折射效应(如电光效应、热光效应、载流子注入效应等)来控制输出光波的强度和相位分布。

输出光波可以均匀分布的，也可以是一定强度比的二维分布。

矩形波导区5可以采用有增益的波导材料(如掺稀土元素的玻璃)，实现光控电控的有增益光功分器。

本发明的原理在于传统的一维限制的平面型MMI器件的平面波导区2在平行于衬底方向(假定为X方向)为多模而在垂直于衬底方向(假定为Y方向)为单模传输，因此，只在一个方向(X方向)上存在自映像效应，即是一维限制。MMI器件的输入波导1与输出波导3间的关系就可以看成是通过多模波导的自映像效应发生互连的，因此可设想这个矩形波导区5在垂直于衬底方向也支持多模传输，这就是让Y方向也存在这样一个自映像效应，即形成二维限制的MMI器件，不同水平高度的波导间也将发生这种互连，达到二维空间分布的光功分作用。因此，将传统的MMI结构扩展到三维空间是合理的。

本发明的实施方式很多，从材料来说，可以采用Si、SiO₂、GaAs、InP等半导体，聚合物材料，LiNbO₃，玻璃等波导材料来制作。三维波导制作工艺可采用多层平面光波导工艺，离子刻蚀，阴影光刻，灰度光刻，光刻漂白，浮雕，复制技术以及近年来发展起来的飞秒激光脉冲写入技术等来制作。在此仅以有机聚合物材料，采用旋转涂敷成膜法和离子刻蚀制作波导的工艺为例加以说明。

先根据自映像效应，设计矩形波导区5的厚度/宽度比，使它们再各自方向上足以支持多个模式传输(如100微米)，并满足其等效厚度之比为有理数，采用中心对称输入，然后根据所需要生成二维光功分器的数目(M×N)选择合理的矩形波导区5的长度。采用硅片或玻璃为衬底材料，采用旋转涂敷成膜法制作下限制层，厚度大于10微米。然后逐层旋转涂敷成膜法制作波导层、限制层材料，并采用掩模光刻与离子刻蚀结合的方法，除去不需要的部分，各分别按设计要求合理进行分层，完成输入4输出6波导和矩形波导区5的制作，最后再旋转涂敷成膜法制作上限制层，厚度也大于10微米。

Claims (4)

1.一种二维限制的多模干涉功分器，其特征在于：

1)由一根以上输入单模波导阵列(4)，X、Y二个方向二维限制的多模矩形波导区(5)和二根以上二维分布的输出单模波导阵列(6)依次连接构成，X、Y二个方向的等效波导宽度W_xe，W_ye平方之比是有理数，即 $W_{\mathrm{xe}}^2/W_{\mathrm{ye}}^2=p/q,$ 式中：p，q为整数；

2)一根以上输入单模波导阵列(4)是中心输入，或非中心位置输入，或由多根二维分布的单模波导阵列输入，构成[S×(M×N)]路的光功分器，式中：S为输入单模二维波导阵列数，M×N分别为输出单模波导阵列数。

2.根据权利要求1所述的二维限制的多模干涉功分器，其特征在于：在矩形波导区(5)通过各种光折射效应控制输出光波的强度和相位分布。

3.根据权利要求1所述的二维限制的多模干涉功分器，其特征在于：输出光波均匀分布或一定强度比的二维分布。

4.根据权利要求1所述的二维限制的多模干涉功分器，其特征在于：矩形波导区(5)采用有增益的波导材料。

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