专利名称：一种多模干涉型六端环形器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学环形器，尤其涉及一种基于多模干涉型六端光学器件。
技术背景光学环形器(Optical circulator)是一种光学非可逆装置，它按某一特定顺序， 引导一个端口的光到另一端口。目前光纤网络应用中常见的环形器有三到六个 端口。环形器作为一种构造功能性网络模块的必要元件，广泛应用于光上下路复 用，色散补偿，光放大回路等光学系统。随着光通信系统的复杂化，多输入输 出端口的器件需求广泛。传统的环形器借助法拉第旋转器，偏振器等微光学元 件搭建而成，系统复杂且繁于调节，不便于集成。利用集成光学的方法制作光 学环形器，集成度高、结构紧凑、高能量利用率、速度快。传统的波导型非互 易器件大多采用迈克尔曾德干涉结构，并用结构直观的Y分支或是2x2的多模 干涉耦合结构来实现干涉臂前后的3dB功率分配(如日本专利JP2003302603)。 此外还有方向耦合结构，或是直接利用多模波导中各模式的非互易特性对某一 偏振模的隔离(O.Zhuromskyy. et.al, Opt & Quantum Electron. Vol.32: 885-897， 2000)，进而实现四端口的环形器。这些设计大多限于隔离器或四端口的环形器， 并未充分利用多模干涉的相位特性来实现多端口的环形功能。基于多模干涉原 理的器件具备良好的级联重建和组合功能，各端口间有规律的相位关系，制作 容差较大，用来构建多端口的非互易光路有很大优势。 发明内容本发明的目的在于提供一种基于3x3多模干涉耦合器结构的六端口光学环形 器，是有关利用多模波导成像特性来实现光波在多端口间环路运行的器件。 本发明采用的技术方案如下包括六个接入波导、两个矩形多模波导、十二个锥形波导，两根非互易中间 波导和一根互易中间波导；第一个矩形多模波导的一端通过第一、第二和第三 个锥形波导分别过渡连接到第一、第二和第三个接入波导，第一个矩形多模波 导的另一端通过第四、第五和第六个锥形波导分别过渡连接到两根非互易中间 波导和一根互易中间波导的一端；两根非互易中间波导和一根互易中间波导的 另一端通过第七、第八和第九个锥形波导分别过渡连接到第二个矩形多模波导 的一端；第二个矩形多模波导的另一端通过第十、第十一和第十二个锥形波导3分别过渡连接到第四、第五和第六个接入波导。所述的两根非互易中间波导含有磁光材料，其非互易特性是永久磁性或由外加磁场激励所得；并具有方向相反的非互易相移，两根非互易中间波导位于互 易中间波导的两侧，或位于互易中间波导的同一侧。 本发明具有的有益的效果是-利用多模波导的多模干涉产生重叠成像的原理，在三像点处引出干涉臂， 并在干涉臂处引入适当非互易相移量，来实现多模干涉型六端光环形器。这种 光环形器具有制作简单，结构紧凑，端口数多，宽工作带宽和易于集成等特点，在光网络、光计算和光信息处理等方面有广泛的应用前景。
图1是基于3x3多模干涉耦合器结构的六端环形器的功能平面图。图2是六端环形器的原理图。图3是六端口环形器的工作状态模拟图。图4是六端口环形器的三维立体图。图5是在非互易连接波导处，垂直于传输方向的截面图。图中l.接入波导，2.多模波导，3.锥形波导，4.非互易中间连接波导，5. 互易中间连接波导，6.Si02衬底，7.Ce:YIG磁光膜，8.N-S-N的永磁体，9.磁体 产生出的磁场。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。
具体实施方式
如图l、图2，图4和图5所示，本发明包括六个接入波导l、两个矩形多模 波导2、十二个锥形波导3，两根非互易中间波导4和一根互易中间波导5;第 一个矩形多模波导2的一端通过三个锥形波导3分别过渡连接到三个接入波导 1,另一端通过三个锥形波导3分别过渡连接到两根非互易中间波导4和一根互 易中间波导5的一端；两根非互易中间波导4和一根互易中间波导5的另一端 通过三个锥形波导3过渡连接到第二个矩形多模波导2的一端；第二个矩形多 模干涉波导2的另一端通过三个锥形波导3分别过渡连接到另三个接入波导1。所述的两根非互易中间波导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，也可以是由外加磁场激励所得；并具有方向相反的非互易相移， 两根非互易中间波导位于互易中间波导5的两侧，或位于互易中间波导5的同 一侧。如图1所示，给出了本发明的功能平面图，目的在于让光在六个端口(P1-P6)间环绕运行。如图2所示，给出了所述器件的原理图。根据多模波导的自映像 原理，图中输入波导和所有的连接波导位置分别在『mmi/3， 0和-『n^/3处。从 任一输入端口激励的光束，通过第一个长度为A^i^-Z^A^PTe/^^的多模波导后在对应的波导位置呈三个像点，去除可消除的常数相位后，输入端口与像点 之间的振幅与相位关系可以表示为矩阵乘法-^E加(、<formula>formula see original document page 5</formula>E,代表从P1端口输入的场强，其它标记依次类推；7W(LJ为振幅和相位的传递 矩阵。为便于获得非互易相移，本发明在三像点处延伸出三个连接波导。设在 三个连接波导经历的相位变化分别^，伊2，灼，通过另一个长为2Z皿i/3的多模 波导传输后，第二个多模波导末端的输出光强可以表示为<formula>formula see original document page 5</formula>其中对角矩阵A/MK表示对复合调制区波导的调制的相位。这里假设两根非互易波导位于互易波导的两侧，且以互易波导的相位为参考相位，即固定cp产0。两根非互易波导位于互易波导的同一两侧的情况可以类似推出。利用推挽的工作方式让两根非互易波导产生相反互相方向的，大小为4ti/3的非互易相移，则 三根中间波导的相位组合[W，伊2，灼]在前向(后向)传输时为[2兀/3， 0， -2兀/3]， 在后向(前向)传输时为[-2兀/3， 0， 2tt/3]。根据多模干涉波导的成像特性，中 间波导的相位组合的非互易决定了整个多模干涉器件在前向和后向工作时的非 互易性。如图3所示，当器件前向工作时，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 时，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，因此可以形成一个六端环形器。结合上述理论，若非互易相移器和多模干涉波导都是偏振无关的，则所述 的六端环形器也是偏振无关的。制作偏振无关的非互易相移器的工艺尽管较复 杂，也已经取得很多进展。多模干涉耦合器的偏振相关特性与多模波导的折射 率分布有关，可以通过优化波导结构参数来实现偏振无关的多模干涉器件，相 关工艺制作容差较大，易于实现。为便于放置磁极和保证结构对称性，两根非 互易中间波导最好置于互易中间波导的两侧，理论上也可以位于互易中间波导 的同一侧。显然，基于输入输出波导数目大于三的多模干涉耦合器，在像点处延伸的 波导中引入非互易相移，可以得到六个端口以上的环形器。此外，添加一根弯曲波导将六个端口(按Pl, P5， P3， P6, P2， P4端口次序)中任意相邻的两个 端口首尾相接，所述的六端环形器可以改装成四端环形器；将六个端口中任意 次相邻的两个端口首尾相接，夹在中间的端口具反射镜功能，另三个端口构成 三端环形器；将六个端口中任意相对的两个端口首尾相接，两侧的端口相互独 立，且同侧的两端口间具备直通功能。这些都是本发明的一种基本推广，均在 本发明保护范围之内。本发明的实施方式很多，只要采用制作磁光波导的常规平面工艺过程及条 件即可。在此把适于TM模式的Ce:YIG/Si02非互易波导结构植入所述的3x3 多模干涉耦合器结构作为实施例，如图4所示。上文所提及的非互易波导的设 计非常灵活，且多模干涉波导的相关参数可因设计需要而改变，因此，所提出 的环形器的实现决非仅限于此实施例。利用集成光学平面工艺，在Si02衬底6上生长或溅射400纳米厚的Ce:YIG 磁光膜7，光刻并刻蚀150纳米，得到内外高度分别为400纳米和250纳米的脊 型波导区。接入波导1、非互易中间连接波导4和互易中间连接波导5的宽度均 为1微米。多模波导2的长宽分别为260微米和11.7微米，锥形波导3的宽度 在50微米长度内，从1微米线性变化到1.5微米。非互易中间连接波导的长度 需要保证在波导磁饱和的情况下的非互易相位为4;i/3，其大小用数值计算的方 法很容易得到。在两个非互易中间连接波导出放置一块N-S-N的永磁体8，磁体 的S极的宽度最好与两侧非互易中间连接波导的中心距离相近，以保证在非互 易中间连接波导4处产生尽可能强的磁场，并使夹在中间的互易中间连接波导5 不受磁场干扰。磁体产生出的磁场9使非互易中间连接波导4处的Ce:YIG波导 区域达到磁饱和，产生大小为4兀/3的非互易相移。上述具体实施方式
用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本 发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落 入本发明的保护范围。权利要求
1. 一种多模干涉型六端环形器，其特征在于包括六个接入波导、两个矩形多模波导、十二个锥形波导，两根非互易中间波导和一根互易中间波导；第一个矩形多模波导的一端通过第一、第二和第三个锥形波导分别过渡连接到第一、第二和第三个接入波导，第一个矩形多模波导的另一端通过第四、第五和第六个锥形波导分别过渡连接到两根非互易中间波导和一根互易中间波导的一端；两根非互易中间波导和一根互易中间波导的另一端通过第七、第八和第九个锥形波导分别过渡连接到第二个矩形多模波导的一端；第二个矩形多模波导的另一端通过第十、第十一和第十二个锥形波导分别过渡连接到第四、第五和第六个接入波导。
2、 根据权利要求1所述的一种多模干涉型六端环形器，其特征在于所述 的两根非互易中间波导含有磁光材料，其非互易特性是永久磁性或由外加磁场激励所得；并具有方向相反的非互易相移，两根非互易中间波导位于互易中间 波导的两侧，或位于互易中间波导的同一侧。
全文摘要
本发明公开了一种多模干涉型六端环形器。将第一个矩形多模波导的一端通过第一、二、三个锥形波导分别过渡连接到第一、二、三个接入波导，第一个矩形多模波导的另一端通过第四、五、六个锥形波导分别过渡连接到两根非互易中间波导和互易中间波导的一端；两根非互易中间波导和互易中间波导的另一端通过第七、八、九个锥形波导分别过渡连接到第二个矩形多模波导的一端；第二个矩形多模波导的另一端通过第十、十一、十二个锥形波导分别过渡连接到第四、五、六个接入波导。它利用多模波导的多模干涉产生重叠成像原理，在三像点处引出干涉臂，并引入非互易相移。本发明结构简单、端口数多，隔离度高，频带宽且易于集成，可在光网络、光信息处理中应用。
文档编号G02F1/01GK101261342SQ20081006064
公开日2008年9月10日 申请日期2008年4月15日 优先权日2008年4月15日
发明者周海峰, 孙一翎, 杨建义, 江晓清, 王明华 申请人:浙江大学