CN103217738B - 一种基于光栅辅助型耦合器的模式上下路复用与解复用器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光栅辅助型耦合器的模式上下路复用与解复用器。包括三个上路单模波导、上路模式转换器、总线多模波导，两个上路布拉格波导光栅、下路模式转换器、三个下路单模波导、两个下路布拉格波导光栅、两个上路耦合区、两个下路耦合区。布拉格波导光栅放置在总线多模波导与上下路单模波导之间，由于其折射率的微扰作用，使得多模波导与单模波导之间发生能量交换。本发明实现了单模波导和多模波导的不同模式间发生耦合，具有耦合系数可调，带宽大，可载信息通道数多等特点；器件设计结构简单，尺寸紧凑；器件制作工艺具有CMOS工艺兼容性，使得器件易于集成和扩展，方便低成本制造，可广泛应用于片上高密度集成的光互连系统。

Description

一种基于光栅辅助型耦合器的模式上下路复用与解复用器

技术领域

本发明涉及一种光的模式复用与解复用集成器件，特别是涉及一种基于光栅辅助型耦合器的模式上下路复用与解复用器。

背景技术

随着当今社会的不断发展，人们对高容量、大带宽和集成化的光互连技术的需求，已经是迫在眉睫。在同一芯片上实现光电混合集成已经是大势所趋，是解决当前电互联瓶颈的最佳途径。为了提高光通信的带宽容量以及提高系统的集成度，人们通常采用的是光波分复用(WDM)技术。然而，对于片上光互连技术来讲，波分复用的通道数越多，意味着需要在片上集成的激光器的数目就越多，这势必大大增加整个系统成本，同时，也会导致系统尺寸和功耗的增加。

模式分离复用（MDM）技术被证明是另一种高效提高光互连信息容量的方法。该技术以多模光波导作为总线多模波导，利用其支持的多个本征模式同时携带不同的信息，仅需要在单一波长光源下工作，就能成倍的增加了单条链路的信息容量，大大减小了系统的功耗。模式上下路复用与解复用器是该系统的一个关键器件，目前提出的一些结构都是基于波导内模间干涉（MMI）和定向波导耦合器。前者很难实现三个以上的模式通道，并且器件的工艺容差小，不易制作；后者需要严格的耦合长度，并且还需要调整总线多模波导的宽度，增加器件设计的复杂性。

       因此，研制出结构简单、功耗更低、易于集成和制作的模式复用与解复用集成器件，是今后发展片上集成光互连技术的重要而有意义的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光栅辅助型耦合器的模式上下路复用与解复用器。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括三个上路单模波导、上路模式转换器、总线多模波导，两个上路布拉格波导光栅、下路模式转换器、三个下路单模波导、两个下路布拉格波导光栅、两个上路耦合区、两个下路耦合区；两个上路单模波导与总线多模波导间的耦合区为两个上路耦合区，两个下路单模波导与总线多模波导间的耦合区为两个下路耦合区；第一个上路单模波导通过上路模式转换器与总线多模波导的一端连接，第一个下路单模波导通过下路模式转换器与总线多模波导的另一端连接。

所述的三个上路单模波导、上路模式转换器、总线多模波导、下路模式转换器和三个下路单模波导为支持TE和TM模式的条形波导或脊形波导。

所述的第二个上路单模波导和第三个上路单模波导分别位于总线多模波导的两侧，第二个下路单模波导和第三个下路单模波导分别位于总线多模波导的两侧。

所述的第一个上路布拉格波导光栅位于第二个上路单模波导和总线多模波导之间，构成第一上路耦合区，第二个上路布拉格波导光栅位于第三个上路单模波导和总线多模波导之间，构成第二上路耦合区；第一个下路布拉格波导光栅位于第二个下路单模波导和总线多模波导之间，构成第一下路耦合区，第二个下路布拉格波导光栅位于第三个下路单模波导和总线多模波导之间，构成第二下路耦合区。

所述的第一个上路布拉格波导光栅的周期满足第二个上路单模波导的基模耦合到总线多模波导的二阶模的相位匹配条件, 第二个下路布拉格波导光栅的周期满足总线多模波导的二阶模耦合到第三个下路单模波导的基模的相位匹配条件。

所述的第二个上路布拉格波导光栅的周期满足第三个上路单模波导的基模耦合到总线多模波导的一阶模的相位匹配条件，第一个下路布拉格波导光栅的周期满足总线多模波导的一阶模耦合到第二个下路单模波导的基模的相位匹配条件。

所述的上路模式转换器和下路模式转换器由支持TE和TM模式的渐变条形波导或由支持TE和TM模式的渐变脊形波导组成。

所述的构成两个上路布拉格波导光栅和两个下路布拉格波导光栅的周期单元形状均为矩形。

本发明具有的有益效果是：

1、结合光栅辅助型耦合器的运用实现了单模波导和多模波导的不同模式间发生耦合，具有耦合系数可调，带宽大，可载信息通道数多等特点。

2、器件设计结构简单，尺寸紧凑。

3、器件制作工艺具有CMOS工艺兼容性，使得器件易于集成和扩展，方便低成本制造，可广泛应用于片上高密度集成的光互连系统。

附图说明

图1是基于光栅辅助型耦合器的模式上下路复用与解复用器结构图。

图2是图1中条形波导的剖面图。

图3是图1中脊形波导的剖面图。

图4是图1中布拉格光栅的周期单元形状为矩形的实施例图。

图5是图1中上下路耦合区的俯视图。

图6是图1中波导为条形波导时，上下路耦合区的剖面图。

图7是图1中波导为脊形波导时，上下路耦合区的剖面图。

图中：1、上路单模波导，2、上路模式转换器，3、上路单模波导，4、上路单模波导，5、总线多模波导，6、上路耦合区，7、上路布拉格波导光栅，8、上路单模波导光栅，9、上路耦合区，10、下路布拉格波导光栅，11、下路耦合区，12、下路单模波导，13、下路布拉格波导光栅， 14、下路耦合区， 15、下路单模波导、 16、下路模式转换器，17、下路单模波导。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括三个上路单模波导 1、3、4、上路模式转换器2、总线多模波导5，两个上路布拉格波导光栅7、8、下路模式转换器16、三个下路单模波导12、15、17、两个下路布拉格波导光栅10、13、两个上路耦合区6、9、两个下路耦合区11、14。两个上路单模波导3、4与总线多模波导5间的耦合区为两个上路耦合区6、9，两个下路单模波导12、15与总线多模波导5间的耦合区为两个下路耦合区11、14；第一个上路单模波导1通过上路模式转换器2与总线多模波导5的一端连接，第一个下路单模波导17通过下路模式转换器16与总线多模波导5的另一端连接。

如图1所示，所述的上路模式转换器2和下路模式转换器16由支持TE和TM模式的渐变条形波导或由支持TE和TM模式的渐变脊形波导组成。上路单模波导1通过上路模式转换器2将其基模转换为总线多模波导5的基模；总线多模波导5通过下路模式转换器16将其基模转换为下路单模波导17的基模。

如图1所示，所述的第二个上路单模波导3和第三个上路单模波导4分别位于总线多模波导5的两侧，第二个下路单模波导12和第三个下路单模波导15分别位于总线多模波导5的两侧。

如图1所示，所述的第一个上路布拉格波导光栅8位于第二个上路单模波导3和总线多模波导5之间，构成第一上路耦合区9，第二个上路布拉格波导光栅7位于第三个上路单模波导4和总线多模波导5之间，构成第二上路耦合区6；第一个下路布拉格波导光栅10位于第二个下路单模波导12和总线多模波导5之间，构成第一下路耦合区11，第二个下路布拉格波导光栅13位于第三个下路单模波导15和总线多模波导5之间，构成第二下路耦合区14。

如图1、图4、图5、图6和图7所示，所述的上下路布拉格波导光栅7、8、10、13是通过在波导上刻蚀一维矩形周期单元形成的。第一个上路布拉格波导光栅8的周期满足第二个上路单模波导3的基模耦合到总线多模波导5的二阶模的相位匹配条件, 第二个下路布拉格波导光栅13的周期满足总线多模波导5的二阶模耦合到第三个下路单模波导15的基模的相位匹配条件。第二个上路布拉格波导光栅7的周期满足第三个上路单模波导4的基模耦合到总线多模波导5的一阶模的相位匹配条件，第一个下路布拉格波导光栅10的周期满足总线多模波导5的一阶模耦合到第二个下路单模波导12的基模的相位匹配条件。

为满足上下路单模波导和总线多模波导间不同模式间相互耦合的要求，需要设计不同的布拉格光栅周期，可以通过以下公式获得：

                                                                              （i=1,2……）           (1)

式中λ为光的波长，为单模波导基模的传播常数，总线多模波导模式的传播常数，i为模式的阶次。

如图1所示一种实施例，本发明提及的基于光栅辅助型耦合器的模式上下路复用与解复用器由传统的多模波导、单模波导、渐变波导和布拉格波导光栅构成，该器件所有组成部分皆位于同一平面内。图1中的上下路单模波导1、3、4、12、15、17，总线多模波导5和上下路模式转换器2、16，可以采用图2所示的条形波导，亦可采用图3所示的脊形波导。上下路耦合区6、9、11、14可以是图6所示的耦合结构或图7所示的耦合结构。

实施例1：

如图1、图5和图6所示，采用顶层硅厚为220 nm、氧化硅埋层2 μm的绝缘层上硅(SOI)材料，在完成晶圆表面清洗后，进行深紫外光刻或电子束直写光刻获得硅刻蚀掩膜，通过硅干法刻蚀，制作出宽450 nm和1.1 um的硅条形波导，波导间隔为400 nm。波导中央刻蚀布拉格波导光栅，矩形光栅齿的宽度为200 nm，其周期在上路耦合区6和下路耦合区11的为314 nm，在上路耦合区9和下路耦合区14的为347 nm。

上述实施例中的光栅周期参数是针对器件在TE模式下工作设计的，器件也可以在TM模式下工作，只需改变不同的光栅周期参数。整个器件只需经过一次刻蚀即可完成制作。

实施例2：

如图1、图5和图7所示，采用顶层硅厚为220 nm、氧化硅埋层2 μm的绝缘层上硅(SOI)材料，在完成晶圆表面清洗后，进行深紫外光刻或电子束直写光刻获得硅刻蚀掩膜，通过两次硅干法刻蚀，制作出宽450 nm和1.1 um的硅脊形波导，脊高为160 nm，波导间隔为400 nm。波导中央的外脊上刻蚀布拉格波导光栅，矩形光栅齿为200 nm，其周期在上路耦合区6和下路耦合区11的为308 nm，在上路耦合区9和下路耦合区14的为338 nm。

上述实施例中的光栅周期参数是针对器件在TE模式下工作设计的，器件也可以在TM模式下工作，只需改变不同的光栅周期参数。整个器件只需经过两次刻蚀即可完成制作。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于光栅辅助型耦合器的模式上下路复用与解复用器，其特征在于：包括三个上路单模波导 (1、3、4)、上路模式转换器（2）、总线多模波导（5），两个上路布拉格波导光栅（7、8）、下路模式转换器（16）、三个下路单模波导(12、15、17)、两个下路布拉格波导光栅(10、13)、两个上路耦合区(6、9)、两个下路耦合区(11、14)；两个上路单模波导（3、4）与总线多模波导（5）间的耦合区为两个上路耦合区（6、9），两个下路单模波导（12、15）与总线多模波导（5）间的耦合区为两个下路耦合区（11、14）；第一个上路单模波导（1）通过上路模式转换器（2）与总线多模波导（5）的一端连接，第一个下路单模波导（17）通过下路模式转换器（16）与总线多模波导（5）的另一端连接；

第一个上路布拉格波导光栅（8）位于第二个上路单模波导（3）和总线多模波导（5）之间，构成第一上路耦合区（9），第二个上路布拉格波导光栅（7）位于第三个上路单模波导（4）和总线多模波导（5）之间，构成第二上路耦合区（6）；第一个下路布拉格波导光栅(10)位于第二个下路单模波导（12）和总线多模波导（5）之间，构成第一下路耦合区（11），第二个下路布拉格波导光栅(13)位于第三个下路单模波导（15）和总线多模波导（5）之间，构成第二下路耦合区（14）。

2.根据权利要求1所述的一种基于光栅辅助型耦合器的模式上下路复用与解复用器，其特征在于：所述的三个上路单模波导(1、3、4)、上路模式转换器（2）、总线多模波导（5）、下路模式转换器（16）和三个下路单模波导(12、15、17)为支持TE和TM模式的条形波导或脊形波导。

3.根据权利要求1所述的一种基于光栅辅助型耦合器的模式上下路复用与解复用器，其特征在于：第二个上路单模波导（3）和第三个上路单模波导（4）分别位于总线多模波导（5）的两侧，第二个下路单模波导（12）和第三个下路单模波导（15）分别位于总线多模波导（5）的两侧。

4.根据权利要求2 所述的一种基于光栅辅助型耦合器的模式上下路复用与解复用器，其特征在于：第一个上路布拉格波导光栅（8）的周期满足第二个上路单模波导（3）的基模耦合到总线多模波导（5）的二阶模的相位匹配条件, 第二个下路布拉格波导光栅（13）的周期满足总线多模波导（5）的二阶模耦合到第三个下路单模波导（15）的基模的相位匹配条件。

5.根据权利要求2 所述的一种基于光栅辅助型耦合器的模式上下路复用与解复用器，其特征在于：第二个上路布拉格波导光栅（7）的周期满足第三个上路单模波导（4）的基模耦合到总线多模波导（5）的一阶模的相位匹配条件，第一个下路布拉格波导光栅（10）的周期满足总线多模波导（5）的一阶模耦合到第二个下路单模波导（12）的基模的相位匹配条件。

6.根据权利要求2 所述的一种基于光栅辅助型耦合器的模式上下路复用与解复用器，其特征在于：所述的上路模式转换器（2）和下路模式转换器（16）由支持TE和TM模式的渐变条形波导或由支持TE和TM模式的渐变脊形波导组成。

7.根据权利要求2 所述的一种基于光栅辅助型耦合器的模式上下路复用与解复用器，其特征在于：构成两个上路布拉格波导光栅（7、8）和两个下路布拉格波导光栅（10、13）的周期单元形状均为矩形。