[发明专利]非对称相位可调马赫-曾德干涉仪及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于集成光子器件技术领域，涉及非对称相位可调马赫-曾德干涉仪及其制备方法。

背景技术

马赫-曾德干涉仪(英文全称:Mach-Zehnder Interferometer，文中简称:MZI)作为相位检测光路结构已在光传感、通信系统中得到了广泛的应用。在光纤通信中MZI通常用来作为光纤波分复用器、光调制器、光开关和波长转换器等；在光传感系统中由于MZI灵敏度非常高，可以用来测量电流、电磁场、温度、压力等微弱物理量。

马赫-曾德干涉仪主要分为三类：第一类是传统基于分离元件的MZI；第二类是传统全光纤型MZI；第三种是基于平面光波光路(英文全称:Planar Lightwave Circuit，文中简称:PLC)的MZI。

传统基于分离元件的MZI由于光学元件的相对位置校正难度较大，会出现无法避免的随机扰动从而影响其性能。目前，在光谱学和基本量度学方面还有一些应用，但在光传感、通信系统中的应用却非常少。

传统全光纤型MZI由两个3dB耦合器和两个不同长度的臂组成，输出特性固定。与传统MZI相比，全光纤型MZI结构简单、体积小、重量轻、耐腐蚀、灵敏度高、和抗电磁干扰能力强，但是受温度环境影响较大，从而导致系统性能稳定性低。

基于PLC工艺的MZI利用半导体工艺制备，具有结构紧凑、可批量制作、稳定性高等优点。其中基于硅上二氧化硅(英文全称:Silica-on-Silicon，文中简称:SoS)工艺的PLC型MZI是首先被应用于光通信、传感系统中的PLC干涉仪；并且其具有热稳定、集成高、成本低等特点。但是，PLC型MZI一般两臂光程差固定，从而限制其输出特性固定不变，不利于光传感、通信系统重构多变。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供了非对称相位可调马赫-曾德干涉仪，该干涉仪可以实现相位精细可调，且结构紧凑、简单和稳定性高。同时，本发明还提供该干涉仪的制备方法，该制备方法简单、成本低、可批量制作。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

非对称相位可调马赫-曾德干涉仪，该干涉仪包括：平面光波光路PLC芯片和外接导光臂，所述平面光波光路PLC芯片包括：硅衬底，在硅衬底上设有二氧化硅缓冲层，在二氧化硅缓冲层上设有波导层，波导层上设有覆盖层。所述波导层包括输入级3dB耦合器、一个长度固定臂及输出级3dB耦合器，所述长度固定臂的两端分别与输入级3dB耦合器的下输出端口、输出级3dB耦合器的下输入端连接，在输入级3dB耦合器的上输出端口上设有第一开放臂且与第一开放臂的一端连接，在输出级3dB耦合器的上输入端上设有第二开放臂且与第二开放臂的一端连接，所述外接导光臂的两端分别与第一开放臂的另一端、第二开放臂的另一端连接。

由输入级3dB耦合器端的上输入端口或者下输入端口输入一定频率范围的信号，经过3dB耦合器多模干涉效应从输入级3dB耦合器端的上输出端口和者下输入端口输出相位差为90°的光信号。一路光信号经过长度固定臂进入输出级3dB耦合器的下输入端，另一路光信号经过第一开放臂、外接导光臂和第二开放臂进入输出级3dB耦合器的上输入端。当外接导光臂取合适长度时，两路光信号相互干涉，使特定的频率信号增强，相反使得特定的频率信号减弱。通过调节外接导光臂的光程差可以实现干涉仪相位精细可调，从而改变光传感、通信系统的性能。

本发明还可以采用以下技术措施来进一步优化非对称相位可调马赫-曾德干涉仪的技术方案：

A）输入端为2×2耦合器，输出端为2×2耦合器，构成“二入二出”结构。

B）输入端为1×2分路器，输出端为2×1合波器，构成“一入一出”结构。

C）输入端为1×2分路器，输出端为2×2耦合器，构成“一入二出”结构。

D）输入端为2×2耦合器，输出端为2×1合波器，构成“二入一出”结构。

上述的非对称相位可调马赫-曾德干涉仪的制备方法，该制备方法包括以下步骤：