CN203941309U - 一种多模干涉结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多模干涉结构，包括输入波导、多模区域和输出波导，所述多模区域为非对称结构。本实用新型通过改变多模区域的形状和尺寸能够实现任意的输出波导光功率分束比，本实用新型结构简单，尺寸小，附加损耗低，工作带宽宽，具有很高的应用价值。

Description

一种多模干涉结构

技术领域

本实用新型涉及光电子器件领域，尤其涉及一种多模干涉结构。

背景技术

光功率分束器是集成光电子系统的重要组成部分。在现有技术中，采用了多种结构来发展光功率分束器，包括了定向耦合器、Y分支波导和多模干涉结构耦合器(multimode interference coupler，MMI)。由于工艺容差大、带宽高和尺寸小等优点，基于MMI的光功率分束器在集成光电子学的发展中起着重要的作用。在诸如纳米光子相控阵列、光功率龙头、环谐振器、非对称马赫-增德尔干涉仪(Mach-Zehnderinterferometer，MZI)、阶梯型光学滤波器等光子集成回路(photonicintegration circuits，PICs)的应用中，可按应用需求实现任意光功率分束比是对光功率分束器所要求的重要性质之一。但是以往的基于MMI的双输出波导的光功率分束器通过调整输入波导和输出波导的位置只能得到100％:0％、85％:15％、72％:28％和50％:50％这几种分束比。对于任意比例的光功率分束器的实现方法，已报导的有诸如蝶形MMI分光器、弯曲MMI分光器、全息微纳结构MMI、级联不等宽的MMI耦合器，和置于两个MMI耦合器之间的具有相移区的多臂MZI等等。但是，上述结构均具有结构相对复杂、尺寸较大的缺点。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型提供一种多模干涉结构，以解决现有技术中任意比例光功率分束器的结构相对复杂、尺寸较大的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种多模干涉结构，包括输入波导、多模区域和输出波导，所述多模区域为非对称结构。

进一步地，

所述多模区域由具有对称结构的多模区域去除其中部分结构得到。

进一步地，

所去除的部分结构的形状为矩形。

进一步地，

所述输入波导和/或输出波导为非良导体材料波导，或非良导体材料与金属结合的表面等离子体波导。

进一步地，所述表面等离子体波导为：

非良导体材料表面覆盖一层金属的表面等离子体波导。

进一步地，

所述非良导体材料为电介质、半导体或有机物。

进一步地，

所述电介质为二氧化硅、二氧化钛或氧化镓。

进一步地，

所述半导体为硅、锗、氮化硅或三五族光电子化合物材料；

和/或，所述三五族光电子化合物材料为磷化铟或氮化镓。

进一步地，所述表面等离子体波导为：

硅或二氧化硅表面覆盖一层银或金的表面等离子体波导。

进一步地，

所述多模干涉结构为光功率分束器，所述光功率分束器通过改变所去除的矩形的尺寸来实现任意分束比。

(三)有益效果

在本实用新型提供的多模干涉结构中，通过改变多模区域的形状和尺寸能够实现任意的输出波导光功率分束比，本实用新型结构简单，尺寸小，附加损耗低，工作带宽宽，具有很高的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有的对称光功率分束器示意图，其中(a)为光功率分束器的基本结构，(b)、(c)分别为多模区域光能流密度(P_z)分布的俯视图和点划线处的截面图，(d)为对称光功率分束器光能流密度(P_z)分布的俯视图；

图2是本实用新型实施例多模干涉结构的基本结构示意图；

图3是本实用新型实施例1中光功率分束器的示意图，其中(a)为光功率分束器的基本结构，(b)、(c)分别为光能流密度(P_z)分布的俯视图和点划线处的截面图，(d)为本实用新型实施例1中光功率分束器光能流密度(P_z)分布的俯视图；

图4(a)为本实用新型实施例1中上端和下端输出波导的功率分配比例与所去除矩形区域的长度的关系示意图(所去除矩形区域的宽度为400nm)；(b)为当多模区域宽度为1.5μm时，多模区域长度L与所去除矩形区域的长度Lr的关系示意图；

图5为本实用新型实施例1中在不同矩形区域尺寸下，光功率分配比例与波长之间的关系示意图；

图6为非对称MMI中所去除的矩形区域的尺寸与附加损耗的关系。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1示出了常规对称的1×2MMI光功率分束器的示意图，图1(a)为光功率分束器的基本结构，图中，1为输入波导，2为多模区域，3为两个输出波导，L和W分别为多模区域2的长度和宽度，W_gap为两个输出波导3之间的间隙。图1(b)-(d)中所示的光功率分束器的各分布示意图均为三维全波矢量有限元方法(3D full vector finite elementmethod，FEM)数值仿真得到的结果，其中所采用的材料为上包层覆盖空气的绝缘上硅(silicon-on-insulator，SOI)，采用的参数为：SOI厚度220nm，输入波导1和输出波导3的波导宽度均为500nm，W＝1.5μm，W_gap＝200nm。图1(b)和图1(c)分别为其光能流密度(P_z)分布的俯视图和点划线处的截面图，图1(d)为光功率分束器光能流密度(P_z)分布的俯视图。如图1(d)所示，当输出波导3设置在多模区域2的第一个二阶镜像点位置时，由于其结构的对称性，此光功率分束器仅仅允许入射光均匀地分束到两输出波导3中。另一方面，在图1(b)中多模区域2左侧的两个角的位置上(图中由椭圆虚线示出)，几乎没有光能流密度的分布。尽管这些位置的场分布很少，但根据自镜像原理，去除其中的某个区域将会破坏干涉对称性从而导致显著的场分布变化。

因此，本实用新型实施例首先提供一种多模干涉结构，参见图2，包括输入波导1、多模区域2和输出波导3，多模区域2为非对称结构。

优选地，多模区域2可以由具有对称结构的多模区域去除其中部分结构得到。

优选地，所去除的部分结构的形状可以为矩形。

优选地，输入波导1和/或输出波导3可以为非良导体材料波导，或由非良导体材料与金属结合的表面等离子体波导。

优选地，表面等离子体波导可以为：在非良导体材料表面覆盖一层金属的表面等离子体波导。

优选地，非良导体材料可以为电介质、半导体或有机物。

优选地，电介质可以为二氧化硅、二氧化钛或氧化镓。

优选地，半导体可以为硅、锗、氮化硅或三五族光电子化合物材料。

优选地，三五族光电子化合物材料可以为磷化铟(InP)或氮化镓(GaN)。

优选地，表面等离子体波导可以为：在硅或二氧化硅表面覆盖一层银或金的表面等离子体波导。

优选地，多模干涉结构可以为光功率分束器，光功率分束器通过改变所去除的矩形的尺寸来实现任意分束比。

实施例1：

本实用新型实施例1提供一种光功率分束器，通过去除图1所示的多模干涉结构中多模区域2的左下角部分以破坏其对称性，得到如图3(a)所示的结构，其中Lr和Wr分别为所去除的矩形区域的长和宽，在图3中均为400nm。图3(b)和图3(c)同样分别为其光能量通量密度(P_z)分布的俯视图和点划线处的截面图，图3(d)为本实施例1光功率分束器光能流密度(P_z)分布的俯视图。与之前对称结构的MMI相比较，很显然，一个结构上的微小变化引发了显著的光场重新分配。如果此时输出波导3仍设置于第一个二阶镜像点处，如图3(d)所示，自上端输出波导所输出的功率将显著大于自下端输出波导所输出的功率。基于上述现象，本实施例可以通过灵活地控制调节所去除的矩形区域的尺寸，在输出波导处得到任意的功率分配比例。

下面讨论一下本实用新型实施例任意分束比的实现方法，多模区域2的左下角被去除一个宽度Wr为400nm的矩形，改变此矩形的长度Lr将导致输出波导3中不同的功率分配比例。上端和下端输出端口的功率分配比例与所去除矩形区域的长度的关系如图4(a)所示，这说明上下端口的功率分配比例可以随Lr的增加从50％:50％逐渐变化到100％:0％。并且，如图4(b)的L与Lr的关系图所示，当Lr增加时，第一个二阶镜像点的位置会逐渐远离输入波导1，即光功率分束器的尺寸会有所增加。然而，在本实用新型实施例中，当光功率分束比在50％:50％～100％:0％可调节时，多模区域2的尺寸均在1.5μm×(1.8～2.8)μm的范围内，远小于目前已有的任意比例光功率分束器。

图5表示在不同矩形区域尺寸下，不同波长与功率分配比例之间的关系示意图，其中，R_u与R_b分别表示上端和下端输出波导输出的能量比例。由图5可见，在波长范围1510～1590nm的范围内，本实施例中的MMI的功率分配比例的波动并不超过5％。图6表示非对称MMI中所去除的矩形区域的尺寸与附加损耗的关系。由图6可见，当去除一部分几乎没有光场分布的区域使得输出光功率分束比在50％:50％到100％:0％范围内变化时，不会增加额外的附加损耗。

可见，本实用新型实施例至少具有如下有益效果：

在本实用新型实施例提供的多模干涉结构中，通过改变多模区域的形状和尺寸能够实现输出波导光功率分束比的连续可调，本实用新型实施例结构简单，尺寸小，工作带宽宽，附加损耗低，具有很高的应用价值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多模干涉结构，包括输入波导、多模区域和输出波导，其特征在于：

所述多模区域为非对称结构。

2.根据权利要求1所述的多模干涉结构，其特征在于：

所述多模区域由具有对称结构的多模区域去除其中部分结构得到。

3.根据权利要求2所述的多模干涉结构，其特征在于：

所去除的部分结构的形状为矩形。

4.根据权利要求1所述的多模干涉结构，其特征在于：

所述输入波导和/或输出波导为非良导体材料波导，或非良导体材料与金属结合的表面等离子体波导。

5.根据权利要求4所述的多模干涉结构，其特征在于，所述表面等离子体波导为：

非良导体材料表面覆盖一层金属的表面等离子体波导。

6.根据权利要求4或5所述的多模干涉结构，其特征在于：

所述非良导体材料为电介质、半导体或有机物。

7.根据权利要求6所述的多模干涉结构，其特征在于：

所述电介质为二氧化硅、二氧化钛或氧化镓；

和/或，所述半导体为硅、锗、氮化硅或三五族光电子化合物材料。

8.根据权利要求7所述的多模干涉结构，其特征在于：

所述三五族光电子化合物材料为磷化铟或氮化镓。

9.根据权利要求5所述的多模干涉结构，其特征在于，所述表面等离子体波导为：

硅或二氧化硅表面覆盖一层银或金的表面等离子体波导。

10.根据权利要求3所述的多模干涉结构，其特征在于：

所述多模干涉结构为光功率分束器，所述光功率分束器通过改变所去除的矩形的尺寸来实现任意分束比。