CN1828349A - 波导型非互易光分束器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导型非互易光分束器件。由一根输入波导、含磁光材料的波导和二根输出波导依次串接构成；含磁光材料的波导，由波导型普通介质1×2分束器件、二根连接波导、相位修改区和含磁光材料的2×2多模干涉波导器件依次串接构成，实现在正向传输时为1×2的分束器件，反向传输时为无损耗的1×1或2×1的合束器件。波导型非互易光分束器件它在正向使用时可以作为普通的分束器件，而在反向使用时能实现1 00％的能量返回作用，实现光束正、反向传输时都不损耗能量。这种光子器件可大大减少如光纤到户工程中光分束器件上载信号的能量损失，并且具有结构紧凑，集成度高的特点，在光通信领域以及光子集成系统中具有重要的应用价值。

Description

波导型非互易光分束器件

技术领域

本发明涉及一种波导型非互易光分束器件。

背景技术

集成光波导器件在光通信、集成光子技术、片上光子系统等领域有着广泛的应用前景，要提高系统的集成度，采用波导型的光子器件是必然的。同时，在集成光学光路和光子器件中常需要用到非互易光子器件，如常见的有光隔离器件、光环路器件和光学陀螺等。波导型光分束器是光通信系统中常用的光子器件，是将信号从干线光缆平均分配到各用户端系统必不可少的器件，它常用作为光的功率分配作用，也可作为光环路的保护作用等。但我们知道，对于传统的介质波导型、光纤熔锥型1×2光分束器件，在正向使用时可以实现一路变二路的均分束目的，而反向使用时，不管从哪一端输入，最多只有一半能量从原路返回；当二端同时输入时，也不一定能达到完全合束的目的。只有当输入二路信号幅度相等，并满足完全相干增强的条件(即相位满足一定的条件)，才能达到完全合束的目的。这是因为普通线性介质波导分束器件满足光波的互易性，当光波反向传输时，有一半光能量在分叉处(如图1所示)激励出高次模而泄漏到衬底造成的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波导型非互易光分束器件，它在正向使用时可以作为普通的分束器件，而在反向使用时能实现100％的能量返回作用，实现光束正、反向传输时都不损耗能量。

本发明的基本原理是基于光波在磁光材料中传输具有的非互易特性：光波沿着磁光波导正向传播的传播常数为β_F，反向传播的传播常数为β_B，则两者的差Δβ＝β_F-β_B不为零时，为非互易相移，也就是说磁光波导具有非互易特性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

由一根输入波导、含磁光材料的波导和二根输出波导依次串接构成。

所述的含磁光材料的波导，由波导型普通介质1×2分束器件、二根连接波导、相位修改区和含磁光材料的2×2多模干涉器件依次串接构成；波导型普通介质1×2分束器件的一端接输入波导，另一端通过二根连接波导和含磁光材料的2×2多模干涉器件连接；相位修改区连接在二根连接波导的任意一根上；含磁光材料的2×2多模干涉器件一端接二根连接波导，另一端连接二根输出波导。

所述的含磁光材料的2×2多模干涉器件是正向传输时满足1×1反对称成像，而反向传输满足1×2分束成像的多模干涉器件。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：它在正向使用时可以作为普通的分束器件，而在反向使用时能实现100％的能量返回作用，实现光束正、反向传输时分束、合束都不损耗能量。这种光子器件可大大减少如光纤到户工程中光分束器件上载信号的能量损失，并且具有结构紧凑，集成度高的特点，在光通信领域以及光子集成系统中具有重要的应用价值。

附图说明

图1是普通Y分叉分束器件的互易特性图。

图2是具备非互易功能的光分束器件原理示意图。

图3是波导型非互易光分束器结构示意图。

图4是2×2非互易多模干涉器件单元原理图。

图中1-输入波导，2-含磁光材料的波导，3-输出波导，4-波导型普通介质1×2分束器件，5-连接波导，6-相位修改区，7-含磁光材料的2×2多模干涉器件。

具体实施方式

近年来，磁光材料研究取得了重大进展，如巨磁光薄膜材料等的相继发现，为集成光学型非互易器件的实现提供了材料方面的保证。从器件基础理论分析来看，国内外在磁光波导及器件的理论分析方面已经取得相当成就，如解决了与偏振无关的相移波导分析，采用在介质波导上键合磁性材料或混合集成的方法获得复合型磁光波导，在GaAs等化合物半导体材料上实现了光隔离器，以及利用多模干涉效应的光隔离器件的研究等。因此，本发明的实施方案之一可以是：将图2所示的器件结构进行优化设计，并制作光刻板，输入输出连接波导和介质波导的多模波导器件采用普通硅等半导体材料、聚合物材料、LiNbO₃、玻璃等材料来制作，含磁光材料的多模干涉器件可由掺Bi、掺Ce的钇铁石榴石等制作。采用普通的平面波导制作工艺，完成整个器件结构的制作。在需要含磁光材料的区域，可以通过键合、溅射或复合磁光材料，或者采用局部嵌入磁光材料等手段制作，外加磁场采用永磁材料。随着磁光材料的发展和平面波导制作工艺的日益成熟，以及在普通介质波导上局部键合、溅射、混合集成磁光材料的方法已经应用于SOI材料、GaAs、InP等半导体材料的成功例子，具备非互易特性的光分束器件是可以实现的。

如图2、图3所示，本发明由一根输入波导1、含磁光材料波导2和二根输出波导3依次串接构成，实现在正向传输时为1×2的分束器件，反向传输时为无损耗的1×1和2×1的光合束器件。

所述的含磁光材料波导2，由波导型普通介质1×2分束器件4、二根连接波导5、相位修改区6和含磁光材料的2×2多模干涉波导器件7依次串接构成；介质波导型普通介质1×2分束器件4的一端接输入波导1，波导型普通介质1×2分束器件4的另一端通过二根连接波导5和含磁光材料的2×2多模干涉器件7连接；相位修改区6连接在二根连接波导5的任意一根上；含磁光材料的2×2多模干涉器件7的一端接二根连接波导5，另一端连接二根输出波导3。

所述的含磁光材料的2×2多模干涉器件7是正向传输时满足1×1反对称成像，而反向传输满足1×2分束成像的多模干涉波导。

这个基本的1×2波导型非互易光分束器件，通过串联可以构成1×N(N＞2)波导型非互易光分束器件阵列。

本发明的工作原理如下：

根据多模波导的自映像原理以及磁光波导的非互易相移，当多模波导满足一定长度时，可以使得光在正向传输时，在输出波导3反对称成像，即满足A→D和B→C成像规律，如图4(a)所示；而当光反向传输时，由于正反向传播常数相差Δβ，在合理的多模波导长度下，使得从任意一根输出波导3输入的光场能够呈现二重像，即满足D→A，B或C→A，B成像规律，如图4(b)所示。从如图3所示的一种结构原理示意图可以分析实现该功能的原理：从输入波导1到连接波导5是利用普通介质波导分束器件4实现分束，均分的能量通过连接波导5到含磁光材料的2×2多模干涉器件7，利用正向传输时磁光材料多模波导满足成单像的规律，这样，正向传播时整个器件就作为一个普通的分束器件。当从任意一根输出波导3反向传输时，利用磁光材料特有的非互易相移特性使含磁光材料的2×2多模干涉器件7满足成二重像规律，实现均匀分束，再通过连接波导并经过相位修改区6的相位补偿作用，使得满足相位相干增强的条件，然后通过波导型普通介质1×2分束器件4的合波作用，实现合束的目的。在反向传输合束时需要的相位匹配条件可通过连接波导上的相位修改区6修改相位来满足，这个相位补偿可用简单的锥形波导展宽来达到补偿传输相位的目的，而且这个相位的变化对正向传输时多模波导的成像是没有影响的，因为它们满足成单像规律。因此本发明的器件在正向使用时可以作普通的分束器件，而在反向使用时能实现100％的合束目的。

Claims (3)

1.一种波导型非互易光分束器件，其特征在于：由一根输入波导(1)、含磁光材料的波导(2)和二根输出波导(3)依次串接构成。

2.根据权利要求1所述的一种波导型非互易光分束器件，其特征在于：所述的含磁光材料的波导(2)，由波导型普通介质1×2分束器件(4)、二根连接波导(5)、相位修改区(6)和含磁光材料的2×2多模干涉器件(7)依次串接构成；波导型普通介质1×2分束器件(4)的一端接输入波导(3)，另一端通过二根连接波导(5)和含磁光材料的2×2多模干涉器件(7)连接；相位修改区(6)连接在二根连接波导(5)的任意一根上；含磁光材料的2×2多模干涉器件(7)一端接二根连接波导(5)，另一端连接二根输出波导(3)。

3.根据权利要求1所述的一种波导型非互易光分束器件，其特征在于：所述的含磁光材料的2×2多模干涉器件(7)是正向传输时满足1×1反对称成像，而反向传输满足1×2分束成像的多模干涉器件。

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