[发明专利]多模相移干涉器件

说明书

技术领域

本发明一般地涉及光学器件，更具体地涉及用于传播和操纵光学信号的多模干涉(MMI)器件。

背景技术

在光学通信中，具有各种波长和偏振的光学信号能够被多路复用在单个光学载波内。电信网络愈发注重灵活性和可配置性，这需要用于光学通信的光子集成电路(PIC)功能性的增强，还需要紧凑的器件。基于多模干涉(MMI)的光学器件具有大带宽，对偏振不敏感，并且具有高制造公差。

对于多种应用，期望使操纵光学信号的MMI器件的长度最小化。例如，在一种MMI器件中，诸如In_1-xGa_xAs_y P_1-y的磷砷化镓铟(InGaAsP)芯被插入磷化铟(InP)基底和上覆层之间。

由于该芯具有高折射率，因此光学信号被高度聚集在该芯内。具有相对较低折射率的覆层沿着器件的深度方向引导光学信号。MMI器件的长度L要求短波长和长波长的拍频(beat)长度连续多次的重复。拍频长度被定义为L_π＝π/(β₀-β₁)，其中β₀和β₁是第一最低次模的传播常数。

为了将两个不同波长λ₁和λ₂分离，MMI波导的自成像理论(self imaging theory)需要MMI分区(section)的长度L_MMI满足

L_MMI＝m×L_π(λ₁)＝(m+1)×L_π(λ₂) (1)

其中m是正整数。当L_MMI满足式(1)时，与各波长相对应的两个像沿着MMI波导宽度(W_M)在不同位置处形成，由此能够将各波长分开。在此L_π是可由式(2)近似得到的多模区域的取决于波长的拍频长度。

其中n_eff是通常也取决于波长的有效折射率。式(1)针对给定波长间隔Δλ示出了

L_MMI∝1/Δλ. (3)

对于典型的8μm的MMI宽度和4.5nm的Δλ而言，用于典型的1.30458/1.30941μm波长组合器的对应的MMI长度为几十毫米。然而，用于40/100G以太网的波长间隔典型地为20nm或更小。在小型器件内组合以及分离以类似波长振动的光学信号是很有挑战性的。

例如，Yao等人在Optics Express vol.20,No.16,p.18248(2012)中描述了一种基于MMI的波长分离器/组合器。然而，为了操作该器件，波长间隔必须非常大(诸如1.3um和1.55um)。Jiao等人在IEEE J.Quantum Electronics,Vol.42,No.3,p.266(2006)描述了另一种光学操纵器。然而，该操纵器使用的方法仅适用于光子晶体。这类操纵器难以生产。

美国专利6,580,844中描述了另一种MMI组合器。然而，该MMI组合器被设计对240nm的大波长间隔进行操作(1.55/1.31μm波长操作)。在美国专利7,349,628中描述的另一种方法，该方法使用外部控制信号来对光学信号进行多路复用或多路解复用，而这对于某些应用是不适用的。

存在以下需求：对在减小光学器件的长度并降低其制造复杂性的同时操纵具有多个波长或偏振的光学信号。

发明内容

本发明的各个实施例基于这样的认识：传播具有不同波长的光学信号的多模干涉(MMI)器件的芯分区的结构变化会对传播的信号造成不同的影响。这些结构的变化包括改变芯分区的有效折射率的改进、以及芯分区的宽度、厚度、材料和形状的变化。

芯分区结构的这些变化能够被用来操纵传播的光学信号的相位，并且在此被称为结构性相移部件。进一步认识到能够选择结构性相移部件之一或组合以实现MMI的各种分离/组合任务。