專利名稱：一種基于耦合模式分離的光分束器的制作方法
一種基于耦合模式分離的光分束器技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于光通信、光互連、光計(jì)算、集成光學(xué)、光學(xué)傳感等領(lǐng)域的光分束器，特別是涉及一種可實(shí)現(xiàn)任意分光比、插入損耗低、波長范圍寬以及工藝容差大的基于率禹合模式分離的2X2光分束器。
背景技術(shù)：
光分束器是一種重要的光學(xué)基本元器件，廣泛應(yīng)用于光通信、光互連、光計(jì)算、集成光學(xué)、光學(xué)傳感等領(lǐng)域。目前常用的2X2光分束器主要包括定向耦合型分束器和多模干涉型分束器，隨著集成度的增加兩種分束器的尺寸不斷減小，二者的缺陷變得日益顯著。定向耦合型分束器的原理是基于耦合模式的干涉，由于耦合模式對(duì)波長和耦合區(qū)結(jié)構(gòu)很敏感，所以這種分束器的工作波長范圍很窄，工藝容差也很小。多模干涉型分束器基于多模干涉的自映像原理，主要用于均勻分光，因而其分束比變化范圍很有限；2X2的多模干涉型分束器的兩條輸出波導(dǎo)與某一輸入波導(dǎo)間存在不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)均勻分光，就會(huì)激發(fā)起輻射模，因而插入損耗比較大。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題為了克服上述光分束器的不足，本發(fā)明提出了一種基于耦合模式分離的2X2光分束器。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于稱合模式分離的光分束器，該光分束器包括相鄰的第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2，用于實(shí)現(xiàn)2X2的光分束；其中，第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2的間距逐漸減小且波導(dǎo)尺寸不變構(gòu)成耦合模式激發(fā)區(qū)，然后第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2的間距逐漸增大且波導(dǎo)尺寸向相反方向變化構(gòu)成耦合模式分離區(qū)。上述方案中，所述第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2是平面波導(dǎo)或非平面波導(dǎo)。所述平面波導(dǎo)是條形、脊形、圓形、橢圓形或狹縫形波導(dǎo)，所述非平面波導(dǎo)是光纖。上述方案中,在所述稱合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2結(jié)構(gòu)相同,該光分束器是均勻分束。上述方案中，在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2結(jié)構(gòu)不相同，該光分束器是非均勻分束。上述方案中，在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的間距逐漸減小的方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數(shù)型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。上述方案中，在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的間距逐漸增大的方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數(shù)型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。上述方案中，當(dāng)在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的結(jié)構(gòu)相同時(shí)，在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的尺寸向相反方向變化，包括任選耦合模式分離區(qū)的一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大或減小的方向變化，而另一條波導(dǎo)的尺寸不變；或者任選耦合模式分離區(qū)的一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化，同時(shí)另一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化。上述方案中，當(dāng)在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的結(jié)構(gòu)不同時(shí)，在所述I禹合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的尺寸向相反方向變化,包括只將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較大的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化，或者只將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較小的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化，而另一條波導(dǎo)的尺寸不變；或者將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較大的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化，同時(shí)有效折射率較小的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化。上述方案中，在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的尺寸向相反方向變化，其變化方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數(shù)型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。 (三)有益效果因?yàn)榉峙涞絻神詈夏Ｊ街械墓饽芰勘壤梢酝ㄟ^改變耦合模式激發(fā)區(qū)的結(jié)構(gòu)來任意調(diào)整，所以本發(fā)明提供的光分束器可以實(shí)現(xiàn)各種不同的分光比。又因?yàn)楸景l(fā)明提供的光分束器基于絕熱模式變化來實(shí)現(xiàn)耦合模式的分離，所以還具有插入損耗低、波長范圍寬以及工藝容差大等優(yōu)點(diǎn)。


圖1(a)和圖1(b)是本發(fā)明提供的基于耦合模式分離的光分束器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖I (a)對(duì)應(yīng)分束比為O. 5/0. 5的均勻分束，圖I (b)對(duì)應(yīng)非均勻分束。圖2(a)和圖2(b)是束傳播法模擬的分束比隨傳輸長度變化的曲線，其中圖2 (a)實(shí)現(xiàn)了 O. 5/0. 5的均勻分束，圖2(b)則實(shí)現(xiàn)了 O. 9/0. I的非均勻分束。附圖標(biāo)記說明1-0 :第一波導(dǎo)I的輸入端1-1 :第一波導(dǎo)I的稱合模式激發(fā)區(qū)1-2 :第一波導(dǎo)I的耦合模式分離區(qū)2-0 :第二波導(dǎo)2的輸入端2-1 :第二波導(dǎo)2的耦合模式激發(fā)區(qū)2-2 :第二波導(dǎo)2的耦合模式分離區(qū)
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)光波導(dǎo)耦合模式理論，當(dāng)兩條單模光波導(dǎo)逐步靠近時(shí)，兩波導(dǎo)的模式會(huì)相互
率禹合形成兩個(gè)新的稱合模式-對(duì)稱模式和反對(duì)稱模式。當(dāng)從某一路波導(dǎo)輸入一束光，如
果兩波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)相同，則光能量會(huì)均分到兩個(gè)耦合模式；如果兩波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)不同，則光能量以其他比例分配到兩個(gè)耦合模式。本發(fā)明首先通過控制兩波導(dǎo)在耦合模式激發(fā)區(qū)的結(jié)構(gòu)，將入射光能量以一定比例分配到兩耦合模式中，然后將兩波導(dǎo)尺寸向相反的方向變化，使兩耦合模式絕熱變化最后分離，從而實(shí)現(xiàn)光能量的分束。
如圖I所示，圖I (a)和圖I (b)是本發(fā)明提供的基于耦合模式分離的光分束器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖1(a)對(duì)應(yīng)分束比為O. 5/0. 5的均勻分束，圖1(b)對(duì)應(yīng)非均勻分束。該
光分束器包括兩條相鄰的光波導(dǎo)-第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2,光從第一波導(dǎo)I的輸入端
1-0或第二波導(dǎo)2的輸入端2-0輸入，可實(shí)現(xiàn)2X2的光分束；其中，第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2的間距逐漸減小且尺寸不變構(gòu)成耦合模式激發(fā)區(qū)，然后第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2的間距逐漸增大且尺寸向相反方向變化構(gòu)成耦合模式分離區(qū)。首先第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2逐漸靠近且尺寸不變，形成耦合模式激發(fā)區(qū)。通過控制第一波導(dǎo)I的耦合模式激發(fā)區(qū)1-1和第二波導(dǎo)2的耦合模式激發(fā)區(qū)2-1的結(jié)構(gòu)，將入射光能量以一定比例分配到兩耦合模式中。如圖1(a)所示，第一波導(dǎo)I的耦合模式激發(fā)區(qū)1-1和第二波導(dǎo)2的耦合模式激發(fā)區(qū)2-1結(jié)構(gòu)相同，入射光能量均勻分配(如圖2(a)所示)到兩耦合模式中；如圖I (b)所示，第一波導(dǎo)I的耦合模式激發(fā)區(qū)1-1比第二波導(dǎo)2的耦合模式激發(fā)區(qū)2-1寬度窄一些，入射光能量以非均勻的比例(如圖2(b)所示，分光比例 為O. 9/0. I)分配到兩耦合模式中。然后，第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2間距逐漸增大且尺寸向相反方向變化構(gòu)成耦合模式分離區(qū)。如圖I所示，第一波導(dǎo)I的耦合模式分離區(qū)1-2逐漸變窄，而第二波導(dǎo)2的耦合模式分離區(qū)2-2逐漸變寬。這個(gè)過程中，第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2的耦合逐漸變?nèi)?，兩耦合模式發(fā)生絕熱變化，逐步分離。如圖2(a)和圖2(b)所示，第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2中的光能量振蕩隨傳輸長度增加而逐步減弱。最后，當(dāng)?shù)谝徊▽?dǎo)I和第二波導(dǎo)2間距足夠大，尺寸差異也足夠大時(shí)，第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2的耦合消失，兩耦合模式徹底分離，從而實(shí)現(xiàn)了光能量的分束。如圖2(a)和圖2(b)所示，第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2中的光能量振蕩最終變得十分微弱。其中，所述第一波導(dǎo)I和第二波導(dǎo)2是條形、脊形、圓形、橢圓形、狹縫形以及其他非規(guī)則圖形構(gòu)成的平面波導(dǎo)，或者是光纖及其他類型的非平面波導(dǎo)。所述的耦合模式激發(fā)區(qū)的兩波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)可以相同或不同，相同時(shí)對(duì)應(yīng)均勻分束，不同時(shí)對(duì)應(yīng)非均勻分束。即如果在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2結(jié)構(gòu)相同，則該光分束器是均勻分束；如果在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2結(jié)構(gòu)不相同，則該光分束器是非均勻分束。在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的間距逐漸減小的方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數(shù)型、拋物型、雙曲型以及其他類型的非線性絕熱漸變方式。在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的間距逐漸增大的方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數(shù)型、拋物型、雙曲型以及其他類型的非線性絕熱漸變方式。在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的尺寸向相反方向變化，包括當(dāng)在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的結(jié)構(gòu)相同時(shí)，可以任選耦合模式分離區(qū)的一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大或減小的方向變化，而另一條波導(dǎo)的尺寸不變；也可以任選耦合模式分離區(qū)的一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化，同時(shí)另一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化。當(dāng)在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的結(jié)構(gòu)不同時(shí)，可以只將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較大的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化，或者只將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較小的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化，而另一條波導(dǎo)的尺寸不變；也可以將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較大的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化，同時(shí)有效折射率較小的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化。在所述I禹合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)I和該第二波導(dǎo)2的尺寸向相反方向變化,其變化方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數(shù)型、拋物型、雙曲型以及其他非線性絕熱漸變方式。實(shí)施例I本實(shí)施例是按照?qǐng)DI (a)所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分束比為O. 5/0. 5的光分束器，采用頂硅層為340nm厚的絕緣體上硅(SOI)材料，波導(dǎo)為脊形結(jié)構(gòu)。第一波導(dǎo)I的輸入端1_0和第二波導(dǎo)2的輸入端2-0的脊寬均為500nm，在耦合模式激發(fā)區(qū)1_1或2_1，兩波導(dǎo)間距以圓弧型方式減小，至IOOnm左右或更小，而且脊寬不變；在耦合模式分離區(qū)1-2或2-2，兩波導(dǎo)間距線性增加，最大間距大于700nm，同時(shí)第一波導(dǎo)I的耦合模式分離區(qū)1_2脊寬線性減 至小于450nm，而第二波導(dǎo)2的耦合模式分離區(qū)2-2脊寬線性增至大于550nm。圖2(a)是對(duì)上述實(shí)施例的束傳播法模擬結(jié)果，波長為I. 55 μ m，可見隨著傳輸距離增加，分束比趨向于穩(wěn)定在O. 5/0. 5附近，且無明顯插入損耗。實(shí)施例2本實(shí)施例是按照?qǐng)DI (b)所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分束比為O. 9/0. I的光分束器，除第一波導(dǎo)I的輸入端1-0的脊寬為468nm和第二波導(dǎo)2的輸入端2-0的脊寬為532nm外,其余參數(shù)與實(shí)施例I相同。圖2 (b)是對(duì)上述實(shí)施例的束傳播法模擬結(jié)果，同樣可見隨著傳輸距離增加，分束比趨向于穩(wěn)定在O. 9/0. I附近，且無明顯插入損耗。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于稱合模式分離的光分束器，其特征在于，該光分束器包括相鄰的第一波導(dǎo)(I)和第二波導(dǎo)(2)，用于實(shí)現(xiàn)2X2的光分束；其中，第一波導(dǎo)⑴和第二波導(dǎo)(2)的間距逐漸減小且波導(dǎo)尺寸不變構(gòu)成耦合模式激發(fā)區(qū)，然后第一波導(dǎo)(I)和第二波導(dǎo)(2)的間距逐漸增大且波導(dǎo)尺寸向相反方向變化構(gòu)成耦合模式分離區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于稱合模式分離的光分束器，其特征在于，所述第一波導(dǎo)(I)和第二波導(dǎo)(2)是平面波導(dǎo)或非平面波導(dǎo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于耦合模式分離的光分束器，其特征在于，所述平面波導(dǎo)是條形、脊形、圓形、橢圓形或狹縫形波導(dǎo)，所述非平面波導(dǎo)是光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于耦合模式分離的光分束器，其特征在于，在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)結(jié)構(gòu)相同，該光分束器是均勻分束。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于耦合模式分離的光分束器，其特征在于，在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)結(jié)構(gòu)不相同，該光分束器是非均勻分束。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于耦合模式分離的光分束器，其特征在于，在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)的間距逐漸減小的方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數(shù)型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于耦合模式分離的光分束器，其特征在于，在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)的間距逐漸增大的方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數(shù)型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于耦合模式分離的光分束器，其特征在于，當(dāng)在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)的結(jié)構(gòu)相同時(shí)，在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)的尺寸向相反方向變化，包括 任選耦合模式分離區(qū)的一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大或減小的方向變化，而另一條波導(dǎo)的尺寸不變；或者任選耦合模式分離區(qū)的一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化，同時(shí)另一條波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于耦合模式分離的光分束器，其特征在于，當(dāng)在所述耦合模式激發(fā)區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)的結(jié)構(gòu)不同時(shí)，在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)的尺寸向相反方向變化，包括 只將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較大的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化，或者只將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較小的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化，而另一條波導(dǎo)的尺寸不變；或者將耦合模式分離區(qū)的有效折射率較大的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率增大的方向變化，同時(shí)有效折射率較小的波導(dǎo)的尺寸向有效折射率減小的方向變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于耦合模式分離的光分束器，其特征在于，在所述耦合模式分離區(qū)該第一波導(dǎo)(I)和該第二波導(dǎo)(2)的尺寸向相反方向變化，其變化方式包括線性或圓弧型、橢圓弧型、指數(shù)型、拋物型、雙曲型的非線性絕熱漸變方式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于耦合模式分離的光分束器，包括兩條相鄰的第一波導(dǎo)(1)和第二波導(dǎo)(2)，可實(shí)現(xiàn)2×2的光分束。首先兩波導(dǎo)間距逐漸減小且波導(dǎo)尺寸不變構(gòu)成耦合模式激發(fā)區(qū)，然后兩波導(dǎo)間距逐漸增大且波導(dǎo)尺寸向相反方向變化構(gòu)成耦合模式分離區(qū)。通過調(diào)整兩波導(dǎo)在耦合模式激發(fā)區(qū)的結(jié)構(gòu)，本光分束器可以實(shí)現(xiàn)各種不同的分束比。由于基于絕熱模式變化來實(shí)現(xiàn)耦合模式的分離，本光分束器還具有插入損耗低、波長范圍寬以及工藝容差大等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B6/125GK102944913SQ201210478918
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者邢界江, 李智勇, 肖希, 儲(chǔ)濤, 俞育德, 余金中 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所