CN105866893A - 一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器 - Google Patents

一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，当TE光从单模输入波导输入，其经过输入渐变波导时被转化为多模波导的基模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的入射光反向耦合为多模波导的一阶模，反射光通过下路耦合区时被转换为下路单模波导的TE模，透射光则通过输出渐变波导，从单模输出波导输出；同样的，TE光从上路单模波导输入，上路耦合区将其转换为多模波导的TE一阶模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的入射光反向耦合为多模波导的基模，反射光通过输出渐变波导，从单模输出波导输出。本发明实现了光信号分插复用功能，可应用于片上高密度集成的光互连系统。

Description

一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器
技术领域
本发明涉及一种光信号分插复用集成器件，特别是涉及一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光信号分插复用器。
背景技术
随着集成电路的飞速发展，晶体管特征尺寸不断减小，高速信息在电互连传递时不可避免的遭遇了速度、带宽和功耗等方面的一系列瓶颈。基于硅光学的片上光互连为这一技术难题的解决提供了一种可行的方案，信息的交换将在光的传输层上直接进行。
光滤波器作为光互连的一个基础功能器件，可灵活地实现不同信号的分离、上路和下路，是密集波分复用光网络非常重要的一个环节。目前可实现光信号分插复用功能的器件主要有三种结构： 第一种是微环谐振腔结构，它能提供较高的Q值，但是它要实现大的滤波带宽比较困难；第二种是定向耦合器结构，它需要严格控制拍长，且不容易进行波长选择；第三种是光栅辅助型耦合区结构，它是利用周期性的折射率微扰区，实现两相位失配波导间能量耦合，但是其制作工艺精度要求很高，不适合商业化生产线制作。
因此，研制出结构简单、尺寸紧凑，功能齐全、易于集成和制作的光分插复用器，是今后发展片上集成光通信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反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，结构简单、尺寸紧凑，功能齐全、容差大、易于集成和制作。
本发明一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，包括单模输入波导、输入渐变波导、下路耦合区、多模波导、反对称布拉格波导光栅、输出渐变波导、上路耦合区、上路渐变波导、单模输出波导、上路单模波导、下路渐变波导和下路单模波导，其中输入渐变波导和下路渐变波导间的耦合区为下路耦合区，输出渐变波导和上路渐变波导间的耦合区为上路耦合区，输入渐变波导两端分别与单模输入波导和多模波导连接，输出渐变波导两端分别与单模输出波导和多模波导连接，下路渐变波导与下路单模波导连接，上路渐变波导与上路单模波导连接，所述反对称布拉格波导光栅位于多模波导上，呈反对称分布；TE光从单模输入波导输入，输入渐变波导将其转换为多模波导的TE基模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的入射光反向耦合为多模波导中的TE一阶模的反射光，该反射光通过下路耦合区时被转换为下路端的下路单模波导的TE模，从下路端输出，把不满足相位匹配条件波长的透射光通过输出渐变波导从单模输出波导输出；同样的，上路光从上路单模波导输入，上路耦合区将其转换为多模波导的TE一阶模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的上路光反向耦合为多模波导中的TE基模的反射光，该反射光通过输出渐变波导时被转换为单模输出波导的TE模，从输出端单模输出波导输出。
所述的单模输入波导、输入渐变波导、多模波导、反对称布拉格波导光栅、输出渐变波导、上路渐变波导、下路渐变波导、单模输出波导、下路单模波导和上路单模波导，为条形波导。
所述的输入/出渐变波导的波导宽度渐变区发生在波导的一侧，波导另一侧保持不变。
所述输入渐变波导和输出渐变波导结构完全一致。
所述的下路渐变波导的波导宽度渐变区发生在波导的一侧，波导另一侧保持不变。
所述下路渐变波导和上路渐变波导结构完全一致。
所述由输入渐变波导和下路渐变波导组成的下路耦合区，该下路渐变波导在输入渐变波导的一侧，两波导的非渐变侧边相对，保持两波导间隔不变。
所述由输出渐变波导和上路渐变波导组成的上路耦合区，该上路渐变波导在输出渐变波导的一侧，两波导的非渐变侧边相对，保持两波导间隔不变。
所述的反对称布拉格波导光栅的周期满足将多模波导中的TE基模和TE一阶模相互发生耦合的相位匹配条件。
该反对称布拉格波导光栅的周期性折射率微扰区在多模波导的两侧边上，所述构成布拉格波导光栅的周期单元形状均为矩形。
采用本发明的技术方案，TE光从单模输入波导输入，其经过输入渐变波导时被转化为多模波导的基模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的入射光反向耦合为多模波导的一阶模，反射光通过下路耦合区时被转换为下路渐变波导的TE模，从下路单模波导输出，透射光则通过输出渐变波导，从单模输出波导输出；同样的，TE光从上路单模波导输入，上路耦合区将其转换为多模波导的TE一阶模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的入射光反向耦合为多模波导的基模，反射光通过输出渐变波导，从输出端输出。本发明实现了光信号分插复用功能，具有结构简单，尺寸紧凑和容差大等优点，制作工艺具有CMOS工艺兼容性，易于集成和扩展，方便低成本制造，可应用于片上高密度集成的光互连系统。
本发明的有益效果是：
1、结合反对称布拉格波导光栅和非对称渐变定向耦合器实现了光信号分插复用功能，具有插损小和容差大等特点。
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通信系统。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是图1中条形波导的剖面图；
图3是图1中布拉格波导光栅的周期单元形状示意图；
图4是图1中布拉格波导光栅的俯视图；
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图中标识：
1、单模输入波导 2、输入渐变波导
3、下路耦合区 4、多模波导
5、反对称布拉格波导光栅 6、输出渐变波导
7、上路耦合区 8、上路渐变波导
9、 单模输出波导 10、上路单模波导
11、下路渐变波导 12、下路单模波导。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，包括单模输入波导（1）、输入渐变波导（2）、下路耦合区（3）、多模波导（4）、反对称布拉格波导光栅（5）、输出渐变波导（6）、上路耦合区（7）、上路渐变波导（8）、单模输出波导（9）、上路单模波导（10）、下路渐变波导（11）和下路单模波导（12），其中输入渐变波导（2）和下路渐变波导（11）间的耦合区为下路耦合区（3），输出渐变波导（6）和上路渐变波导（8）间的耦合区为上路耦合区（7），输入渐变波导（2）两端分别与单模输入波导（1）和多模波导（4）连接，输出渐变波导（6）两端分别与单模输出波导（9）和多模波导（4）连接，下路渐变波导（11）与下路单模波导（12）连接，上路渐变波导（8）与上路单模波导（10）连接，所述的反对称布拉格波导光栅（5）位于多模波导（4）上，呈反对称分布；TE光从单模输入波导（1）输入，输入渐变波导（2）将其转换为多模波导（4）的TE基模，反对称布拉格波导光栅（5）把满足相位匹配条件波长的入射光反向耦合为多模波导（4）中的TE一阶模的反射光，该反射光通过下路耦合区（3）时被转换为下路端的下路单模波导（12）的TE模，从下路端输出，把不满足相位匹配条件波长的透射光通过输出渐变波导（6）从单模输出波导（9）输出；同样的，上路光从上路单模波导（10）输入，上路耦合区（7）将其转换为多模波导（4）的TE一阶模，反对称布拉格波导光栅（5）把满足相位匹配条件波长的上路光反向耦合为多模波导（4）中的TE基模的反射光，该反射光通过输出渐变波导（6）时被转换为单模输出波导（9）的TE模，从输出端单模输出波导（9）输出，本发明实现了光信号的分插复用功能，具有结构简单，尺寸紧凑和容差大等优点，制作工艺具有CMOS工艺兼容性，易于集成和扩展，方便低成本制造，可应用于片上高密度集成的光互连系统。
所述的输入渐变波导（2）由渐变的条形波导组成，功能是将单模输入波导（1）的TE模转换为多模波导（4）的TE基模；输入渐变波导（2）和下路渐变波导（11）组成下路耦合区（3）；
所述的输出渐变波导（6）的结构和输入渐变波导（2）结构一致，功能是将多模波导（4）的TE基模转换为单模输出波导（9）的TE模；输出渐变波导（6）和上路渐变波导（8）组成上路耦合区（7）；
所述的反对称布拉格波导光栅（5）的周期性折射率微扰区对称设在多模波导（4）的两侧边上，呈反对称分布；当多模波导（4）中入射光波长满足相位匹配条件的TE基模通过反对称布拉格波导光栅（5）时，被反向耦合为多模波导（4）的TE一阶模，该TE一阶模的反射光通过下路耦合区（3）时被转换为下路单模波导（12）的TE模，从输出端下路单模波导（12）输出；而当多模波导（4）中波长不满足相位匹配条件的TE基模的透射光通过反对称布拉格波导光栅（5）时，该透射光不会受到反对称布拉格波导光栅（5）的影响，继续向前传输，通过输出渐变波导（6）时，被转换为单模输出波导（9）的TE模，从输出端单模输出波导（9）输出；当上路光从上路单模输入波导（10）中输入，通过上路耦合区（7）时，被转换为多模波导（4）的TE一阶模，波长满足相位匹配条件的TE一阶模通过反对称布拉格波导光栅（5）时，被反向耦合为多模波导（4）的TE基模的反射光，该反射光通过输出渐变波导（6）时，被转换为单模输出波导（9）的TE模，从输出端单模输出波导（9）输出。
如图1、图3和图4所示，所述的反对称布拉格波导光栅（5）是通过在波导上刻蚀一维矩形周期单元形成的，反对称布拉格波导光栅（5）的周期满足多模波导（4）的TE基模反向耦合到TE一阶模的相位匹配条件。
为满足多模波导（4）TE模反向耦合到TE一阶模的要求，需要设计布拉格波导光栅周期，可以通过以下公式获得
(1)
式中Λ为光栅周期，为多模波导TE基模的传播常数，为多模波导TE一阶模式的传播常数。
如图1所示一种实施例，本发明一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，由单模波导、渐变波导、多模波导和反对称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中的所有单模波导1、9、10、12，渐变波导2、6、8、11，多模波导4和布拉格波导光栅5，皆采用图2所示的条形波导。
实施例：
如图1、图2和图4所示，采用顶层硅厚为220 nm、氧化硅埋层2µm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，制作出高度为220 nm的条形波导，其中单模输入波导和单模输出波导宽度为600nm，多模波导宽为1100 nm，输入渐变波导宽度由600 nm变化到1100 nm，变化长度为100µm，下路渐变波导宽度由100 nm变化到450 nm，变化长度为100µm，输入渐变波导与下路渐变波导的间隔为100 nm，输出渐变波导和输入渐变波导结构相同，上路渐变波导与下路渐变波导结构相同，多模波多模波导的两侧边刻蚀反对称结构的布拉格波导光栅，矩形光栅齿为150 nm，其周期为318 nm，布拉格波导光栅的长度为300 μm。波导刻蚀完毕后，用PECVD生长1µm厚度的二氧化硅，作为覆盖层。
上述实施例中的光栅周期参数是针对工作波长为1550 nm，1100 nm宽度的多模条形波导设计的，器件也适合其它工作波长和宽度的多模条形波导，也适用于不同的顶层硅厚度的条形波导，只需改变渐变型波导的尺寸和设计不同的光栅周期参数，即可实现光分插复用功能。整个器件只需一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 (10)

1.一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，其特征在于：包括单模输入波导、输入渐变波导、下路耦合区、多模波导、反对称布拉格波导光栅、输出渐变波导、上路耦合区、上路渐变波导、单模输出波导、上路单模波导、下路渐变波导和下路单模波导，其中输入渐变波导和下路渐变波导间的耦合区为下路耦合区，输出渐变波导和上路渐变波导间的耦合区为上路耦合区，输入渐变波导两端分别与单模输入波导和多模波导连接，输出渐变波导两端分别与单模输出波导和多模波导连接，下路渐变波导与下路单模波导连接，上路渐变波导与上路单模波导连接，所述的反对称布拉格波导光栅位于多模波导上，呈反对称分布；TE光从单模输入波导输入，输入渐变波导将其转换为多模波导的TE基模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的入射光反向耦合为多模波导中的TE一阶模的反射光，该反射光通过下路耦合区时被转换为下路端的下路单模波导的TE模，从下路端输出，把不满足相位匹配条件波长的透射光通过输出渐变波导从单模输出波导输出；同样的，上路光从上路单模波导输入，上路耦合区将其转换为多模波导的TE一阶模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的上路光反向耦合为多模波导中的TE基模的反射光，该反射光通过输出渐变波导时被转换为单模输出波导的TE模，从输出端单模输出波导输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，其特征在于：所述的单模输入波导、输入渐变波导、多模波导、反对称布拉格波导光栅、输出渐变波导、上路渐变波导、下路渐变波导、单模输出波导、下路单模波导和上路单模波导，为条形波导。
3.根据权利要求1、2 所述的任意一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，其特征在于：所述的输入/出渐变波导的波导宽度渐变区发生在波导的一侧，波导另一侧保持不变。
4.根据权利要求1、2 所述的任意一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，其特征在于：所述输入渐变波导和输出渐变波导结构完全一致。
5.根据权利要求1、2 所述的任意一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，其特征在于：所述的下路渐变波导的波导宽度渐变区发生在波导的一侧，波导另一侧保持不变。
6.根据权利要求1、2 所述的任意一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，其特征在于：所述下路渐变波导和上路渐变波导结构完全一致。
7.根据权利要求1、2 所述的任意一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，其特征在于：所述由输入渐变波导和下路渐变波导组成的下路耦合区，该下路渐变波导在输入渐变波导的一侧，两波导的非渐变侧边相对，保持两波导间隔不变。
8.根据权利要求1、2 所述的任意一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，其特征在于：所述由输出渐变波导和上路渐变波导组成的上路耦合区，该上路渐变波导在输出渐变波导的一侧，两波导的非渐变侧边相对，保持两波导间隔不变。
9.根据权利要求1、2 所述的任意一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，其特征在于：所述的反对称布拉格波导光栅的周期满足将多模波导中的TE基模和TE一阶模相互发生耦合的相位匹配条件。
10.根据权利要求1、2 所述的任意一种基于反对称多模布拉格波导光栅的光分插复用器，其特征在于：该反对称布拉格波导光栅的周期性折射率微扰区在多模波导的两侧边上，所述构成布拉格波导光栅的周期单元形状均为矩形。
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