CN104977733B - 一种硅基非互易器件结构与电控非互易实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基非互易器件结构与电控非互易实现方法。本发明的实施方式提供了一种可集成的硅基器件结构，以及通过电控和热调谐的方法实现硅基片上非互易传输的过程。具体地，本发明的实施方式提供了用于光网络的器件和控制方法，通过在电极上施加电压，在某段光波导中产生弱的非互易相移或者幅度，从而在本发明提供的波导结构中产生较为明显的幅度非互易性。本发明所述器件可以利用现有的CMOS工艺完成硅基片上集成，可以和其它光子器件一起集成在硅片上。利用本发明，可以在未来的光网络中的某个节点完成硅基片上光学隔离功能，从而有效地提高光网络的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成光学器件，特别涉及一种可调控的硅基片上光学隔离器。
背景技术
硅基光子学是光电子领域的一项关键技术，它采用能够与CMOS工艺相兼容的绝缘衬底上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)技术，重点研究光在硅基波导和各种谐振结构中的传输规律和信号处理，希望将计算机间的光互联设备、光通信和光网络中的器件集成在单个硅片上，最终实现片上光网络(network on chip，NOC)，从而使集成光学回路(Photonicintegrated circuits，PIC)像集成电路一样，能够很好的提供未来信息传输和信息处理中的光模块资源。
经过一段时间的发展，虽然在硅基平台上能够实现光耦合器、光滤波器和偏振转换器等基本的无源器件和光调制器、电光开关等有源器件，但是在硅基集成器件的机理层面也存在一些影响未来应用的基础问题，导致像光隔离器和光环形器等需要利用光学非互易性的器件很难在硅基芯片上实现。尽管可以依靠磁光材料中的旋光效应实现光学非互易传输，从而实现光学隔离器等器件。但是，在硅基片上实现磁光材料的集成却非常困难。
目前，实现硅基片上光隔离器有两种方法。一种方法是2009年由斯坦福大学的研究人员提出的，他们利用折射率空时调制产生的动态光栅中“光子带间跃迁”的光学非互易实现原理1，来构成片上光学隔离器，其研究成果发表在nature photonics上，这是一种在全硅基芯片上制作光隔离器的新原理，随后，该研究组提出了MZI和微环实现非互易的两种新 结构2-3。该机理引起了硅基光子技术领域的广泛关注，2012年，康奈尔大学M.Lipson教授研究组在实验中观察到了电驱动下硅基MZI结构器件的非互易特性4，在正反两个方向上产生了3dB的透射谱线差别。另一种方法，是基于普度大学的硅光子研究团队提出的利用非线性光学产生硅基片上非互易特性的新思路展开的5-6。2012年，该团队利用微环谐振器的非线性效应成功制作出了光隔离器，测量得到大约27dB的正反向传输差别，成果发表在美国科学杂志上5。这些方法虽然能够实现硅基片上光学隔离器，但是它们有如下缺点：
1，“光子带间跃迁”的光学非互易性实现方法，需要构成动态光栅，因此需要具有能够产生较大非互易相移特性的方法，即从左向右和从右向左的相移差要足够大，才有可能依靠此相移差构成光学隔离器。图1是2012年，康奈尔大学M.Lipson教授研究组利用他们在硅基光调制器研究领域的长期积累，制作出的器件结构19。通过采用不同类型的掺杂(pn-np结和np-pn结)形成电可调谐的光栅，实现了较大的折射率电调制波数，从而在实验上制作了能够在MZI型结构中实现光隔离的电驱动器件。但是，由于此种方法采用了MZI型结构，需要较大的两个方向的相移差才能够产生明显的光学隔离效果。图2是康奈尔大学M.Lipson教授研究组在图1中的结构下，实验中测得的器件非互易特性。如果从左到右和从右到左两个方向的透射谱线一样，则比值为1，两个方向的谱线有差别，则比值在0-1之间。在电极所加功率为15dBm以下，并没有很明显的透射谱线差别，而电极所加功率在18.3-25dBm时，透射谱线差别将会最大达到3dB。
2，利用非线性光学产生硅基片上非互易特性的方法，需要较高的光学非线性，而较高的光学非线性需要较高的光功率，而随着光功率的 降低，光学非互易性将会消失，因此依靠高光功率的光隔离器在实际应用中既难以控制，又不便于使用，难以大规模商用。
参考文献：
1.Z.Yu and S.Fan，“Complete optical isolation created by indirectinterband photonic transitions，”Nat.Photonics 3，91(2009).
2.Z.Yu and S.Fan，“Optical isolation based on nonreciprocal phaseshift induced by interband photonic transitions，”Appl.Phys.Lett.94，171116(2009).
3.Z.Yu and S.Fan，“Optical resonances created by photonictransitions，”Appl.Phys.Lett.96，011108(2010).
4.H.Lira，Z.F.Yu，S.H.Fan，and M.Lipson，B“Electrically drivennonreciprocity induced by interband photonic transition on a silicon chip，”Phys.Rev.Lett.109，033901(2012).
5.L.Fan，J.Wang，L.T.Varghese，H.Shen，B.Niu，Y.Xuan，A.M.Weiner，and M.Qi，“An all-silicon passive optical diode，”Science，335(6067)：447-450(2012).
6.Li Fan，Leo T.Varghese，Jian Wang，Yi Xuan，Andrew M.Weiner，and MinghaoQi，“Silicon optical diode with 40dB nonreciprocal transmission，”Opt.Lett.38，1259(2013).
发明内容：
针对背景技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够电可调谐的硅基片上光学隔离器，该器件便于集成在未来的硅基集成芯片上。
基本思路
本发明实现的硅基片上光隔离器的基本原理以2009年斯坦福大学研究人员提出的“光子带间跃迁”理论为基础，即利用折射率空时调制产生的动态光栅中的光学非互易性实现硅基片上光隔离器。但是，为了增强非互易性的效果，本发明采用了新的结构。如图3所示，该结构为带反射单元的双模光滤波器，具有增强波导中非互易特性的作用。而当前的现有技术中，无论是Mach-Zehnder干涉结构还是微环结构，在波导上加一定的电压，所产生的非互易相位常数还是很弱的，即两个方向的相 位常数之差很小，如果产生明显的非互易透射谱线，必须采用很长的波导，而长波导则容易存在两个方向上相位变化的随机性问题，最终仍然难以实现光波的非互易传输。
基本结构
在本发明中，图3所示的结构是可以将微弱的非互易相位差变为较大的非互易透射谱线，进而可以实现片上光学隔离器，图4是图3的光路结构图。在图4中，规定逆时针为正向，为图中红色箭头所示方向，顺时针为反向，为图中蓝色箭头所示方向。在图3中，红色波导部分为所加电极，正向传输和反向传输时，由于存在相移的非互易性，即正向相移和反向相移不同，因此，红色波导为相位非互易波导。
1，图3所示结构包括如下部分：
硅基直波导(10)，适于连接光学输入和输出端口，并和第一2×2耦合器连接；
第一2×2耦合器(20)，适于完成光信号的双向耦合，光波从1和2端口到3和4端口耦合，或者从3和4端口到1和2端口耦合；
硅基第一环形波导(30)，适于双向传输光信号，并和第一2×2耦合器一起构成双向传输的环形谐振腔；
第二2×2耦合器(40)，适于完成光信号的双向耦合，光波从1和2端口到3和4端口耦合，或者从3和4端口到1和2端口耦合；
硅基第二环形波导(50)，适于双向传输光信号，并和第二2×2耦合器一起构成双向反射和透射单元，用来在第一2×2耦合器和硅基第一环形波导构成的环形谐振腔中提供反射和透射的功能；
调制电极(60)，适于形成动态光栅，在硅基第一环形波导中产生弱的非互易相移；
热电极(70)，适于改变整个谐振结构的谐振波长，完成信号光所在波长和谐振波长的匹配。
2，图6所示结构包括如下部分：
硅基直波导(110)，适于连接光学输入和输出端口，并和第一2×2耦合器连接；
第一2×2耦合器(120)，适于完成光信号的双向耦合，光波从1和2端口到3和4端口耦合，或者从3和4端口到1和2端口耦合；
硅基第一环形波导(130)，适于双向传输光信号，并和第一2×2耦合器一起构成双向传输的环形谐振腔；
第二2×2耦合器(140)，适于完成光信号的双向耦合，光波从1和2端口到3和4端口耦合，或者从3和4端口到1和2端口耦合；
硅基第二环形波导(160)，适于双向传输光信号，并和第二2×2耦合器一起构成双向反射和透射单元，用来在第一2×2耦合器、硅基第一环形波导、第三2×2耦合器和硅基第三环形波导构成的环形谐振腔中提供反射和透射的功能；
第三2×2耦合器(150)，适于完成光信号的双向耦合，光波从1和2端口到3和4端口耦合，或者从3和4端口到1和2端口耦合；
硅基第三环形波导(170)，适于双向传输光信号，并和第三2×2耦合器一起构成双向传输的环形谐振腔；
调制电极(180)，适于形成动态光栅，在硅基第三环形波导中产生弱的非互易相移；
热电极(190)，适于改变整个谐振结构的谐振波长，完成信号光所在波长和谐振波长的匹配。
透射谱的计算
根据发明人的研究，在双模光滤波器中嵌入相位非互易波导，将会产生透射谱线的非互易性。tL→R为从左到右的透射谱线，tR→L为从右到左的透射谱线，它们可以表示为如下形式：
其中，
a0为第一环形波导、第二环形波导和两个耦合器总的损耗。令非互易波导两个方向的损耗之比的平方根为 
其中α±为两个方向的损耗系数。传播常数之差的一半为ΔβL＝-(β+-β-)/2，其中，β+和β-为第一环形波导在加调制电压之后正向和反向的传播常数，L为第一环形波导的总长度，β1为第二环形波导的传播常数。一般情况下，β1＝(β++β-)/2。L1为第二环形波导的总长度。δ1和δ2分别为第二耦合器和第一耦合器的耦合系数，tg为第二环形波导的透射系数，
一般情况下，按照图3所示结构，调制电极所加电压仅仅产生波导相移的非互易性，而不会产生非互易的幅度。如果需要产生非互易幅度，可以采用图6所示结构。在图6中，硅基第三环形波导，和第三2×2耦合器一起构成双向传输的环形谐振腔。当所加电压将环形谐振腔变为相位非互易波导时，该环的透射谱线将会出现非互易特性，即产生幅度非互易性。
因此，仅需要在硅基第一环形波导产生相位非互易性时，可以采用图3所示结构，而当需要在硅基第一环形波导产生幅度非互易性时，可 以采用图6所示结构。
谐振波长的调谐
如权利要求1和权利要求2所述的波导结构，当在其电极上加上一定的电压后，将会在某些特定的谐振波长上产生非互易特性，这些波长可能和信号光波长不一致，因此，需要通过加热或者自然冷却来完成信号光波长和具有非互易传输特性波长的匹配。在图3和图6所示结构中，选取不同参数，非互易传输特性随着波长的敏感程度是不同的，因此，可以通过优化设计，降低该光学隔离器对波长的敏感程度。
附图说明
根据下面结合附图的示例性实施方式的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优势将变得明显，在附图中：
图1是2012年在实验上实现硅基“光子跃迁”非互易性的硅基波导结构示意图。(a)简化的硅基器件结构(b)包含pn-np结和np-pn结的电极结构(c)折射率的时空调制
图2是利用“光子跃迁”原理和MZI结构实现硅基非互易性的实验结果。
图3是本发明的硅基可调谐光隔离器基本结构图。
图4是图3所示的光学隔离器的光路图(a)从左到右传输的光路图(b)从右到左传输的光路图。
图5是在图3结构中，光学隔离器从左到右传输和从右到左传输产生的透射谱线。
图6是本发明的另一种硅基可调谐光隔离器的结构图。
图7是在图6结构中，光学隔离器的从左到右传输和从右到左传输产生的透射谱线。
具体实施方式
1，如图3所示结构，硅基波导的有效折射率为3.4，当通过设计耦合系数δ1＝0.9871，则
如果
L＝79μm，L1＝79μm。在本例中，波导仅有非互易相移，而没有非互易幅度特性，因此，b＝1。当第一环形波导加上电压后，其正反两个方向的相位差为
若 
则ΔβL/β1＝1.44×10-4，第一环形波导正反两个方向的相位常数之差为硅波导中本征相位常数的0.0288％，如此小的相位常数差是可以通过电极相位匹配的设计来实现的。本例中的第一环形波导长度也在目前可以加工的微环尺寸范围内。图5是该结构在这种设计情况下的透射谱线，可以看出：在1547.2nm处，从左到右的透射谱线，归一化损耗仅为5dB，而从右到左的透射谱线则几乎为零，归一化损耗达到30dB；在1547.7nm处，从右到左的透射谱线，归一化损耗仅为5dB，而从左到右的透射谱线则几乎为零，归一化损耗达到30dB。在这些波长上，可以实现光学片上隔离，当光波波长不在这些波长上时，可以通过热调谐的方法调谐光波长和隔离波长匹配。
2，根据图6结构，可以得到本发明的另外一种实施例，可以通过参数设计，来实现图6中经过硅基第三环形波导和第三2×2耦合器一起构成双向传输的环形谐振腔的幅度产生非互易特性，即从左到右和从右到左两个方向上的幅度特性不同，假设b＝1.15，而
不存在相位非互易性，仅存在幅度非互易性，其透射谱线如图7所示。在1547.5nm的波长附近，从右到左的透射谱线归一化损耗仅为3-5dB，从左到右的透射谱线，归一化损耗达到10dB。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实 质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
Claims (11)
1.一种波导结构，包括：
硅基直波导，适于连接光学输入和输出端口，并和第一2×2耦合器连接；
第一2×2耦合器，适于完成光信号的双向耦合；
硅基第一环形波导，适于双向传输光信号，并和第一2×2耦合器一起构成双向传输的环形谐振腔；
第二2×2耦合器，适于完成光信号的双向耦合；
硅基第二环形波导，适于双向传输光信号，并和第二2×2耦合器一起构成双向反射和透射单元，用来在第一2×2耦合器和硅基第一环形波导构成的环形谐振腔中提供反射和透射的功能；
调制电极，适于形成动态光栅，在硅基第一环形波导中产生弱的非互易相移；
热电极，适于改变整个谐振结构的谐振波长，完成信号光所在波长和谐振波长的匹配。
2.一种波导结构，包括：
硅基直波导，适于连接光学输入和输出端口，并和第一2×2耦合器连接；
第一2×2耦合器，适于完成光信号的双向耦合；
硅基第一环形波导，适于双向传输光信号，并和第一2×2耦合器一起构成双向传输的环形谐振腔；
第二2×2耦合器，适于完成光信号的双向耦合；
硅基第二环形波导，适于双向传输光信号，并和第二2×2耦合器一起构成双向反射和透射单元，用来在第一2×2耦合器、硅基第一环形波导、第三2×2耦合器和硅基第三环形波导构成的环形谐振腔中提供反射和透射的功能；
第三2×2耦合器，适于完成光信号的双向耦合；
硅基第三环形波导，适于双向传输光信号，并和第三2×2耦合器一起构成双向传输的环形谐振腔；
调制电极，适于形成动态光栅，在硅基第三环形波导中产生弱的非互易相移；
热电极，适于改变整个谐振结构的谐振波长，完成信号光所在波长和谐振波长的匹配。
3.如权利要求1所述的波导结构，其特征在于，第一2×2耦合器和第二2×2耦合器为定向耦合器，每个耦合器均包含1，2，3，4四个端口，耦合规则为：
1端口和2端口输入的光信号按照一定的功率比例和相位关系耦合到3端口和4端口；
3端口和4端口输入的光信号按照和上述相同的功率比例和相位关系耦合到1端口和2端口。
4.如权利要求2所述的波导结构，其特征在于，第一2×2耦合器、第二2×2耦合器和第三2×2耦合器为定向耦合器，每个耦合器均包含1，2，3，4四个端口，耦合规则为：
1端口和2端口输入的光信号按照一定的功率比例和相位关系耦合到3端口和4端口；
3端口和4端口输入的光信号按照和上述相同的功率比例和相位关系耦合到1端口和2端口。
5.如权利要求1所述的波导结构，其特征在于，调制电极的上所加电压的波矢量与硅基第一环形波导中一个方向上传播的光波设计为相位匹配。
6.如权利要求2所述的波导结构，其特征在于，调制电极的上所加电压的波矢量与硅基第三环形波导中一个方向上传播的光波设计为相位匹配。
7.如权利要求1所述的波导结构，其特征在于，调制电极的长度等于硅基第一环形波导中两个方向需要得到的相移之差除以硅基第一环形波导中两个方向的光波波数之差。
8.如权利要求2所述的波导结构，其特征在于，调制电极的长度等于硅基第三环形波导中两个方向需要得到的相移之差除以硅基第三环形波导中两个方向的光波波数之差。
9.如权利要求1或权利要求2所述的波导结构，其特征在于，其调制电极所加电压与和调制电极相接触的光波导两个方向的光波波数之差成正比。
10.如权利要求1或权利要求2所述的波导结构，其特征在于，热电极通过加热来调谐所述波导结构的谐振波长发生红移，或者通过自然冷却来调谐所述波导结构的谐振波长发生蓝移。
11.如权利要求1或权利要求2所述的波导结构，其特征包括：该波导结构是刻蚀在硅片上，完成整个器件的片上集成。
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