一种耦合器型90度光学混频器的制作方法

本发明属于光纤通信与光纤传感领域，具体涉及一种光学混频器，特别涉及一种耦合型90度光学混频器。

背景技术：

90度光学混频器是相干光接收端进行相位混频以解调光信号的器件，是一个6端口的器件。本发明涉及的耦合型90度光学混频器的结构如图1所示，对于耦合器结构的90deg光混频器，在一个支路上需要有90deg附加相移，所述支路是指所输出的四个支路中非交叉的两个支路的任意一个支路。

现有的耦合器型光学混频器方案均是采用改变光程差的方式来实现90度相移，通过延长波导或改变局部折射率来实现，如图2所示。

通过延长波导或改变局部折射率的方法来实现90度相移，工艺难度较大，需要精确的设计及工艺控制，易受环境影响。

如果采用延长波导长度的方案实现90度相移，则延长波导长度需为的奇数倍，n为波导折射率，假如波导折射率为1.4，传输波长为1550nm，那么当波导长度误差为10nm时，相位误差就有3.25度。当折射率n更高时，此相位误差无疑将会更大。

而对于90度混频器的应用来说，一般的要求为相位误差在±5度以内(相位延迟线长度误差需控制在15nm以内)，同时再考虑其他因素引入的相位误差，这就要求90度相位延迟线长度控制极为精确，对工艺要求很高，所以目前的方案有在相位延迟线上增加温度控制功能，通过温度的调节，来对波导折射率进行调节，从而控制精确的90度相移，但这无疑大大增加了产品的复杂度及成本。

这种方案对于所有的光波导材料都是可行的。特别是为了提升光学波导芯片集成度而采用高折射率材料时，难以通过改变波导长度或折射率实现90度相移，这种方案具有较好的输出表现。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供一种耦合型90度光学混频器。

本发明的技术解决方案是：一种耦合型90度光学混频器，包括：两个输入波导，四个输出波导，四个3dB耦合器；

所述两个输入波导是：第一输入波导、第二输入波导；

所述四个输出波导是：第一输出波导、第二输出波导、第三输出波导、第四输出波导；

所述四个3dB耦合器是：第一3dB耦合器a，第二3dB耦合器b，第三3dB耦合器c，第四3dB耦合器d；

第一输入波导经过第一3dB耦合器a和第二3dB耦合器b与第一输出波导连接，第二输入波导经过第三3dB耦合器c和第四3dB耦合器d与第四输出波导连接；第一输入波导经过第一3dB耦合器a和第四3dB耦合器d与第三输出波导连接，第二输入波导经过第二3dB耦合器b和第三3dB耦合器c与第二输出波导连接；

在第一3dB耦合器a与第二3dB耦合器b之间，或者在第三3dB耦合器c与第四3dB耦合器d之间设置定向耦合器。

根据本发明实施例，所述定向耦合器将光波能量最大限度从一路耦合到另一路，定向耦合器的耦合效率接近100％。

根据本发明实施例，所述定向耦合器结构是平行波导结构。

根据本发明实施例，根据本发明实施例，所述平行波导结构是两个结构参数完全一致的平行相邻波导组成。

根据本发明实施例，所述两个输入波导、四个输出波导、四个3dB耦合器、定向耦合器是基于Si/SiO₂波导设计。

根据本发明实施例，所述两个输入波导、四个输出波导、四个3dB耦合器、定向耦合器是基于Si₃N₄/SiO₂波导设计。

根据本发明实施例，所述两个输入波导、四个输出波导、四个3dB耦合器、定向耦合器是基于SiON/SiO₂波导设计。

本发明的有益效果是：本发明是基于波导耦合模理论，通过定向耦合器的方式实现90度相移，结构简单，工艺实现容易，并且具有很高的容差。

本发明技术方案可取代目前的光程差以实现90度相移的方案，波导耦合技术及工艺已经非常成熟，此技术可大大降低工艺难度及成本，两个波导耦合实现的90度的相移不受耦合长度，耦合距离，波导参数等的影响，因此相位的变化基本不受外界环境(如温度，振荡等)的影响，这对于相位解调的器件具有很大的吸引力，大大提高了其稳定性及可靠性。

本发明附加方面和优点将在下面的描述部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1是耦合器类混频器结构图。

图2是延迟波导形成光程差结构图。

图3是两个完全一致的平行相邻波导，若光场匹配时，两波导传输模式相位图。

图4是两个完全一致的平行相邻波导，若光场不匹配时，两波导传输模式相位图。

图5是本发明一种耦合型90度光学混频器结构图。

图6是定向耦合器结构。

图7是输入光场不同相位差时，输出波导的功率分布图。

图8是输出波导的相位分布图。

图中：1-第一输入波导；2-第二输入波导；3-第一输出波导；4-第二输出波导；5-第三输出波导；6-第四输出波导；7-定向耦合器；a-第一3dB耦合器；b-第二3dB耦合器；c-第三3dB耦合器；d-第四3dB耦合器。

具体实施方式

下面详细描写本发明的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是：本发明技术方案基于耦合模理论提出。

由耦合模理论，假设波导1和波导2距离合适的距离，彼此发生耦合，得耦合模方程：

其中，k1，k2是耦合系数，取决于波导结构，参数；β₁，β₂是波导传播常数，E1，E2是波导1和波导2中的传输模式电场强度。由能量守恒可证明k₁＝-k₂^*,k₂＝-k₁^*，此情形两耦合系数为虚数，可设k₁＝k₂＝-ik。

1、光场匹配情况，对于材料，结构等参数完全一样的两个波导，即β₁＝β₂。

假设初始条件为，波导2输入，波导1无输入，即E1(0)＝0，由此，解耦合模方程，可得：两波导中z处的功率如图3所示。

可见，两个完全一致的平行相邻波导，若光场匹配，则在同一z处，两波导传输模式相位相差π/2，功率往复交替，能量交换可达100％。

设z＝L处，光功率由波导2完全进入波导1，此时L＝(2m+1)*π/2k，达到100％能量交换的最短距离(m＝0)为

L_m＝π/2k

由此，设计合理的耦合距离，可使能量交换达到100％，并且可以引入相位差π/2。目前耦合器理论及工艺都已经非常成熟，相对于弧形波导加工简单，容差大，具有明显的优势。

2、光场不匹配，即β₁≠β₂。

求解耦合模方程可得：

式中，

如图4可见，其相位差仍然是90度，只不过分光比不再是100％。这说明，当有外界干扰时，如温度的变化，振动等等引起量耦合波导的传播常数不一样(折射率不一样)时，只会引起分光比的变化，表现在器件上为插损的变化，但两个输出端的相位差始终为90度，并不会随着耦合长度，耦合距离，波导折射等的变化而变化，这对于应用于相位解调的器件中优点尤为突出，其大大提高了产品的稳定性，可靠性。

作为实施例，我们基于SiON波导进行了设计。波导芯层材料SiON，折射率1.4461，包层SiO₂折射率1.457，波导宽度6um，耦合间距4um，由此设计实现100％能量交换，π/2相位差的耦合长度为3288.6um。

如图5所示，一种耦合型90度光学混频器，包括：两个输入波导，四个输出波导，四个3dB耦合器；

所述两个输入波导是：第一输入波导、第二输入波导；

所述四个输出波导是：第一输出波导、第二输出波导、第三输出波导、第四输出波导；所述四个3dB耦合器是：第一3dB耦合器a，第二3dB耦合器b，第三3dB耦合器c，第四3dB耦合器d；

第一输入波导1经过第一3dB耦合器a和第二3dB耦合器b与第一输出波导3连接，第二输入波导2经过第三3dB耦合器c和第四3dB耦合器d与第四输出波导6连接；第一输入波导1经过第一3dB耦合器a和第四3dB耦合器d与第三输出波导5连接，第二输入波导2经过第二3dB耦合器b和第三3dB耦合器c与第二输出波导4连接；在第一3dB耦合器a与第二3dB耦合器b之间，或者在第三3dB耦合器c与第四3dB耦合器d之间设置定向耦合器7。

所述定向耦合器7结构是如图6所示的平行波导结构。

所述定向耦合器7是两个完全一致的平行相邻波导，为耦合波导，实现100％能量交换，及引入90度相位差。。

图7为输入光场不同相位差时，输出波导的功率分布；图8为输出波导的相位分布。可见，此设计完全可以实现预期效果，可用于90度光混频器的设计，以及可预见的响应应用领域。

上述实施例的说明只是用于理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也将落入本发明权利要求的保护范围内。