CN108508539B - 基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器 - Google Patents

基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，包括：(n+1)个输入波导、多个弯曲波导、n个不同宽度的锥形波导以及n个锥形连接器；第一个输入波导通过第一个锥形连接器与第一个锥形波导的一端相连接，第k个锥形波导的另一端通过第k+1个锥形连接器与第k+1个锥形波导的一端相连接；第i个输入波导通过至少一个弯曲波导耦合至第i‑1个锥形波导组成第i‑1个锥形非对称定向耦合器，第i‑1个锥形非对称定向耦合器用于将第i个输入波导输入的光信号转换成对应的高阶模式并耦合到总线波导进行传输，其中，每个锥形非对称定向耦合器对应的高阶模式不同；本发明可以实现(n+1)个不同波长的复用。

Description

基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器
技术领域
本发明涉及集成光学技术领域，更具体地，涉及一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器。
背景技术
片上光互连复用技术具有很多独特的地方，相关方面的研究也已经成为领域的热点。对于多通道复用光互连***而言，片上集成(解)复用器是其中关键的器件之一。波分复用(WDM)是光纤通信***中常用的技术，用以增加总传输带宽。
现有技术中实现波分复用的器件主要有阵列波导光栅(AWG)、刻蚀衍射光栅(EDG)、微环谐振器(MRR)、马赫—曾德尔干涉仪(MZI)、多模干涉耦合器(MMI)等。传统的波分复用器，如阵列波导光栅和刻蚀衍射光栅，器件尺寸和***损耗都比较大，不易于和其他器件进行片上集成；而基于微环谐振器、马赫-曾德尔干涉仪和多模干涉耦合器的波分复用器，虽然尺寸较阵列波导光栅和刻蚀衍射光栅来说尺寸较小，但依然不能满足片上集成对器件小尺寸的要求，而且在波长通道扩展和设计灵活性方面还有待提高。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，其目的是在小尺寸的波导结构上实现不同波长的复用，解决片上波导尺寸大，制作容差小，不易于扩展的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，包括：(n+1)个输入波导、多个弯曲波导、n个不同宽度的锥形波导以及n个锥形连接器；
第一个输入波导通过第一个锥形连接器与第一个锥形波导的一端相连接，第k个锥形波导的另一端通过第k+1个锥形连接器与第k+1个锥形波导的一端相连接，1≤k≤n-1；n个锥形波导的宽度依次递增，所述第一个输入波导、n个锥形波导以及n个锥形连接器连接的结构组成总线波导；第i个输入波导通过至少一个弯曲波导耦合至第i-1个锥形波导组成第i-1个锥形非对称定向耦合器，所述第i-1个锥形非对称定向耦合器用于将第i个输入波导输入的光信号转换成对应的高阶模式并耦合到所述总线波导进行传输，其中，每个锥形非对称定向耦合器对应的高阶模式不同，2≤i≤n+1；
所述(n+1)个输入波导分别传输(n+1)个不同波长的光信号，(n+1)个输入波导、多个弯曲波导、n个不同宽度的锥形波导以及n个锥形连接器均置于硅基底，所述基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器可以实现(n+1)个不同波长的复用。
可选地，设n个锥形波导的首尾宽度依次为w1a和w1b，w2a和w2b，w3a和w3b，…，wna和wnb，n个锥形波导耦合区域的中点宽度依次为w1，w2，w3…wn；
第n个锥形波导的宽度通过第n个波长λn的相位匹配条件和制作容差Δwn确定，输入波导对应的基模TE0和第n个锥形波导耦合区域中点wn的相应高阶模TEn满足相位匹配条件；
第n个锥形波导首端宽度wna和输入波导宽度w-Δwn、尾端宽度wnb和输入波导宽度w+Δwn分别满足相位匹配条件，Δwn通过平衡耦合效率和耦合长度二者之间的关系确定，其中，w为输入波导支持基模的宽度。
可选地，所述n个锥形非对称定向耦合器的耦合部分的长度依次为L1，L2，L3…Ln，该长度通过模式干涉理论确定，是使耦合效率达到最大的最佳耦合长度。
可选地，第i个输入波导与第i-1个锥形波导的间距为150nm～300nm；在满足工艺制作条件的前提下，该间距有利于光从输入波导到总线波导的耦合，并尽量保证相对较短的耦合长度。
可选地，所述(n+1)个输入波导横截面的宽度取值范围为0.4μm～0.5μm，以满足单模条件，使得波导中的光场只存在基模，有利于光从输入波导到总线波导耦合时模式的转换，有利于基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器与其之外的波导器件进行片上集成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，其各个波长信号以基模的形式注入输入波导，通过锥形非对称定向耦合器分别转换成相对应的高阶模式并耦合到总线波导，以此实现(n+1)个波长的复用；由于满足相位匹配条件，理论上可实现最大耦合效率为1的完全耦合，即可以满足波分复用器低***损耗、小的串扰的要求，保证器件的性能；各个锥形非对称定向耦合器之间通过锥形连接器相连，实现光在总线波导几乎无损耗的传输；输入波导和锥形波导平行耦合，易于和其他的有源或无源波导器件进行片上集成。
(2)本发明提供的一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，较基于常规非对称定向耦合器的硅基波分复用器件具有更大的制作容差；通过相位匹配条件和模式干涉理论可以设计(n+1)个通道，即实现(n+1)个波长的复用，保证了设计的灵活性和可扩展性。
附图说明
图1为本发明提供的基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器的结构示意图；
图2为本发明提供的基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器的横截面示意图；
图3为本发明实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长λ1下TE1和TE0的有效折射率随波导宽度变化的关系图；
图5为本发明实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长λ0下仿真得到的光场传输图；
图6为本发明实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长λ1下仿真得到的光场传输图；
图7为本发明实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长λ2下仿真得到的光场传输图；
图8为本发明实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长λ3下仿真得到的光场传输图；
图9为本发明实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器件在四波长复用下仿真得到的光场传输图；
图10为本发明实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器仿真得到的***损耗随输入波导宽度变化的关系图；
图11为本发明实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器的实验结果图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为弯曲波导、2为锥形连接器、w为输入波导支持基模的宽度、wn为锥形波导中点宽度、wna为第n个锥形波导首端宽度、wnb为第n个锥形波导尾端宽度、第n+1个输入波导与第n个锥形波导的耦合长度为Ln、输入波导和锥形波导的间距为gap，λn为第n个锥形波导传输的光信号波长。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
按照本发明的一个方面，提供了一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，包括(n+1)个输入波导，n个不同宽度的锥形波导和输入波导共同组成的锥形非对称定向耦合器，n个锥形连接器；
其中，所有的波导结构都置于硅基衬底上；(n+1)个输入波导用于光信号的输入，锥形非对称定向耦合器用于将不同波长的光信号分别转换成对应的高阶模式并且耦合到总线波导进行传输，以实现(n+1)个波长的复用；锥形连接器用于连接不同宽度的锥形波导组成总线波导，以保证光信号几乎无损耗的在总线波导传输；输入波导和总线波导相距一定的距离；输入波导的宽度和与之对应的锥形波导的宽度通过相位匹配条件来确定，以实现不同波长的光在总线波导达到最佳耦合。本发明提供的基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器具有尺寸小、***损耗低、串扰小、可扩展性、设计灵活性和工艺简单、制作成本相对低廉的优点。
优选的，基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，上述(n+1)个输入波导横截面的宽度取值范围在0.4μm～0.5μm，以满足单模条件，使得波导中的光场只存在基模，有利于光从输入波导到总线波导耦合时模式的转换，有利于基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器与其它波导器件进行片上集成。
优选的，基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，上述输入波导和锥形波导之间的间距在150nm～300nm；在满足工艺制作条件的前提下，该间距有利于光从输入波导到总线波导的耦合，并尽量保证相对较短的耦合长度。
优选的，基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，上述n个非对称定向耦合器耦合区域为锥形波导，n个锥形波导的首尾宽度依次为w1a和w1b，w2a和w2b，w3a和w3b，…，wna和wnb，n个锥形波导耦合区域的中点宽度依次为w1，w2，w3…wn。锥形波导的宽度通过某一波长下(λn)相位匹配条件和制作容差Δwn确定；使得输入波导对应的基模TE0和锥形波导耦合区域中点wn的相应高阶模TEn满足相位匹配条件；锥形波导首端宽度wna和输入波导宽度w-Δwn、尾端宽度wnb和输入波导宽度w+Δwn分别满足相位匹配条件，Δwn通过平衡耦合效率和耦合长度二者之间的关系确定。
优选的，基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，上述n个锥形非对称定向耦合器的耦合部分的长度依次为L1，L2，L3…Ln,该长度通过模式干涉理论确定，是使耦合效率达到最大的最佳耦合长度。
优选的，上述基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，衬底采用SOI基片。
具体地，本发明所提供的基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，其结构如图1所示意的，包括(n+1)个输入波导、弯曲波导1、锥形连接器2、n个锥形波导。
第一个输入波导通过第一个锥形连接器与第一个锥形波导的一端相连接，第k个锥形波导的另一端通过第k+1个锥形连接器与第k+1个锥形波导的一端相连接，1≤k≤n-1；n个锥形波导的宽度依次递增，第一输入波导、n个锥形波导以及n个锥形连接器连接的结构组成总线波导；第i个输入波导通过至少一个弯曲波导耦合至第i-1个锥形波导组成第i-1个锥形非对称定向耦合器，所述第i-1个锥形非对称定向耦合器用于将第i个输入波导输入的光信号转换成对应的高阶模式并耦合到所述总线波导进行传输，其中，每个锥形非对称定向耦合器对应的高阶模式不同，2≤i≤n+1；
(n+1)个输入波导分别传输(n+1)个不同波长的光信号，(n+1)个输入波导、多个弯曲波导、n个不同宽度的锥形波导以及n个锥形连接器均置于硅基底，所述基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器可以实现(n+1)个不同波长的复用。
其中，第n+1个输入波导与第n个锥形波导的耦合长度为Ln、第n个锥形波导中点宽度为wn、第n个锥形波导首尾宽度分别为wna和wnb、输入波导和锥形波导间距为gap。
本发明中，对于基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，(n+1)个输入波导选取宽度为0.4μm～0.5μm的单模波导，使得波导中只存在基模，有利于光从输入波导到总线波导耦合时进行模式的转换。输入波导和锥形波导之间的间距gap取值在150nm～300nm，在满足工艺制作条件的前提下，该间距有利于光从输入波导到总线波导的耦合，同时保证相对较短的耦合长度。弯曲波导1用于实现光的输入和输出。第一个输入波导的波长λ0以基模TE0的形式直接注入到总线波导，对于除波长λ0以外的输入波导传输的某一个特定波长λn，使得在该波长下输入波导支持的基模TE0和锥形波导耦合区域中点宽度wn对应的高阶模TEn满足相位匹配条件，即二者有效折射率相等；第n个锥形波导首端宽度为wna，尾端宽度为wnb，且首端宽度wna和输入波导宽度w-Δwn，尾端宽度wnb和输入波导宽度w-Δwn分别满足相位匹配条件。通过模式干涉理论确定耦合长度Ln，该长度是使耦合效率达到最大的最佳耦合长度。对于某一个特定的波长λn，输入波导与锥形波导相互耦合，光信号以基模的形式TE0从输入波导通过锥形波导转换为相对应的高阶模TEn，最后(n+1)个波长λ0，λ1，λ2，λ3…λn分别以TE0，TE1，TE2，TE3…TEn的模式在总线波导中共同传输，实现(n+1)个波长的复用。
图2所示，是本发明所提供的基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器的横截面示意图，上下包层都为二氧化硅，芯层为硅。
图3为本发明提供的基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器以四波长复用为实施例的结构示意图。本实施例中，选用基于SOI的硅纳米线波导，其下包层材料为SiO2,厚度为2μm；芯层材料为Si，厚度为220nm；上包层材料为SiO2，厚度为1μm；(n+1)个输入波导w取宽度为0.4μm以满足单模条件；输入波导和锥形波导之间的间距gap为200nm；四波长分别为λ0＝1550nm，λ1＝1549.2nm，λ2＝1548.4nm，λ3＝1547.6nm。由于波长λ0以基模TE0的形式直接注入到总线波导，所以这里以λ1为例来说明具体的设计过程。对于波长λ1，使得输入波导支持的基模TE0和锥形波导中点宽度w1相对应的高阶模TE1满足相位匹配条件，即二者有效折射率相等；锥形波导首端宽度w1a和输入波导宽度w-Δw1、尾端宽度w1b和输入波导宽度w+Δw1分别满足相位匹配条件。
图4是本发明实施例所提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长为λ1时，一阶模式TE1和基模TE0的有效折射率随波导宽度变化的关系图；由此得出锥形波导的中点宽度w1为0.835μm，首尾宽度w1a和w1b分别为0.795μm和0.875μm。根据模式干涉理论计算得出耦合长度，利用仿真软件3D FDTD建模仿真得到优化的耦合长度L1为20μm；同理得出对应波长λ2，锥形波导宽度w2a、w2和w2b分别为1.21μm、1.27μm和1.33μm，优化的耦合长度L2为23.4μm；对应波长λ3，锥形波导宽度w3a、w3和w3b分别为1.62μm、1.71μm和1.8μm，优化的耦合长度L3为27μm。相比现有的波分复用器，本发明实施例所提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器具有较小的尺寸(约为8μm×125μm)，较高的设计灵活性和可扩展性。
图5是由实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长λ0下仿真得到的光场传输图，由该图可知，波长λ0以TE0模式注入到总线波导并几乎无损耗的传输。
图6是由实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长λ1下仿真得到的光场传输图，由该图可知，波长λ1以转换得到的TE1模式在总线波导几乎无损耗的传输。
图7是由实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长λ2下仿真得到的光场传输图，由该图可知，波长λ2以转换得到的TE2模式在总线波导几乎无损耗的传输。
图8是由实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在波长λ3下仿真得到的光场传输图，由该图可知，波长λ3以转换得到的TE3模式在总线波导几乎无损耗的传输。
图9是由实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在四个波长(λ0、λ1、λ2、λ3)同时注入即四波长复用下仿真得到的光场传输图，由该图可知，四个波长的光以相对应转换得到的模式进行复用后，被很好的限制在总线波导中共同传输。
综上可知，基于本发明实施例提供的锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器，在比较小的尺寸下能实现四个波长的复用，并保证四波长复用的光场几乎无损耗的在总线波导进行传输，同时具有很好的设计灵活性和可扩展性。
可以理解的是，若将输入波长扩展为n+1个，则本发明提供的锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，同样可以在比较小的尺寸下实现n+1个波长的复用，并保证n+1个波长复用的光场几乎无损耗的在总线波导进行传输，同时具有很好的设计灵活性和可扩展性。
图10所示，是由实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器仿真得到的，***损耗随输入波导宽度变化的关系图，从上述附图中可以分析，对某一波长通道，基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在Δw为±5～10nm范围内***损耗小于2dB，这一容差范围有利于器件的制作，更好的保证理论和实验的一致性。
图11所示，是由实施例提供的基于锥形非对称定向耦合器的四波长硅基波分复用器在四波长输入情况下的实验结果图；从该图可以分析出，和直波导归一化后，四个波长通道对应的***损耗分别约为0.1dB、0.3dB、0.8dB和1dB，对应的串扰分别为-24dB、-23dB、-24dB和-26dB，总体来说具有低的***损耗和小的串扰，且基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器在四波长输入情况下的实验结果与理论设计基本一致，具有良好的制作容差。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，其特征在于，包括：(n+1)个输入波导、多个弯曲波导、n个不同宽度的锥形波导以及n个锥形连接器；
第一个输入波导通过第一个锥形连接器与第一个锥形波导的一端相连接，第k个锥形波导的另一端通过第k+1个锥形连接器与第k+1个锥形波导的一端相连接，1≤k≤n-1；n个锥形波导的宽度依次递增，所述第一个输入波导、n个锥形波导以及n个锥形连接器连接的结构组成总线波导；
第i个输入波导通过至少一个弯曲波导耦合至第i-1个锥形波导组成第i-1个锥形非对称定向耦合器，所述第i-1个锥形非对称定向耦合器用于将第i个输入波导输入的光信号转换成对应的高阶模式并耦合到所述总线波导进行传输，其中，每个锥形非对称定向耦合器对应的高阶模式不同，2≤i≤n+1；
所述(n+1)个输入波导分别传输(n+1)个不同波长的光信号，(n+1)个输入波导、多个弯曲波导、n个不同宽度的锥形波导以及n个锥形连接器均置于硅基底，所述基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器可以实现(n+1)个不同波长的复用；
设n个锥形波导的首尾宽度依次为w1a和w1b，w2a和w2b，w3a和w3b，…，wna和wnb，n个锥形波导耦合区域的中点宽度依次为w1，w2，w3…wn；第n个锥形波导的宽度通过第n个波长λn的相位匹配条件和制作容差Δwn确定，输入波导对应的基模TE0和第n个锥形波导耦合区域中点w的相应高阶模TEn满足相位匹配条件；第n个锥形波导首端宽度wna和输入波导宽度w-Δwn，尾端宽度wnb和输入波导宽度w+Δwn分别满足相位匹配条件，Δwn通过平衡耦合效率和耦合长度二者之间的关系确定，其中，w为输入波导支持基模的宽度。
2.根据权利要求1所述的基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，其特征在于，所述n个锥形非对称定向耦合器的耦合部分的长度依次为L1，L2，L3…Ln，该长度通过模式干涉理论确定，是使耦合效率达到最大的最佳耦合长度。
3.根据权利要求2所述的基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，其特征在于，第i个输入波导与第i-1个锥形波导的间距为150nm～300nm；在满足工艺制作条件的前提下，该间距有利于光从输入波导到总线波导的耦合，并尽量保证相对较短的耦合长度。
4.根据权利要求1所述的基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器，其特征在于，所述(n+1)个输入波导横截面的宽度取值范围为0.4μm～0.5μm，以满足单模条件，使得波导中的光场只存在基模，有利于光从输入波导到总线波导耦合时模式的转换，有利于基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器与其之外的波导器件进行片上集成。
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