CN102073102A - 槽波导微环谐振型单纤三向器 - Google Patents

Abstract

一种槽波导微环谐振型单纤三向器，包括：一衬底；一槽波导双微环两路滤波器，制作于衬底上，该槽波导双微环两路滤波器包括：一个主通道波导，一第一波导双微环，一第二波导双微环，一第一下载波导，一第二下载波导；其中，主通道波导，第一波导双微环，第二波导双微环，第一下载波导以及第二下载波导均由槽波导结构组成；一第一输入波导制作于衬底上；一第二输入波导制作于衬底上；一第一输出波导制作于衬底上；一第二输出波导制作于衬底上；一第一监视探测器集成在衬底上，该监视探测器的接收窗口与第一输出波导的末端相连接；一第二监视探测器集成在衬底上，该监视探测器的接收窗口与第二输出波导的末端相连接；一激光器，该激光器集成在衬底上，其输出端与第二输入波导的一端连接。

Description

槽波导微环谐振型单纤三向器

技术领域

本发明涉及光纤到户用户端光收发器，尤其涉及一种槽波导微环谐振型单纤三向器。

背景技术

光纤到户(FTTH)是目前国际上公认的“最后一公里”高速、宽带到户的最理想解决方案，是国内外光通信领域最具发展潜力和市场前景的热点研究开发项目。

日本、韩国、美国及欧洲正在大规模地推广这一宽带接入技术，我国也开始布署光进铜退的方案，其中用户端的单纤三向器(采用1310nm、1490nm和1550nm三波长分配方案。其中1490nm用于语音、数据和IP视频信号的下传；1550nm用于模拟视频信号下传；1310nm专门用于数据和IP视频信号的上传)需求量巨大，但目前采用的技术主要是紧凑立体封装或平面光波回路(PLC)结构。出于降低光波导传输损耗、波导与光纤耦合损耗，以及加工工艺要求考虑，PLC采用硅基SiO2波导芯层与包层的折射率差较小(0.75％)，波导弯曲半径一般为几个毫米，制备的硅基PLC三向器尺寸较大，单片硅衬底上芯片的产出量有限，集成度不高。采用高折射率差绝缘层上硅(SOI)或者III-V-OI芯片制作的槽波导结构，不仅可将该功能集成芯片的面积减小3-4个数量级，大大提高了器件集成度、降低三向器的成本，而且通过适当调节波导参数或者包层材料可以实现温度无光，偏振无关的器件。

发明内容

本发明的目的是提供一种槽波导微环谐振型单纤三向器，具有工艺简单、低成本、尺寸小和易于集成的优点；本发明的关键在于采用两组半径不同的槽波导双微环谐振器分别下载1490nm和1550nm波长的信号，并使得下载光谱的顶部平坦化，而不影响1310nm波长信号的上传。

本发明提供一种槽波导微环谐振型单纤三向器，包括：

一衬底；

一槽波导双微环两路滤波器，制作于衬底上，该槽波导双微环两路滤波器包括：

一个主通道波导；

一第一波导双微环由第一波导微环和第二波导微环组成，位于主通道波导的一侧，第一波导微环和第二波导微环的半径相同；

一第二波导双微环与第一波导双微环由第三波导微环和第四波导微环组成，与第一波导双微环位于主通道波导的同一侧，第三波导微环和第四波导微环的半径相同；

一第一下载波导位于第二波导微环的一侧，与第一波导微环一侧的主通道波导相垂直，用于下载第一波导双微环的谐振波长信号；

一第二下载波导位于第四波导微环的一侧，与第三波导微环一侧的主通道波导相垂直，用于下载第二波导双微环的谐振波长信号；

其中，主通道波导，第一波导双微环，第二波导双微环，第一下载波导以及第二下载波导均由槽波导结构组成；

一第一输入波导制作于衬底上，与主通道波导的一端相连；

一第二输入波导制作于衬底上，与主通道波导的另一端相连；

一第一输出波导制作于衬底上，与第一下载波导一端相连；

一第二输出波导制作于衬底上，与第二下载波导一端相连；

一第一监视探测器，该监视探测器集成在衬底上，该监视探测器的接收窗口与第一输出波导的末端相连接；

一第二监视探测器，该监视探测器集成在衬底上，该监视探测器的接收窗口与第二输出波导的末端相连接；

一激光器，该激光器集成在衬底上，其输出端与第二输入波导的一端连接。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用槽波导双微环两路滤波器F代替TFF，微环的半径可以降低到5微米，大大减小了器件的尺寸，降低了成本，提高了集成度。

2.本发明提供的槽波导微环谐振型单纤三向器可以通过调节槽波导双微环两路滤波器F中两个双微环的结构参数，从而分别下载1490nm和1550nm波长的信号，而不会对其他信号产生干扰。

3.本发明中槽波导双微环两路滤波器F可以通过填充负温度系数材料大大改善器件的温度稳定性。

4.本发明中槽波导双微环两路滤波器F可以通过填充电光或者热光材料可以实现器件的动态调制，使得器件的使用更加灵活。

5.本发明中槽波导双微环两路滤波器F可以通过调节波导宽和槽宽还可以实现偏振无关。

6.本发明可以通过混合集成和单片集成两种方式实现，适用范围更广。

附图说明

为能更清楚地说明本发明，以下列举较佳实施例并配合附图详细说明如后，其中：

图1是本发明的二维结构示意图。

图2是本发明的三维结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2所示，本发明提供一种槽波导微环谐振型单纤三向器，包括：

一衬底100；

一槽波导双微环两路滤波器F，制作于衬底100上，该槽波导双微环两路滤波器F包括：

一个主通道波导S0；

一第一波导双微环R1由第一波导微环R11和第二波导微环R12组成，位于主通道波导S0的一侧，第一波导微环R11和第二波导微环R12的半径相同，该第一波导双微环R1，用于下载1490nm波长的信号，而不会对主通道波导S0中的1550nm和1310nm波长的信号产生影响；

一第二波导双微环R2与第一波导双微环R1由第三波导微环R21和第四波导微环R22组成，与第一波导双微环R1位于主通道波导S0的同一侧，第三波导微环R21和第四波导微环R22的半径相同，该第二波导双微环R2，用于下载1550nm波长的信号，而不会对主通道波导S0中的1490nm和1310nm波长的信号产生影响；

其中第一波导微环R11的半径和第三波导微环R21的半径不同；

一第一下载波导S1位于第二波导微环R12的一侧，与第一波导微环R11一侧的主通道波导S0相垂直，且与主通道波导S0的垂直距离等于第一波导微环R11的直径，第一下载波导S1用于下载第一波导双微环R1的谐振波长为1490nm的信号；

一第二下载波导S2位于第四波导微环R22的一侧，与第三波导微环R21一侧的主通道波导S0相垂直，且与主通道波导S0的垂直距离等于第三波导微环R21的直径，第二下载波导S2用于下载第二波导双微环R2的谐振波长为1550nm的信号；

其中，主通道波导S0，第一波导双微环R1，第二波导双微环R2，第一下载波导S1以及第二下载波导S2均由槽波导结构组成；

一第一输入波导A1制作于衬底100上，与主通道波导S0的一端相连，该第一输入波导A1为公用波导，其下传信号波长为1490nm和1550nm，上传信号波长为1310nm，该第一输入波导A1中的下传信号波长1490nm和1550nm的下载以及上传信号波长1310nm的上载都在同一个主通道波导S0上完成；

一第二输入波导A2制作于衬底100上，与主通道波导S0的另一端相连，用于将1310nm波长的信号输入到主通道波导S0中；

一第一输出波导B1制作于衬底100上，与第一下载波导S1一端相连，用于将第一下载波导S1中的1490nm波长的信号输出；

一第二输出波导B2制作于衬底100上，与第二下载波导S2一端相连，用于将第二下载波导S2中的1550nm波长的信号输出；

其中第一输入波导A1，第二输入波导A2，第一输出波导B1和第二输出波导B2均采用纳米线波导；

其中第一输入波导A1与主通道波导S0之间，第二输入波导A2与主通道波导S0之间，第一输出波导B1与第一下载波导S1之间，第二输出波导B2与第二下载波导S2之间均采用楔形耦合，以减小耦合损耗，实现槽波导与纳米线波导之间的高效耦合；

一第一监视探测器D1，该监视探测器D1集成在衬底100上，该监视探测器D1的接收窗口与第一输出波导B1的末端相连接，监视第一输出波导B1输出的1490nm波长的信号；

一第二监视探测器D2，该监视探测器D2集成在衬底100上，该监视探测器D2的接收窗口与第二输出波导B2的末端相连接，监视第二输出波导B2输出的1550nm波长的信号；

一激光器D3，该激光器D3集成在衬底100上，用于产生1310nm波长的信号，其输出端与第二输入波导A2的一端连接。

其中在槽波导双微环两路滤波器F中的槽内填充有负温度系数材料，以提高槽波导双微环两路滤波器F的温度稳定性；或者在槽波导双微环两路滤波器F的槽内填充热光或者电光材料，以便从外部对器件的性能进行调节；或者通过调节槽波导双微环两路滤波器F的波导宽度和槽宽实现偏振无关。

下面通过两个实施例，对本发明提供的槽波导微环谐振型单纤三向器作进一步的详细说明。

实施例一，混合集成方法：其中衬底100选择绝缘层上硅时，是将激光器D3、第一监视探测器D1和第二监视探测器D2混合集成在衬底100上。

对照图1和图2，本发明采用绝缘层上硅(SOI)作为衬底100，在衬底100上干法刻蚀制作槽波导双微环两路滤波器F，第一输入波导A1，第二输入波导A2，第一输出波导B1，第二输出波导B2，其中SOI上层硅厚度为320nm，刻蚀深度为320nm，所涉及的各波导厚度为320nm。

槽波导双微环两路滤波器F中包括的一个主通道波导S0，第一波导双微环R1，第二波导双微环R2，第一下载波导S1以及第二下载波导S2均由槽波导结构组成。槽波导的宽度为500nm，位于槽波导中心的槽宽为100nm。

槽波导双微环两路滤波器F中第一波导双微环R1位于主通道波导S0的一侧，由第一波导微环R11和第二波导微环R12组成。第一波导微环R11和第二波导微环R12的半径相同均为5.4584μm；第二波导双微环R2与第一波导双微环R1位于主通道波导S0的同一侧，由第三波导微环R21和第四波导微环R22组成，第三波导微环R21和第四波导微环R22的半径相同均为5.2807μm。

第一下载波导S1位于第二波导微环R12的一侧，与第一波导微环R11一侧的主通道波导S0相垂直，且与主通道波导S0的垂直距离等于第一波导微环R11的直径，第一下载波导S1用于下载第一波导双微环R1的谐振波长为1490nm的信号。

第二下载波导S2位于第四波导微环R22的一侧，与第三波导微环R21一侧的主通道波导S0相垂直，且与主通道波导S0的垂直距离等于第三波导微环R21的直径，第二下载波导S2用于下载第二波导双微环R2的谐振波长为1550nm的信号。

槽波导双微环两路滤波器F，通过调节第一波导双微环R1和第二波导双微环R2的半径，各自内部微环之间的距离，与主通道波导S0之间的距离，以及与第一下载波导B1和第二下载波导B2之间的距离可以实现1490nm和1550nm波长信号的分别下载。

第一输入波导A1与主通道波导S0的一端相连，第一输入波导A1为公用波导，功能为进行1490nm、1550nm波长信号下传和1310nm波长信号上传的双向传输任务；第二输入波导A2与主通道波导S0的另一端相连，功能是将激光器D3产生的1310nm波长的信号耦合进主通道波导S0中进行上传；第一输出波导B1与第一下载波导S1一端相连，功能是将第一下载波导S1中的1490nm波长信号输出到第一监视探测器D1；第二输出波导B2与第二下载波导S2一端相连，功能是将第二下载波导S2中的1550nm波长信号输出到第二监视探测器D2。

第一输入波导A1，第二输入波导A2，第一输出波导B1和第二输出波导B2均采用纳米线波导，其中纳米线波导的宽度为400nm，一端与槽波导相连，采用楔形耦合，另一端将纳米线波导进行放宽处理，末端宽度为6微米，以方便与光纤，探测器以及激光器相连接。

第一输入波导A1与主通道波导S0之间，第二输入波导A2与主通道波导S0之间，第一输出波导B1与第一下载波导S1之间，第二输出波导B2与第二下载波导S2之间均采用楔形耦合，大大减小耦合损耗。

激光器D3采用DFB激光器，通过倒装方法混合集成在衬底100上，其输出端与第二输入波导A2的一端相连，激光器D3的功能是发射1310nm波长信号，其调制备速率为1.25Gbps，加载用户的数字和语音信号后，通过第二输入波导A2进行上传。

在第一输出波导B1和第二输出波导B2右端分别混合集成第一监视探测器D1和第二监视探测器D2，这两个探测器均采用半导体锗探测器，第一监视探测器D1和第二监视探测器D2的功能是接收1490nm数字、语音信号和1550nm模拟视频信号，数字探测器的接收速率为1.25Gbps。

第一监视探测器D1和第二监视探测器D2均为宽谱监视器，均可接收1490nm和1550nm波长的信号。

第一波导双微环R1和第二波导双微环R2的位置或者半径在进行器件设计时，可以在其他结构都不变的情况下互换，而不影响槽波导双微环两路滤波器F的实际功能，以实现1490nm和1550nm波长信号下载端的按需制作。

实施例二，单片集成方法：

其中衬底100选择500℃高温退火下InP/InGaAsP基片与氧化的硅片表面进行键合形成的III-V-OI作为衬底，激光器D3采用InP激光器，第一监视探测器D1和第二监视探测器D2均采用InGaAsP探测器，这三者直接在衬底100上制作而成。

对照图1和图2，本发明采用高温下InP/InGaAsP基片与氧化的硅片表面进行键合形成的III-V-OI作为衬底100。在衬底100上干法刻蚀制作槽波导双微环两路滤波器F，第一输入波导A1，第二输入波导A2，第一输出波导B1，第二输出波导B2，其中III-V-OI上层波导InGaAsP厚度为320nm，刻蚀深度为320nm，所涉及的各波导厚度为320nm。

槽波导双微环两路滤波器F中包括的一个主通道波导S0，第一波导双微环R1，第二波导双微环R2，第一下载波导S1以及第二下载波导S2均由槽波导结构组成。槽波导的宽度为500nm，位于槽波导中心的槽宽为100nm。

槽波导双微环两路滤波器F中第一波导双微环R1位于主通道波导S0的一侧，由第一波导微环R11和第二波导微环R12组成，第一波导微环R11和第二波导微环R12的半径相同为5.4155μm；第二波导双微环R2与第一波导双微环R1位于主通道波导S0的同一侧，由第三波导微环R21和第四波导微环R22组成，第三波导微环R21和第四波导微环R22的半径相同为5.2113μm；

第一下载波导S1位于第二波导微环R12的一侧，与第一波导微环R11一侧的主通道波导S0相垂直，且与主通道波导S0的垂直距离等于第一波导微环R11的直径，第一下载波导S1用于下载第一波导双微环R1的谐振波长为1490nm的信号。

第二下载波导S2位于第四波导微环R22的一侧，与第三波导微环R21一侧的主通道波导S0相垂直，且与主通道波导S0的垂直距离等于第三波导微环R21的直径，第二下载波导S2用于下载第二波导双微环R2的谐振波长为1550nm的信号。

槽波导双微环两路滤波器F，通过调节第一波导双微环R1和第二波导双微环R2的半径，各自内部微环之间的距离，与主通道波导S0之间的距离，以及与第一下载波导B1和第二下载波导B2之间的距离可以实现1490nm和1550nm波长信号的分别下载。

第一输入波导A1与主通道波导S0的一端相连，第一输入波导A1为公用波导，功能为进行1490nm、1550nm波长信号下传和1310nm波长信号上传的双向传输任务；第二输入波导A2与主通道波导S0的另一端相连，功能是将激光器D3产生的1310nm波长的信号耦合进主通道波导S0中进行上传；第一输出波导B1与第一下载波导S1一端相连，功能是将第一下载波导S1中的1490nm波长信号输出到第一监视探测器D1；第二输出波导B2与第二下载波导S2一端相连，功能是将第二下载波导S2中的1550nm波长信号输出到第二监视探测器D2。

第一输入波导A1，第二输入波导A2，第一输出波导B1和第二输出波导B2均采用纳米线波导，其中纳米线波导的宽度为400nm，一端与槽波导相连，采用楔形耦合，另一端将纳米线波导进行放宽处理，末端宽度为6微米，以方便与光纤，探测器以及激光器相连接。

第一输入波导A1与主通道波导S0之间，第二输入波导A2与主通道波导S0之间，第一输出波导B1与第一下载波导S1之间，第二输出波导B2与第二下载波导S2之间均采用楔形耦合，大大减小耦合损耗。

激光器D3采用与衬底100相同的InP材料直接在衬底100上制作而成，其输出端与第二输入波导A2的一端相连，激光器D3的功能是发射1310nm波长信号，其调制备速率为1.25Gbps，加载用户的数字和语音信号后，通过第二输入波导A2进行上传。

在第一输出波导B1右端的第一监视探测器D1和第二输出波导B2右端的第二监视探测器D2使用与波导相同的InGaAsP材料直接在衬底100上制作而成，第一监视探测器D1和第二监视探测器D2的功能是接收1490nm数字、语音信号和1550nm模拟视频信号，数字探测器的接收速率为1.25Gbps。

第一监视探测器D1和第二监视探测器D2均为宽谱监视器，均可接收1490nm和1550nm波长的信号。

第一波导双微环R1和第二波导双微环R2的位置或者半径在进行器件设计时，可以在其他结构都不变的情况下互换，而不影响槽波导双微环两路滤波器F的实际功能，以实现1490nm和1550nm波长信号下载端的按需制作。

本发明利用槽波导双微环两路滤波器F中的两个波导双微环结构分别从主通道波导S0中下载1490nm和1550nm波长的信号，同时1310nm波长信号通过主通道波导S0上传而不会受两个双微环的结构影响。微环的半径可以降低到几个微米，从而大大减小了器件的尺寸，提高了集成度，降低了成本。槽波导双微环两路滤波器F中的波导均采用槽波导结构，填充负温度系数材料可以提高器件温度稳定性，填充电光/热光材料可以使器件实现动态调节。其中纳米线波导与槽波导之间采用楔形耦合结构，大大降低耦合损耗。衬底可以选用SOI材料，此时可将已经制备好的激光器和探测器混合集成在衬底上；衬底也可以选用III-V-OI材料，此时激光器和探测器则可直接在衬底上制作出来，实现单片集成。

Claims (10)

1.一种槽波导微环谐振型单纤三向器，包括：

一衬底；

一槽波导双微环两路滤波器，制作于衬底上，该槽波导双微环两路滤波器包括：

一个主通道波导；

一第一波导双微环由第一波导微环和第二波导微环组成，位于主通道波导的一侧，第一波导微环和第二波导微环的半径相同；

一第二波导双微环与第一波导双微环由第三波导微环和第四波导微环组成，与第一波导双微环位于主通道波导的同一侧，第三波导微环和第四波导微环的半径相同；

一第一下载波导位于第二波导微环的一侧，与第一波导微环一侧的主通道波导相垂直，用于下载第一波导双微环的谐振波长信号；

一第二下载波导位于第四波导微环的一侧，与第三波导微环一侧的主通道波导相垂直，用于下载第二波导双微环的谐振波长信号；

其中，主通道波导，第一波导双微环，第二波导双微环，第一下载波导以及第二下载波导均由槽波导结构组成；

一第一输入波导制作于衬底上，与主通道波导的一端相连；

一第二输入波导制作于衬底上，与主通道波导的另一端相连；

一第一输出波导制作于衬底上，与第一下载波导一端相连；

一第二输出波导制作于衬底上，与第二下载波导一端相连；

一第一监视探测器，该监视探测器集成在衬底上，该监视探测器的接收窗口与第一输出波导的末端相连接；

一第二监视探测器，该监视探测器集成在衬底上，该监视探测器的接收窗口与第二输出波导的末端相连接；

一激光器，该激光器集成在衬底上，其输出端与第二输入波导的一端连接。

2.根据权利要求1所述的槽波导微环谐振型单纤三向器，其中第一波导微环的半径和第三波导微环的半径不同。

3.根据权利要求1所述的槽波导微环谐振型单纤三向器，其中第一输入波导为公用波导，其下传信号波长为1490nm和1550nm，上传信号波长为1310nm。

4.根据权利要求3所述的槽波导微环谐振型单纤三向器，其中第一输入波导的下传信号波长1490nm和1550nm的下载以及上传信号波长1310nm的上载都在同一个主通道波导上完成。

5.根据权利要求1所述的槽波导微环谐振型单纤三向器，其中第一波导双微环，用于下载1490nm波长的信号，而不会对主通道波导中的1550nm和1310nm波长的信号产生影响，第二波导双微环，用于下载1550nm波长的信号，而不会对主通道波导中的1490nm和1310nm波长的信号产生影响。

6.根据权利要求1所述的槽波导微环谐振型单纤三向器，其中在槽波导双微环两路滤波器F中的槽内填充有负温度系数材料，以提高槽波导双微环两路滤波器的温度稳定性；或者在槽波导双微环两路滤波器的槽内填充热光或者电光材料，以便从外部对器件的性能进行调节；或者通过调节槽波导双微环两路滤波器的波导宽度和槽宽实现偏振无关。

7.根据权利要求1所述的槽波导微环谐振型单纤三向器，其中第一输入波导，第二输入波导，第一输出波导和第二输出波导均采用纳米线波导。

8.根据权利要求1所述的槽波导微环谐振型单纤三向器，其中第一输入波导与主通道波导之间，第二输入波导与主通道波导之间，第一输出波导与第一下载波导之间，第二输出波导与第二下载波导之间均采用楔形耦合，以减小耦合损耗。

9.根据权利要求1所述的槽波导微环谐振型单纤三向器，其中衬底选择绝缘层上硅时，是将激光器、第一监视探测器和第二监视探测器混合集成在衬底上。

10.根据权利要求1所述的槽波导微环谐振型单纤三向器，其中衬底选择高温下InP/InGaAsP基片与氧化的硅片表面进行键合形成的III-V-OI时，激光器采用InP激光器，第一监视探测器和第二监视探测器均采用InGaAsP探测器，这三者直接在衬底上制作而成。