專利名稱：一種多模干涉型六端環(huán)形器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學環(huán)形器，尤其涉及一種基于多模干涉型六端光學器件。
技術背景光學環(huán)形器(Optical circulator)是一種光學非可逆裝置，它按某一特定順序， 引導一個端口的光到另一端口。目前光纖網(wǎng)絡應用中常見的環(huán)形器有三到六個 端口。環(huán)形器作為一種構(gòu)造功能性網(wǎng)絡模塊的必要元件，廣泛應用于光上下路復 用，色散補償，光放大回路等光學系統(tǒng)。隨著光通信系統(tǒng)的復雜化，多輸入輸 出端口的器件需求廣泛。傳統(tǒng)的環(huán)形器借助法拉第旋轉(zhuǎn)器，偏振器等微光學元 件搭建而成，系統(tǒng)復雜且繁于調(diào)節(jié)，不便于集成。利用集成光學的方法制作光 學環(huán)形器，集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、高能量利用率、速度快。傳統(tǒng)的波導型非互 易器件大多采用邁克爾曾德干涉結(jié)構(gòu)，并用結(jié)構(gòu)直觀的Y分支或是2x2的多模 干涉耦合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)干涉臂前后的3dB功率分配(如日本專利JP2003302603)。 此外還有方向耦合結(jié)構(gòu)，或是直接利用多模波導中各模式的非互易特性對某一 偏振模的隔離(O.Zhuromskyy. et.al, Opt & Quantum Electron. Vol.32: 885-897， 2000)，進而實現(xiàn)四端口的環(huán)形器。這些設計大多限于隔離器或四端口的環(huán)形器， 并未充分利用多模干涉的相位特性來實現(xiàn)多端口的環(huán)形功能?；诙嗄８缮嬖?理的器件具備良好的級聯(lián)重建和組合功能，各端口間有規(guī)律的相位關系，制作 容差較大，用來構(gòu)建多端口的非互易光路有很大優(yōu)勢。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種基于3x3多模干涉耦合器結(jié)構(gòu)的六端口光學環(huán)形 器，是有關利用多模波導成像特性來實現(xiàn)光波在多端口間環(huán)路運行的器件。 本發(fā)明采用的技術方案如下包括六個接入波導、兩個矩形多模波導、十二個錐形波導，兩根非互易中間 波導和一根互易中間波導；第一個矩形多模波導的一端通過第一、第二和第三 個錐形波導分別過渡連接到第一、第二和第三個接入波導，第一個矩形多模波 導的另一端通過第四、第五和第六個錐形波導分別過渡連接到兩根非互易中間 波導和一根互易中間波導的一端；兩根非互易中間波導和一根互易中間波導的 另一端通過第七、第八和第九個錐形波導分別過渡連接到第二個矩形多模波導 的一端；第二個矩形多模波導的另一端通過第十、第十一和第十二個錐形波導3分別過渡連接到第四、第五和第六個接入波導。所述的兩根非互易中間波導含有磁光材料，其非互易特性是永久磁性或由外加磁場激勵所得；并具有方向相反的非互易相移，兩根非互易中間波導位于互 易中間波導的兩側(cè)，或位于互易中間波導的同一側(cè)。 本發(fā)明具有的有益的效果是-利用多模波導的多模干涉產(chǎn)生重疊成像的原理，在三像點處引出干涉臂， 并在干涉臂處引入適當非互易相移量，來實現(xiàn)多模干涉型六端光環(huán)形器。這種 光環(huán)形器具有制作簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，端口數(shù)多，寬工作帶寬和易于集成等特點，在光網(wǎng)絡、光計算和光信息處理等方面有廣泛的應用前景。


圖1是基于3x3多模干涉耦合器結(jié)構(gòu)的六端環(huán)形器的功能平面圖。圖2是六端環(huán)形器的原理圖。圖3是六端口環(huán)形器的工作狀態(tài)模擬圖。圖4是六端口環(huán)形器的三維立體圖。圖5是在非互易連接波導處，垂直于傳輸方向的截面圖。圖中l(wèi).接入波導，2.多模波導，3.錐形波導，4.非互易中間連接波導，5. 互易中間連接波導，6.Si02襯底，7.Ce:YIG磁光膜，8.N-S-N的永磁體，9.磁體 產(chǎn)生出的磁場。Pl.第一端口， P2.第二端口， P3.第三端口， P4.第四端口， P5.第 五端口， P6.第六端口。
具體實施方式
如圖l、圖2，圖4和圖5所示，本發(fā)明包括六個接入波導l、兩個矩形多模 波導2、十二個錐形波導3，兩根非互易中間波導4和一根互易中間波導5;第 一個矩形多模波導2的一端通過三個錐形波導3分別過渡連接到三個接入波導 1,另一端通過三個錐形波導3分別過渡連接到兩根非互易中間波導4和一根互 易中間波導5的一端；兩根非互易中間波導4和一根互易中間波導5的另一端 通過三個錐形波導3過渡連接到第二個矩形多模波導2的一端；第二個矩形多 模干涉波導2的另一端通過三個錐形波導3分別過渡連接到另三個接入波導1。所述的兩根非互易中間波導4含有磁光材料，其非互易特性可以是由材料的 永久磁性提供，也可以是由外加磁場激勵所得；并具有方向相反的非互易相移， 兩根非互易中間波導位于互易中間波導5的兩側(cè)，或位于互易中間波導5的同 一側(cè)。如圖1所示，給出了本發(fā)明的功能平面圖，目的在于讓光在六個端口(P1-P6)間環(huán)繞運行。如圖2所示，給出了所述器件的原理圖。根據(jù)多模波導的自映像 原理，圖中輸入波導和所有的連接波導位置分別在『mmi/3， 0和-『n^/3處。從 任一輸入端口激勵的光束，通過第一個長度為A^i^-Z^A^PTe/^^的多模波導后在對應的波導位置呈三個像點，去除可消除的常數(shù)相位后，輸入端口與像點 之間的振幅與相位關系可以表示為矩陣乘法-^E加(、<formula>formula see original document page 5</formula>E,代表從P1端口輸入的場強，其它標記依次類推；7W(LJ為振幅和相位的傳遞 矩陣。為便于獲得非互易相移，本發(fā)明在三像點處延伸出三個連接波導。設在 三個連接波導經(jīng)歷的相位變化分別^，伊2，灼，通過另一個長為2Z皿i/3的多模 波導傳輸后，第二個多模波導末端的輸出光強可以表示為<formula>formula see original document page 5</formula>其中對角矩陣A/MK表示對復合調(diào)制區(qū)波導的調(diào)制的相位。這里假設兩根非互易波導位于互易波導的兩側(cè)，且以互易波導的相位為參考相位，即固定cp產(chǎn)0。兩根非互易波導位于互易波導的同一兩側(cè)的情況可以類似推出。利用推挽的工作方式讓兩根非互易波導產(chǎn)生相反互相方向的，大小為4ti/3的非互易相移，則 三根中間波導的相位組合[W，伊2，灼]在前向(后向)傳輸時為[2兀/3， 0， -2兀/3]， 在后向(前向)傳輸時為[-2兀/3， 0， 2tt/3]。根據(jù)多模干涉波導的成像特性，中 間波導的相位組合的非互易決定了整個多模干涉器件在前向和后向工作時的非 互易性。如圖3所示，當器件前向工作時，第一端口 Pl入第五端口 P5出，第 二端口P2入第四端口P4出，第三端口 P3入第六端口 P6出；而器件后向工作 時，第四端口 P4入第一端口 Pl出，第五端口 P5入第三端口 P3出，第六端口 P6入第二端口P2出，因此可以形成一個六端環(huán)形器。結(jié)合上述理論，若非互易相移器和多模干涉波導都是偏振無關的，則所述 的六端環(huán)形器也是偏振無關的。制作偏振無關的非互易相移器的工藝盡管較復 雜，也已經(jīng)取得很多進展。多模干涉耦合器的偏振相關特性與多模波導的折射 率分布有關，可以通過優(yōu)化波導結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)偏振無關的多模干涉器件，相 關工藝制作容差較大，易于實現(xiàn)。為便于放置磁極和保證結(jié)構(gòu)對稱性，兩根非 互易中間波導最好置于互易中間波導的兩側(cè)，理論上也可以位于互易中間波導 的同一側(cè)。顯然，基于輸入輸出波導數(shù)目大于三的多模干涉耦合器，在像點處延伸的 波導中引入非互易相移，可以得到六個端口以上的環(huán)形器。此外，添加一根彎曲波導將六個端口(按Pl, P5， P3， P6, P2， P4端口次序)中任意相鄰的兩個 端口首尾相接，所述的六端環(huán)形器可以改裝成四端環(huán)形器；將六個端口中任意 次相鄰的兩個端口首尾相接，夾在中間的端口具反射鏡功能，另三個端口構(gòu)成 三端環(huán)形器；將六個端口中任意相對的兩個端口首尾相接，兩側(cè)的端口相互獨 立，且同側(cè)的兩端口間具備直通功能。這些都是本發(fā)明的一種基本推廣，均在 本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。本發(fā)明的實施方式很多，只要采用制作磁光波導的常規(guī)平面工藝過程及條 件即可。在此把適于TM模式的Ce:YIG/Si02非互易波導結(jié)構(gòu)植入所述的3x3 多模干涉耦合器結(jié)構(gòu)作為實施例，如圖4所示。上文所提及的非互易波導的設 計非常靈活，且多模干涉波導的相關參數(shù)可因設計需要而改變，因此，所提出 的環(huán)形器的實現(xiàn)決非僅限于此實施例。利用集成光學平面工藝，在Si02襯底6上生長或濺射400納米厚的Ce:YIG 磁光膜7，光刻并刻蝕150納米，得到內(nèi)外高度分別為400納米和250納米的脊 型波導區(qū)。接入波導1、非互易中間連接波導4和互易中間連接波導5的寬度均 為1微米。多模波導2的長寬分別為260微米和11.7微米，錐形波導3的寬度 在50微米長度內(nèi)，從1微米線性變化到1.5微米。非互易中間連接波導的長度 需要保證在波導磁飽和的情況下的非互易相位為4;i/3，其大小用數(shù)值計算的方 法很容易得到。在兩個非互易中間連接波導出放置一塊N-S-N的永磁體8，磁體 的S極的寬度最好與兩側(cè)非互易中間連接波導的中心距離相近，以保證在非互 易中間連接波導4處產(chǎn)生盡可能強的磁場，并使夾在中間的互易中間連接波導5 不受磁場干擾。磁體產(chǎn)生出的磁場9使非互易中間連接波導4處的Ce:YIG波導 區(qū)域達到磁飽和，產(chǎn)生大小為4兀/3的非互易相移。上述具體實施方式
用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本 發(fā)明的精神和權利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落 入本發(fā)明的保護范圍。權利要求
1. 一種多模干涉型六端環(huán)形器，其特征在于包括六個接入波導、兩個矩形多模波導、十二個錐形波導，兩根非互易中間波導和一根互易中間波導；第一個矩形多模波導的一端通過第一、第二和第三個錐形波導分別過渡連接到第一、第二和第三個接入波導，第一個矩形多模波導的另一端通過第四、第五和第六個錐形波導分別過渡連接到兩根非互易中間波導和一根互易中間波導的一端；兩根非互易中間波導和一根互易中間波導的另一端通過第七、第八和第九個錐形波導分別過渡連接到第二個矩形多模波導的一端；第二個矩形多模波導的另一端通過第十、第十一和第十二個錐形波導分別過渡連接到第四、第五和第六個接入波導。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種多模干涉型六端環(huán)形器，其特征在于所述 的兩根非互易中間波導含有磁光材料，其非互易特性是永久磁性或由外加磁場激勵所得；并具有方向相反的非互易相移，兩根非互易中間波導位于互易中間 波導的兩側(cè)，或位于互易中間波導的同一側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多模干涉型六端環(huán)形器。將第一個矩形多模波導的一端通過第一、二、三個錐形波導分別過渡連接到第一、二、三個接入波導，第一個矩形多模波導的另一端通過第四、五、六個錐形波導分別過渡連接到兩根非互易中間波導和互易中間波導的一端；兩根非互易中間波導和互易中間波導的另一端通過第七、八、九個錐形波導分別過渡連接到第二個矩形多模波導的一端；第二個矩形多模波導的另一端通過第十、十一、十二個錐形波導分別過渡連接到第四、五、六個接入波導。它利用多模波導的多模干涉產(chǎn)生重疊成像原理，在三像點處引出干涉臂，并引入非互易相移。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、端口數(shù)多，隔離度高，頻帶寬且易于集成，可在光網(wǎng)絡、光信息處理中應用。
文檔編號G02F1/01GK101261342SQ20081006064
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月15日 優(yōu)先權日2008年4月15日
發(fā)明者周海峰, 孫一翎, 楊建義, 江曉清, 王明華 申請人:浙江大學