一种紧凑型多模干涉热可调光衰减器 【技术领域】
本发明属光子通信技术领域，具体涉及一种紧凑型多模干涉热光衰减器及其设计。
背景技术
可调光衰减器(VOA)是一种非常重要的光学器件，它可按用户的要求将光信号能量进行预期地衰减，常用于吸收或反射掉光功率余量、评估系统的损耗及各种测试中，已经广泛的应用于光通信系统中。目前，光衰减器种类繁多，主要以微机械(MEMS)衰减器和波导衰减器为主，技术较为成熟。MEMS衰减器在损耗、串扰等性能上优势明显，但是调制速度较慢，而且MEMS的机械磨损较大，而波导衰减器可以弥补这些不足。波导衰减器从调制机理上说，可以分为热光衰减器、电光衰减器以及声光衰减器等，其中热光衰减器工艺相对成熟，其结构主要有以Mach-Zender干涉(MZI)结构、多模干涉(MMI)结构以及Y型或X型分支结构等。MZI结构的光衰减器最大的缺点是对偏振敏感而且要求有较高的尺寸精度；MMI结构目前主要和MZI结构结合在一起使用，也存在上述的问题；而Y型或X型分支结构的光衰减器则有尺寸、串扰较大等缺点。
【发明内容】
本发明的目的在于提出一种紧凑型多模干涉热光可调衰减器，以弥补以往多模干涉热光衰减器中存在的不足。
本发明提出的多模干涉热光可调衰减器，由如下部分依次组合构成：一个单模输入波导1，一个多模干涉耦合波导2，一个单模输出波导3，一个“泄漏通道”单模输出波导4，顶层热电极5和电源6，如图1所示。热开关横截面的结构从上到下(如图2所示)依次为：顶层热电极5，上包层7，波导层8，下包层9以及硅片衬底10。
本发明中，上下包层和波导层可以采用聚合物PPMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或PUQ，以及无机/有机复合材料(如硅胶)等材料。其中，上包层7、下包层9的厚度分别为6到10微米，波导层厚度分别为5到7微米。波导器件所用材料的热光系数为-0.8×10-4到-2×10-4。
本发明原理如下：首先，多模干涉耦合是利用光的自映象原理，即在多模波导中，沿着光波的传播方向，在周期性的间隔处出现输入场的一个或多个复制的映象。在热电极5不加电压的状态，当光通过输入波导1中入射多模耦合波导区2中，在多模耦合波导区2的长度的二分之一处(即中部)，生成两个关于波导中心线对称的映象，热电极5覆盖在其中一个映象之上，而在出射端面关于波导中心线对称出形成一个输入场的映象，并通过该位置的输出波导3输出，此状态即为无衰减状态。当施加电压并逐渐增大时，热电极产生的热量使电极覆盖区域地波导升温，使得折射率下降，改变热电极下映象光场的相位，从而改变出射面处映象的位置，并将能量从“泄漏通道”波导4中漏出，使输出波导3中信号能量衰减。当电压取某值时，输入场的映象位于“泄漏通道”波导4处并输出，输出波导3中信号能量衰减达到最大值。当电压阶越性变化，本光衰减器还可以作为光开关使用。
本发明中，较优的情形是：
多模波导区的有效宽度对成像的特征长度成平方关系，输入波导1的位置距离多模干涉波导2的中线为多模干涉波导2的宽度的六分之一，以减小多模干涉波导区的尺寸，使结构更加紧凑。
顶层热电极5的横向位置距离多模干涉耦合波导2中线为多模干涉耦合波导2宽度的六分之一，纵向位置为多模干涉耦合波导2的长度的二分之一处。
电极形状为条形，可以有效降低功耗，并可以根据不同材料和尺寸进行优化设计。一般其宽度为4到16微米，材料可以为铝或镍铬合金，电阻率为1.4到14欧姆每微米。
本发明提出的多模干涉热光衰减器，具有结构紧凑、制作容差大、高消光比、偏振无敏感性好、低功耗、低串扰以及便于集成等优点。
【附图说明】
图1是单个紧凑型多模干涉热光可调衰减器结构示意图。
图2是紧凑型多模干涉热光可调衰减器横截面结构示意图。
图3是实施例(2)计算所得的输入电流和输出光强的关系。
图4是实施例(3)计算所得的输入电流和输出光强的关系。
图5是实施例(4)计算所得的输出电流和输出光强的关系。
图6是实施例(5)计算所得的输出电流和输出光强的关系。
图中标号：1.单模输入波导，2.多模干涉耦合波导，3.单模输出波导，4.“泄漏通道”单模输出波导，5.顶层热电极，6.电源，7.上包层，8.波导层，9.下包层，10.硅片衬底。
【具体实施方式】
下面通过具体实例进一步描述本发明：
实施例：利用波束传输法(BPM)数值模拟紧凑型多模干涉热光可调衰减器。(采用美国Rsoft公司的Beampro专业导波光学设计软件)
1.参数设定：如图1，2所示，波导的材料选择为聚合物PPMA，下包层的厚度为10μm，波导层厚度为5μm，上包层厚度为5μm；包层折射率为1.5，波导层折射率为1.51；包层的热光系数为-1.47×10-4，波导层材料的热光系数为-1.22×10-4；波导材料的导热系数为0.001W/(cm.K)，硅片的导热系数为1.3W/(cm.K)；多模干涉波导区的宽度为42μm，长度为2765μm。
2.设输入波长为1.55μm，条形电极的宽度为7μm，长度为300μm，距离多模干涉耦合波导中线为7μm；热电极材料为镍铬合金，厚度为0.01μm，电阻率1.4Ω/μm。图3所示的是计算所得输入电流和输出光强的关系。计算得到当输入电流为0.62毫安，即功率消耗为2.306毫瓦的时候，实现最大衰减为28.6dB。
3.设输入波长为1.55μm，条形电极的宽度为16μm，长度为300μm，距离多模干涉耦合波导中线为7μm；热电极材料为铝铬合金，厚度为0.01μm，电阻率14Ω/μm。图4所示的是计算所得的电源的功率消耗和输出光强的关系。计算得到当输入电流为0.33毫安，即功率消耗为2.859毫瓦的时候，实现最大衰减为27.126dB。
4.设输入波长为1.45μm，条形电极的宽度为7μm，长度为300μm，距离多模干涉耦合波导中线为7μm；热电极材料为镍铬合金，厚度为0.01μm，电阻率1.4Ω/μm。图5所示的是计算所得的电源的功率消耗和输出光强的关系。计算得到当输入电流为0.59毫安，即功率消耗为2.089毫瓦的时候，实现最大衰减为24.517dB。
5.设输入波长为1.65μm，条形电极的宽度为7μm，长度为300μm，距离多模干涉耦合波导中线为7μm；热电极材料为镍铬合金，厚度为0.01μm，电阻率1.4/μm。图5所示的是计算所得的电源的功率消耗和输出光强的关系。计算得到当输入电流为0.63毫安，即功率消耗为2.381毫瓦的时候，实现最大衰减为24.612dB。
图4和图5说明上述热光可调衰减器非常适用于1.45μm-1.65μm的光通信波段。
6.当光的偏振态发生变化时，对热光可调衰减器的功能没有影响。