一种基于宇称-时间对称的连续可调分光比定向耦合器

技术领域

本发明涉及一种基于宇称-时间对称的连续可调分光比定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是集成光学系统中应用广泛的一种光学器件，它的本质是将光信号按一定的比例进行功率分配。在集成光学系统中，定向耦合器是把两个光波导放置在足够近的位置上，使得一条光波导上的功率可以耦合到另一光波导上的光学元件。在定向耦合器的输出端，两端口的输出功率主要由工作波长、两耦合波导的间距、耦合长度这三个主要参数决定。传统的定向耦合器由于在设计和制作时，两个耦合波导的间距和耦合长度已确定不变，所以两输出端口的功率分配比固定不变，这就极大的限制了定向耦合器的分光作用。

发明内容

为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种基于宇称-时间对称的连续可调分光比定向耦合器

本发明是通过以下措施实现的：

一种基于宇称-时间对称的连续可调分光比定向耦合器，包括耦合波导区，所述耦合波导区包括相互耦合的损耗波导区和增益波导区，所述损耗波导区一端连接有输入端口，损耗波导区另一端连接有输出端口Ⅰ，所述增益波导区端部仅连接有输出端口Ⅱ。

上述增益波导区采用光致增益材料，能够通过调节照射在增益波导区的光强改变输出端口Ⅱ的输出功率。

该定向耦合器为InGaAsP材料，基于InP基集成光学系统，衬底为InP。

上述增益波导区在被照射连续调节的光强时，输出端口Ⅰ的输出功率基本不变，输出端口Ⅱ输出功率连续变化。

本发明的有益效果是：能够实现分光比连续可调，而且与现有的半导体工艺兼容，制备工艺简单。并且可广泛应用于集成光学系统。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的立体结构示意图。

图3弱光(左图)和强光(右图)时，两输出端口的分光比。

图4为输出端口Ⅱ与输出端口Ⅰ输出光功率比与光致强度的关系图。

其中：1输入端口，2损耗波导区，3增益波导区，4输出端口Ⅰ，5输出端口Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述：本发明专利基于宇称-时间(parity-time,PT)对称结构的耦合波导，提出一种连续可调分光比的定向耦合器，可以通过调节增益波导的增益系数，即调节光致增益，实现输出功率的连续变化。

宇称-时间对称的概念源于量子力学，后来将此概念应用到光学领域，并得出结论：满足宇称-时间对称的光学系统，其材料的折射率实部满足偶对称，虚部(即增益和损耗)满足奇对称。由两个耦合波导(其中一个为增益波导，一个为损耗波导)可构成宇称-时间对称系统，通过调节两耦合波导的增益和损耗系数，可以实现光在两波导上的非对称传输。利用这一特点，在定向耦合器引入宇称-时间对称结构，通过调节增益和损耗系数，实现分光比的连续可调。

如图1、2所示，本发明包括耦合波导区，耦合波导区包括相互耦合的损耗波导区2和增益波导区3，损耗波导区2一端连接有输入端口1，损耗波导区2另一端连接有输出端口Ⅰ4，增益波导区3端部仅连接有输出端口Ⅱ5。增益波导区3采用光致增益材料，能够通过调节照射在增益波导区3的光强改变输出端口Ⅱ5的输出功率。该定向耦合器为InGaAsP材料，基于InP基集成光学系统，衬底为InP。增益波导区3在被照射连续调节的光强时，输出端口Ⅰ4的输出功率基本不变，输出端口Ⅱ5输出功率连续变化。

光由输入端口1进入，经过耦合波导区，两耦合波导一个为增益波导，一个为损耗波导，在两波导之间发生耦合，由于两波导的位置是固定不变的，损耗波导的损耗系数一般也不可调，因此在耦合区，光能量的耦合率只与增益系数有关，而增益系数的调节可通过改变光致增益实现。

该结构基于InP基集成光学系统，衬底为InP，定向耦合器为InGaAsP材料，故器件的制备与传统的半导体工艺完全兼容，通过光刻工艺制备出器件的图形。工艺步骤不是本专利的重点。

器件中波导为有源材料，所以改变光照强度可以调节材料的增益系数，耦合波导区的增益波导即为光致增益波导。当外界没有光照时，此时系统不满足宇称-时间对称条件，耦合系数小于增益损耗系数，光大部分能量从输出端口Ⅰ4输出，当照射在增益波导上的光强逐渐增强时，材料增益逐渐增大，此时系统逐渐趋于满足宇称-时间对称条件，输出端口Ⅱ5的输出光强逐渐增大，随着光强的逐渐增大，输出端口Ⅰ4输出光功率基本不变，输出端口Ⅱ5的输出光功率一直增大，以至超过输出端口Ⅰ4并继续增大。从而实现输出光功率的连续改变。图3是光致强度较弱和较强时，两端口分光比的仿真结果图。从图4中可以看出，随着光强的逐渐增大，输出端口Ⅱ5与输出端口Ⅰ4的光功率比由小于1逐渐增大以至大于1。

以上所述仅是本专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。