一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法技术

本申请涉及一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法，光功率分配器包括：二氧化硅衬底、薄膜铌酸锂芯层以及上包层；薄膜铌酸锂芯层包括功率分配设计区，功率分配设计区连接有输入波导、第一输出波导、第二输出波导以及第三输出波导，输入波导、第一输出波导、第二输出波导以及第三输出波导中均包括宽度线性渐变楔形波导区域；上述基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法，用于控制光信号的传输方向，器件与器件之间的光耦合，以及光功率的分配，对于提高光互联网络的集成度也有积极作用，解决了铌酸锂平台上功率分配器研究有限，尺寸大的问题。尺寸大的问题。尺寸大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法


[0001]本申请涉及微纳光电子元器件
，特别是涉及一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法。

技术介绍

[0002]铌酸锂由于其优异的非线性光学特性、宽的透明范围和铁电特性，是非线性光子学的理想材料。周期性极化铌酸锂（PPLN）波导，其中周期性畴反转允许准相位匹配（QPM）二阶非线性光学参数振荡、光子对生成和超连续谱生成。由于非线性相互作用的强度与光强度成正比，因此使用具有强光学约束的高对比度波导可以极大地提高非线性光学效率。不幸的是，传统的PPLN波导是基于折射率对比度是约为0.02的弱约束波导，导致非线性相互作用强度较低。因此，传统的PPLN器件需要长的相互作用长度才能获得高的转换效率，这使得大规模的光子集成电路难以实现。近年来，薄膜铌酸锂（TFLN）由于TFLN波导提供的高折射率对比度，已成为紧凑和高性能光学调制器和非线性光学器件的一个有吸引力的平台。基于TFLN的PPLN器件已被证明在非线性光学效率和器件足迹方面都优于传统器件。
[0003]在光互联网络中，有时需要控制光信号的传输方向，器件与器件之间的光耦合，以及光功率的如何分配问题。所以在一个完整的光网络中，需要大量的无源光器件来实现需要的耦合及分配。功率分配器作为一种应用于光通信系统、光纤到户等领域的常见光学器件，广泛应用于信号监测、信号反馈、功率分配、无源光网络等领域。不同应用场景对光功率分配器输出端口的输出功率比要求也不同，而输出功率比可用功率分配比来表征。
[0004]目前基于TFLN平台的功率分配器的研究非常有限，设计、开发尺寸紧凑、功率分配比精确、损耗小的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器是十分重要和迫切的。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法。
[0006]第一方面，本申请提供了一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，所述光功率分配器包括：二氧化硅衬底，在所述二氧化硅衬底上方设有呈十字交叉结构的薄膜铌酸锂芯层，在所述薄膜铌酸锂芯层上方设有上包层；所述薄膜铌酸锂芯层包括功率分配设计区，所述功率分配设计区连接有输入波导、第一输出波导、第二输出波导以及第三输出波导，所述输入波导、第一输出波导、第二输出波导以及所述第三输出波导中均包括单模波导区域、宽度线性渐变楔形波导区域、多模波导区域；其中，所述上包层使用材料的折射率低于铌酸锂。
[0007]在其中一个实施例中，所述光功率分配器包括：所述功率分配设计区包括预设数量的矩形单元，所述矩形单元的状态为刻蚀或不
刻蚀；当所述矩形单元处于刻蚀状态时，所述矩形单元使用低折射率材料，所述矩形单元的刻蚀深度与薄膜铌酸锂芯层的厚度相同；当所述矩形单元处于不刻蚀状态时，所述矩形单元使用铌酸锂材料。
[0008]在其中一个实施例中，所述输入波导包括：输入波导的单模波导区域、输入波导的宽度线性渐变楔形波导区域和输入波导的多模波导区域。
[0009]在其中一个实施例中，所述第一输出波导包括：第一输出波导的单模波导区域、第一输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域和第一输出波导的多模波导区域。
[0010]在其中一个实施例中，所述第二输出波导包括：第二输出波导的单模波导区域、第二输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域和第二输出波导的多模波导区域。
[0011]在其中一个实施例中，所述第三输出波导包括：第三输出波导的单模波导区域、第三输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域和第三输出波导的多模波导区域。
[0012]在其中一个实施例中，所述宽度线性渐变楔形波导区域包括连接单模波导区域的第一端以及连接多模波导区域的第二端。
[0013]第二方面，本申请还提供了一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器的设计方法，应用于所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，所述设计方法，包括：将薄膜铌酸锂芯层中隶属于功率分配器内的所有矩形单元均处于不刻蚀状态的初始状态，计算处于所述初始状态下的光功率分配器的初始品质因子；对所有矩形单元逐个进行改变所述矩形单元状态的预设操作，计算所述预设操作后的新品质因子，将所述新品质因子与所述初始品质因子进行对比；若所述新品质因子大于所述初始品质因子，则保持所述矩形单元的状态为改变后的状态，基于所述新品质因子对所述初始品质因子进行赋值；若所述新品质因子不大于所述初始品质因子，则设置所述矩形单元的状态调整为改变前的状态；重复执行所述预设操作，直至所述初始品质因子停止增大或达到预设的终止迭代次数。
[0014]在其中一个实施例中，所述预设操作，包括：若所述矩形单元处于不刻蚀状态，将所述矩形单元调整为刻蚀状态；若所述矩形单元处于刻蚀状态，将所述矩形单元调整为不刻蚀状态。
[0015]在其中一个实施例中，所述设计方法，还包括：针对从输入波导的单模波导区域输入的光，按照不同的比例分别从所述输入波导的第一输出波导的单模波导区域、所述输入波导的第二输出波导的单模波导区域输出。
[0016]上述基于铌酸锂的任意比例光功率分配器及设计方法，用于控制光信号的传输方向，器件与器件之间的光耦合，以及光功率的分配，对于提高光互联网络的集成度也有积极作用，解决了铌酸锂平台上功率分配器研究有限，尺寸大的问题。
附图说明
[0017]图1是根据本申请提出的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器芯层十字交叉波导的整体结构示意图；图2为图1中A
‑
A处的剖视图；图3（a）是根据实施例1示出的分光比例0：1的光功率分配器的功率分配设计区域结构示意图；图3（b）是1550 nm波长下，实施例1示出的光功率分配器的场分布模拟结果示意图；图4（a）是根据实施例2示出的分光比例1：1的光功率分配器的功率分配设计区域结构示意图；图4（b）是1550 nm波长下，实施例2示出的光功率分配器的场分布模拟结果示意图；图5（a）是根据实施例3示出的分光比例1：2的光功率分配器的功率分配设计区域结构示意图；图5（b）是1550 nm波长下，实施例3示出的光功率分配器的场分布模拟结果示意图；图6（a）是根据实施例4示出的分光比例1：3的光功率分配器的功率分配设计区域结构示意图；图6（b）是1550 nm波长下，实施例4示出的光功率分配器的场分布模拟结果示意图；图7（a）是根据实施例5示出的分光比例1：4的光功率分配器的功率分配设计区域结构示意图；图7（b）是1550 nm波长下，实施例5示出的光功率分配器的场分布模拟结果示意图。
[0018]附图标记：1、二氧化硅衬底；2、薄膜铌酸锂芯层；3、上包层；11、输入波导的单模波导区域；12、第一输出波导的单模波导区域；13、第二输出波导的单模波导区域；14、第三输出波导的单模波导区域；21、输入波导的宽度线性渐变楔形波导区域；22、第一输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域；23、第二输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域；24、第三输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域；31、输入波导的多模波导区域本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，其特征在于，所述光功率分配器包括：二氧化硅衬底，在所述二氧化硅衬底上方设有呈十字交叉结构的薄膜铌酸锂芯层，在所述薄膜铌酸锂芯层上方设有上包层；所述薄膜铌酸锂芯层包括功率分配设计区，所述功率分配设计区连接有输入波导、第一输出波导、第二输出波导以及第三输出波导，所述输入波导、第一输出波导、第二输出波导以及所述第三输出波导中均包括单模波导区域、宽度线性渐变楔形波导区域、多模波导区域；其中，所述上包层使用材料的折射率低于铌酸锂。2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，其特征在于，所述光功率分配器包括：所述功率分配设计区包括预设数量的矩形单元，所述矩形单元的状态为刻蚀或不刻蚀；当所述矩形单元处于刻蚀状态时，所述矩形单元使用低折射率材料，所述矩形单元的刻蚀深度与薄膜铌酸锂芯层的厚度相同；当所述矩形单元处于不刻蚀状态时，所述矩形单元使用铌酸锂材料。3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，其特征在于，所述输入波导包括：输入波导的单模波导区域、输入波导的宽度线性渐变楔形波导区域和输入波导的多模波导区域。4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，其特征在于，所述第一输出波导包括：第一输出波导的单模波导区域、第一输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域和第一输出波导的多模波导区域。5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，其特征在于，所述第二输出波导包括：第二输出波导的单模波导区域、第二输出波导的宽度线性渐变楔形波导区域和第二输出波导的多模波导区域。6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的任意比例光功率分配器，其特征在于，所述第三输出波...

【专利技术属性】
技术研发人员：高阳，张磊，焦文婷，张萌徕，尹坤，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：