CN100458479C - 基于谐振环辅助的mz干涉结构的光学隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于谐振环辅助的MZ干涉结构的光学隔离器。MZ干涉结构由两个并列干涉臂的两端共连接着一个输入波导和一个输出波导而成；其中一个干涉臂与一个以上的谐振环发生耦合，另一个干涉臂含有一段延时线，在整个谐振环辅助的MZ干涉结构中植入，光波在其中按前进和后退方向传输时相位延迟量不同的非互易相移波导。它利用了磁光波导的非互易特性，并发挥了谐振环辅助的MZ干涉结构的通带平坦等优点，通过对结构参数的合理设计和优化，可以实现对多路频率的光波同时进行处理。本发明具有结构通俗，工艺简单，设计灵活，功能性强等特点，在光波分复用网络、光双向网络、光信息处理等方面有广泛的应用前景。

Description

基于谐振环辅助的MZ干涉结构的光学隔离器

技术领域

本发明涉及光学元器件，特别是涉及一种基于谐振环辅助的MZ干涉结构的光学隔离器。

背景技术

为实现光学处理和通信系统的高密度集成，波导型隔离器件受到了广泛关注。它为光波输出系统的稳定性和光波非互易传输提供了有力保障。然而，目前的波导型隔离器在带宽，隔离度等方面，相对于商业可得的光学隔离器件处于劣势状态。Yuya Shoji等人根据波导的互易相移和非互易相移的波长依赖特性，通过优化波导的横纵向尺寸，极大的改善传统的MZ结构的带宽[Opticsexpress，Vol.15，No.2，639-645，2007]。可是，过多的结构参数需要优化和相互匹配，势必增加了工艺制作的难度。这一问题同样存在于Naoya Kono等人提出的用多环级联来增加带宽的方法[Optics express，Vol.15，No.12，7737-7751，2007]。尽管后一设计结构非常紧凑，但是隔离度和通带额外损耗极大的受到波导弯曲和级联结构的限制。不仅如此，已报道的隔离器都不适用多波长处理的波分复用网络。目前，基于波分复用技术的系统容量升级对传统单波长器件提出了新的要求，要求光学元件不仅能够实现隔离功能，而且能够对多个波长，尤其是要对等频率间隔的光波可以同时进行处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于谐振环辅助的MZ干涉结构的光学隔离器。本发明把非互易相移引入谐振环辅助的MZ结构，提出一种能同时处理多路波长，宽带宽和高隔离度的隔离器。

本发明采用的技术方案如下：

MZ干涉结构由两个并列干涉臂的两端共连接着一个输入波导和一个输出波导而成；其中一个干涉臂与一个以上的谐振环发生耦合，另一个干涉臂含有一段延时线。在整个谐振环辅助的MZ干涉结构中植入，光波在其中按前进和后退方向传输时相位延迟量不同的非互易相移波导。

所述的整个谐振环辅助的MZ干涉结构中，在谐振环中植入谐振环中的非互易波导；或在另一干涉臂的延时线中植入的延时线中的非互易波导；或同时在谐振环中植入谐振环中的非互易波导和在另一干涉臂的延时线中植入延时线中的非互易波导。

所述的另一个干涉臂中设置一个调节工作点的、与波长无关的互易相移器。所述的谐振环的个数由谐振环所在臂的相位延迟特性决定。

本发明具有的有益的效果是：本发明把非互易相移引入谐振环辅助的MZ结构，提出一种能同时处理多路波长，宽带宽和高隔离度的隔离器。它利用了磁光波导的非互易特性，并发挥了谐振环辅助的MZ干涉干涉结构的通带平坦等优点，通过对结构参数的合理设计和优化，可以实现对多路频率的光波同时进行处理。本发明具有结构通俗，工艺简单，设计灵活，功能性强等特点，在光波分复用网络、光双向网络、光信息处理等方面有广泛的应用前景，具有重要的科学研究意义和应用价值。

附图说明：

图1是基于谐振环辅助的MZ干涉结构的光学隔离器的原理图。

图2是本发明中所举隔离器的平面图形。

图3是本发明中所举隔离器的前后向的隔离输出特性。

图4是上述平面图中两处标示的波导截面图。

(a)是图2中A-A’处的截面图形。

(b)是图2中B-B’处的截面图形。

图中：1A、谐振环上的非互易相移波导；1B、延时线上的非互易相移波导；2、谐振环；3、输入波导；4A、与谐振环耦合的干涉臂；4B、含延时线的另一干涉臂；5、输出波导；6、延时线；7、调节工作点的相移器；8A、硅衬底；8B、二氧化硅层(BOX)；8C、表面硅层；9、Ce:YIG磁光膜；10A、Cr/Au电极；10B、交变电流；10C、垂直于波导传输方向的磁场。

具体实施方式

本发明的基本原理：

首先不考虑非互易相移的引入。若忽略谐振环与直波导的耦合损耗，单环耦合直波导的输出振幅T和相位响应φ_ring可以表示为：

$T=\frac{r^2-2\mathrm{ar}\cos \mathrm{\δ}+a^2}{1+2\mathrm{ar}\cos \mathrm{\δ}+a^2{r}^2}$ 和 ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ring}}=\arctan \left[\frac{(1-r^2)a\sin \mathrm{\δ}}{(1+a^2)r-a(1+r^2)\cos \mathrm{\δ}}\right]---\left(1\right)$

其中r为耦合器的反射系数，a为绕环传输的振幅因子，δ为光绕谐振环一周所产生的相位延迟。相应的，谐振环一臂的延时可以表示为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ring}}=\frac{{\∂\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ring}}}{\∂\mathrm{\Ω}}=\frac{a(1-r^2)[a(1+r^2)-r(1+a^2)\cos \mathrm{\δ}]}{(1-2\mathrm{ra}\cos \mathrm{\δ}+r^2{a}^2)(a^2-2\mathrm{ra}\cos \mathrm{\δ}+r^2)}{T}_{\mathrm{ring}}---\left(2\right)$

其中，T_ring为谐振环的相位延迟。设MZ结构的两个Y分支的功分比都为0.5∶0.5；两臂的的振幅传输因子分别为a_arm1和a_arm2；且另一臂相对于环所在臂的固定相位延迟为φ_arm2，则两臂在MZ结构的后一个Y分支处相干后的输出P_out可表示为：

当环工作在谐振状态或非谐振状态时，如果功分后的光束通过两臂的延时相同，则能保证在此状态工作的波长附近很大范围内，两臂相位延迟非常相近，使得MZ结构终端的输出非常平坦。在谐振状态和非谐振状态下，这一条件用公式可分别表示为：

$\mathrm{\τ}{|}_{\mathrm{\δ}=2\mathrm{m\π}}=\frac{a(1-r^2)}{(1-\mathrm{ra})(a-r)}{T}_{\mathrm{ring}}$ 和 $\mathrm{\τ}{|}_{\mathrm{\δ}=(2m+1)\mathrm{\π}}\frac{a(1-r^2)}{(1+\mathrm{ra})(a+r)}{T}_{\mathrm{ring}}---\left(4\right)$

其中，τ|_δ＝2mπ和τ|_{δ＝(2m+1)π}分别为谐振状态和非谐振状态下延时线的延时，m为任意整数。根据4式，延时线的长度与谐振环的周长成比例关系，其具体长度与所需隔离的中心波长位置和前向和后向传输谱的线形有关。

现在往结构中加入非互易相移。设在谐振环和另一臂中分别引入NPS_ring和NPS_arm2的非互易相移，则光顺时针和逆时针绕环一周的相位延迟各有不同，分别为：

δ＝ΩT_ring±NPS_ring/2   (5)

同样的，光在另一臂中向前和后退传输的相位延迟也发生了变化，可计为：

φ_arm2＝ΩT_delay+φ_mod±NPS_arm2/2   (6)

上式中计入了调节工作点的相移器所产生的固定相位φ_mod.谐振环和延时线中的非互易量的大小决定了非互易波导的长度。

在上述提出的一般结构中，合理的设计延时线的长度、谐振环的非互易相移量、延时线上的非互易相移量和调节工作点的相移器的相移量可以得到很好的隔离效果。调节工作点的相移器7未必都会引入，其作用在于设置两臂固定相位差，进而影响两臂的的相干特性。

图1为一般性结构的原理图。一种基于谐振环辅助的MZ结构的光学隔离器，MZ干涉结构由两个并列干涉臂4A和4B的两端共连接着一个输入波导3和一个输出波导5而成；其中一个干涉臂4A与一个以上的谐振环2发生耦合，另一个干涉臂4B含有一段延时线6。在整个谐振环辅助的MZ干涉结构中植入，光波在其中按前进和后退方向传输时相位延迟量不同的非互易相移波导。所述的整个谐振环辅助的MZ干涉结构中，在谐振环中植入谐振环中的非互易波导1A；或在另一干涉臂6的延时线中植入的延时线中的非互易波导1B；或同时在谐振环中植入谐振环中的非互易波导1A和在另一干涉臂的延时线6中植入延时线中的非互易波导1B。所述的另一个干涉臂4B中设置一个调节工作点的、与波长无关的互易相移器7。谐振环的个数由谐振环所在臂的相位延迟特性决定。在隔离器的具体设计中，结构较为灵活，这里不一一列举。本发明仅给出图2所示的最为简单的一例：延时线长为环周长的一半，也即让延时线的延时等于非谐振状态下谐振环的延时(这一设计使得通带平坦，同时增加带宽)；仅在延时线中引入π的非互易相移，而谐振环为互易的；不需引入调节工作点的相移器。也即在上面公式中，τ|_δ＝2mπ＝T_ring/2；NPS_ring＝0；NPS_arm2＝π；φ_mod＝0。该例的平面结构如图2所示。

基于上述设计，本发明对其特性作了理论计算。设MZ结构的两处Y分叉的功率分配均为0.5∶0.5。理论上，隔离度峰值可以达到无限。考虑到实际的工艺条件，本发明设环的一周损耗为5％，耦合系数偏离最佳耦合效率+0.05，得到如图3所示的光波前向传输和后向传输时MZ终端的输出功率谱。可以看出，在上述偏离理想情况较大的情况下，隔离度峰值依然可以达到30多dB。在任一隔离周期内，30dB隔离带宽超过一半自由谱宽。此外，从图中可以看出通带非常平坦，额外损耗非常小。显然，该器件还继承了原始谐振环辅助MZ结构的多波长同时处理的特性。上述优点同时并存，为本发明的适用范围和工艺制作提供了坚实基础。

上述理论很容易被推广到其它基于非互易谐振环辅助MZ干涉型结构的分析，本发明不一一列举。

本发明的实施方式很多，只要采用制作磁光波导的常规平面工艺过程及条件即可。在此把适于TM模式的Ce:YIG/SOI非互易波导结构植入谐振环辅助的MZ干涉型结构，选取说明书中所举的图2所示结构作为实施例。所提及的谐振环辅助的MZ干涉型结构的相关参数可因设计需要而改变，且非互易波导的设计非常灵活，因此，所提出的隔离器的实现决非仅限于此实施例。

利用常规硅工艺，在500微米厚的硅衬底8A表面上制作0.2微米厚的芯层硅8C的SOI基片，并掩埋1微米二氧化硅层(BOX)8B作为波导的下限制层。在Si材料表面溅射一层厚为0.5微米的Ce:YIG磁光膜9，这一步也可以采用成熟的磁光材料-硅键合工艺。利用光刻进行谐振环辅助MZ干涉结构的图形转移，并利用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合的方法依次腐蚀磁光材料和Si，得到宽为0.5微米的光波导，得到如图4(a)所示的图2中A-A’的传输波导截面。最后在磁光膜上镀上Cr/Au金属膜，并进行二次光刻，转移延时线6处电极图形，腐蚀出Cr/Au电极10A，在延时线处得到如图4(b)所示的图2中(B-B’)截面。通交变电流10B产生垂直于波导传输方向的磁场10C，以达到材料的磁饱和，使得在线性臂上引入π的非互易相移。

Claims (3)

1、一种基于谐振环辅助的MZ干涉结构的光学隔离器，MZ干涉结构由两个并列干涉臂(4A，4B)的两端共连接着一个输入波导(3)和一个输出波导(5)而成；其中一个干涉臂(4A)与一个以上的谐振环(2)发生耦合，另一个干涉臂(4B)含有一段延时线(6)，其特征在于：在谐振环辅助的MZ干涉结构中植入，光波在其中按前进和后退方向传输时相位延迟量不同的非互易相移波导；

所述的谐振环辅助的MZ干涉结构中，在谐振环中植入谐振环中的非互易波导(1A)；或在另一干涉臂的延时线(6)中植入延时线中的非互易波导(1B)；或同时在谐振环中植入谐振环中的非互易波导(1A)和在另一干涉臂的延时线(6)中植入延时线中的非互易波导(1B)。

2、根据权利要求1所述的一种基于谐振环辅助的MZ干涉结构的光学隔离器，其特征在于：所述的另一个干涉臂(4B)中设置一个调节工作点的、与波长无关的互易相移器(7)。

3、根据权利要求1所述的一种基于谐振环辅助的MZ干涉结构的光学隔离器，其特征在于：所述的谐振环的个数由谐振环所在臂的相位延迟特性决定。

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