專利名稱：二維限制的多模干涉功分器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元器件，特別涉及一種二維限制的多模干涉功分器。
背景技術(shù)：
光功分器是一種基本的光學(xué)功能元件，在光通信、光互連、光信息處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如光纖到大樓、用戶乃至家庭，光信號的分配是必不可少的器件。常見的光功分器有光纖熔拉型、集成光學(xué)波導(dǎo)型等，如基于一維限制的多模干涉型光功分器件(MMI)(圖1)，這是一種較普遍的波導(dǎo)型光功分器器件，由輸入1輸出3波導(dǎo)和一維限制的平面波導(dǎo)2組成，由于它的理論設(shè)計和制造工藝相對比較容易，器件尺寸緊湊、插入損耗低、光分路均勻性好、制作容差性大等優(yōu)點而廣受重視。一維限制的平面型多模干涉(MMI)器件已應(yīng)用于各種功能的集成光學(xué)器件，包括MMI光功分器、MMI光開關(guān)、TE/TM模式分離器、粗波分復(fù)用/解復(fù)用器等。但這個MMI結(jié)構(gòu)是基于二維平面波導(dǎo)型，只利用了一維自映像效應(yīng)。一般傳統(tǒng)集成光學(xué)器件，其結(jié)構(gòu)多數(shù)情況下也是在二維平面上制作，輸出端為一維的，也就是說，只能處理零維(點)或一維(線)空間的光信號。然而在大容量數(shù)據(jù)流、圖像處理、人工視覺、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光學(xué)并行邏輯運算和集成電路芯片的光互連等許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嶋H需要的是二維空間的光信息處理。集成光學(xué)要適應(yīng)這些領(lǐng)域的應(yīng)用，就需要發(fā)展三維集成光學(xué)器件。同時，集成光學(xué)向三維或空間發(fā)展，可以有效擴大單個芯片上的通信信道數(shù)，增加集成密度，而且可以緩和二維平面結(jié)構(gòu)的路由困難及大量輸入輸出光纖連接或電子連接困難等問題。
三維集成波導(dǎo)光學(xué)器件具有可靠和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點，近來三維集成光學(xué)器件得到了快速發(fā)展，但大多數(shù)都是基于一種“堆”的觀點，即它是由多個平面的二維集成光路疊合混合集成而成，并在疊合的水平層之間適當?shù)剡M行光波導(dǎo)互連。這種疊合三維集成光學(xué)器件的制作包括分離水平多層層內(nèi)波導(dǎo)的制作和層間互連波導(dǎo)的制作，一般需要多個制作工藝流程，特別是層間互連波導(dǎo)的制作較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種二維限制的多模干涉功分器，它利用器件內(nèi)部的物理機制產(chǎn)生的相互作用，即二維自映像效應(yīng)，直接產(chǎn)生二維空間分布的光功分器。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是它由一根以上輸入單模波導(dǎo)陣列、X、Y二個方向二維限制的多模矩形波導(dǎo)區(qū)和二根以上二維分布的輸出單模波導(dǎo)陣列依次連接構(gòu)成， X、Y二個方向的等效波導(dǎo)寬度(Wxe，Wye)平方之比是有理數(shù)，即Wxe2/Wye2=p/q,]]>式中p，q為整數(shù)。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是本發(fā)明采用光波導(dǎo)來構(gòu)成具有二維分布光功分器，提供一種實現(xiàn)二維空間光功率分配的基本單元器件，并具有結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高的特點。若在矩形波導(dǎo)區(qū)，利用各種光折射效應(yīng)，如電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、載流子注入效應(yīng)等，可控制輸出光波的強度和相位分布，實現(xiàn)三維集成光波導(dǎo)器件，如結(jié)合二維波導(dǎo)光柵陣列器件可實現(xiàn)二維空間分布的波分復(fù)用器、開關(guān)光和光可變衰減器陣列等。


圖1是一維限制的多模干涉型功分器器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的二維限制的多模干涉功分器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
如圖2所示，本發(fā)明它由一根以上輸入單模波導(dǎo)陣列4、X、Y二個方向二維限制的多模矩形波導(dǎo)區(qū)5和二根以上二維分布的輸出單模波導(dǎo)陣列6依次連接構(gòu)成，X、Y二個方向的等效波導(dǎo)寬度(Wxe，Wye)平方之比是有理數(shù)，即Wxe2/Wye2=p/q,]]>式中p，q為整數(shù)。
一根以上輸入單模波導(dǎo)陣列4是中心輸入，或非中心位置輸入，或由多根二維分布的單模波導(dǎo)陣列輸入，構(gòu)成[S×(M×N)]路的光功分器，式中S為輸入單模波導(dǎo)陣列數(shù)，M×N分別為輸出單模波導(dǎo)陣列數(shù)。
一根以上輸入單模波導(dǎo)陣列4和二根以上二維分布的輸出單模波導(dǎo)陣列6均為單模波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，可以是采用光纖和二維光纖陣列。
矩形波導(dǎo)區(qū)5可以通過各種光折射效應(yīng)(如電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、載流子注入效應(yīng)等)來控制輸出光波的強度和相位分布。
輸出光波可以均勻分布的，也可以是一定強度比的二維分布。
矩形波導(dǎo)區(qū)5可以采用有增益的波導(dǎo)材料(如摻稀土元素的玻璃)，實現(xiàn)光控電控的有增益光功分器。
本發(fā)明的原理在于傳統(tǒng)的一維限制的平面型MMI器件的平面波導(dǎo)區(qū)2在平行于襯底方向(假定為X方向)為多模而在垂直于襯底方向(假定為Y方向)為單模傳輸，因此，只在一個方向(X方向)上存在自映像效應(yīng)，即是一維限制。MMI器件的輸入波導(dǎo)1與輸出波導(dǎo)3間的關(guān)系就可以看成是通過多模波導(dǎo)的自映像效應(yīng)發(fā)生互連的，因此可設(shè)想這個矩形波導(dǎo)區(qū)5在垂直于襯底方向也支持多模傳輸，這就是讓Y方向也存在這樣一個自映像效應(yīng)，即形成二維限制的MMI器件，不同水平高度的波導(dǎo)間也將發(fā)生這種互連，達到二維空間分布的光功分作用。因此，將傳統(tǒng)的MMI結(jié)構(gòu)擴展到三維空間是合理的。
本發(fā)明的實施方式很多，從材料來說，可以采用Si、SiO2、GaAs、InP等半導(dǎo)體，聚合物材料，LiNbO3，玻璃等波導(dǎo)材料來制作。三維波導(dǎo)制作工藝可采用多層平面光波導(dǎo)工藝，離子刻蝕，陰影光刻，灰度光刻，光刻漂白，浮雕，復(fù)制技術(shù)以及近年來發(fā)展起來的飛秒激光脈沖寫入技術(shù)等來制作。在此僅以有機聚合物材料，采用旋轉(zhuǎn)涂敷成膜法和離子刻蝕制作波導(dǎo)的工藝為例加以說明。
先根據(jù)自映像效應(yīng)，設(shè)計矩形波導(dǎo)區(qū)5的厚度/寬度比，使它們再各自方向上足以支持多個模式傳輸(如100微米)，并滿足其等效厚度之比為有理數(shù)，采用中心對稱輸入，然后根據(jù)所需要生成二維光功分器的數(shù)目(M×N)選擇合理的矩形波導(dǎo)區(qū)5的長度。采用硅片或玻璃為襯底材料，采用旋轉(zhuǎn)涂敷成膜法制作下限制層，厚度大于10微米。然后逐層旋轉(zhuǎn)涂敷成膜法制作波導(dǎo)層、限制層材料，并采用掩模光刻與離子刻蝕結(jié)合的方法，除去不需要的部分，各分別按設(shè)計要求合理進行分層，完成輸入4輸出6波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)區(qū)5的制作，最后再旋轉(zhuǎn)涂敷成膜法制作上限制層，厚度也大于10微米。
權(quán)利要求
1.一種二維限制的多模干涉功分器，其特征在于由一根以上輸入單模波導(dǎo)陣列(4)、X、Y二個方向二維限制的多模矩形波導(dǎo)區(qū)(5)和二根以上二維分布的輸出單模波導(dǎo)陣列(6)依次連接構(gòu)成， X、Y二個方向的等效波導(dǎo)寬度(Wxe，Wye)平方之比是有理數(shù)，即Wxe2/Wye2=p/q,]]>式中p，q為整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種二維限制的多模干涉功分器，其特征在于一根以上輸入單模波導(dǎo)陣列(4)是中心輸入，或非中心位置輸入，或由多根二維分布的單模波導(dǎo)陣列輸入，構(gòu)成[S×(M×N)]路的光功分器，式中S為輸入單模二維波導(dǎo)陣列數(shù)，M×N分別為輸出單模波導(dǎo)陣列數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維限制的多模干涉功分器，其特征在于在矩形波導(dǎo)區(qū)(5)通過各種光折射效應(yīng)控制輸出光波的強度和相位分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維限制的多模干涉功分器，其特征在于輸出光波均勻分布或一定強度比的二維分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維限制的多模干涉功分器，其特征在于矩形波導(dǎo)區(qū)(5)采用有增益的波導(dǎo)材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二維限制的多模干涉功分器，它由一根以上輸入單模波導(dǎo)陣列、X、Y二個方向二維限制的多模矩形波導(dǎo)區(qū)和二根以上二維分布的輸出單模波導(dǎo)陣列依次連接構(gòu)成，X、Y二個方向的等效波導(dǎo)寬度(W
文檔編號H04B10/12GK1487321SQ0314195
公開日2004年4月7日 申請日期2003年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月28日
發(fā)明者江曉清, 楊建義, 李錫華, 唐奕, 王明華 申請人:浙江大學(xué)