用于多模光波导3dB分束的定向耦合器及耦合方法

摘要

本发明公开了一种用于多模光波导3dB分束的定向耦合器及耦合方法，包括两组密集波导阵列，每组密集波导阵列由两根以上掩埋型矩形光波导并排构成；两组密集波导阵列分为输入区、第一渐变锥形区、耦合区、第二渐变锥形区、输出区；输入区通过第一渐变锥形区与耦合区一端相连，耦合区的另一端通过第二渐变锥形区与输出区相连；通过第一渐变锥形区、第二渐变锥形区调节输入区、输出区、耦合区的掩埋型矩形光波导的宽度以及掩埋型矩形光波导之间的距离。本发明通过基于密集波导阵列结构的多模光波导的定向耦合器，同时实现多个模式的3dB分束，具有结构紧凑、简单，易于加工实现等效果，可应用于模分复用集成光路。

说明书

技术领域

本发明涉及集成光子领域，更具体的涉及一种用于实现多模波导光分束的集成器件结构。

背景技术

如今，随着各种新兴应用的推动，如：移动互联、云计算等，互联网接入点每年以百万计的数量增长，国际互联网的信息交互量的年增长率也超过40%，网络中各交换节点的容量需求也将达到Pb/s量级。如今的10Gb/s-100Gb/s的光通信网络和技术，已经很难支撑以上这些人们对信息量日益增长的需求。更重要的是，由于受到光纤非线性效应的影响，光纤中单通道可以传输的数据速率已经接近于香农定律所决定的物理极限，很难进一步得到提高。

空间复用（也被称作模式复用），作为光子的另一个复用维度，在最近得到国际上广泛的关注。特别是对于传输距离在几厘米到两公里左右的短距离片上或片间光互连来说，由于节点数众多，对光模块的尺寸、功能和成本都有更高的要求。传统的波分复用方式需要用到高性能激光器及其阵列，并且需要对激光器以及各个无源器件的波长进行较好的控制，具有相当的难度。模式复用技术也可以成倍增加单根平面光波导中的数据传输速率。利用波导模式的正交性，通过单个波长就可以实现多通道数据传输，因此有效的避免了密集波分复用系统中对波长稳定性的苛刻要求，大幅降低了整个光互连模块的尺寸、成本和能耗。

传统多模波导中各阶模式的传播常数、模斑形状等差异非常大。而各种传统的硅基器件，基本是基于单模波导设计的，不能直接扩展到多模情况。国际上较通用的处理多模的方式是：首先将每个模式解复用到单模波导，然后分别处理，最后再复用到多模波导。但这种方式，无疑在器件尺寸、控制方式、损耗等方面存在扩展性的问题。

发明内容

1、本发明的目的。

本发明提供一种在多模光波导中实现光分束集成光器件结构，以解决现有技术中的单模波导分束到多模波导存在的损耗和难以扩展的问题。

2、本发明所采用的技术方案。

本发明提出的用于多模光波导3dB分束的定向耦合器，包括两组密集波导阵列，每组密集波导阵列由两根以上掩埋型矩形光波导并排构成；两组密集波导阵列分为输入区、第一渐变锥形区、耦合区、第二渐变锥形区、输出区；输入区通过第一渐变锥形区与耦合区一端相连，耦合区的另一端通过第二渐变锥形区与输出区相连；通过第一渐变锥形区、第二渐变锥形区调节输入区、输出区、耦合区的掩埋型矩形光波导的宽度以及掩埋型矩形光波导之间的距离。

更进一步具体实施方式中，所述的输入区和输出区：每组密集波导阵列中并排的掩埋型矩形光波导宽度各不相同，掩埋型矩形光波导之间间距相等。

更进一步具体实施方式中，所述的耦合区：每组密集波导阵列中并排的掩埋型矩形光波导宽度相同，掩埋型矩形光波导之间间距各不相等。

更进一步具体实施方式中，所述耦合区的两组密集波导阵列：其并排的掩埋型矩形光波导以两组密集波导阵列之间的中心线对称排列，即两组密集波导阵列最外层掩埋型矩形光波导的两个间距相同，次外层掩埋型矩形光波导的两个间距相同，以此类推。

更进一步具体实施方式中，所述的掩埋型矩形光波导，包括一个高折射率的波导芯层、一个低折射率的下包层和一个低折射率的上包层。

一种多模光波导3dB分束的定向耦合方法，

两组密集波导阵列，每组密集波导阵列由两根以上掩埋型矩形光波导并排排列；

输入区通过第一渐变锥形区与耦合区一端相连，耦合区的另一端通过第二渐变锥形区与输出区相连；

通过第一渐变锥形区、第二渐变锥形区调节输入区、输出区、耦合区的掩埋型矩形光波导的宽度以及掩埋型矩形光波导之间的距离；

不同模式的光从第一组密集波导阵列的输入区输入，经过耦合区进行耦合，各个模式的光将被同时等功率的分配到输出区的两组密集波导阵列进行输出，实现多模的3dB光分束；

不同模式的光从第二组密集波导阵列的输入区输入，经过耦合区进行耦合，各个模式的光将被同时等功率的分配到输出区的两组密集波导阵列进行输出，实现多模的3dB光分束。

更进一步具体实施方式中，设置所述的输入区和输出区使得每组密集波导阵列中并排的掩埋型矩形光波导宽度各不相同，掩埋型矩形光波导之间间距相等。

更进一步具体实施方式中，设置所述的耦合区即每组密集波导阵列中并排的掩埋型矩形光波导宽度相同，掩埋型矩形光波导之间间距各不相等。

更进一步具体实施方式中，设置所述耦合区的两组密集波导阵列：其并排的掩埋型矩形光波导以两组密集波导阵列之间的中心线对称排列，即两组密集波导阵列最外层掩埋型矩形光波导的两个间距相同，次外层掩埋型矩形光波导的两个间距相同，以此类推。

更进一步具体实施方式中，所述的掩埋型矩形光波导，由高折射率的波导芯层外部包裹一个低折射率的下包层和一个低折射率的上包层。

3、本发明的有益效果。

（1）本发明可以实现输入和输出多模波导之间，多个模式同时的3dB定向耦合，易于扩展。

（2）本发明结构紧凑简单，单一结构就可以同时对多个模式进行处理，无需使用传统的解复用-单模处理-复用的方式，可以大大减少器件的复杂度，提高芯片的集成度。

（3）本发明制作工艺简单，不包含任何额外的制作工序，与普通的掩埋型光波导制作工艺一致，降低制作成本。

附图说明

图1 本发明中所针对的多模光波导的平面示意图，即：密集波导阵列。

图2 密集波导阵列的横截面结构示意图。

图3 本发明中的定向耦合器结构示意图。

图4 耦合区的横截面结构示意图。

图5 n=2的密集波导阵列所支持的TE₁模式。

图6 n=2的密集波导阵列所支持的TE₂模式。

图7 TE₁模式的光在本发明的定向耦合器中传输的光场图。

图8 TE₂模式的光在本发明的定向耦合器中传输的光场图。

具体实施方式

实施例1

如图1，2所示，本发明中所针对的多模光波导，是由n（n>1）根宽度各不相同的掩埋型矩形光波导1(1)~1(n)等间距并排组成的密集波导阵列1构成，其宽度分别为W₁~W_n，其间距为g。所述的掩埋型矩形光波导，除了具有高折射率波导芯层以外，还具有一个低折射率下包层2和一个低折射率上包层3。

如图3所示，本发明的定向耦合器结构包含第一输入密集波导阵列4和第二输入密集波导阵列5；第一输入密集波导阵列4和第二输入密集波导阵列5通过长度为L₂第一渐变锥形区6与耦合区7连接。

如图3，4所示，耦合区7是由2n根掩埋型矩形光波导并排组成。其中的这些掩埋型矩形光波导的宽度相同，标为W，掩埋型矩形光波导之间的间距不同，标为g₁~g_n。耦合区7以两组密集波导阵列之间的中心线对称设置，也就是说，最外层的两个间距相同为g₁，次外层的两个间距相同为g₂，以此类推。

如图3所示，耦合区7通过长度为L₂第二渐变锥形区8与第一输出密集波导阵列9和第二输出密集波导阵列10相连接。

本发明的定向耦合器的工作原理为，不同模式的光从第一输入密集波导阵列4输入，经过耦合区7以后，各个模式的光将被同时等功率的分配到第一输出密集波导阵列9和第二输出密集波导阵列10，实现多模的3dB光分束。由于整个结构的对称性，从第二输入密集波导阵列5输入的光，将经过同样的一个耦合过程，即：不同模式的光从第二输入密集波导阵列5输入，经过耦合区7以后，各个模式的光将被同时等功率的分配到第一输出密集波导阵列9和第二输出密集波导阵列10，实现多模的3dB光分束。

实施例2

以两个模式（即：n=2）的3dB分束定向耦合器为例。

选择波导芯层材料为硅，波导上下包层材料都为二氧化硅。输入和输出的密集波导阵列结构参数为W₁=0.4μm，W₂=0.55μm，g=0.12μm。其支持的两个模式为图5，6所示，分别标为TE₁和TE₂模式，耦合区参数为W=0.45μm，g₁=0.12μm，g₂=0.195μm，耦合区长度L₁=21.8μm，渐变锥形区长度L₁=1.0μm。

如图7所示，TE₁模式的光从一个输入密集波导阵列输入，经过本发明中的定向耦合器以后，被等功率的分配两个输出密集波导阵列的TE₁模式中，而两个输出密集波导阵列的TE₂模式没有被激发，具有良好的串扰性能。

如图8所示，TE₂模式的光从一个输入密集波导阵列输入，经过本发明中的定向耦合器以后，被等功率的分配两个输出密集波导阵列的TE₁₂模式中。而两个输出密集波导阵列的TE₁模式没有被激发，具有良好的串扰性能。