CN1904656A - 紧凑可调式多模干涉耦合器 - Google Patents

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肖金标
孙小菡
刘旭
蔡纯
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Abstract

本发明公开了一种紧凑可调式多模干涉型耦合器，包括与光信号输入端连接的输入通道、多模波导、调制模块和与光信号输出端连接的输出通道，其特征在于：所述多模波导是非矩形，输入通道和输出通道分别连接在使光信号在传播方向上呈现非均匀性的非矩形多模波导的两侧，用来控制光信号折射率减小量的调制模块设置在多模波导的表面。本发明利用多模波导在光的传播方向上的非均匀性，减小多模导波导的拍长，从而减小器件长度，使器件结构紧凑。适用于光通信系统、光计算机系统、光子/光电子集成回路的波导型耦合器中。

Description

紧凑可调式多模干涉耦合器
一、技术领域
本发明属于集成光学领域，涉及一种用于光通信系统、光计算机系统及光子/光电子集成回路的波导型耦合器，具体地说是一种紧凑可调式多模干涉耦合器。
二、背景技术
波导型耦合器是光通信系统、光计算机系统及光子/光电子集成回路的基础元件，既可作为独立元件，实现光功率或光信号的多路分配，也可作为构成诸如光放大器、光信号监控器、光开关及光调制器等光子/光电子器件的重要辅助部件。波导型耦合器主要有定向耦合器型、Y分支型、X分支型和多模干涉型等种类。定向耦合器型耦合器要求耦合波导有很高的加工精度，Y/X分支要求分支角很小，光刻难度大。多模干涉型耦合器具有结构紧凑、带宽大、偏振不敏感等优点。目前，多模干涉型耦合器主要采用矩形多模波导，即多模波导的宽度在光的传播方向上保持不变，这种结构的缺点是：器件结构仍欠紧凑，不利于光子/光电子器件的大规模集成；光功分比固定，制作容差小，器件良品率低。
三、发明内容
为了克服现有多模干涉型耦合器的上述不足，本发明的目的是提供一种紧凑可调式多模干涉耦合器，该多模干涉型耦合器具有长度短，结构紧凑，功分比可调等优点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种紧凑可调式多模干涉型耦合器，包括与光信号输入端连接的输入通道、多模波导、调制模块和与光信号输出端连接的输出通道，其特征在于：所述多模波导是非矩形，输入通道和输出通道分别连接在使光信号在传播方向上呈现非均匀性的非矩形多模波导的两侧，用来控制光信号折射率减小量的调制模块设置在多模波导的表面。
本发明中，所述非矩形多模波导可以有多种形式。第一种形式，非矩形多模波导为宽度左右对称的锥形结构，宽度沿光的传播方向变化，宽度的变化可以是线性的也可以是非线性的。第二种形式，非矩形多模波导为宽度左右不对称的锥形结构，宽度沿光的传播方向变化，同样宽度的变化可以是线性的也可以是非线性的。第三种形式，非矩形多模波导为沿光的传播方向弯曲的扇形结构。第四种形式，所述非矩形多模波导为S形结构。
本发明中调制模块可以设置在非矩形多模波导表面的任意位置。所述调制模块利用材料的电光、热光、磁光、声光、量子缚束Stark效应中的任意一种来改变折射率。
本发明中，根据自镜像原理，由输入通道引入的光场在多模波导中将激励起多个模式，各模式间相互干涉，结果沿波的传播方向周期性地产生输入场的一重或多重像，各像在输出通道中输出，实现耦合器功能。由束传播法分析可知，由输入通道引入的光场，在非矩形多模波导中激励起的基模有效折射率增大，次高阶模的有效折射率减小，因而拍长减小，从而减小多模波导的长度，使器件结构紧凑。当调制模块工作时，可改变多模波导调制模块附件的折射率分布，根据自镜像原理，输出像的强度将改变，因此改变功分比。调制模块可控制折射率的改变量，进而控制输出像的强度，达到光功分比可调的目的。
本发明利用多模波导在光的传播方向上的非均匀性，减小多模导波导的拍长，从而减小器件长度，使器件结构紧凑。并且，多模波导采用非矩形结构，多模波导表面引入调制模块，利用器件材料的物理效应，改变调制模块附近多模波导的折射率分布，实现输出通道的功分比可调。
本发明的有益效果是：器件长度短，结构紧凑；输出光功分比可调，增大制作容差，增大器件的良品率。
四、附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是本发明中芯片的扫描电镜俯视图；
图3是直通态光场分布图；
图4是3dB耦合器光场布图；
图5是交叉态光场分布图；
图6是本发明第二个实例的结构图；
图7是本发明第三个实例的结构图；
图8是本发明第四个实例的结构图；
图9是图6的I-I剖视图。
五、具体实施方式
图1是本发明的第一个实例，由输入通道1，对称锥形多模波导2，调制模块3，输出通道4组成。输入通道1分为上、下两个。输出通道4也分为上、下两个。调制模块3分别设置在对称锥形多模波导2的上边缘处和下边缘处。光场从上或下输入通道输入，进入对称锥形多模波导2，由多模波导2的自镜像效应，光场从上/下输出通道(3和4)输出。由于多模波导的宽度在光的传播方向上不均匀，其中激励起的基模有效应折射率增大，而次高阶模的有效折射率减小，因而其拍长减小。根据自镜像原理，多模波导的长度应为拍长的1.5倍，因此这种耦合波导的长度相对于矩形耦合波导减小，故器件结构紧凑。上、下边缘处的调制模块3利用材料的电光效应，或热光效应，或磁光效应，或声光效应，或量子束缚Stark效应来改变调制模块3附近多模波导的折射率。当调制模块工作时，由于折射率的改变，此处边缘二重像的相位关系发生改变，根据自镜像原理，二重输出像的强度将改变，因此改变功分比。通过操控调制模块来控制折射率的减小量，进而控制输出二重像的强度，实现光功分比可调。图2为芯片的扫描电镜俯视图。图3、图4及图5分别为直通态、3dB耦合器及交叉态和光场分布图，可见该器件实现了光功分比可调。
图6是本发明的第二个实例。采用非对称锥形多模波导2和中央调制模块3结构。由于采用非矩形多模波导，器件长度减小，结构紧凑。当中央调制模块3工作时，中央二重像的相位关系发生改变，实现功分比可调。图9是图6的I-I剖视图。其中，5是空气，6是光波导芯层，7是衬底。
图7是本发明的第三个实例。采用弯曲形多模波导2和中央调制模块3结构。
图8是本发明的第四个实例。采用S形多模波导2和边缘调制模块3结构。

Claims (7)

1、一种紧凑可调式多模干涉型耦合器，包括与光信号输入端连接的输入通道(1)、多模波导(2)、调制模块(3)和与光信号输出端连接的输出通道(4)，其特征在于：所述多模波导(2)是非矩形，输入通道(1)和输出通道(4)分别连接在使光信号在传播方向上呈现非均匀性的非矩形多模波导(2)的两侧，用来控制光信号折射率减小量的调制模块(3)设置在多模波导(2)的表面。
2、根据权利要求1所述的紧凑可调式多模干涉型耦合器，其特征在于：所述非矩形多模波导(2)为宽度左右对称的锥形结构，宽度沿光的传播方向变化。
3、根据权利要求1所述的紧凑可调式多模干涉型耦合器，其特征在于：所述非矩形多模波导(2)为宽度左右不对称的锥形结构，宽度沿光的传播方向变化。
4、根据权利要求1所述的紧凑可调式多模干涉型耦合器，其特征在于：所述非矩形多模波导(2)为沿光的传播方向弯曲的扇形结构。
5、根据权利要求1所述的可调式多模干涉型耦合器，其特征在于：所述非矩形多模波导(2)为S形结构。
6、根据权利要求1所述的可调式多模干涉型耦合器，其特征在于：所述调制模块(3)设置在非矩形多模波导(2)表面的任意位置。
7、根据权利要求1所述的可调式多模干涉型耦合器，其特征在于：所述调制模块(3)利用材料的电光效应、热光效应、磁光效应、声光效应、量子缚束Stark效应中的任意一种来改变折射率。
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