CN112346175B - 一种3dB光波功率分束器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种3dB光波功率分束器，包括衬底、设置在所述衬底上的平板形光波导层、以及设置所述平板形光波导层表面的包层；所述平板形光波导层包括光波导层主体、设置在所述光波导层主体一侧的条形输入端口、以及两个设置在所述光波导层主体另一侧的条形输出端口；所述光波导层主体设置有半透半反射镜和全反射镜，所述半透半反射镜用于把入射光束分割为反射光束和透射光束，所述反射光束射向其中一个条形输出端口，所述全反射镜用于把所述透射光束全部发射向另一个条形输出端口；所述反射光束和透射光束的光功率相等；该3dB光波功率分束器光损耗低且结构紧凑。

Description

一种3dB光波功率分束器

技术领域

本发明涉及集成光子器件领域，尤其涉及一种3dB光波功率分束器。

背景技术

硅光子技术可以通过半导体制造技术与微电子芯片进行相对简单的集成来实现低成本的光学设备。这使得使用SOI（Silicon-On-Insulator 绝缘体上硅）技术基于高对比度折射率材料的新器件的设计和制造成为可能。3dB光波分束器是实现集成光子系统不可替代的无源器件单元，它可以将光功率按照1：1的比例分配给2个输出设备以满足光电子集成的多设备级联需求。

目前，片上光电子集成系统中的光波功率分束器主要由Y支、多模干涉耦合器、方向耦合器实现对光波分束，这些器件单元结构均是基于SOI条形光波导制备的。但是，光波在波导内以高斯光波的形式进行传播，高斯光波具有远场发散特性；当光波在条形光波导内传播时，其传播模式在波导内的横向方向和纵向方向均被约束而无法发散；而且现阶段由于加工工艺的限制，条形光波导在制备时其两侧会存在粗糙壁，这些粗糙壁会导致光波在传播模式被约束时造成较大的插入损耗，约为3dB/cm；因此，现有的这种光波功率分束器对光波的损耗较大，而且器件尺寸较大，不利于光电子集成电路的低损耗、高集成化设计。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种3dB光波功率分束器，其光损耗低且结构紧凑。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种3dB光波功率分束器，包括衬底、设置在所述衬底上的平板形光波导层、以及设置所述平板形光波导层表面的包层；所述平板形光波导层包括光波导层主体、设置在所述光波导层主体一侧的条形输入端口、以及两个设置在所述光波导层主体另一侧的条形输出端口；

所述光波导层主体设置有半透半反射镜和全反射镜，所述半透半反射镜用于把入射光束分割为反射光束和透射光束，所述反射光束射向其中一个条形输出端口，所述全反射镜用于把所述透射光束全部发射向另一个条形输出端口；所述反射光束和透射光束的光功率相等。

所述的3dB光波功率分束器中，所述半透半反射镜和全反射镜均为曲面镜，所述曲面镜为凹面镜。

所述的3dB光波功率分束器中，所述半透半反射镜包括开设在所述光波导层主体上的凹槽，所述凹槽为空槽，或者所述凹槽内填充有填充材料，且所述填充材料的折射率比所述光波导层主体的材料的折射率低。

所述的3dB光波功率分束器中，所述全反射镜为所述光波导层主体的一个侧面。

进一步的，作为全反射镜的侧面上包覆的包层厚度不小于光波的全反射透射深度。

所述的3dB光波功率分束器中，所述平板形光波导层为硅、磷化铟、锑、砷化镓或砷化铟；所述包层为二氧化硅。

所述的3dB光波功率分束器中，所述条形输入端口和条形输出端口均为矩型条状，且条形输入端口和条形输出端口的横截面尺寸相同。

进一步的，所述条形输入端口和条形输出端口的宽度和厚度满足条件：max（w，2h）<λ<2w，其中，w是宽度，h是厚度，λ是工作光波的波长。

所述的3dB光波功率分束器中，所述半透半反射镜和全反射镜的位置和尺寸满足以下条件：

；

；

；

；

其中，

是入射光波的光腰半径,

是出射光波的光腰半径，

是条形输入 端口的根部到反射点的入射距离，

是反射点到相应条形输出端口的根部的出射距离，

是曲面镜的焦距，

是入射光波的瑞利距离，

是曲面镜的半径，

是入射光波的入射 角。

所述的3dB光波功率分束器中，所述条形输出端口的中轴线与所述条形输出端口的中轴线垂直。

有益效果：

本发明提供的一种3dB光波功率分束器，与现有技术相比，具有以下优点：

1.通过光波导层主体中的一面半透半反射镜与一面全反射镜，实现功率1：1的光波分束，结构紧凑，有利于减小尺寸；

2.该光波功率分束器基于平板形光波导，光波在平板形光波导内传播时其传播模式仅在纵向方向被限制，光波在横向方向可自由传播，与条形光波导相比，光波传输效率受波导粗糙侧壁影响较小，插入损耗较低。

附图说明

图1为本发明提供的3dB光波功率分束器的结构示意图。

图2为本发明提供的3dB光波功率分束器中，平板形光波导层的俯视图。

图3为在不同

比率的情况下，

比率随

比率的变化趋势图。

图4为半反半透曲面镜透射功率随镜厚度的变化趋势图。

图5为对具有TE偏振的高斯光波进行的仿真的仿真结果。

图6为两个输出光束的功率的仿真计算结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下文的公开提供的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1、2，本发明提供的一种3dB光波功率分束器，包括衬底1、设置在衬底1上的平板形光波导层2、以及设置平板形光波导层表面的包层；平板形光波导层2包括光波导层主体201、设置在光波导层主体201一侧的条形输入端口202、以及两个设置在光波导层主体201另一侧的条形输出端口203（此处的条形是相对于平板形的波导层主体201而言的，条形输入端口202、条形输出端口203的宽度小于波导层主体201对应的侧面的宽度）；

光波导层主体201设置有半透半反射镜204和全反射镜205，半透半反射镜204用于把入射光束（即从条形输入端口202射入光波导层主体201的光束）分割为反射光束和透射光束，反射光束射向其中一个条形输出端口203，全反射镜205用于把透射光束全部发射向另一个条形输出端口203；反射光束和透射光束的光功率相等。

工作时，入射光束从条形输入端口202射入，当入射光束来到半透半反射镜204处时，半透半反射镜204按照功率1：1把该入射光束分割为反射光束和透射光束，其中，反射光束直接射向其中一个条形输出端口203，透射光束穿过半透半反射镜204后，打在全反射镜205上并被全反射镜205全部反射向另一个条形输出端口203，从而实现功率1：1的光波分束。与现有技术相比，具有以下优点：

1.通过光波导层主体中的一面半透半反射镜与一面全反射镜，实现功率1：1的光波分束，结构简单、紧凑，有利于减小尺寸，实现微型化设计；

2.该光波功率分束器基于平板形光波导，光波导层主体的横向尺寸大于条形输入端口的横向尺寸（宽度方向），光波在平板形光波导内传播时其传播模式仅在纵向方向（厚度方向）被限制，光波在横向方向可自由传播，与条形光波导相比，光波传输效率受波导粗糙侧壁影响较小，插入损耗较低，从而整个3dB光波功率分束器的光损耗低。

在一些优选实施方式中，半透半反射镜204和全反射镜205均为曲面镜，该曲面镜为凹面镜。由于凹面镜式的曲面镜具有聚光作用，可汇聚远场发散后的高斯光束，使输出光束宽度小于或等于输入光束宽度，从而条形输出端口203 宽度可设置为与条形输入端口202的宽度相等，以满足器件结构的通用性要求（而实际应用中，外部设备用于输送入射光束和接收输出光束的接口一般是同尺寸的）；事实上，若半透半反射镜204和全反射镜205不具有聚光作用，则输出光束宽度会大于输入光束宽度，从而条形输出端口203 宽度需要比条形输入端口202的宽度大，因而通用性较差。

在一些优选实施方式中，半透半反射镜204包括开设在光波导层主体201上的凹槽，该凹槽为空槽（如图1所示的情况），或者该凹槽内填充有填充材料，且填充材料的折射率比光波导层主体201的材料的折射率低。该填充材料可以与包层的材料相同。实际上，当凹槽为空槽时，可认为凹槽中的填充材料为空气。该凹槽生产方便，可直接在光波导层主体201上刻蚀得到。

在一些优选实施方式中，全反射镜205为光波导层主体201的一个侧面。例如，当全反射镜205为曲面镜时，直接把背向半透半反射镜204反射面的一侧侧面加工为曲面即可，加工简单方便。

进一步的，该作为全反射镜的侧面上可包覆包层、也可不包覆包层，实际上，当该侧面不包覆包层时，相当于用空气作为包层。若该作为全反射镜的侧面上包覆有包层，则包覆的包层厚度不小于光波的全反射透射深度。因为，光波在发生全反射时，会在反射介质中存在一定透射深度，这一现象被称作古斯-汉欣位移，其透射深度具体计算公式如下：

其中，

为透射深度，

为工作光波的波长（真空波长），n1是光波导层主体材料 的折射率，n2是包层材料的折射率，

是入射光波的入射角。

在一些实施方式中，平板形光波导层2为硅、磷化铟、锑、砷化镓或砷化铟（即波导层主体201、条形输入端口202、条形输出端口203均为硅、磷化铟、锑、砷化镓或砷化铟），但不限于此；包层为二氧化硅。实际上，包层也可以是聚合物、空气（包层为空气即不设置包层）等。

在本实施例中，条形输入端口202和条形输出端口203均为矩型条状，且条形输入端口202和条形输出端口203的横截面尺寸相同。事实上，条形输入端口202和条形输出端口203的横截面形状不限于是矩形，横截面尺寸也不限于是相同的。但在实际应用中，外部设备用于输送入射光束和接收输出光束的接口一般是同尺寸的，且一般是矩形的，因此，把条形输入端口202和条形输出端口203的横截面设置为尺寸相同的矩形，可满足器件结构的通用性要求，而且由于平板形光波导层2是板状的，生产时直接用板状材料进行切割即可得到，此时把条形输入端口202和条形输出端口203设置为矩型的，无需对其形状作进一步加工，生产更加方便快捷。

进一步的，条形输入端口202和条形输出端口203的宽度和厚度应满足条件：max（w，2h）<λ<2w，其中，w是宽度，h是厚度，λ是工作光波的波长（真空波长）。在实际应用中，输入的光波和输出的光波一般是通过单模光纤进行传输的，因此，若要保证该3dB光波功率分束器能够与单模光纤配合使用，则需要光波在条形输入端口202和条形输出端口203中以单模形式进行传播，以减少耦合损耗；只有在满足上述条件“max（w，2h）<λ<2w”时，光波才能在条形输入端口202和条形输出端口203中以单模形式进行传播。

为了满足输出光束宽度小于或等于输入光束宽度的要求，以便条形输出端口203宽度可以设置为与条形输入端口202的宽度相等，满足通用性要求；在一些优选实施方式中，半透半反射镜204和全反射镜205的位置和尺寸满足以下条件：

；

；

；

；

其中，

是入射光波的光腰半径（该光腰半径等于条形输入端口202宽度的一 半）,

是出射光波的光腰半径，

是条形输入端口的根部到反射点的入射距离（对于 半透半反射镜204，该入射距离为图2中的oa长度；对于全反射镜205，该入射距离为图2中的 oc长度），

是反射点到相应条形输出端口的根部的出射距离（对于半透半反射镜204，该 出射距离为图2中的ab长度；对于全反射镜205，该出射距离为图2中的cd长度），

是曲面镜 的焦距，

是入射光波的瑞利距离，

是曲面镜的半径，

是入射光波的入射角。

其中，

，

是工作光波在平板形光波导层2中的有效波长。可计算在 不同的

比率的情况下，

比率随

比率的关系，以选择合适的

以确定 曲面镜的半径。例如，图3为在不同

比率的情况下，

比率随

比率的变 化趋势图，当

等于1、

大于1时，

约等于1，此时，

，满足设计 条件。

其中，半透半反射镜204的厚度根据具有的填充材料（包括填充材料为空气的情况）和半透半反射镜的半径设置，例如，可通过利用基于时域有限差分法Rsoft仿真软件扫描计算在设定半径下镜面厚度与曲面镜透射率的关系，选定光波透射归一化能量为50%时的曲面镜厚度作为半反半透曲面镜的厚度。

在一些实施方式中，见图1、2，条形输入端口202的中轴线与条形输出端口203的中 轴线垂直。从而，入射光束和输出光束相互垂直，此时入射角

等于45°。

其中，衬底1选用折射率比平板形光波导层2低的材料，例如二氧化硅。

综上，该3dB光波功率分束器通过在平板形光波导中设置一面半透半反射镜与一面全反射镜的巧妙设置，使在平板形光波导内传播的高斯光束完成功率分束，此外，曲面镜还具有汇聚远场发散后的高斯光束的功能，使输出光束宽度小于或等于输入光束宽度，以满足器件结构的通用性；还具有以下优点：

1. 可以在两输出端实现高精度1：1光波分束；

2.结构简单、紧凑，有利于减小尺寸，实现微型化设计；

3.该光波功率分束器基于平板形光波导，光波导层主体的横向尺寸大于条形输入端口的横向尺寸，光波在平板形光波导内传播时其传播模式仅在纵向方向被限制，光波在横向方向可自由传播，与条形光波导相比，光波传输效率受波导粗糙侧壁影响较小，插入损耗较低，从而整个3dB光波功率分束器的光损耗低。

以下通过具体实施例进行进一步说明：

实施例一

本实施例中的3dB光波功率分束器的平板形光波导层2为硅（折射率为3.45）、包层和衬底1均为二氧化硅（折射率为1.45）；

其条形输入端口202和条形输出端口203的横截面均为矩形，且宽度w为1.4μm，厚 度h为0.5μm；且条形输入端口202和条形输出端口203相互垂直，因此，入射角

等于45°；

工作波长为光通信中的常用波长1.55μm，其在平板形光波导层2中瑞利距离

为 3.42μm；在不同

比率的情况下，

比率随

比率的变化趋势图如图3所 示；选定

等于1（

为3.42μm）、

大于1、

约等于1的条件，从而，半透半 反射镜204和全反射镜205的半径均为9.7μm；

其中，半透半反射镜204包括凹槽，该凹槽内填充有二氧化硅，且半透半反射镜204的厚度为0.105μm；该半反半透曲面镜透射功率随镜厚度的变化趋势如图4所示；

其中，条形输入端口202的根部到半透半反射镜204反射点的入射距离

为4μm； 半透半反射镜204反射点到相应条形输出端口203的根部的出射距离

为4.3μm；

其中，条形输入端口202的根部到全反射镜205反射点的入射距离

为7.5μm；全 反射镜205反射点到相应条形输出端口203的根部的出射距离

为4.3μm。

其中，衬底1的尺寸为10μm×10μm。

以具有TE偏振的高斯光波作为工作光波（即电场的偏振方向平行于平板平面的高斯光波），通过仿真计算（仿真计算结果如图5、6所示），两个条形输出端口203的分波比率为1：0.995，两个条形输出端口203的插入损耗分别为0.08dB和0.10dB。可见该3dB光波功率分束器的分光精度高，且光损耗小。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，其方案与本发明实质上相同。

Claims (9)

1.一种3dB光波功率分束器，包括衬底、设置在所述衬底上的平板形光波导层、以及设置所述平板形光波导层表面的包层；其特征在于，所述平板形光波导层包括光波导层主体、设置在所述光波导层主体一侧的条形输入端口、以及两个设置在所述光波导层主体另一侧的条形输出端口；

所述光波导层主体设置有半透半反射镜和全反射镜，所述全反射镜为所述光波导层主体的一个侧面，所述半透半反射镜设置在所述光波导层主体内部；所述半透半反射镜用于把入射光束分割为反射光束和透射光束，所述反射光束射向其中一个条形输出端口，所述全反射镜用于把所述透射光束全部发射向另一个条形输出端口；所述反射光束和透射光束的光功率相等。

2.根据权利要求1所述的3dB光波功率分束器，其特征在于，所述半透半反射镜和全反射镜均为曲面镜，所述曲面镜为凹面镜。

3.根据权利要求1所述的3dB光波功率分束器，其特征在于，所述半透半反射镜包括开设在所述光波导层主体上的凹槽，所述凹槽为空槽，或者所述凹槽内填充有填充材料，且所述填充材料的折射率比所述光波导层主体的材料的折射率低。

4.根据权利要求1所述的3dB光波功率分束器，其特征在于，作为全反射镜的侧面上包覆的包层厚度不小于光波的全反射透射深度。

5.根据权利要求1所述的3dB光波功率分束器，其特征在于，所述平板形光波导层为硅、磷化铟、锑、砷化镓或砷化铟；所述包层为二氧化硅。

6.根据权利要求1所述的3dB光波功率分束器，其特征在于，所述条形输入端口和条形输出端口均为矩型条状，且条形输入端口和条形输出端口的横截面尺寸相同。

7.根据权利要求6所述的3dB光波功率分束器，其特征在于，所述条形输入端口和条形输出端口的宽度和厚度满足条件：max（w，2h）<λ<2w，其中，w是宽度，h是厚度，λ是工作光波的波长。

8.根据权利要求2所述的3dB光波功率分束器，其特征在于，所述半透半反射镜和全反射镜的位置和尺寸满足以下条件：

；

；

；

；

其中，

是入射光波的光腰半径,

是出射光波的光腰半径，

是条形输入端口的根部到反射点的入射距离，

是反射点到相应条形输出端口的根部的出射距离，

是曲面镜的焦距，

是入射光波的瑞利距离，

是曲面镜的半径，

是入射光波的入射角。

9.根据权利要求1所述的3dB光波功率分束器，其特征在于，所述条形输出端口的中轴线与所述条形输出端口的中轴线垂直。

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