CN105278041B - 光学元件、光发射装置以及光接收装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种光学元件、光发射装置以及光接收装置。该光学元件包括：第一延迟干涉仪；以及与第一延迟干涉仪级联的第二延迟干涉仪和第三延迟干涉仪。第一延迟干涉仪包括：第一光耦合器和第二光耦合器；在第一光耦合器与第二光耦合器之间的第一波导；在第一光耦合器与第二光耦合器之间的第二波导，第二波导比第一波导长；以及被耦合至第一波导的环形波导。第一波导的长度与第二波导的长度的差与对应于通道间隔的长度的差相差一个长度，该长度对应于由环形波导的装载引起的相移。第一波导和第二波导中的至少一个包括移相器，该移相器抵消由环形波导的装载引起的相移。
Description
技术领域
本文讨论的实施例涉及光学元件、光发射装置以及光接收装置。
背景技术
光学元件，诸如波长复用/解复用元件被用于光通信与光互连。近来，硅(Si)光子学作为用于大容量互连的一种有前景的技术已经引起注意，并且期望通过硅芯片中的波分复用(WDM)来提高每一光子线(photonic wire)的传输容量。例如，硅光子线波导类型的波长复用/解复用器被用作复用WDM光信号的复用器，以及解复用WDM光信号的解复用器，以用于在硅芯片中传送/接收WDM光信号。作为这样的复用器/解复用器的示例，存在着延迟干涉元件，并且已经进行了关于延迟干涉元件的各种研究。
例如，据报道，通过装载环形波导改善了复用/解复用的光谱的平坦度，该环形波导被耦合至一对光耦合器之间的波导。然而，即使使用了环形波导，常规的延迟干涉元件也很难在不进行温度控制的情况下获得足够的平坦度。
专利文献1：日本公开特许公报第2013-186358号
专利文献2：日本公开特许公报第2013-205626号
非专利文献1：D.W.Kim,A.Barkai,R.Jones,N.Elek,H.Nguyen,和
A.Liu,“Silicon-on-insulator eight-channel optical multiplexer basedon a cascade of asymmetric Mach-Zehnder interferometers”,光学快报(OpticsLetters)33(5)，530-532(2008)
非专利文献2：F.Horst,“Silicon integrated waveguide devices forfiltering and wavelength demultiplexing”，2010年光纤通信大会会议录，OWJ3
非专利文献3：J.Song,Q.Fang,S.H.Tao,M.B.Yu,G.Q.Lo,和D.L.Kwong,“Passivering-assisted Mach-Zehnder interleaver on silicon-on-insulator”，光学快讯(Optics Express)16(12)，8359-8365(2008)
非专利文献4：S.-H.Jeong,S.Tanaka,T.Akiyama,S.Sekiguchi,Y.Tanaka,和K.Morito,“Flat-topped and low loss silicon-nanowire-type optical MUX/DeMUXemploying multi-stage microring resonator assisted delayed Mach-Zehnderinterferometers)”，光学快讯20(23),26000-26011(2012)
发明内容
本实施例的目的是提供能够通过简单控制来获得具有良好平坦度的光谱的光学元件、光发射装置以及光接收装置。
根据实施例的一方面，光学元件包括：第一延迟干涉仪、以及与第一延迟干涉仪级联的第二延迟干涉仪和第三延迟干涉仪。第一延迟干涉仪包括：第一光耦合器和第二光耦合器；在第一光耦合器与第二光耦合器之间的第一波导；在第一光耦合器与第二光耦合器之间的第二波导，第二波导比第一波导长；以及被耦合至第一波导的环形波导。第一波导的长度与第二波导的长度的差与对应于通道间隔的长度的差相差一个长度，该长度对应于由环形波导的装载引起的相移。第一波导和第二波导中的至少一个包括移相器，该移相器抵消由环形波导的装载引起的相移。
根据实施例的另一方面，光发射装置包括：光源单元，其发射具有不同波长的多个光；调制器，其调制该多个光；以及光学元件，该光学元件复用该多个光。
根据实施例的又一方面，光接收装置包括：光学元件，该光学元件将光信号解复用成具有不同波长的多个光；以及光接收器，其接收从该光学元件输出的多个光。
附图说明
图1是图示出根据参考示例的延迟干涉元件的部件的图示；
图2是图示出根据第一实施例的光学元件的结构的图示；
图3A是图示出波导的截面结构的一个示例的图示；
图3B是图示出波导的截面结构的另一示例的图示；
图4A是图示出参考示例的光谱特性的图示；
图4B是图示出第一实施例的光谱特性的图示；
图5是图示出根据第二实施例的光学元件的结构的图示；
图6是图示出根据第三实施例的光学元件的结构的图示；
图7是图示出根据第四实施例的光发射装置的结构的图示；
图8是图示出根据第五实施例的光发射装置的结构的图示；以及
图9是图示出根据第六实施例的光接收装置的结构的图示。
具体实施方式
本申请的发明人关于为什么常规的延迟干涉元件在不进行温度控制的情况下很难获得具有高平坦度的复用/解复用光谱的原因进行了认真研究。结果，阐明了在常规的延迟干涉元件中发生了伴随着装载环形波导的相移。
图1是图示出根据参考示例的延迟干涉元件的部件的图示。在图1图示的延迟干涉元件中，波导1和波导2两个波导被连接至分离光的光耦合器7，环形波导3被耦合至波导1，并且如图1中所图示的，波导2设置有延迟部分6，其中，波导2的光程长度比波导1的光程长度长出该延迟部分6的长度。根据要求的通道间隔来确定光程长度之间的差。根据通道间隔、光程长度之间的差等来确定环形波导3的结构。通过假设传播通过波导2的光信号被输入到光耦合器中，同时保持相位延迟来进行设计，因为由于延迟部分6而在光信号中产生该相位延迟
然而，作为发明人进行的认真研究的结果，阐明了传播通过波导1的光信号在波导1和环形波导3的耦合区域4前面的相位与在耦合区域4后面的相位之间的差与传播通过波导2的光信号在区域5(对应于耦合区域4)前面的相位与在区域5后面的相位之间的差不一致。具体地，阐明了除了相位延迟以及由制造误差引起的相位延迟以外，在传播通过耦合区域4的光信号与传播通过对应于耦合区域4的区域5的光信号之间包括由装载环形波导3引起的相移在由发明人准备的样品中，例如，存在着表1中所示的以下项之间的关系：在耦合区域4中波导1和环形波导3之间的距离、耦合区域4的长度、环形波导3的弯曲部分的曲率半径、以及相对相位差(相移的量值)。样品中的波导是硅光子线波导，并且该波导的宽度是440纳米(nm)。
表1
如上所述，发明人首次阐明了随着耦合区域4中的距离的减小，相移变得更大。发明人也首次阐明了随着耦合区域4的长度的增加，相移变得更大。发明人也首次阐明了相移的量值取决于环形波导3的曲率半径以及波导1和环形波导3的宽度。相移的量值表示有限值，并且不是固定值。具体地，阐明了环形波导3对传播通过波导1的光信号的相位产生影响，该影响直到现在为止才被关注。在常规的延迟干涉元件中，没有考虑到如上的相移的影响，从而即使在没有制造误差时，也不可能获得期望的性能。可以基于偶数模式与奇数模式和延迟波导的模式之间的差来考虑相移的量值，其中，通过分解耦合区域4的模式分布来获得奇数模式和偶数模式。
发明人还基于上述新发现进行了认真研究，并且因此发现通过对包括环形波导的延迟干涉仪设置抵消由装载环形波导引起的相移的移相器，改善了复用/解复用的光谱的平坦度。
在下文中，将参考附图来具体地描述各实施例。
(第一实施例)
首先，将描述第一实施例。第一实施例是波长解复用器的示例。图2是图示出根据第一实施例的光学元件的结构的图示。
如图2中所图示的，根据第一实施例的光学元件100包括延迟干涉仪110。延迟干涉仪110包括光耦合器114和光耦合器115，以及被连接在光耦合器114与光耦合器115之间的波导111和波导112。波导112比波导111长。延迟干涉仪110还配置有被耦合至波导111的环形波导113。波导111包括移相器116。
延迟干涉仪120和延迟干涉仪130被连接至光耦合器115。延迟干涉仪120包括光耦合器124、光耦合器125以及光耦合器126，波导121和波导122被连接在光耦合器124与光耦合器125之间，并且波导127和波导128被连接在光耦合器125与光耦合器126之间。延迟干涉仪130包括光耦合器134、光耦合器135以及光耦合器136，波导131和波导132被连接在光耦合器134与光耦合器135之间，并且波导137和波导138被连接在光耦合器135与光耦合器136之间。波导122比波导121长出差ΔL2，并且波导128比波导127长出差ΔL1。差ΔL1是差ΔL2的两倍。波导132比波导131长出以下长度：即，通过从差ΔL2中减去等同于0.5π弧度的长度所得到的长度，并且波导138比波导137长出以下长度：即，通过从差ΔL1中减去等同于1.0π弧度的长度所得到的长度。波导112比波导111长出长度ΔLTotal，长度ΔLTotal是通过从差ΔL1中减去移相器116的长度ΔLPS得到的(ΔLTotal＝ΔL1–ΔLPS)。
如上所述，延迟干涉仪120和延迟干涉仪130中的每个具有延迟马赫-增德尔干涉仪(DMZI)的结构，并且延迟干涉仪110具有装载有微环波导的延迟马赫-增德尔干涉仪(M-DMZI)的结构.
例如，光耦合器114、光耦合器115、光耦合器124、光耦合器125、光耦合器126、光耦合器134、光耦合器135以及光耦合器136中的每个均是定向耦合器或MMI(多模干涉)耦合器。具有图3A中图示的截面结构的硅光子线波导例如被用于波导111、波导112、环形波导113、波导121、波导122、波导127、波导128、波导131、波导132、波导137以及波导138中的每个。
在图3A图示出的通道结构中氧化硅的氧化埋层12、硅层13以及氧化硅层14被设置在硅衬底11上。硅层13具有220纳米的厚度和440纳米的宽度。例如，可以按以下方式形成这种通道结构。首先，制备包括硅衬底的SOI衬底、氧化硅层以及硅层。然后，通过曝光、电子束曝光等来形成光掩模，该光掩模覆盖组成波导或光耦合器的一部分。此后，使用光掩模来干法刻蚀(dry-etch)硅层，以形成具有预定图案形状的硅层13。例如，进行反应离子刻蚀(reactive ion etch)来作为干法刻蚀。随后，通过气相沉积法等形成氧化硅层14。通过如上所述的方式，得到了包括硅衬底11、氧化埋层12、硅层13以及氧化硅层14的通道结构。可以采用图3B中图示出的肋形(rib)波导结构。在这种情况下，使用具有约50纳米的板高度的硅层15代替硅层13。
接下来，将描述差ΔL1和移相器116的长度。由表达式(1)表示差ΔL1。
ΔL1＝(λDMZI×m)/NEq…(1)
λDMZI、m、和NEq分别表示延迟干涉仪110的延迟干涉部分中的波导111和波导112的中心波长、衍射级以及有效折射率。延迟干涉部分包括波导112，以及排除了移相器116的一部分的波导111。由表达式(2)表示包括环形波导113和波导111的微环谐振器(MRR)的中心波长λMRR。具体地，在本实施例中，满足反谐振条件。此外，在本实施例中，微环谐振器的光耦合比κMRR例如约为85％。
λMRR＝λDMZI–0.5×Δν…(2)
Δν表示通道间隔。因此，可以通过通道间隔Δν和中心波长λMRR确定中心波长λDMZI，并且可以通过中心波长λDMZI、衍射级m以及有效折射率NEq确定差ΔL1。通过从长度ΔLTotal中减去差ΔL1所得到的值对应于长度ΔLPS。
由表达式(3)表示通道间隔Δν。
Δν＝λDMZI 2/(2×NGr×ΔL1)…(3)
在本实施例中，例如，通道间隔Δν是800GHz，并且波导111和波导112中的每个具有图3A或图3B中图示出的结构。因此，差ΔL1约为44微米，并且差ΔL2约为22微米。在本实施例中，波导111、波导112以及环形波导113中的每个的宽度是440纳米，波导111与环形波导113之间的距离是0.2微米，波导111与环形波导113的耦合区域的长度是15微米，并且移相器116的长度ΔLPS是0.26微米。如果波导111和波导112中的每个具有图3A或图3B中图示出的结构，则0.26微米的光程长度对应于0.79弧度的相位差，从而如从表1可以明显看出的，消除了由环形波导113的装载引起的相对相位差(相移的量值)。
如果波导111和波导112中的每个具有图3A或图3B中图示出的结构，则对应于0.5π弧度的光程长度以及对应于1.0π弧度的光程长度分别是0.16微米和0.32微米。因此，波导122与波导121的光程长度的差约为22微米，波导128与波导127的光程长度的差约为44微米，波导132与波导131的光程长度的差约为21.84微米，并且波导138与波导137的光程长度的差约为43.68微米。
在使用如上所述的光学元件100的情况下，因为延迟干涉仪110包括适当的移相器116，所以抵消了由环形波导113的装载引起的相移。因此，消除了通常未被关注的相移，从而导致能够获得具有极好的平坦度的复用光谱，以及在没有进行复杂控制，诸如温度控制的情况下，在保证期望的通道间隔的同时能够实现边带的极好的滚降特性。由于环形波导113的功能，在实现小尺寸的同时能够获得低串扰。
图4A和图4B是图示出第一实施例和参考示例的光谱特性的图示。图4A图示出参考示例的光谱特性，图4B图示出第一实施例的光谱特性。图4A和图4B图示出通过假设没有出现制造误差而进行的仿真的结果。除了没有设置移相器116以外，参考示例具有与第一实施例的结构相似的结构。如图4A中所图示的，在参考示例中，即使没有出现制造误差也很难获得良好的平坦度。因此，常规地进行了复杂控制，诸如温度控制。相反地，根据第一实施例，能够获得具有极好的平坦度的复用光谱，并且能够获得边带的极好的滚降特性。图4A和图4B中的四种曲线中的每一种表示一个通道的透射率。
(第二实施例)
接下来，将描述第二实施例。第二实施例是波长解复用器的示例。图5是图示出根据第二实施例的光学元件的结构的图示。
虽然如上所述在第一实施例中在波导111中包括移相器116，但是在第二实施例中，没有设置移相器116，并且在波导112中包括移相器216。移相器216的长度是-0.26微米。其它结构与第一实施例的结构类似。
在第二实施例中，因为设置了移相器216，所以波导112的长度比第一实施例的波导的长度短0.26微米，并且因为没有设置移相器116，所以波导111的长度比第一实施例的波导的长度短0.26微米。因此，与第一实施例类似，波导112比波导111长出长度ΔLTotal。因此，能够获得与第一实施例的效果类似的效果。
(第三实施例)
接下来，将描述第三实施例。第三实施例是波长解复用器的示例。图6是图示出根据第三实施例的光学元件的结构的图示。
虽然如上所述在第一实施例中在波导111中包括移相器116，但是在第三实施例中，没有设置移相器116，在波导111中包括移相器316，并且在波导112中包括移相器317。移相器316的长度是0.13微米，移相器317的长度是-0.13微米。其它结构与第一实施例的结构类似。
在第三实施例中，因为设置了移相器317，所以波导112的长度比第一实施例的波导的长度短0.13微米，并且代替于移相器116而设置了移相器316的波导111的长度比第一实施例的波导的长度短0.13微米。因此，与第一实施例类似，波导112比波导111长出长度ΔLTotal。因此，能够获得与第一实施例的效果类似的效果。
如从第二实施例和第三实施例明显看出的，抑制了由装载环形波导而引起的相移的移相器可以被设置到以下波导：环形波导所耦合到的波导、其它波导，或者以上波导两者。由于移相器的出现而产生的两个波导之间的光程长度的差是重要的，而不是设置移相器的位置。
图2、图5和图6图示出以下结构：在该结构中，光学元件100、光学元件200和光学元件300分别被用作波长解复用器，但是，光学元件100、光学元件200和光学元件300可以被用作波长复用器。
(第四实施例)
接下来，将描述第四实施例。第四实施例是光发射装置的示例。图7是图示出根据第四实施例的光发射装置的结构的图示。
如图7中图示出的，根据第四实施例的光发射装置400包括光源单元410、光调制器420以及根据第一实施例的光学元件100。光源单元410包括四个激光器411至414，激光器411至414的振荡波长彼此不同，并且光调制器420包括四个马赫-增德尔调制器421至424。激光器411至414发射连续波(CW)的光。马赫-增德尔调制器421至424调制输入到其中的光信号。马赫-增德尔调制器421至424分别被连接至激光器411至414。马赫-增德尔调制器421和422被连接至光耦合器126，马赫-增德尔调制器423和424被连接至光耦合器136。
在光发射装置400中，由光调制器420单独地调制各光信号。光学元件100充当波长复用器，其中，输入到光耦合器126中的经调制的光信号以及输入到光耦合器136中的经调制的光信号被光学元件100复用，并且经复用的光信号被从光耦合器114输出。因为光学元件100表现出极好的光谱平坦度，所以即使在输入到光学元件100的光信号中产生波长位移，以及即使由于温度波动在光学元件100中发生工作波长移动，也能保持低损耗，并且可以进行波分复用(WDM)信号的光传输。
(第五实施例)
接下来，将描述第五实施例。第五实施例是光发射装置的示例。图8是图示出根据第五实施例的光发射装置的结构的图示。
如图8中所图示出的，根据第五实施例的光发射装置500包括光源单元410、根据第一实施例的光学元件100以及光调制器520。激光器411和412被连接至光耦合器126，激光器413和414被连接至光耦合器136。光调制器520包括四个环形调制器521至524。环形调制器521至524被级联至光耦合器114。
在光发射装置500中，输入到光耦合器126中的调制前的光信号以及输入到光耦合器136中的调制前的光信号被光学元件100复用，并且经复用的光信号被从光耦合器114输出。由光调制器520以共同的方式调制经复用的光信号。通过光发射装置500能够获得与光发射装置400的效果类似的效果。
(第六实施例)
接下来，将描述第六实施例。第六实施例是光接收装置的示例。图9是图示出根据第六实施例的光接收装置的结构的图示。
如图9中所图示出的，根据第六实施例的光接收装置包括根据第一实施例的光学元件100以及光接收器610。光接收器610包括四个光电二极管611至614。光电二极管611和612被连接至光耦合器126，光电二极管613和614被连接至光耦合器136。
在光接收装置600中，波分复用的光信号(WDM信号)被输入到光耦合器114中，并且针对每个波长被光学元件100解复用成四种光信号，以从光耦合器126和光耦合器136输出。从光耦合126和光耦合器136输出的具有四种波长的光信号被光接收器610检测。因为光学元件100表现出极好的光谱平坦度和低串扰性能，所以即使在输入到光学元件100的光信号中产生波长位移，以及即使由于温度波动在光学元件100中发生工作波长移动，也能保持低损耗和低串扰。因此，当光接收器610进行检测时，可以抑制光链路中的功率损耗。
在第四实施例至第六实施例中，可以使用光学元件200或300代替光学元件100。
根据以上描述的光学元件等，因为波导的长度是合适的，所以通过简单控制可以获得具有良好的平坦度的光谱。
Claims (6)
1.一种光学元件，包括：
第一延迟干涉仪；以及
与所述第一延迟干涉仪级联的第二延迟干涉仪和第三延迟干涉仪，其中
所述第一延迟干涉仪包括：
第一光耦合器和第二光耦合器；
在所述第一光耦合器与所述第二光耦合器之间的第一波导；
在所述第一光耦合器与所述第二光耦合器之间的第二波导，所述第二波导比所述第一波导长；以及
环形波导，其被耦合至所述第一波导；
其中，所述第一波导的长度与所述第二波导的长度的差与对应于通道间隔的长度的差相差一个长度，该长度对应于由所述环形波导的装载引起的相移，
其中，所述第一波导和所述第二波导中的至少一个包括移相器，所述移相器抵消由所述环形波导的装载引起的相移。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述第一波导和所述环形波导的环形谐振器满足关于透射光谱的反谐振条件，其中，由所述第一波导的长度与所述第二波导的长度的差来确定所述透射光谱。
3.一种光发射装置，包括：
光源单元，其发射具有不同波长的多个光；
调制器，其调制所述多个光；以及
根据权利要求1所述的光学元件，所述光学元件复用所述多个光。
4.根据权利要求3所述的光发射装置，其中，所述光学元件复用已经被所述调制器调制的光。
5.根据权利要求3所述的光发射装置，其中，所述调制器调制已经被所述光学元件复用的光。
6.一种光接收装置，包括：
根据权利要求1所述的光学元件，所述光学元件将光信号解复用成具有不同波长的多个光；以及
光接收器，其接收从所述光学元件输出的所述多个光。
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