[发明专利]一种非对称马赫泽德干涉仪及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及光通讯系统中的光交叉互联、光信号处理技术领域，特别是一种非对称马赫泽德干涉仪及其设计方法。

技术背景

随着光通信技术的飞速发展，光开关及调制器件在整个通信系统中所起的作用越来越大。它们不仅仅被当作单独的器件，用来实现对光信号的处理、调制，同时又是光交叉互联(OXC)和光上下路复用(OADM)等子系统中的重要构件。

马赫泽德干涉仪(MZI)结构在光开关及调制器的设计制作中有着越来越广泛的应用。这种结构由输入输出波导、两个3dB耦合器(一个光分束器和一个光合束器)以及两个光相位调制臂等几部分构成。其基本工作原理为：入射光首先被分束器分成强度相同的两束，两束光分别在两个调制臂中传输一段距离之后，被合束器再次合为一束输出。通过改变其中一个调制臂的折射率，可以在两个调制臂中引入一定的光程差，这样两束光在通过调制臂后，两者之间的相位差可以通过这种折射率调制机制进行调节，而两束光的相位差决定了两者经过合束器干涉叠加之后的光场分布。因此通过改变其中一个调制臂的折射率，就可以实现光的功率调制或开关功能。常见的折射率调节机制包括材料的热光效应、电光效应以及自由载流子的等离子色散效应等。

光分束器和合束器可以由多模干涉耦合器(包括中心输入、配对输入、普通输入三种)、定向耦合器、Y分支器等结构来实现。通常的MZI都具有完全对称的结构，不仅分束器与合束器结构对称，而且两个调制臂的结构参数也完全相同。通过引入某种折射率调制机制(热光效应、电光效应以及自由载流子的等离子色散效应等)，可以在调制臂中实现一定的光场相位偏移。在传统MZI中，为完成一个调制周期(输出光强实现在最大和最小之间的转换或输出光从一个端口转换到另一个端口)，需要在一个调制臂上引入π相位偏移，而另外一个调制臂一直处于闲置状态。也就是说，只有一个调制臂对输出光场的变化有贡献。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种非对称马赫泽德干涉仪(MZI)结构及其设计方法，其特征在于通过在MZI中引入两个结构、材料参数不完全一致的调制臂，改变两调制臂中光场之间的相位关系，通过调节两臂的截面尺寸、长度、折射率分布等参数，可在两臂之间引入一定的光程差。光程差的大小可以通过3D-BPM或FDTD等数值模拟方法确定。这样完成一个调制周期需要两个调制臂的共同贡献，而在单个调制臂上需要引入的相位偏移小于传统对称结构中的π相移(最优设计时单臂上所需相移为π/2)。更小的相位偏移对应着更快的调制速率，因此这种非对称MZI结构有助于提高器件的开关/调制速率。

本发明一种非对称马赫泽德干涉仪(MZI)，所包含两个调制臂的结构、材料参数非完全一致，由于两者的非一致使得两臂之间存在光程差。

所述非对称马赫泽德干涉仪可以由硅、锗硅合金、二氧化硅、铌酸锂、聚合物、III-V族化合物半导体等多种材料来实现。

所述非对称马赫泽德干涉仪中两个调制臂的长度、截面形状、截面尺寸、折射率分布等结构、材料参数中至少有一项不一致，并且这种差异能够在两臂之间引入光程差。

所述非对称马赫泽德干涉仪可为“一进一出”的结构，用于制作光调制器，也可为“二进二出”结构，用于2×2光开关场合。

所述非对称马赫泽德干涉仪中的3dB耦合器可由多模干涉耦合器(包括中心输入、配对输入、普通输入三种情况)、定向耦合器、Y分支器等多种结构来实现。

所述非对称马赫泽德干涉仪中的两个调制臂在工作过程中的折射率调制以及相应的光场相位调制可以利用材料的电光效应、热光效应、载流子等离子色散效应等多种调制方式来实现。

所述非对称马赫泽德干涉仪在调制过程中，需要两个调制臂的共同参与才能完成一个调制周期，而在此过程中单个调制臂上需要引入的相位偏移由未调制时两臂的相位差决定。一般情况下单个臂上需要的相移小于π，在最优设计时单个臂上需要的相移为π/2。

本发明所述的结构是指非对称马赫泽德干涉仪整个结构。所指的材料是指非对称马赫泽德干涉仪整个材料。

本发明一种用于设计非对称调制臂马赫泽德干涉仪的方法，该方法包括如下步骤：

(1)运用常规方法确定马赫泽德干涉仪中输入、输出波导以及两个3dB耦合器的结构参数；

(2)运用3D-BPM或FDTD等数值模拟的方法求出两个结构参数非完全一致的调制臂中分别的光场等效折射率；

(3)将(2)中得到的两臂的光场等效折射率分别乘以两臂各自的长度即可得到两臂的光程，进而求得两臂之间的光程差。