CN101881859A - 一种采用多模干涉耦合的光延时器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用多模干涉耦合的光延时器，该光延时器采用全通滤波器结构，该全通滤波器结构是若干个微环谐振腔依次与总线波导耦合的结构，其中微环谐振腔与总线波导之间的耦合段为2×2多模干涉耦合器。本发明采用多模干涉耦合结构可以提高谐振腔与总线波导间的耦合率，使光延时器具有大的工作带宽。本发明改变多模干涉耦合段的结构参数可以改变端口的分光比，可以调节光延时器的带宽和光延时。本发明工艺冗余度大，易于制作，尺寸小，适于密集集成，同时具有大带宽、大延时的特点，不同分光比的结构设计增加了器件应用的灵活性，适于用作未来高速全光分组交换网络的光缓存器件。

Description

一种采用多模干涉耦合的光延时器

技术领域

本发明涉及全光分组交换网的光缓存技术领域，特别涉及一种采用多模干涉耦合的光延时器。

背景技术

光缓存技术是全光分组交换网必不可少的组成部分，在网络节点光交换中，光缓存负责解决冲突，是实现光-光交换的基础器件。光延时线是最常见的光缓存器件，其作用是延长光的传播路径，产生光延时。随着光网络信息传输的速度与容量的急剧增长，要求光延时器应该具有大延时、小尺寸和大工作带宽的特点。绝缘硅(SOI)材料是单片光子集成的绝佳平台，硅波导与氧化硅等覆层间的高折射率差使硅波导具有很小的低损耗转弯半径，可以大大降低器件尺寸，因此采用截面尺寸为亚微米的硅纳米线波导，并且设计级联微环谐振腔结构，使光信号在微环谐振腔中循环多次，延长光传播路径，产生光延时，从而进一步降低器件的尺寸，使得制作可密集集成的片上超小型光延时器件成为可能。近期Nature Photonics报道了基于SOI材料的超小型光延时线最新研究成果(F.N.Xia，L.Sekaricand Y.Vlasov，“Ultracompact optical buffers on a silicon chip，”Nature Photon.1，65-71，2007)，一种56环级联的APF结构的光延时线获得了大于500ps的光延时，器件整体尺寸小于0.09mm²。

通常波导和谐振腔波导间采用狭缝结构的消逝场耦合方式，调节波导间的缝隙宽度可以改变耦合系数，从而调节谐振腔的Q值和带宽。高速传输的光信号传输需要光延时器件有很大的工作带宽，因此需要通路波导与谐振腔间有较高耦合系数。对于消逝场耦合方式，可以通过减小狭缝的宽度增大耦合系数使器件获得较大的工作带宽。但是，随着狭缝的宽度减小，使得器件的制作越来越困难，需要很高精度的曝光设备和刻蚀工艺，并且工艺重复性很难保证。更为不幸的是，采用消逝场耦合的谐振腔结构，在波导间的缝隙降至120nm以下时，光在波导间的非绝热光模式转换会导致很大的模式变换损耗(F.N.Xia，L.Sekaric and Y.Vlasov，“Mode conversionlosses in silicon-on-insulator photonic wire based racetrack resonators，”Opt.Express 14，3872-3886，2006)，这种损耗的引入使器件的插入损耗变大，降低器件的传输性能。总之，狭缝结构的消逝场耦合方式使光延时器件很难获得较大的工作带宽，过窄的带宽使得高速传输的光信号发生畸变，会大大增加系统的误码率，从而成为微环级联结构光延时器件在高速光网络应用中的障碍，所以需要开发一种新的耦合结构来取代消逝场耦合。

多模干涉耦合被广泛应用于光子集成回路，它的主要功能是光耦合与光分束/合波。与消逝场耦合相比具有以下优势：多模干涉耦合结构很容易实现高耦合系数，采用多模干涉耦合的微环谐振腔具有较低的Q值和较大的带宽，进一步通过调节输出端口分光比，可以适当调节谐振腔的Q值和带宽，增加了器件设计的灵活性；多模干涉耦合对输入光偏振态和波长的变化不敏感，制作工艺冗余度大，工艺重复性高，易于加工制作；根据自成像理论计算，采用亚微米硅纳米线波导的2×2多模干涉耦合器的可以做到很小尺寸(3μm×10μm以下)，使它可以应用于可密集集成的光延时器的耦合。诸多的优点使得多模干涉耦合方式成为取代消逝场耦合的理想选择。本发明通过采用多模干涉耦合结构，增加了光延时器的工作带宽，改变端口分光比可以调节光延时器的带宽和光延时，它克服了消逝场耦合结构对光延时器带宽的限制，使多模干涉耦合的新型光延时器更加适于在高速光网络中应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于解决在硅基微环级联结构的光延时器件中狭缝结构的消逝场耦合方式难以使器件获得大的工作带宽的问题，而提供了一种采用多模干涉耦合的大带宽光延时器。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种采用多模干涉耦合的光延时器，采用全通滤波器结构，该全通滤波器结构是若干个微环谐振腔依次与总线波导耦合的结构，其中微环谐振腔与总线波导之间的耦合段为2×2多模干涉耦合器。

上述方案中，所述多模干涉耦合结构采用硅纳米线波导作为输入输出波导，根据多模干涉自成像理论的重叠成像条件设计2×2多模干涉耦合器。

上述方案中，根据多模干涉自成像理论的一般重叠成像条件，通过调节多模干涉耦合器的结构参数改变耦合器的分光比，进而调节微环谐振腔的带宽与光延时。

上述方案中，该光延时器采用以下材料体系：SOI基、有机聚合物、氮化硅/氧化硅、氮氧化硅/氧化硅、无定形硅/氧化硅。

(三)有益效果

本发明提供的这种采用多模干涉耦合的光延时器，优点在于：

1、根据多模干涉耦合的自成像原理对耦合段的结构参数进行设计，使其具有可与硅基微环谐振腔集成的小尺寸、低插损、高耦合系数的特性，使其适于应用到可密集集成的微环级联结构的光延时器件，使器件获得大的工作带宽。

2、根据多模干涉耦合自成像理论的一般重叠成像条件，改变多模干涉耦合波导的结构参数，使多模干涉耦合结构在保持低插损时不均匀分光，可以在一定范围内调节器件的带宽和光延时，提高了器件在高速光网络中应用的灵活性。

3、多模干涉耦合结构对光波长和偏振态的变化不敏感，工艺冗余度大，重复性高，使器件易于制作。

4、多模干涉耦合的宽带光延时器不仅适合采用SOI基材料体系，也适合采用有机聚合物、氮化硅/氧化硅、氮氧化硅/氧化硅，以及无定形硅/氧化硅等高折射率差材料体系。

附图说明

图1是本发明提供的采用多模干涉耦合的光延时器的结构示意图；

图2是采用多模干涉耦合的光延时器的基本结构单元的三维结构示意图；

图3是多模干涉耦合段104的结构示意图；

图4是分光比为50∶50的2×2多模干涉耦合结构；

图5是分光比为15∶85的2×2多模干涉耦合结构；

图6是分光比为28∶72的2×2多模干涉耦合结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1所示为本发明提供的采用多模干涉耦合的光延时器的结构示意图。该光延时器采用全通滤波器结构，全通滤波器结构即为若干个微环谐振腔依次与总线波导耦合的结构，其中微环谐振腔与总线波导之间的耦合段为2×2多模干涉耦合器。

图2所示为采用多模干涉耦合新型光延时器的基本结构单元的三维结构示意图。光延时器是基于SOI衬底101制作，BOX(埋氧层)层102为1μm厚度的氧化硅，顶层硅的厚度为0.26μm。基本结构单元由总线波导103，多模干涉耦合段104以及微环谐振腔波导105组成。总线波导103和微环谐振腔波导105为截面尺寸为0.50μm×0.26μm硅纳米线波导。

图3所示为多模干涉耦合段104的结构示意图，它是一个2×2的多模干涉耦合器。它的宽度为W，长度为L，四个端口的位置以输入、输出波导中心线到多模波导的上边的距离表示为x₁、x₂(输入端口P₁，P₂)和y₁、y₂(输出端口P₃，P₄)。

根据多模干涉耦合的自成像理论的重叠成像条件(L.B.Soldano and E.C.M.Pennings，“Optical multimode interference devices based onself-imaging-principles and applications”Journal of Lightwave Technology，vol.13，pp.615-627，Apr 1995)，尺寸最小化的2×2的多模干涉耦合器的W和L之间的关系为：

$L=\frac{3L_{\mathrm{\π}}}{M}=\frac{{4n}_r{W}^2}{M{\mathrm{\λ}}_0}$

这里，n_r为多模干涉耦合波导的等效折射率，可由等效折射率计算或仿真得到，λ₀为谐振频率的光在真空中的波长，λ₀为1.55μm，M为一般成像时的像数，W取为3μm。微环谐振腔的总长度必须满足

n_eff为硅纳米线波导的等效折射率，k＝1，2....，为谐振级数。对于圆弧波导段的半径可以根据不同要求取5-20μm，直波导段长度为总长度与圆弧段波导长度之差。

光延时、带宽与光延时器结构参数的关系由如下公式给出：

$T=\frac{n_g{L}_R}{c}$

$\mathrm{\τ}=N{\mathrm{\τ}}_i=\frac{N{\mathrm{\κ}}^{2}T}{2-{\mathrm{\κ}}^2-2\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}^2}\cos \left(\mathrm{\ωT}\right)}$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FWHM}}=\frac{{\mathrm{\κ}}^2{{\mathrm{\λ}}_0}^2}{\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eff}}{L}_R}$

n_g为群折射率，c为真空中的光速，κ²为谐振腔光功率耦合系数，ω为角频率，N为结构单元的个数。

根据上面所述的设计方法，当输入波导的位置位于

时，i＝1，2，...M-1时，会出现重叠成像，此时成像个数会减少。选择不同的M和波导位置，可以改变多模干涉耦合段的端口分光比，进而调节器件的带宽和光延时，从而增加了器件设计的灵活性，使器件可以满足光网络对光缓存器件的不同的应用要求。

下面给出了几种不同分光比的多模干涉耦合段的结构参数。

图4所示为分光比为50∶50的2×2多模干涉耦合结构。当取M＝6，输入波导位置为：

输出波导位置为：

时，波导长度

图5所示为分光比为15∶85的2×2多模干涉耦合结构，M＝4，宽度仍取为W，则长度为：

$L_2=\frac{3L_{\mathrm{\π}}}{4}=\frac{n_r{W}^2}{{\mathrm{\λ}}_0}$

输入端口位置为：

输出端口位置：

图6为分光比为28∶72的2×2多模干涉耦合结构。M＝5，宽度取为W，长度为：

$L_3=\frac{{3L}_{\mathrm{\π}}}{5}=\frac{{4n}_r{W}^2}{5{\mathrm{\λ}}_0}$

输入端口位置为：

输出端口位置：

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种采用多模干涉耦合的光延时器，其特征在于，该光延时器采用全通滤波器结构，该全通滤波器结构是若干个微环谐振腔依次与总线波导耦合的结构，其中微环谐振腔与总线波导之间的耦合段为2×2多模干涉耦合器。

2.根据权利要求1所述的采用多模干涉耦合的光延时器，其特征在于，所述多模干涉耦合结构采用硅基微纳米线波导作为输入输出波导，根据多模干涉自成像理论的重叠成像条件设计2×2多模干涉耦合器。

3.根据权利要求1所述的采用多模干涉耦合的光延时器，其特征在于，根据多模干涉自成像理论的一般重叠成像条件，通过调节多模干涉耦合器的结构参数改变耦合器的分光比，进而调节微环谐振腔的带宽与光延时。

4.根据权利要求1所述的采用多模干涉耦合的光延时器，其特征在于，该光延时器采用以下材料体系：SOI基、有机聚合物、氮化硅/氧化硅、氮氧化硅/氧化硅，以及无定形硅/氧化硅。

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