一种基于多模干涉耦合器的模转换与合并器件的设计

多模波导干涉（MMI）耦合器在集成光路中被用来实现波导模式的转换或合并。对于实际的基于硅绝缘体（SOI）的三维波导，数值设计方法是必需的。采用有限差分波束传输法（FD-BPM）设计了一种66％模式转换、合并器。首先由FD-BPM求出MMI耦合器的输入、输出波导所支持的基模和一阶导模的模场分布，通过数值方法得到MMI耦合器的长度，然后将求得的模场作为输入波场，经过FD-BPM运算后在器件输出面上计算交叉积分得出实际的由基模转换为一阶模的功率百分比。对于算例中采用的SOI波导，器件长度为829μm，65．7％的功率由基模转换为一阶模。     

采用三维波束传输法的多模干涉耦合器成像位置的数值计算

多模干涉(MMI)耦合器需要精确定位成像位置,以便器件的设计制作。针对强限制和弱限制的三维多模波导干涉耦合器,采用三维交替方向隐式有限差分光束传输法(BPM),数值计算得出多模波导长度、输入波导和输出波导位置。首先通过对对称干涉多模干涉耦合器的数值分析求得多模干涉耦合器的等效宽度Weq及最低二阶模之间的拍长Lc,然后将这些参量结合光束传输法直接用于器件设计。计算显示该方法得到的成像位置和导模传输分析法(MPA)的理论预测比较接近,但Weq和Lc却是由光束传输法计算得到的,导模传输分析法理论只能在得到Weq和Lc的前提下才能得到成像位置。该方法直接针对三维波导进行,没有采用基于等效折射率方法的从三维波导到二维波导的简化处理,并且也没有采用导模传输分析法所采用的近似,保证了计算精度,对于实际多模干涉器件的设计制作可起参考作用。     

InP基1×4多模干涉耦合器的设计与制作

在密集波分复用系统中,多波长DFB激光器阵列与多模干涉耦合器集成光源器件具有重要的应用前景.为了研制多波长集成光源中的宽带可用低损耗光耦合器,利用三维有限差分光束传播法仿真设计了一种具有强限制作用的InP/InGaAsP材料的多模干涉型耦合器.输入/输出端波导均采用楔形结构以降低多模干涉型耦合器的插入损耗,提高各个输出端口的出光平衡度.根据仿真结果,结合波导芯层为采用外延生长设备,采用反应离子刻蚀工艺制作了1×乘4多模干涉型耦合器.利用自动对准波导耦合测试系统对所制作器件的插入损耗和出光平衡度进行测量.测试结果表明,该器件在1 550 nm波长附近的40 nm带宽范围内获得了约2.6 dB的通带平坦度,在1 550 nm通信波长处,器件的插入损耗低于10 dB.     

InP基1×4多模干涉耦合器的设计与制作

在密集波分复用系统中,多波长DFB激光器阵列与多模干涉耦合器集成光源器件具有重要的应用前景.为了研制多波长集成光源中的宽带可用低损耗光耦合器,利用三维有限差分光束传播法仿真设计了一种具有强限制作用的InP/InGaAsP材料的多模干涉型耦合器.输入/输出端波导均采用楔形结构以降低多模干涉型耦合器的插入损耗,提高各个输出端口的出光平衡度.根据仿真结果,结合波导芯层为采用外延生长设备,采用反应离子刻蚀工艺制作了1×乘4多模干涉型耦合器.利用自动对准波导耦合测试系统对所制作器件的插入损耗和出光平衡度进行测量.测试结果表明,该器件在1 550nm波长附近的40nm带宽范围内获得了约2.6dB的通带平坦度,在1 550nm通信波长处,器件的插入损耗低于10dB.     

三平行光子晶体单模波导的耦合特性及其应用

将三光子晶体单模波导的相互耦合看成一个多模干涉系统.本征模的色散曲线相交或近于相交并出现简并模，简并模之间存在强烈耦合并导致模式的分布方式发生转变.多模干涉系统中，不同波长的光波能量在传输过程中由于相干而具有不同的空间输出行为，在近简并点处多模之间的相干解除，能流限制在原输入方向，不发生转移.三光子晶体单模光波导的这种特性可用来制作波分复用或解复用器件. 关键词： 光子晶体波导 简并模 多模干涉 波分复用或解复用     

一种改进的2×2 SOI Mach-Zehnder热光开关

本文设计并制作了基于强限制多模干涉耦合器的2×2 SOI马赫-曾德热光开关.这种光开关采用了深刻蚀结构的多模干涉耦合器和输入/输出波导,较大地提高了干涉耦合器的性能并减少了连接耦合损耗.同时,在调制臂区域采用浅刻蚀结构,保持其单模调制状态.深刻蚀多模干涉耦合器具有优越的特性,在实验中测得不均衡度只有0.03 dB,插入损耗－0.6 dB.基于这种耦合器的新型热光开关,其插入损耗为－6.8 dB,其中包括光纤-波导耦合损耗－4.3 dB,开关时间为6.8 μs.     

基于MZI结构的二氧化硅波导模式选择开关

设计并且制备了一种基于马赫-曾德尔干涉仪结构的二氧化硅波导模式选择开关。该器件由不对称定向耦合器及金属电极组成。通过金属电极产生的热场改变单模波导中的模式相位,实现了单模波导中E₀₀模式向多模波导中E₁₀模式的转换。器件采用标准CMOS工艺制备,在调制臂两侧引入空气槽,提高热场调制效率,降低开关功耗。实验结果表明,当输入E₀₀模式时,输出端的串扰小于-17.13 dB,消光比大于16.7 dB;当输入E₁₀模式时,输出端的串扰小于-19.84 dB,消光比大于22.5 dB。模式开关的上升时间和下降时间分别为0.7 ms和1 ms。该模式选择开关在模分复用系统中具有良好的应用前景。     

基于深刻蚀SiO2脊型波导的紧凑型多模干涉功分器

采用深刻蚀SiO2脊型波导,利用其弯曲半径小的优点,设计了一种紧凑型1×2多模干涉功分器.在输入/输出波导与多模干涉区域之间引入了逆向锥形波导,有效地减小了输出波导间距,从而减小了多模干涉区域宽度及其长度,进一步实现了多模干涉器件的小型化(仅为150 μm×20 μm).并采用三维束传播方法对多模干涉区域及输入/输出波导中的光场传输进行了模拟仿真,得到了一组最优参量设计值,从而实现其结构优化.     

弱导波导多模干涉耦合器结构参量优化设计

本文分析了以硅基底上二氧化硅波导为代表的弱导波导多模干涉(MMI)耦合器件输入(出)波导位置及宽度和MMI长度等结构参量对器件性能的影响.提出了参量空间法,在给定工艺材料参量和多模波导宽度情况下,通过匹配各结构参量,制出均匀性好、附加损耗低的弱导波导多模干涉耦合器件.     

测量单模波导参数的新方法:导模和漏模的双偏振测量

本文提出测量单模波导参数的新方法.用棱镜耦合器测量两种偏振基导模和基漏模的模折射率,并由相应的四个模方程确定单模波导参数.其测量精度优于纯导模测量.用这种方法测量了单模玻璃波导参数,并对误差来源作了理论分析.     

二维限制MMI耦合器自镜像特性

采用扩展的导模传输分析法,对二维限制多模干涉(MMI)耦合器的自镜像效应进行分析,详细讨论了二维限制多模干涉耦合器的自镜像特性和在两个方向上各自都成完整像的要求,并用三维全矢量非旁轴近似光束传输法进一步验证了分析结果.结果表明,一维限制多模干涉耦合器的自镜像效应在一定条件下,可以拓展到二维限制多模干涉耦合器上.并且在强限制的波导结构中,二维自镜像效应可以看成二个相互垂直、独立的一维自镜像效应的叠加.     

Waveguide lenses with multimode interference for low-loss slab propagation

It is shown that a nearly ideal two-dimensional focusing Gaussian beam can be synthesized by use of a linear combination of the two lowest-order even modes of an optical waveguide. This property can be used to couple laterally guided modes across slab waveguide regions with low loss. The technique is illustrated by use of a conventional multimode interference (MMI) geometry, in which the MMI coupler transforms the fundamental mode of an initial waveguide into a focusing Gaussian beam, which is then fed to a slab region. Two-dimensional beam propagation simulations show that the beam does not initially diverge in the slab region, but rather comes to a focus. A second MMI coupler then transforms the diverging beam back to the initial mode. A structure is designed that can couple the fundamental mode of a 9-microm-wide waveguide across an 88-microm-long slab region with only a 0.036-dB loss. This technique can be applied to improve the performance of small-angle waveguide crossings and integrated turning mirrors.     

一种多模干涉耦合器的性能模拟

为减小多模干涉（Multimode Interference ,MMI）耦合器件的尺寸,提出一种多模波导宽度为指数型变化的Taper结构.理论分析了多模波导长度与该Taper结构的参量之间的关系.与已被用于减小MMI器件尺寸的抛物线型Taper结构相比,该结构可进一步减小器件的尺寸.就几种波导结构参量下的MMI耦合器,利用宽角光束传播法进行了数值模拟.结果表明,指数型MMI耦合器的性能与抛物线型MMI耦合器的性能类似.指数型Taper结构可以用于MMI器件以减小该类器件的尺寸.     

不同衬底折射率的多模干涉耦合器

设计了一种具有不同衬底折射率的新型多模干涉耦合器,在多模波导区引入了更强的光场限制,激发更高阶的导模,从而提高映像质量.采用二维有限差分波束传播方法模拟了这种新型的结构,结果表明:与传统结构相比,以功率均衡性和附加损耗为衡量标准的映像质量有了明显提高.这种结构可以应用于三维SOI脊形波导中.     

一种新型SOI Mach-Zehnder干涉型电光调制器的设计

在超紧缩双曲锥形3dB多模干涉耦合器的基础上,设计了一种新的Silicon-on-insulator (SOI) Mach-Zehnder干涉型电光调制器.与传统的Y分支器相比,双曲锥形3dB耦合器的制作容差大,而长度缩短了近30%,使得整个器件的尺寸大幅减小.调制区采用横向注入的PIN结构,模拟结果表明:当外加偏压为0.86V时,器件的调制深度最大,此时注入电流为13.2mA,对应的器件功耗为11.4mW.     

New design of a beam-steering thermooptic multimode polymer waveguide switch

We present simulations of a Y-branch directional coupler activated using the thermooptic effect in a multimode polymer waveguide. Microheaters embedded beneath both sides of the waveguide at the Y-branch are used to generate an inhomogeneous temperature profile. Through the thermooptic effect, this temperature profile creates a refractive index profile in the channel waveguide material, which steers the beam to one of the two output branches. We determined the expected thermal profiles using finite element modeling (FEM). The transmission of a basic mode through the waveguide was then simulated using the beam propagation method (BPM). The results show that a high contrast ratio (>90%) can be achieved in response times on the order of 1 ms. Electronic supplementary material Supplementary material is available in the online version of this article at and is accessible for authorized users.PACS 42.82.Et; 42.70.Jk; 42.79.Ta     

High-performance 90° hybrid based on a silicon-on-insulator multimode interference coupler

We propose a multimode interference coupler (MMI) design for high-index-contrast technologies based on a shallowly etched multimode region, which is, for the first time to our knowledge, directly coupled to deeply etched input and output waveguides. This reduces the phase errors associated with the high-index contrast, while still allowing for a very compact layout. Using this structure, we fabricate a 2 × 4 MMI operating as a 90° hybrid, with a footprint of only 0.65 mm × 0.53 mm, including all the structures necessary to couple light to a fiber array. We experimentally demonstrate a common mode rejection ratio better than -20 dBe and phase errors better than ±5° in a ~50 nm bandwidth.     

Analysis of multiple reflections in hybrid photonic crystal multimode interference coupler

In this paper the analysis of multiple reflections in photonic crystal (PhC) multimode interference (MMI) couplers using eigen-mode expansion method is presented. The analysis is conducted on a hybrid PhC structure which consisted of 1-D PhC multimode waveguide sandwiched between 2-D PhC input/output waveguides. In PhC multimode waveguide, where the mechanism of wave confinement is not due to total internal reflection but due to photonic bandgap properties, the reflectivity at 2-D PhC facet wall would be very large for all the guided modes in the waveguide when ever the image formed due to MMI effect does not coincides with the output access waveguide.     

Optimal design for a flat-top AWG demultiplexer by using a fast calculation method based on a Gaussian beam approximation

Passband broadening of an AWG (array waveguide grating) demultiplexer with an MMI (multimode interference) coupler connected at the end of a tapered input waveguide is considered. An explicit formula based on the field propagation of an approximate Hermit-Gaussian beam is used to calculate quickly and reliably the spectral response of the AWG demultiplexer. The widths of the input waveguide, the output waveguides and the MMI coupler are optimized. The optimal design is verified with the experimental measurement.