CN102495446A

CN102495446A - 一种光子晶体波分复用器

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Publication number: CN102495446A
Application number: CN2011104244711A
Authority: CN
Inventors: 许兴胜
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: CN102495446B

Abstract

本发明公开了一种光子晶体波分复用器，该光子晶体波分复用器采用三角晶格的二维光子晶体结构，包括光子晶体输入直波导、60度斜向波导、光子晶体微腔和光子晶体输出直波导，其中，光信号由一路光子晶体输入直波导输入，沿横向传输约十几个周期后，沿正三角60度角方向构成60度斜向波导，在靠近60度斜向波导的横向方向间隔三个孔位置去掉两个或三个孔形成光子晶体微腔，然后在留两个或三个孔后再去掉该行的其他孔形成光子晶体输出直波导，构成弯曲波导-微腔-直波导的结构；每两路相邻微腔-直波导之间间隔10-20行孔。本发明利用光子晶体直波导、弯曲波导和光子晶体微腔这三者的耦合实现滤波，选出特定波长的信号，达到分波作用。

Description

一种光子晶体波分复用器

技术领域

本发明涉及光子集成、光通讯、光子晶体滤波器等技术领域，特别是一种利用光子晶体微腔与波导耦合实现光信号分离、滤波和合波的光子晶体波分复用器。

背景技术

随着信息化社会的高速发展，信息技术要求集成电路的规模越来越大，要求电子元件的体积越来越小。但随着单个元件体积越来越小和电路越来越复杂，电子运行的速度越来越接近其极限速度。因此，发展新一代信息技术变得越来越重要。由于光子的运行速度快，光子间不存在相互干扰等优点，使得光子集成成为克服由于电子运行速度造成集成电路的瓶颈效应的重要选择。光子晶体利用光子带隙限制光，人们可以通过设计和调制光子带隙的结构达到控制光子运动的目的。光子晶体波导可以缩小集成波导器件的尺寸，克服了微小尺寸下控制光子的困难，使得集成波长级器件的微米尺寸的光子集成回路成为可能。

集成光路和通信中很重要的一部分功能是实现滤波、选频或信号的上下载，即实现信号的波分复用或解复用功能。基于光子晶体，我们可以采用微腔和波导耦合，构成频率选择的滤波器或波分复用器。光子晶体器件主要是由光子晶体波导和微腔组合实现，光子晶体波导可以弯曲较大角度而透过率仍然很高，光子晶体微腔可以获得很高的高品质因子(Q值)。用这些波导和微腔构成的光子晶体波分复用器的体积相对传统器件体积将减小几个数量级，器件的插入损耗降低，而且很容易实现与其他器件的进一步集成。在过去的几年里，人们利用一个光子晶体直波导和两个不同尺寸的微腔构成了一个非常紧凑的光学波分复用器，向我们展示了光子晶体微腔和波导组合器件潜在的巨大应用价值。两个不同尺寸的光子晶体微腔具有不同的缺陷频率，当光子晶体波导传输的光波含有对应于微腔的缺陷频率时，微腔就会把该频率的部分能量耦合到另一路波导并在平面内传输。该器件尺寸只有传统的波分复用器件的1/10000。利用光子晶体可以实现窄线宽、通道间隔小、高效率、器件尺寸超小的光子晶体波分复用器。

近几年来人们从理论上和实验上研究了超小型的多信道共振调频选频器。有代表性的是日本的S.Noda和M.Notomi等研究小组在理论和实验上实现了光子晶体异质结构短间距高密度的多信道选频器。2004年，S.Noda研究组报道了采用微移位得到的高Q值微腔与双通道光子晶体波导进行耦合实现上下载滤波，下载波长为1570nm，光谱线宽为0.12nm，下载效率高达65％[Hitomichi Takano，Yoshihiro Akahane，Takashi Asano，andSusumu Noda，In-plane-type channel drop filter in a two-dimensional photoniccrystal slab，Appl.Phys.Lett.84(2004)2226.]。2003年，S.Noda研究小组报道了采用高Q值微腔和光子晶体平面异质结耦合的方法实现6路光信号的上载/下载功能，他们将七个不同晶格常数的光子晶体组在一起，光子晶体晶格常数间的差别为1.25nm。各信道输出波长的间隔仅为5nm，实验证明每个微腔的Q值几乎相等，并且输出效率也几乎相等。波长间隔为5-7nm，信号光谱线宽为0.4nm，信号下载效率估计达到40％[Bong-Shik Song，Susumu Noda，Takashi Asano，Photonic Devices Based onIn-Plane HeteroPhotonic Crystals，Science 300(2003)1537.]。2005年他们通过微腔从平面异质结波导中耦合信号，再由波导从微腔耦合出信号方式实验实现下载效率高于80％的光子晶体滤波器[Bong-Shik Song，Takashi Asano，YoshihiroAkahane，Yoshinori Tanaka，and Susumu Noda，Multichannel Add/Drop FilterBased on In-Plane Hetero Photonic Crystals，J.Lightwave Tech.，23(2005)1449-1455.]。2006年，他们对上述结构进行优化改进后实现了四路分波波长分别为1516nm，1536nm，1559nm和1583nm的光子晶体波分复用器件，其下载效率接近于100％。但该器件的光谱线宽还较宽，信道间隔也较大，最小间隔达到20nm[Hitomichi Takano，Bong-Shik Song，Takashi Asano，and Susumu Noda，Highly efficient multi-channel drop filter ina two-dimensional hetero photonic crystal，Opt.Exp.14(2006)3492-3496.]。这些器件的缺点是需要严格控制异质结光子晶体之间的差别，尺寸较大。

M.Notomi研究小组通过改变输入输出波导宽度达到对波导传输波段的控制，通过耦合微腔与输入波导与输出波导模式共振效应实现高效率的光信号下载。他们通过实验加工和测试实现了10通道下载效率高达65±20％的光子晶体上下载器件[Akihiko Shinya，Satoshi Mitsugi，EiichiKuramochi，and Masaya Notomi，Ultrasmall multi-channel resonant-tunnelingfilter using mode gap of width-tuned photoniccrystal waveguide，Opt.Exp.1330(2005)4202-4209.]。该器件分波的信道较宽，分波信号的线宽较宽。较难实现密集波分复用功能。

国内有关光子晶体的专利，很多是关于光子晶体的一种结构或器件，以及光子晶体的各种应用。光子晶体波分复用或解复用器件不是很多，且多为微腔与波导耦合构成。如日本京都大学在中国申请的几个专利，专利名称“二维光子晶体光复用器/解复用器”(专利号03806872.9)，“二维光子晶体谐振腔和信道分插滤波器”(专利号200410030016.3)，“二维光子晶体腔及通路加/减滤波器”(专利号200410004875.5)，“采用二维光子晶体的信道分插滤波器和信道监视器”(专利号200410030017.8)等，这些专利主要结构与欧洲专利“Patent EP1136853”的类似，利用微腔与波导的侧向耦合实现多路滤波效果。专利号“01123957.3”，名称“一种新型光子晶体波分复用器件”，为中科院物理所研究人员申请的专利，该专利只是提出一种结构，没有针对具体波段和特定材料。主要思想为设计并制备光子晶体弯曲波导阵列，单路到多路的光子晶体波导的分束器，实现单路波导到多路分支弯曲波导高透过率，然后在各分支中设置微腔，使得波导模被共振耦合出分支波导，实现分波效果。该波导结构因为涉及90度弯曲波导，一般弯曲波导本身透过率不高，导致该波分复用实际效率不高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种适合于光子集成的、由光子晶体微腔和波导组合成的光子晶体波分复用器。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种光子晶体波分复用器，该光子晶体波分复用器采用三角晶格的二维光子晶体结构，包括光子晶体输入直波导1、60度斜向波导2、光子晶体微腔3和光子晶体输出直波导4，其中，光信号由一路光子晶体输入直波导1输入，沿横向传输约十几个周期后，沿正三角60度角方向构成60度斜向波导2，在靠近60度斜向波导2的横向方向间隔三个孔位置去掉两个或三个孔形成光子晶体微腔3，然后在留两个或三个孔后再去掉该行的其他孔形成光子晶体输出直波导4，构成弯曲波导-微腔-直波导的结构；每两路相邻微腔-直波导之间间隔10-20行孔。

上述方案中，该光子晶体波分复用器在光子晶体输入直波导1与60度斜向波导2交接处还具有一半径可调小孔5，通过对该小孔5大小的优化能够提高弯曲波导的透过率。

(三)有益效果

1、本发明提供的光子晶体波分复用器，利用光子晶体直波导、弯曲波导和光子晶体微腔这三者的耦合实现滤波，选出特定波长的信号，达到分波作用，每路输出直波导分波波长由相应微腔两侧的小孔位置的微移实现。

2、本发明提供的光子晶体波分复用器，具有可扩展性，高效率，超小型的特点，可应用于光通信和集成光路的分波合波场合。

3、本发明主要集中在SOI基光子晶体微腔与波导耦合构成的光子晶体波分复用器的研究，SOI材料可以实现与成熟的CMOS工艺技术的兼容，所研究的SOI基光子晶体波分复用器将来可能实现由传统的CMOS工艺制备，并利于与CMOS工艺研制的其他SOI器件的耦合集成。

4、本发明提供的SOI基光子晶体波分复用器，具有透过率高，选频特性好，与CMOS工艺兼容等特点，是实现小型光子集成的关键器件，我们在这方面的探索将会推动光子晶体器件的发展及其在光子集成方面的应用。

附图说明

为了进一步说明本发明具体技术内容，下面根据附图和实施例对本发明进行详细说明，其中：

图1是依照本发明实施例的四路光子晶体波分复用器的结构示意图。其中黑点代表空气孔，空气孔在SOI背景材料中排列成三角晶格阵列，在其中去掉部分孔分别构成光子晶体输入直波导1、60度斜向波导2、光子晶体微腔3、光子晶体输出直波导4、在光子晶体输入直波导1与60度斜向波导2交接处的半径可调小孔5。

图2是图1所示的四路光子晶体波分复用器的耦合对准光路图。

图3是图1所示的四路光子晶体波分复用器的四信道分波光谱。

图4是图1所示的四路光子晶体波分复用器中60度斜向波导2的透过光谱。

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。

本发明提供的光子晶体波分复用器，采用不同晶格参数的光子晶体连续拼接在一起构成光子晶体异质结，在光子晶体异质结中去掉一排空气孔构成光子晶体异质结波导；将光子晶体微腔设置在传输波导内等方式实现微腔波导间共振耦合。理论上研究光子晶体微腔与光子晶体波导的耦合实现波分复用方法，结构上采用光子晶体异质结波导与光子晶体微腔共振耦合方式实现光子晶体波分复用器。研究并掌握光子晶体微腔、光子晶体波导以及由微腔和波导构成的波分复用器实现的工艺技术和表征方法，研制出光子晶体波分复用器，测试其信号复用和解复用特性。具体包括以下几个方面：

一种光子晶体波导与微腔构成的四路光子晶体波分复用器，如图1所示，基于SOI材料的光子晶体波分复用器，采用三角形晶格的光子晶体结构，光由一路光子晶体输入直波导1输入，沿横向传输约十几个周期后，沿正三角60度角方向构成60度斜向波导2，在靠近60度斜向波导2的横向方向间隔约三个孔位置去掉两个或三个孔形成光子晶体微腔3，然后在留两个或三个孔后再去掉该行的其他孔形成光子晶体输出直波导4，构成弯曲波导-微腔-直波导的结构。每两路相邻微腔-直波导之间间隔10-20行孔。光子晶体孔半径r为120.75nm，周期345nm(2D FDTD)。光子晶体波分复用器所采用的光子晶体平板材料为SOI。其中光子晶体输入直波导1与60度斜向波导2交接处设置一半径可调小孔5，该孔5的半径可调节，该孔5的孔径为0.875r，通过此孔5大小的优化可以提高弯曲波导的透过率。每一路光子晶体输入直波导1与60度斜向波导2交接处的光子晶体微腔3用来耦合滤波出特定波长的信号，达到分波作用。四路微腔由下往上的孔微移量分别为：0nm，3.45nm，6.9nm，10.35nm。每路光子晶体输出直波导分波波长由相应微腔两侧的小孔位置的微移实现，每路信号的线宽和透过率决定于微腔两侧孔的个数和两侧第一个微腔微移的距离大小。

选择一片SOI材料，顶层硅厚度在250nm，埋层SiO₂厚度为1-2微米。用丙酮-无水乙醇-去离子水清洗，烘干。在SOI材料上利用PECVD方法生长一层100-200nm SiO₂，然后利用匀胶机在SiO₂上甩上150-300nmPMMA电子束胶，采用电子束曝光技术在PMMA电子束胶上曝光光刻该版图，利用显影，定影方法在PMMA电子束胶上形成光子晶体波分复用器图形。利用干法刻蚀工艺，ICP或RIE方法将在PMMA电子束胶上形成的光子晶体波分复用器图形转移到SiO₂层，然后再转移到顶层硅层，在SOI材料中形成所需要的光子晶体波分复用器。在光子晶体波分复用器的入射端和出射端分别制作普通的耦合波导，一般制作成锥形或倒锥形波导，波导长度约0.5-1mm左右，用作耦合输入或输出光用。光子晶体波分用器制作好后，沿着入射波导端口和出射波导端口划片分离，便于外部光源耦合输入和耦合输出探测。

将波长范围在1500-1600nm附近的宽带光源或可调谐激光用微透镜光纤耦合到波分复用器的输入端口。具体耦合对准方法如图2所示为：将波分复用器样品设置在一固定平台(即样品台)上，微透镜光纤装在五维调整架上对准耦合，样品出射端用一装在五维调整架上的显微物镜将输出光斑耦合到一红外CCD进行监测，样品上端和侧向分别用白光照明并用CCD监测。微调输入端五维调整架，使得宽带光源或近红外激光耦合到光子晶体波导，通过红外CCD监测，当发现耦合光斑圆而集中，说明近红外光很好地耦合到光子晶体波导中，通过微调，使得光斑尽量大而亮。然后将输出端监测用显微物镜换为微透镜光纤，在CCD监测下，将微透镜光纤分别对准如图1所示的各路输出波导，测得四路信道的输出信号分别如图3所示，分波波长分别为：1549.89nm，1552.88nm，1555.44nm，1558.00nm；Q值最大为1900，信道最小间隔为3nm，实现了四路分波功能。测量得到60度斜向波导2的透射光谱如图4所示，该光谱在平滑的透射谱曲线背景上有多个凹陷，这些凹陷对应了图3的各个透射峰，代表光子晶体弯曲波导对应波长的信号被横向微腔-直波导信道耦合分离。

在本发明实施例中，是以四路光子晶体波分复用器为例进行说明的，在实际应用中，该光子晶体波分复用器可以为4-10路(通道)光子晶体波分复用器，器件尺寸为50-100μm²左右，采用微加工方法容易实现。

在本发明实施例中，各分波通道的透过率即波分复用器的下载效率高于85％，下载模式的半宽度小于等于1nm，各通道下载波长间隔在1nm-50nm，工作于通信波段的1550nm附近。

本发明提供的光子晶体波分复用器，波分复用通道可以沿着弯曲波导向上一直扩展，根据需要可以扩展多路，每路之间的下载能量没有影响。

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

1.一种光子晶体波分复用器，其特征在于，该光子晶体波分复用器采用三角晶格的二维光子晶体结构，包括光子晶体输入直波导(1)、60度斜向波导(2)、光子晶体微腔(3)和光子晶体输出直波导(4)，其中，光信号由一路光子晶体输入直波导(1)输入，沿横向传输约十几个周期后，沿正三角60度角方向构成60度斜向波导(2)，在靠近60度斜向波导(2)的横向方向间隔三个孔位置去掉两个或三个孔形成光子晶体微腔(3)，然后在留两个或三个孔后再去掉该行的其他孔形成光子晶体输出直波导(4)，构成弯曲波导-微腔-直波导的结构；每两路相邻微腔-直波导之间间隔10-20行孔。

2.根据权利要求1所述的光子晶体波分复用器，其特征在于，该光子晶体波分复用器在光子晶体输入直波导(1)与60度斜向波导(2)交接处还具有一半径可调小孔(5)，通过对该小孔(5)大小的优化能够提高弯曲波导的透过率。

3.根据权利要求2所述的光子晶体波分复用器，其特征在于，在该光子晶体波分复用器中，光子晶体孔半径r为120.75nm，周期345nm，小孔(5)的孔径为0.875r。

4.根据权利要求1所述的光子晶体波分复用器，其特征在于，该光子晶体微腔(3)位于每路光子晶体输入直波导(1)与60度斜向波导(2)的交接处，用于耦合滤波出特定波长的信号，达到分波作用。

5.根据权利要求4所述的光子晶体波分复用器，其特征在于，每路光子晶体输入直波导(1)分波波长由相应光子晶体微腔(3)两侧的小孔位置的微移实现，每路光信号的线宽和透过率决定于光子晶体微腔(3)两侧孔的个数和两侧第一个微腔微移的距离大小。

6.根据权利要求5所述的光子晶体波分复用器，其特征在于，该光子晶体波分复用器在进行各路分波时，分波通道的透过率即波分复用器的下载效率高于85％，下载模式的半宽度小于等于1nm，各通道下载波长间隔在50nm-1nm，工作于通信波段的1550nm附近。

7.根据权利要求1所述的光子晶体波分复用器，其特征在于，该光子晶体波分复用器是基于SOI材料的光子晶体波分复用器，光子晶体材料为SOI，顶层硅厚度200-280纳米，二氧化硅埋层厚度1-2微米。

8.根据权利要求1所述的光子晶体波分复用器，其特征在于，该光子晶体波分复用器具有的波分复用通道能够沿着弯曲波导向上一直扩展，根据需要能够扩展多路，每路之间的下载能量没有影响。

9.根据权利要求1所述的光子晶体波分复用器，其特征在于，该光子晶体波分复用器是4-10通道器件，其尺寸为50-100μm²，采用微加工方法实现。