基于近零折射率阵列谐振的多模干涉耦合器

本发明涉及一种基于近零折射率阵列谐振的多模干涉耦合器，属于光通信技术领域。

背景技术：

光的动态调控在微纳集成光路中起着非常重要的作用，用于光互连和光功率分配的光耦合器在光通信和集成光路中有着广泛的应用需求。作为光操纵的最不可或缺的组件之一，多模干涉(mmi)耦合器已被用于从微波到可见光的光分束、合束、定向耦合、光开关等各种应用中。传统的mmi耦合器是一种光学矩形波导，总尺寸约为几个μm宽和数十个μm长。由于内部光的复杂行为，无法直接用数学模型和方程求解，光损耗、大尺寸和复杂的结构设计都阻碍了其在微纳集成光路中的应用和发展。

光子晶体具有独特的光子带隙和光子局域特性，可以对光子运动进行灵活有效地控制，随着光学系统的小型化和集成技术的发展，光频段的加工工艺已非常成熟。光子带隙和非线性频率转换的理论已被利用来构造各种功能光开关装置。非线性效应被引入波导、微腔或其他缺陷，但缺陷态无疑增加了制造难度，提高了加工成本。

为了解决上述问题，亟待寻找一种新的适用于微纳光路集成的光耦合方法。

技术实现要素：

针对传统mmi耦合器的器件尺寸过大、结构设计复杂、不适用于微纳集成光路的问题，本发明基于近零折射率光子带边谐振效应提供一种结构紧凑、尺寸小、易调节、鲁棒性好、能量转换效率高的多模干涉耦合器。

本发明的基于近零折射率阵列谐振的多模干涉耦合器，采用以下技术方案。

该耦合器，利用周期性介质阵列制成近零折射率谐振器，在该谐振器的径向出射端面放置一个反射装置，当光垂直于阵列端面(周期性介质阵列的端面)入射时，谐振器中激发出剧烈的驻波谐振，发生谐振时，场能量沿入射方向不传播，入射光能量转化为横向行波向外辐射，从而实现多模干涉光耦合功能。

该耦合器中传播波长λ大于空气中的传输波长λ0，所述谐振器的边长l为传播半波长λ/2的整数倍，即l＝nλ/2，n＝1,2,3...。

上述耦合器，根据谐振模态(阶数)不同，谐振器内场能量被波节线分割为n份，因为结构对称性，从两个对称横向端口产生2n束出射光束，实现1×2n多模干涉耦合器的分束功能。

上述耦合器，在基模谐振情况下，控制两束相同的相干光垂直于两个横向端面相对入射进入所述谐振器，激发共振，场能量转化为沿径向出射的光束，实现两束入射光的合为一束出射光，实现2×1干涉耦合器的合束功能。

上述耦合器，当两束入射光的相位差为π的偶数倍时实现出射光“开”功能，当两束光的相位差为π的奇数倍时实现出射光“关”功能。

本发明提出的基于近零折射率阵列谐振的新型多模干涉耦合器的设计方案，依据标量不变性原理，可通过尺寸按比例缩放应用于从微波到光波广阔的频率范围，其结构紧凑、尺寸小、易加工、性能灵活可调，为微纳集成光路光互连器件的设计提供了新的方法。

附图说明

图1是本发明中多模干涉耦合器的结构示意图；其中(a)是1×2多模干涉耦合器，(b)是2×1多模干涉耦合器。

图2是本发明中多模干涉耦合器的场分布图；其中(a)是实施例2中基于正方晶格阵列的1×4多模干涉耦合器的场分布图，(b)是实施例3中基于正方晶格阵列的1×6多模干涉耦合器的场分布图，(c)是实施例4中基于三角晶格阵列的1×4多模干涉耦合器的场分布图。

图3是实施例5的正方晶格阵列构成的2×1多模干涉耦合器的开关状态透射光谱图。

具体实施方式

本发明的基于近零折射率阵列谐振的多模干涉耦合器，利用周期性介质阵列(正方形、三角形等)制成近零折射率谐振器，在该谐振器的径向出射端面放置一反射装置，当光垂直于阵列端面入射时，谐振器中激发出剧烈的驻波谐振。该耦合器中传播波长λ大于空气中的传输波长λ0，所述近零折射率谐振器的边长约为传播半波长整数倍l＝nλ/2(n＝1,2,3...)。发生谐振时，场能量沿入射方向静止不传播，入射光能量转化为横向行波向外辐射，实现多模干涉光耦合功能。根据谐振模态(阶数)不同，谐振器内场能量被波节线分割为n份，因为结构对称性，一束光从径向端口入射从两个对称横向端口产生2n束出射光束,实现1×2n多模干涉耦合器，如图1(a)所示。在基模谐振情况下，可以控制两束相同的相干光垂直于两个横向端面相对入射进所述谐振器，激发基模共振，转化为沿径向出射的一束光，实现两束入射光的合为一束出射光，从而实现2×1多模干涉耦合器，如图1(b)所示。当两束光的相位差为π的偶数倍时实现“开”功能，当两束光的相位差为π的奇数倍时实现“关”功能。

实施例1

采用半径r＝3.3mm、晶格常数a＝13.75mm、相对介电常数εr＝10、磁导率μr＝1的介质柱构成一个10×10的二维方形光子晶体阵列，制成近零折射率谐振器。光垂直入射到光子晶体谐振体中。当光源频率为f＝12.53ghz时，实现1×2的3db光分束，如图1(a)所示，此时可以达到最大透射率值94.05％，附加损耗值为0.27db。

实施例2

采用实施例1相同的晶体结构，当光子晶体阵列尺寸为12×10时，在第二谐振频率f＝12.71ghz达到最大的通光量，透射率为95.32％，附加损耗为0.21db，场分布如图2(a)所示，一束水平的入射光在光子晶体阵列中发生一阶谐振，入射光能量被分为上下对称的四束光，实现1×4型多模干涉耦合器功能。

实施例3

采用实施例1相同的晶体结构，当光子晶体阵列尺寸为15×10时，在第二谐振频率f＝12.77ghz可以实现最佳的耦合效果，透射率为93.09％，附加损耗为0.31db，场分布图如图2(b)所示，一束光被分为上下对称的六束光，可以实现1×6型多模干涉耦合器功能。

实施例4

利用二维三角晶格光子晶体制成一个方形阵列，结构参数为半径r＝3mm、晶格常数a＝13.04mm、介电常数εr＝8.35、磁导率μr＝1，阵列的径向入射端面有9个介质柱，横向两个出射端面由5个介质柱组成，如图2(c)，在基频f＝14.94ghz时实现1×4型多模干涉耦合器功能，达到最大的透射率94.36％，附加损耗为0.25db。

实施例5

采用实施例1相同的晶体结构，9×9的光子晶体多模干涉耦合器，如图1(b)所示，两束入射光相位差为π的偶数倍时是“开”的状态，合束后得到的宽频透射谱如图3中黑色实线所示，在0阶谐振频率f＝12.6ghz时总透射率最大值为92.51％，附加损耗为0.34db，实现2×1型多模干涉耦合器功能。图3虚线给出两束光相位差为π的奇数倍时是“关”的状态，谐振频率出透射率最小4.61％，光开关的消光比为13.02db。

技术特征：

1.一种基于近零折射率阵列谐振的多模干涉耦合器，其特征是：

利用周期性介质阵列制成近零折射率谐振器，在该谐振器的径向出射端面放置一个反射装置，当光垂直于阵列端面入射时，谐振器中激发出剧烈的驻波谐振，发生谐振时，场能量沿入射方向不传播，入射光能量转化为横向行波向外辐射，从而实现多模干涉光耦合功能。

2.根据权利要求1所述的基于近零折射率阵列谐振的多模干涉耦合器，其特征是：所述耦合器中传播波长λ大于空气中的传输波长λ0。

3.根据权利要求1所述的基于近零折射率阵列谐振的多模干涉耦合器，其特征是：所述谐振器的边长l为传播半波长λ/2的整数倍。

4.根据权利要求1所述的基于近零折射率阵列谐振的多模干涉耦合器，其特征是：所述耦合器，根据谐振模态不同，谐振器内场能量被波节线分割为n份，因为结构对称性，从两个对称横向端口产生2n束出射光束，实现1×2n多模干涉耦合器的分束功能。

5.根据权利要求1所述的基于近零折射率阵列谐振的多模干涉耦合器，其特征是：所述耦合器，在基模谐振情况下，控制两束相同的相干光垂直于两个横向端面相对入射进入所述谐振器，激发共振，场能量转化为沿径向出射的光束，实现两束入射光的合为一束出射光，实现2×1干涉耦合器的合束功能。

6.根据权利要求1所述的基于近零折射率阵列谐振的多模干涉耦合器，其特征是：所述耦合器，当两束入射光的相位差为π的偶数倍时实现出射光“开”功能，当两束光的相位差为π的奇数倍时实现出射光“关”功能。

技术总结
一种基于近零折射率阵列谐振的多模干涉耦合器，是利用周期性介质阵列制成近零折射率谐振器，在该谐振器的径向出射端面放置一反射装置，当光垂直于阵列端面入射时，谐振器中激发出剧烈的驻波谐振；发生谐振时，场能量沿入射方向不传播，光能量转化为横向行波向外辐射，从而实现多模干涉光耦合功能。根据谐振模态不同可实现1×2N多模干涉耦合器；在基模谐振情况下可实现2×1耦合器；所述耦合器，当两束光的相位差为π的偶数倍时实现“开”功能，当两束光的相位差为π的奇数倍时实现“关”功能。本发明结构紧凑、尺寸小、易加工、性能灵活可调。

技术研发人员：董国艳;郑姝慧
受保护的技术使用者：中国科学院大学
技术研发日：2021.05.21
技术公布日：2021.08.20