CN113970863A - 基于马赫曾德干涉仪的声光隔离器及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于马赫曾德干涉仪的声光隔离器及其应用方法。该声光隔离器包括分束器、第一非互易臂、第二非互易臂、合束器；其中，第一非互易臂依次包括第一声光波导a、第一普通光波导、第一声光波导b，分别作为移频段、移相段和移频段；第二非互易臂依次包括第二声光波导a、第二普通光波导、第二声光波导b，分别作为移频段、移相段和移频段；声学模式激发时，第一非互易臂、第二非互易臂中的传播方向相反。本发明可以利用声光相互作用实现隔离器或环形器，以实现大带宽、高隔离度、低额外损耗、低功耗等优异的非互易性能及其灵活可重构调控。另外本发明结构简单，成本低，便于工业应用。
Description
技术领域
本发明属于光通信和光计算、光传感技术领域，面向片上光子集成隔离器、环形器等重大需求，聚焦微纳波导非互易光场调控前沿，尤其是涉及了一种基于马赫曾德干涉仪的声光隔离器。
背景技术
非互易光场调控是极其重要且独特的光场调控方式，其在微纳波导中的实现极具挑战性，是实现片上光子集成隔离器、环形器等的重要基础。而隔离器、环形器等非互易器件是实现大规模光子集成芯片不可或缺的关键器件，前者隔离器可隔离光路中的杂散反射，避免干扰激光光源和光放大器，抑制多路径干涉噪声；后者环形器可用于双向光路中正向与反向传播光场或光信号的分离和路由。
目前，微纳波导中的非互易光场调控在带宽、隔离度、额外损耗、功耗等关键性能方面面临重要挑战，具有重大研究意义。
在片上集成微纳波导中打破光场传播的洛伦兹互易性是光子集成领域研究前沿，国际、国内众多研究者提出了种类繁多、各具特点的实现方案，按照物理机理大致可分为三类，分别基于非线性效应、磁光效应以及时空调制。
利用硅、二氧化硅、硫系玻璃等常用光电薄膜材料的多种非线性效应，可以较为简便地实现片上集成非互易光路，但是需要相当高的光功率才能实现强非互易性，并要求光功率在特定范围内才能实现良好的隔离性能，而且往往并未打破时间反演对称性，无法避免动态互易性，即对非线性工作点附近的微扰仍然具有互易性。基于受激布里渊散射（SBS）等特殊非线性效应，可以通过引入单向传播或具有其它形式的方向性的控制光（或泵浦光）场来打破时间反演对称性，以避免动态互易性，但是依然要求信号光（或探测光）功率远低于控制光（或泵浦光）才能实现与信号光（或探测光）功率无关的良好隔离性能。这些不足极大地限制了基于非线性的片上集成非互易器件的应用场景。
相比之下，利用具有磁光效应的材料和外加单向强磁场可以直接打破时间反演对称性，实现片上集成非互易光路，构建结构简洁、性能优异的隔离器、环形器等。然而低损耗强磁光材料薄膜制备难度大，而且片上强磁场的产生和灵活调控也较为困难。目前片上集成磁光非互易器件的额外损耗、工作带宽、隔离度、电磁铁功耗等性能还有待进一步提高。
通过对微纳波导芯区附近的材料折射率进行时空调制，形成单向移动的波导光栅等具有方向性的时变波导，也可以打破时间反演对称性，形成对光子作用的等效磁场，实现片上集成非互易光路。时空调制的常用实现方法为电光调制与声光调制。在实现移动波导光栅方面，射频电场在微纳传输线中的相速度为亚光速，波长多为厘米级，必须通过在波导上加工复杂的微纳结构才能合成适合的波导光栅，器件加工难度大。同时，基于载流子注入的电光调制会造成较大的光损耗，而实现强非互易性往往需要数毫米以上的时空调制区域，使得器件整体额外损耗过大。由于上述不足，电光时空调制方案难以实现高隔离度、低额外损耗、低功耗。
相比电光调制，声光调制在实现移动波导光栅方面具有优势。微纳波导中射频声波模式的相速度在数千米每秒量级，使得其波长在微米或亚微米级，刚好形成适合于光波模式的波导光栅。声光调制的物理机理为波导形变及多种弹光效应造成的折射率分布变化，不会额外引入光损耗。
尽管利用单根声光波导即可实现非互易透射，但是目前的理论和实验研究均表明，需要厘米级长度的声光波导才能够达到实际应用可接受的隔离度。如此长的声光波导给器件设计和性能带来诸多负面影响。一方面，吉赫兹量级附近的射频声波模式在室温常压下往往由于热声子散射与空气阻尼等损耗机理，难以达到厘米级的传播距离。因此需要分段或者分布式地激励声波模式，给器件设计与调控带来困难，并增加整体功耗；另一方面，过长的声光相互作用距离会导致器件工作带宽过窄，类似于光波模式通过一个很长的微弱波导光栅，对相位失配过于敏感，限制了器件性能。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种基于马赫曾德干涉仪的声光隔离器及其应用方法。
一种基于马赫曾德干涉仪的声光隔离器，包括分束器、第一非互易臂、第二非互易臂、合束器；其中，第一非互易臂依次包括第一声光波导a、第一普通光波导、第一声光波导b，分别作为移频段、移相段和移频段；第二非互易臂依次包括第二声光波导a、第二普通光波导、第二声光波导b，分别作为移频段、移相段和移频段；声学模式激发时，第一非互易臂、第二非互易臂中的传播方向相反；第一普通光波导、第二普通光波导用于产生光学模式的两臂π/2的相位差，正行时两臂相位差为π/2，反行时两臂相位差为-π/2，所述的第一非互易臂和/或第二非互易臂还设有静态调相区用于控制正行和反行的双臂相位差分别为0和π。
所述的静态调相区通过对第一非互易臂和/或第二非互易臂进行电光调相，或者进行热光调相，或者通过引入两臂长度差进行光程调相；所述的静态调相区位于第一非互易臂和/或第二非互易臂的端部或者中间。
所述的声光隔离器，当分束器和合束器的输入输出端分别为双端口时，实现四端口环形器。
所述的分束器和合束器可选用多模干涉仪（MMI）或者方向耦合器（DC）。
一种所述的声光隔离器的应用方法，第一光学模式通过分束器分别进入第一非互易臂、第二非互易臂；其中，经过第一声光波导a移频段后，发生非互易多普勒频移，同向转换为第二光学模式，经过第一普通光波导移相段之后，第二光学模式经过第一声光波导b移频段，发生反向非互易多普勒频移，恢复为第一光学模式；经过第二声光波导a移频段后，发生非互易多普勒频移，同向转换为第二光学模式，经过第二普通光波导移相段之后，第二光学模式经过第二声光波导b移频段，发生反向非互易多普勒频移，恢复为第一光学模式；两臂移频段的声学模式传输方向相反，使得多普勒频移相反，推挽效应在两臂上产生相位差，而两个方向传输的光学模式产生的双臂相反相位差，当差值为π时，造成非互易透射，再通过调相区的相位控制使得正行和反行的双臂相位差分别为0和π，即可实现隔离效果。
所述的应用方法，所述光学模式的同向转换为不同偏振模式的转换或者不同阶数模式的转换，而且不同光学模式转换的效率与声光波导中所激发的声学模式种类相关，SV1声学模式对TE0/TM0转换效率最高，SH0声学模式对TE0/TE1转换效率最高。
所述的应用方法，所述两臂移频段的声光波导长度满足在对应声波功率与传输损耗下实现相位匹配的光学模式的完全转换，声光波导的长度随着声波功率的增大而减小，随着声波损耗的增大而增大。
本发明具有的有益效果是：
本发明的基于马赫曾德干涉仪的声光隔离器的方案可以利用声光相互作用实现隔离器或环形器，以实现大带宽、高隔离度、低额外损耗、低功耗等优异的非互易性能及其灵活可重构调控。另外本发明结构简单，成本低，便于工业应用。
附图说明
图1是基于马赫曾德干涉仪的声光隔离器的一种结构示意图。
图2是基于马赫曾德干涉仪的四通道环形器的一种结构示意图。
图3是基于马赫曾德干涉仪的声光隔离器的两臂上光学模式传输及模频转换的示意图。
图4是本发明实施例中铌酸锂悬空波导中的光学模式TE0。
图5是本发明实施例中铌酸锂悬空波导中的光学模式TM0。
图6是本发明实施例中铌酸锂悬空波导中的光学模式TE1。
图7是本发明实施例中铌酸锂悬空波导中的声学模式SV1。
图8是本发明实施例中铌酸锂悬空波导中的声学模式SH0。
图9是本发明实施例中声光隔离器正行和反行传输光的输出谱型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于马赫曾德干涉仪的声光隔离器，包括分束器、第一非互易臂、第二非互易臂、合束器；其中，第一非互易臂依次包括第一声光波导a、第一普通光波导、第一声光波导b，分别作为移频段、移相段和移频段；第二非互易臂依次包括第二声光波导a、第二普通光波导、第二声光波导b，分别作为移频段、移相段和移频段；声学模式激发时，第一非互易臂、第二非互易臂中的传播方向相反。第一普通光波导、第二普通光波导用于产生光学模式的两臂π/2的相位差，正行时两臂相位差为π/2，反行时两臂相位差为-π/2，所述的第一非互易臂和/或第二非互易臂还设有静态调相区用于控制正行和反行的双臂相位差分别为0和π。
所述的静态调相区通过对第一非互易臂和/或第二非互易臂进行电光调相，或者进行热光调相，或者通过引入两臂长度差进行光程调相；所述的静态调相区位于第一非互易臂和/或第二非互易臂的端部或者中间。
如图2所示，所述的声光隔离器，当分束器和合束器的输入输出端分别为双端口时，实现四端口环形器，环形通光路径为①→③→②→④→①。
所述的分束器和合束器可选用多模干涉仪（MMI）或者方向耦合器（DC）。
一种所述的声光隔离器的应用方法，如图3所示，第一光学模式通过分束器分别进入第一非互易臂、第二非互易臂；其中，经过第一声光波导a移频段后，发生非互易多普勒频移，同向转换为第二光学模式，经过第一普通光波导移相段之后，第二光学模式经过第一声光波导b移频段，发生反向非互易多普勒频移，恢复为第一光学模式；经过第二声光波导a移频段后，发生非互易多普勒频移，同向转换为第二光学模式，经过第二普通光波导移相段之后，第二光学模式经过第二声光波导b移频段，发生反向非互易多普勒频移，恢复为第一光学模式；两臂移频段的声学模式传输方向相反，使得多普勒频移相反，推挽效应在两臂上产生相位差，而两个方向传输的光学模式产生的双臂相反相位差，当差值为π时，造成非互易透射，再通过调相区的相位控制使得正行和反行的双臂相位差分别为0和π，即可实现隔离效果。
在本实施例中，该声光隔离器基于300 nm厚度x切薄膜铌酸锂晶圆，其中声光波导和普通波导宽度都为1.2 μm，因现有铌酸锂刻蚀工艺特点，波导侧边与垂直方向有30°夹角。波导传输方向为z，为增强声光相互作用并减小声波损耗，声光波导悬空放置；为增强长距离传输的结构稳定性，普通光波导保留二氧化硅掩埋层。声光波导中存在3种光学模式，分别为TE0（图4），TM0（图5），TE1（图6）。本实施方案中，对于通过声光相互作用实现同向模式转换的方式给出两种示例，而实际可选用方式不限于此。如图3同向转化中，第一种为TE0和TM0的相互转化，与之对应的声学模式为SV1（图7）；第二种为TE0和TE1的相互转化，与之对应的声学模式为SH0（图8）。
下面以TE0/TE1同向转化为例，给出具体的隔离器输出谱型计算结果。
如图3所示，以TE0作为光学模式1输入，SV1作为声学模式激发，声波波长为3.43 μm，假设声波损耗可忽略不计，声波功率为1 mW恒定值，经过397 μm的共同传输距离，f=193.42 THz中心频率的TE0完全转换为光学模式2——TE1，发生频率飘移量Δf=429 MHz，需要移相段长度约为4.5 cm。计算得到的正行和反行传输光的输出谱型如图9所示。在中心波长处隔离度> 50 dB，在~1.26 nm的线宽内（带宽~157 GHz）隔离度> 20 dB。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于马赫曾德干涉仪的声光隔离器，其特征在于：
包括分束器、第一非互易臂、第二非互易臂、合束器；其中，第一非互易臂依次包括第一声光波导a、第一普通光波导、第一声光波导b，分别作为移频段、移相段和移频段；第二非互易臂依次包括第二声光波导a、第二普通光波导、第二声光波导b，分别作为移频段、移相段和移频段；声学模式激发时，第一非互易臂、第二非互易臂中的传播方向相反；
第一普通光波导、第二普通光波导用于产生光学模式的两臂π/2的相位差，正行时两臂相位差为π/2，反行时两臂相位差为-π/2；
所述的第一非互易臂和/或第二非互易臂还设有静态调相区用于控制正行和反行的双臂相位差分别为0和π。
2.根据权利要求1所述的声光隔离器，其特征在于：
所述的静态调相区通过对第一非互易臂和/或第二非互易臂进行电光调相，或者进行热光调相，或者通过引入两臂长度差进行光程调相；所述的静态调相区位于第一非互易臂和/或第二非互易臂的端部或者中间。
3.根据权利要求1所述的声光隔离器，其特征在于：当分束器和合束器的输入输出端分别为双端口时，实现四端口环形器。
4.根据权利要求1所述的声光隔离器，其特征在于：所述的分束器和合束器可选用多模干涉仪（MMI）或者方向耦合器（DC）。
5.一种根据权利要求1所述的声光隔离器的应用方法，其特征在于：
第一光学模式通过分束器分别进入第一非互易臂、第二非互易臂；
其中，经过第一声光波导a移频段后，发生非互易多普勒频移，同向转换为第二光学模式，经过第一普通光波导移相段之后，第二光学模式经过第一声光波导b移频段，发生反向非互易多普勒频移，恢复为第一光学模式；
经过第二声光波导a移频段后，发生非互易多普勒频移，同向转换为第二光学模式，经过第二普通光波导移相段之后，第二光学模式经过第二声光波导b移频段，发生反向非互易多普勒频移，恢复为第一光学模式；
两臂移频段的声学模式传输方向相反，使得多普勒频移相反，推挽效应在两臂上产生相位差，而两个方向传输的光学模式产生的双臂相反相位差，当差值为π时，造成非互易透射，再通过调相区的相位控制使得正行和反行的双臂相位差分别为0和π，即可实现隔离效果。
6.根据权利要求5所述的应用方法，其特征在于：
所述光学模式的同向转换为不同偏振模式的转换或者不同阶数模式的转换，而且不同光学模式转换的效率与声光波导中所激发的声学模式种类相关，SV1声学模式对TE0/TM0转换效率最高，SH0声学模式对TE0/TE1转换效率最高。
7.根据权利要求5所述的应用方法，其特征在于：
所述两臂移频段的声光波导长度满足在对应声波功率与传输损耗下实现相位匹配的光学模式的完全转换，声光波导的长度随着声波功率的增大而减小，随着声波损耗的增大而增大。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114423137A (zh) * | 2022-02-25 | 2022-04-29 | 中国科学技术大学 | 一种诊断偏滤器等离子体中粒子数密度的共振激光干涉仪 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000352699A (ja) * | 1999-06-10 | 2000-12-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 可変光減衰方法及び可変光減衰器 |
| US20010038728A1 (en) * | 1999-12-23 | 2001-11-08 | Taylor Henry F. | Guided wave electrooptic and acoustooptic tunable filter apparatus and method |
| CN201159780Y (zh) * | 2008-02-22 | 2008-12-03 | 东南大学 | 马赫-曾德多模干涉型偏振无关光环形器 |
-
2021
- 2021-11-15 CN CN202111350811.0A patent/CN113970863B/zh active Active
Patent Citations (3)
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| JP2000352699A (ja) * | 1999-06-10 | 2000-12-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 可変光減衰方法及び可変光減衰器 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 陈晨;石邦任;郭丽君;赵猛;张荣;: "SiO_2波导布拉格器件中声表面波及声光相互作用分析", 光学学报, no. 06, 10 June 2012 (2012-06-10) * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114423137A (zh) * | 2022-02-25 | 2022-04-29 | 中国科学技术大学 | 一种诊断偏滤器等离子体中粒子数密度的共振激光干涉仪 |
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