CN103472536A - Mach-Zehder干涉仪结构的硅基光隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Mach-Zehder干涉仪结构的硅基光隔离器，其包括一个硅基Mach-Zehder干涉仪和实施在所述Mach-Zehder干涉仪上臂、下臂的上微扰调制结构、下微扰调制结构，所述上微扰调制结构将沿上臂正向传播的一特定频率光信号耦合成一目标频率的光信号，所述下微扰调制结构将沿下臂正向传播的光信号耦合成所述目标频率的光信号，所述下微扰调制结构耦合产生的目标频率光信号与所述上微扰调制结构产生的目标频率光信号相位相反，当光信号沿干涉仪反向传播时上臂及下臂均不发生信号耦合。本发明所提出的光隔离器设计方案中，隔离器尺度在微米量级，适合于大规模集成且不对信号强度有任何要求。

Description

Mach-Zehder干涉仪结构的硅基光隔离器

技术领域

本发明涉及一种片上特定频率滤波光隔离器，尤其涉及一种Mach-Zehder干涉仪结构的硅基光隔离器。

背景技术

光隔离器是一种在光学传播介质（器件）中允许光信号单向传输的无源光器件，在光纤通信系统和大规模集成光路中阻止反射光信号的传播。目前常见的光隔离器的工作原理主要基于法拉第旋转的非互易性和非线性效应。但是法拉第旋转效应的光隔离器不适宜大规模集成，而非线性效应光隔离器对传播的光信号强度有额外要求。为解决这些问题，本发明提出了一种与现有CMOS工艺相容的硅基线性Mach-Zehder干涉仪结构的光隔离器。

发明内容

本发明提供了一种Mach-Zehder干涉仪结构的硅基光隔离器，其特征在于，包括一个硅基Mach-Zehder干涉仪和实施在所述Mach-Zehder干涉仪上臂、下臂的上微扰调制结构、下微扰调制结构，

所述上微扰调制结构将沿上臂正向传播的一特定频率光信号耦合成一目标频率的光信号，所述下微扰调制结构将沿下臂正向传播的光信号耦合成所述目标频率的光信号，所述下微扰调制结构耦合产生的目标频率光信号与所述上微扰调制结构产生的目标频率光信号相位相反；当光信号沿干涉仪反向传播时上臂及下臂均不发生信号耦合。

较佳地，所述含时微扰调制结构实施于所述上壁波导、下壁波导的方法为：

在所述上臂与下臂的硅基波导中进行掺杂，造成折射率的起伏，然后对掺杂后的波导通电，造成折射率的时间变化。

较佳地，所述上微扰调制结构的调制函数为： ${\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}(z,t)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z+\mathrm{\&pi;})& -\frac{d}{2}<x<0\\ \mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z)& 0<x<\frac{d}{2}\end{array}\right.,$

所述下微扰调制结构的调制函数为 ${\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}(z,t)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z+\mathrm{\&pi;})& 0<x<\frac{d}{2}\\ \mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z)& -\frac{d}{2}<x<0\end{array}\right..$

其中满足q=k₁-k₂和Ω=ω₂-ω₁，ω₁为所述特定频率光信号的频率，ω₂为所述目标频率信号的频率，k₁、k₂分别为所述特定频率光信号、目标频率信号的波数。

本发明所提出的光隔离器设计方案中，隔离器尺度在微米量级，适合于大规模集成且不对信号强度有任何要求。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的Mach-Zehder干涉仪结构的硅波导结构示意图；

图2为本发明实施例提供的Mach-Zehder干涉仪结构的硅波导中TE光传播模式色散关系示意图；

图3为本发明实施例提供的微扰调制结构示意图；

图4为本发明实施例提供的硅基光隔离器结构示意图；

图5为本发明实施例正传播方向的FDTD数值模拟场分布示意图；

图6为本发明实施例反传播方向的FDTD数值模拟场分布示意图。

具体实施例

本发明提供了一种Mach-Zehder干涉仪结构的硅基光隔离器，其特征在于，包括一个硅基Mach-Zehder干涉仪和实施在所述Mach-Zehder干涉仪上臂、下臂的上微扰调制结构、下微扰调制结构，

所述上微扰调制结构将沿上臂正向传播的一特定频率光信号耦合成一目标频率的光信号，所述下微扰调制结构将沿下臂正向传播的光信号耦合成所述目标频率的光信号，所述下微扰调制结构耦合产生的目标频率光信号与所述上微扰调制结构产生的目标频率光信号相位相反。

其中所述含时微扰调制结构实施于所述上臂波导、下臂波导的方法为：

在所述上臂与下臂的波导中进行掺杂，造成折射率的起伏，然后对掺杂后的波导通电，造成折射率的时间变化。

所述上微扰调制结构的调制函数为： ${\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}(z,t)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z+\mathrm{\&pi;})& -\frac{d}{2}<x<0\\ \mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z)& 0<x<\frac{d}{2}\end{array}\right.,$

所述下微扰调制结构的调制函数为 ${\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}(z,t)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z+\mathrm{\&pi;})& 0<x<\frac{d}{2}\\ \mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z)& -\frac{d}{2}<x<0\end{array}\right..$

其中满足q=k₁-k₂和Ω=ω₂-ω₁，ω₁为所述特定频率光信号的频率，ω₂为所述目标频率信号的频率，k₁、k₂分别为所述特定频率光信号、目标频率信号的波数。

如图4所示，将上述调制结构分别实施于Mach-Zehder干涉仪两臂，在实施时上臂与下臂的调制结构互为相对于z轴的镜像对称。这样保证光信号沿一个方向传播时，在Mach-Zehder干涉仪上下两臂同时产生相位相反的模式耦合调制，从而在光信号汇合时产生干涉相消而不能持续保持在波导中传播。而在相反方向传播的光信号不发生模式耦合从而继续在波导中传播。

实施例

取定归一化长度a=1μm，波导宽度取为d=0.22a。TE₀模式的频率和波数分别取定为：ω₁=0.6468(2πc/a)，k₁=1.836(2π/a)；TE₁模式的频率和波数分别取定为：ω₂=0.8879(2πc/a)，k₁=1.367(2π/a)。调制强度δ(x)=1，Mach-Zehder干涉仪由硅材料构成，介电常数取为12.25，上下两臂波导中心的间距为1.2a，该间距保证了上下两臂间的波导模式不发生干扰。调制区的长度l_c=5.02a，该长度为模式完全转化长度。

当频率为ω₁=0.6468(2πc/a)的光信号自左向右沿Mach-Zehder干涉仪传播时，上下两臂同时产生相位相反的模式耦合，光信号由TE₀模式转化为TE₁模式。在汇合处，上下两臂的信号发生干涉相消而不能继续在波导中传播。而光信号以TE₀模式自右向左传播时，不发生模式耦合，可以汇合至波导中继续传播。图5与图6为光场分布的FDTD数值模拟结果。

该设计方案不仅通过同时在时间和空间上对光信号进行调制扰动，从而使得正向传播的光信号满足相位匹配条件而发生模式耦合而反向传播的光信号则不发生改变，还针对光信号TE模的第一个偶对称模式和TE模的第一个奇对称模式分布进行了耦合强度优化，能大大减小光隔离器的尺度。本发明所提出的光隔离器设计方案，可以在现有CMOS工艺条件下进行大规模集成且不对信号强度有任何依赖。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种Mach-Zehder干涉仪结构的硅基光隔离器，其特征在于，包括一个硅基Mach-Zehder干涉仪和实施在所述Mach-Zehder干涉仪上臂、下臂的上微扰调制结构、下微扰调制结构，

所述上微扰调制结构将沿上臂正向传播的一特定频率光信号耦合成一目标频率的光信号，所述下微扰调制结构将沿下臂正向传播的光信号耦合成所述目标频率的光信号，所述下微扰调制结构耦合产生的目标频率光信号与所述上微扰调制结构产生的目标频率光信号相位相反；当光信号沿干涉仪反向传播时上臂及下臂均不发生信号耦合。

2.如权利要求1所述的Mach-Zehder干涉仪结构的硅基光隔离器，其特征在于，所述含时微扰调制结构实施于所述上臂波导、下臂波导的方法为：

在所述上臂与下臂的波导中进行掺杂，造成折射率的起伏，然后对掺杂后的波导通电，造成折射率的时间变化。

3.如权利要求1或2所述的Mach-Zehder干涉仪结构的硅基光隔离器，其特征在于，所述上微扰调制结构的调制函数为： ${\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}(z,t)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z+\mathrm{\&pi;})& -\frac{d}{2}<x<0\\ \mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z)& 0<x<\frac{d}{2}\end{array}\right.,$

所述下微扰调制结构的调制函数为 ${\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}(z,t)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z+\mathrm{\&pi;})& 0<x<\frac{d}{2}\\ \mathrm{\&delta;}\left(x\right)\cos (\mathrm{\&Omega;t}-(-q)z)& -\frac{d}{2}<x<0\end{array}\right..$ 其中满足q=k₁-k₂和Ω=ω₂-ω₁，ω₁为所述特定频率光信号的频率，ω₂为所述目标频率信号的频率，k₁、k₂分别为所述特定频率光信号、目标频率信号的波数。

Images