CN112596282B - 一种基于soi的宽带可调分束比偏振旋转分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SOI的宽带可调分束比偏振旋转分束器，所述分束器包括波导层、热电极、缓冲层、输入端和输出端，所述波导层包括三段拉锥脊形波导、S形弯曲脊形波导和直波导、阿基米德螺线形弯曲脊形波导、直脊形波导以及输出脊形波导，由SOI材料制备，所述热电极和缓冲层依次设置于波导层的上方，且所述热电极由TiN材料制备，通过在所述热电极的两端施加电压可以改变其温度。通过本发明可以实现对输入光信号的偏振旋转、分束和分束比调节，可应用于偏振复用***、相干光通信***、光逻辑门设计等，具有***损耗低、工艺简单、可重构性强、宽工作带宽等优点。

Description

一种基于SOI的宽带可调分束比偏振旋转分束器
技术领域
本发明涉及光通信的技术领域，尤其涉及一种基于SOI的宽带可调分束比偏振旋转分束器。
背景技术
随着信息化的逐步发展，人们对超高速率、超大容量和超低功耗的信息传输、处理的需求日益增加，由此也带来了调制技术和复用技术的蓬勃发展。各种模拟调制技术和数字调制技术显著的提升了光通信的光谱利用率。复用技术可以在调制技术的基础上进一步提升通信容量。其中偏振复用就是利用不同的偏振态同时携带信息进行通信，一般是利用两种正交的偏振态来携带各自信息，这样在同等传输带宽下，偏振复用就增加了一倍的传输数据量。
偏振旋转分束器是光偏振复用***中的不可或缺的光学器件，其作用是对光偏振态进行旋转和对光功率进行分束。为实现光的旋转和分束，早期通常使用玻片和棱镜，但这两种器件尺寸大且不能集成，因此在实际应用中要求有好的替代材料。随着微加工工艺的提升，人们可以加工出品质优良的亚微米级结构，该技术就硅基光波导器件设计与制造创造了条件，基于SOI(Silicon on Insulator，绝缘体上的硅)的偏振旋转分束器可与CMOS兼容，且具有易集成、制作简单、造价低等优势，成为光复用***中的重要器件之一。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于SOI的宽带可调分束比偏振旋转分束器，该能够使偏振旋转分束器的输出信号分束比可调，增加的可调控特性使其在光通信链路地应用中更加灵活。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于SOI的宽带可调分束比偏振旋转分束器，所述分束器包括波导层、热电极和缓冲层，所述波导层包括四段拉锥脊形波导、S形弯曲脊形波导和直波导、阿基米德螺线形弯曲脊形波导、直脊形波导以及输出脊形波导，均设置于同一平面且由SOI材料制备，所述S形弯曲脊形波导和直波导、所述阿基米德螺线形弯曲脊形波导分别与所述四段拉锥脊形波导相连接，所述直脊形波导与所述S形弯曲脊形波导和直波导相连接，所述输出脊形波导与所述直脊形波导相连接，所述热电极和缓冲层依次设置于波导层的上方，且所述热电极由TiN材料制备，通过在所述热电极的两端施加电压可以改变其温度；
所述分束器还包括输入端和输出端，分别用于光的输入和输出，所述输出端还包括第一输出端和第二输出端。
进一步的，在本发明中：所述四段拉锥脊形波导包括第一拉锥脊形波导、第二拉锥脊形波导、第三拉锥脊形波导和第四拉锥脊形波导，依次连接且第三拉锥脊形波导的长度最长，用于偏振旋转和模式转化，第二拉锥脊形波导和第四拉锥脊形波导用于匹配不同宽度的脊形波导。
进一步的，在本发明中：所述S形弯曲脊形波导和直波导包括呈对称结构的第一S形弯曲脊形波导和的第四S形弯曲脊形波导，所述第一S形弯曲脊形波导和的第四S形弯曲脊形波导上的光强度和相位相等。
进一步的，在本发明中：所述S形弯曲脊形波导和直波导，包括第一S形弯曲脊形波导、第二S形弯曲脊形波导、第三S形弯曲脊形波导、第四S形弯曲脊形波导、第七S形弯曲脊形波导、第八S形弯曲脊形波导、第一直波导、第二直波导，第一直波导输入端与第一S形弯曲脊形波导连接，输出端与第七S形弯曲脊形波导连接，第二直波导输入端与第四S形弯曲脊形波导连接，输出端与第八S形弯曲脊形波导连接；
所述第一S形弯曲脊形波导、所述第二S形弯曲脊形波导、所述第三S形弯曲脊形波导和所述第四S形弯曲脊形波导分别与所述第四拉锥脊形波导相连接，能够接收所述第四拉锥脊形波导传输来的光并将其分为4路。
进一步的，在本发明中：所述阿基米德螺线形弯曲脊形波导还包括第一阿基米德螺线形弯曲波导和第二阿基米德螺线形弯曲波导，且所述第一阿基米德螺线形弯曲波导与所述第二S形弯曲脊形波导相连接，所述第二阿基米德螺线形弯曲波导与所述第三S形弯曲脊形波导相连接。
进一步的，在本发明中：所述脊形直波导为多模波导，用于激发多模干涉。
进一步的，在本发明中：所述输出脊形波导还包括第五拉锥脊形波导和第六拉锥脊形波导，二者结构相同，用于为宽波导向窄波导演化，并作为多模干涉的输出端。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)通过三段拉锥构建脊形波导内模式杂化，从而实现偏振旋转和模式转化；利用热电极改变模式演化过程中部分光信号的相位，进而改变光信号发生干涉状态，从而实现两输出端的分束比可调控，为偏振旋转分束器增加了新的可调控的自由度，可以更灵活、多样化的应用于光通信***中，也可以用于设计光开关、光路由、逻辑光路等；
(2)本发明波导结构不需要多次光刻、制作工艺可与COMS相兼容，其具有响应速度快、功耗小的潜在特性和优点。
附图说明
图1为本发明提出的基于SOI的宽带可调分束比偏振旋转分束器的整体结构示意图；
图2为本发明基于SOI的宽带可调分束比偏振旋转分束器的截面示意图；
图3为本发明波导层的俯视结构示意图；
图4为脊形波导内模式有效折射率和TE极化因子随脊宽变化仿真结果图
图5为本发明对应TM0输入时，光经过第一拉锥脊形波导、第二拉锥脊形波导和第三拉锥脊形波导后偏振旋转比率仿真计算结果；
图6为本发明对应TM0输入时，TE3模式经过1×4分束器的输出功率的计算结果示意图；
图7为本发明对应TM0输入时，直脊形波导对应输出特性的结果示意图；
图8为本发明对应TM0输入时，整个分束器输出分束比热可调测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
如图1所示，图1为本发明提出的一种基于SOI的宽带可调分束比偏振旋转分束器的整体结构示意图，所述分束器包括波导层、热电极和缓冲层，其中，波导层包括输入波导1、四段拉锥脊形波导2、S形弯曲脊形波导和直波导3、阿基米德螺线形弯曲脊形波导4、直脊形波导5以及输出脊形波导6，均设置于同一平面且厚度相同，且由SOI材料制备，所述S形弯曲脊形波导和直波导3、所述阿基米德螺线形弯曲脊形波导4分别与所述四段拉锥脊形波导2相连接，所述直脊形波导5与所述S形弯曲脊形波导和直波导3相连接，所述输出脊形波导6与所述直脊形波导5相连接。
参照图2的示意，所述热电极7和缓冲层8依次设置于波导层的上方，且所述热电极由TiN材料制备，通过在热电极两端施加电压，即可改变电极温度，从而对所述波导层进行加热；波导层与热电极7的中间、以及波导层下方均设置缓冲层8，且缓冲层8的制备材料为二氧化硅。
参照图3的示意，所述分束器输入端1和输出端6，所述输出端还包括拉锥过度波导6-1和6-2、S型弯曲波导6-3和6-4、第一输出波导6-5和第二输出波导6-6。
进一步的，所述四段拉锥脊形波导2还包括第一拉锥脊形波导2-1、第二拉锥脊形波导2-2、第三拉锥脊形波导2-3，上述拉锥脊形波导依次相连接，其中第二拉锥脊形波导2-2的长度最长，用于偏振旋转和模式转化，第一拉锥脊形波导2-1和第三拉锥脊形波导2-3较短，用于匹配不同宽度的脊形波导，第一拉锥脊形波导2-1与输入波导1相连接，用于基模的输入。
所述S形弯曲脊形波导和直波导3还包括呈对称结构的第一S形弯曲脊形波导3-1和第四S形弯曲脊形波导3-4，直波导3-5和3-6，第七S形弯曲脊形波导3-7和第八S形弯曲脊形波导3-8.所述第一S形弯曲脊形波导3-1和第四S形弯曲脊形波导3-4上的光强度和相位相等。所述直波导3-5和3-6长度相等，第七S形弯曲脊形波导3-7和第八S形弯曲脊形波导3-8长度相等，且光强度、相位相等。
S形弯曲脊形波导和直波导3还包括第二S形弯曲脊形波导3-2、第三S形弯曲脊形波导3-3、其中，第一S形弯曲脊形波导3-1、第二S形弯曲脊形波导3-2、第三S形弯曲脊形波导3-3和第四S形弯曲脊形波导3-4均与第三拉锥脊形波导2-3相连接，能够接收第三拉锥脊形波导2-3传输来的光并将其分为4路。
具体的，第二S形弯曲脊形波导3-2和第三S形弯曲脊形波导3-3的结构对称，第一S形弯曲脊形波导3-1、第二S形弯曲脊形波导3-2、第三S形弯曲脊形波导3-3和第四S形弯曲脊形波导3-4共同构成一个1×4分束器。
所述阿基米德螺线形弯曲脊形波导4还包括第一阿基米德螺线形弯曲波导4-1和第二阿基米德螺线形弯曲波导4-2，其中，第一阿基米德螺线形弯曲波导4-1与第二S形弯曲脊形波导3-2相连接，第二阿基米德螺线形弯曲波导4-2与第三S形弯曲脊形波导3-3相连接，能够使第二S形脊形波导3-2内的光信号损耗为零，避免串扰。
所述直脊形波导5为多模波导，用于激发多模干涉。进一步的，第七S形弯曲脊形波导3-7和第八S形弯曲脊形波导3-8分别与脊形直波导5相连接。
所述输出脊形波导6还包括第五拉锥脊形波导6-1和第六拉锥脊形波导6-2，二者结构相同，分别与直脊形波导5相连接，用于为宽波导向窄波导演化，并作为多模干涉的输出端。输出脊形波导6还包括第一S形弯曲脊形波导6-3和第二S形弯曲脊形波导6-4，且两者结构对称，用于扩大输出波导的间距，并能够避免波导间干涉。第一S形弯曲脊形波导6-3两端分别连接第一拉锥脊形波导6-1和第一输出端6-5，第二S形弯曲脊形波导6-4两端分别连接第二拉锥脊形波导6-2和第二输出端6-6。
本发明提出的基于SOI的宽带可调分束比偏振旋转分束器，其工作原理为：根据脊形波导水平方向和竖直方向折射率不均匀性，构建特定脊宽的拉锥2-3，使得输入的TM基模发生模式杂化并偏振旋转为TE高阶模，其中，本实施例中拉锥2-3的脊宽设定为1.35um左右；偏振旋转后的TE高阶模经过能量分束和多模干涉，模式演化为TE基模并从两个输出端的端口输出；通过热电极7可以增加模式演化中图3中直波导3-5的支路相位，从而影响多模直波导内的干涉，从而改变两输出端口功率分配，即实现了输出分束比可调的偏振旋转分束器功能。具体的，通过给热电极7通电进行加热，热量传递至直波导3-5处，由于直波导3-5为硅材料波导，温度变化与直波导3-5的折射率变化为线性关系，变化规律满足1.8×10-4RIU/℃，温度升高会增加折射率，并使光传输相位增加。
本发明结构下，当基模TM0通过输入端1输入第一拉锥脊形波导2-1，经过第二拉锥脊形波导2-2的模式杂化，TM0模式偏振旋转，模式转化为TE3模，其中，第一拉锥脊形波导2-1和第三拉锥脊形波导2-3拉锥波导的作用是匹配不同波导宽度的模式；从第三拉锥脊形波导2-3拉锥波导输出的TE3模式经过由第一S形弯曲脊形波导3-1、第二S形弯曲脊形波导3-2、第三S形弯曲脊形波导3-3和第四S形弯曲脊形波导3-4构成的分束器，将光分为四路。通过仿真第一S形弯曲脊形波导3-1、第二S形弯曲脊形波导3-2、第三S形弯曲脊形波导3-3和第四S形弯曲脊形波导3-4的几何尺寸，可以找到光强几乎分布在第一S形弯曲脊形波导3-1和第四S形弯曲脊形波导3-4弯曲波导的结构参数，具体参数包括，第一S形弯曲脊形波导3-1横向传播长度为10μm，纵向变化7.374μm；第二S形弯曲脊形波导3-2横向传播长度为10μm，纵向变化5.000μm；第三S形弯曲脊形波导3-1横向传播长度为10μm，纵向变化-5.000μm；第四S形弯曲脊形波导3-2横向传播长度为10μm，纵向变化-7.374μm。此时第二S形弯曲脊形波导3-2和第三S形弯曲脊形波导3-3的波导内几乎无光，但为了尽可能减少光串扰，在第二S形弯曲脊形波导3-2和第三S形弯曲脊形波导3-3分别连接了弯曲半径渐变小的第一阿基米德螺线形弯曲波导4-1和第二阿基米德螺线形弯曲波导4-2，作为损耗线；根据第一S形弯曲脊形波导3-1和第四S形弯曲脊形波导3-4结构的对称性，可得到经过第一S形弯曲脊形波导3-1和第四S形弯曲脊形波导3-4的光信号具有相位相同、强度相同特性，两路光信号分别经过直波导3-5、直波导3-6、第七S形弯曲脊形波导3-7和第八S形弯曲脊形波导3-8后传输至直脊形波导5，两路光信号在直脊形波导5内激发多模干涉，根据多模干涉的成像规律，可得到二重像的成像位置，在此位置设立输出端可得到两路TE0模式输出；直脊形波导5通过第一拉锥脊形波导6-1和第二拉锥脊形波导6-2，使光分别从第一输出端6-5和第二输出端6-6输出，即完成了对输入的TM0模式的偏振旋转分束。通过给热电极7的两端施加电压，可改变热电极7的温度，对波导层电极对应区域进行加热，从而改变直波导3-5的传输相位，使直脊形波导5内的干涉状态发生变化，完成了第一输出端6-5和第二输出端6-6的功率分配的调节，实现分束比任意可调的偏振旋转分束器功能。
为了验证本发明在实际应用中的效果，通过以下仿真实验进行说明：
本实验采用时域有限差分法进行计算分析，仿真实验中用到的主要参数包括：波导结构经一次刻蚀形成，此处参照图2的示意，仿真中波导层采用的脊形波导的底高为70nm，脊高为150nm；波导层的硅和缓冲层7的二氧化硅的热光系数分别为1.84×10-4和1×10-5；第一拉锥脊形波导2-1、第二拉锥脊形波导2-2和第三拉锥脊形波导2-3依次将波导宽度从0.8μm渐变到1.2μm、1.5μm、1.67μm，且第一拉锥脊形波导2-1、第二拉锥脊形波导2-2和第三拉锥脊形波导2-3的长度分别为8.15μm、36.97μm、15μm；直脊形波导5的宽度为6μm，长度为42.8μm。
通过改变脊形波导脊的宽度进行仿真计算，波导宽度对应的模式有效折射率和TE极化因子如下图4所示，从图4的(a)中可以看出，当脊宽从1.2μm变化到1.4μm时，波导内的TM0模式将转化为TE3模式；更详细的偏振旋转特性可以从图4的(b)中看出，在此范围内，波导内的TM0模和TE3模处于杂化状态，这样的状态为模式转化或偏振旋转的基础。如图5所示，可以看出在带宽60nm范围内，TM0模能够高比率的转化为TE3模，且对应的模式转化效率在91.6％以上，带来的最大***损耗约为0.068dB。
对第一S形弯曲脊形波导3-1、第二S形弯曲脊形波导3-2、第三S形弯曲脊形波导3-3和第四S形弯曲脊形波导3-4构成的1×4分束器进行模拟分析，得到各路分束功率如图6所示。可以看出，在分束过程中光能量主要集中在第一S形弯曲脊形波导3-1和第四S形弯曲脊形波导3-4中，这部分引入的额外损耗约为0.6dB；同时，经过该1×4分束器，TE3模式转化为两路TE0模式。
参照图7的示意，对直脊形波导5做模拟计算，当光从第七S形弯曲脊形波导3-7以TE0模式输入脊形直波导5时，可得第一输出端6-5和第二输出端6-6的输出功率分别如图7所示，其中，Outport1对应第一输出端6-5，Outport2对应第二输出端6-6，在1520nm～1580nm带宽内两输出端差别小于输出功率的1/10，基本可以实现功率均分。
最后，通过实验制备该器件，并测试了其偏振旋转分束的功能。得到其功率分束比可调的结果如下图8所示，其中，图8的(a)和(b)分别是入射光为1550nm时，热电极7位于直波导3-5和直波导3-6对应的热可***况(实验制备中制作了两个热电极，分别位于直波导3-5和直波导3-6上方，图1中只描述了位于第五S形弯曲脊形波导3-5上方的热电极；两热电极均可独立工作)，且输出功率进行了归一化，可以看出，第一输出端6-5和第二输出端6-6的分束比可实现±27.5dB且此范围内连续可调。
综上，本发明提供的基于SOI的宽带可调分束比偏振旋转分束器可实现偏振旋转分束的功能，并且分束比任意可调。更多的可重构自由度使本发明应用范围更广，作为单元器件使用更灵活。此外，本发明具有小型化和热重构的特点、可以在常规SOI制作平台上实现、与CMOS完全兼容、波导结构只需一次光刻，在光交换网络、数字信息处理、调制器、滤波器、复用器件和***设计等方面具有广阔的应用前景。
应说明的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于SOI的宽带可调分束比偏振旋转分束器，其特征在于：所述分束器包括波导层、热电极和缓冲层，所述波导层包括四段拉锥脊形波导、S形弯曲脊形波导和直波导、阿基米德螺线形弯曲脊形波导、直脊形波导以及输出脊形波导，均设置于同一平面且由SOI材料制备，所述直脊形波导输入端与第七S形弯曲脊形波导、第八S形弯曲脊形波导连接，所述直脊形波导输出端与第五拉锥脊形波导和第六拉锥脊形波导连接，所述热电极和缓冲层依次设置于波导层的上方，且所述热电极由TiN材料制备，通过在所述热电极的两端施加电压改变其温度；
所述分束器还包括输入端和输出端，分别用于光的输入和输出，所述输出端还包括第一输出端和第二输出端；
所述四段拉锥脊形波导包括第一拉锥脊形波导、第二拉锥脊形波导、第三拉锥脊形波导和第四拉锥脊形波导，依次连接且第三拉锥脊形波导的长度最长，用于偏振旋转和模式转化，第二拉锥脊形波导和第四拉锥脊形波导用于匹配不同宽度的脊形波导；
所述S形弯曲脊形波导和直波导，包括第一S形弯曲脊形波导、第二S形弯曲脊形波导、第三S形弯曲脊形波导、第四S形弯曲脊形波导、第七S形弯曲脊形波导、第八S形弯曲脊形波导、第一直波导、第二直波导，第一直波导输入端与第一S形弯曲脊形波导连接，输出端与第七S形弯曲脊形波导连接，第二直波导输入端与第四S形弯曲脊形波导连接，输出端与第八S形弯曲脊形波导连接；
所述阿基米德螺线形弯曲脊形波导还包括第一阿基米德螺线形弯曲波导和第二阿基米德螺线形弯曲波导，且所述第一阿基米德螺线形弯曲波导与所述第二S形弯曲脊形波导相连接，所述第二阿基米德螺线形弯曲波导与所述第三S形弯曲脊形波导相连接。
2.如权利要求1所述的基于SOI的宽带可调分束比偏振旋转分束器，其特征在于：所述S形弯曲脊形波导和直波导包括呈对称结构的第一S形弯曲脊形波导和的第四S形弯曲脊形波导，所述第一S形弯曲脊形波导和的第四S形弯曲脊形波导上的光强度和相位相等。
3.如权利要求1所述的基于SOI的宽带可调分束比偏振旋转分束器，其特征在于：所述脊形波导为多模波导，用于激发多模干涉。
4.如权利要求3所述的基于SOI的宽带可调分束比偏振旋转分束器，其特征在于：所述输出脊形波导还包括第五拉锥脊形波导和第六拉锥脊形波导，二者结构相同，用于为宽波导向窄波导演化，并作为多模干涉的输出端。
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