CN106405730B - 一种硅基粗波分器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基粗波分器件，包括输入波导，表面分布有圆柱状小孔的多模波导，第一输出波导和第二输出波导；所述多模波导的输入端连接所述输入波导，所述多模波导的第一输出端连接所述第一输出波导，所述多模波导的第二输出端连接所述第二输出波导；光从所述输入波导注入后进入所述多模波导中，光的传输路线与方向被所述多模波导中的所述圆柱状小孔调控，不同波长的光行进路线不同，从而实现波长分离；所述第一输出波导和所述第二输出波导用于将不同波长的光传输出去。本发明采用SWG结构，在亚波长尺度上精准调节硅基波导的结构组成，实现低损耗低串扰且尺寸极小的硅基粗波分器件。

Description

一种硅基粗波分器件
技术领域
本发明属于集成光子学领域，具体涉及一种基于硅基平面光波导的粗波分复用器/解复用器。
背景技术
粗波分复用(Coarse Wavelength Division Multiplexing,CWDM)是一种广泛应用于城域网的低成本波分复用技术。它通过利用光复用器将在不同光纤中传输的光信号复用到一根光纤中进行传输,在链路的接收端,利用解复用器将分解后的不同波长的光信号传送到相应的接收设备。
基于硅基平面波导的粗波分复用器/解复用器，具有结构简单、集成度高、与CMOS兼容等特性，正受到越来越多的关注。目前常规的硅基波分复用器/解复用器，主要是基于阵列波导光栅(AWG)、刻蚀衍射光栅(EDG)、马赫泽德干涉仪(MZI)等结构。然而，这些器件普遍存在着尺寸较大(从数十平方微米到数百平方微米不等)、损耗大、串扰大等缺点，限制了它们的应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种硅基波导粗波分器件，旨在解决现有的粗波分复用器/解复用器尺寸大、损耗大、串扰大的问题。
本发明提供了一种硅基粗波分器件，包括：输入波导，表面分布有圆柱状小孔的多模波导，第一输出波导和第二输出波导；所述多模波导的输入端连接所述输入波导，所述多模波导的第一输出端连接所述第一输出波导，所述多模波导的第二输出端连接所述第二输出波导；光从所述输入波导注入后进入所述多模波导中，光的传输路线与方向被所述多模波导中的所述圆柱状小孔调控，不同波长的光行进路线不同，从而实现波长分离；所述第一输出波导和所述第二输出波导用于将不同波长的光传输出去。
更进一步地，所述多模波导包括：边界波导和耦合区域，所述耦合区域包括M×N个大小相同的像素块，像素块与水平面平行的面为正方形，每个像素块尺寸为x0×x0×h，M为平行于输入波导方向的像素块个数；N为垂直于输入波导方向的像素块个数，x0为像素块在水平方向的边长，h为像素块的高度。
更进一步地，多模波导的长度L1＝M×x0+2×W3，多模波导的宽度W2＝N×x0+2×W3；其中，W3为边界波导宽度，x0为正方形像素块在水平方向的边长，M为平行于输入波导方向的像素块个数；N为垂直于输入波导方向的像素块个数。
更进一步地，边界波导宽度范围为：60nm＜W3＜200nm。
更进一步地，正方形像素块在水平方向的边长范围为：60nm＜x0＜200nm。
更进一步地，输入波导的宽度、第一输出波导的宽度和第二输出波导的宽度均相同。
更进一步地，300nm＜W1＜600nm，W1为输入波导的宽度。
更进一步地，第一输出波导的高度和所述第二输出波导的高度相同，100nm＜h＜500nm，h为所述第一输出波导的高度。
更进一步地，第一输出波导与所述第二输出波导之间的间距y0＞W1/2，W1为输入波导的宽度。
更进一步地，多模波导中圆柱小孔的底面半径满足20nm＜r＜x0/2，孔深度满足60nm＜d≤h。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明采用SWG结构，在亚波长尺度上精准调节硅基波导的结构组成，实现低损耗低串扰且尺寸极小的硅基粗波分器件。由于SWG对于器件结构的设计处于亚波长量级(百纳米级)，远小于常规波分器件的设计尺度(数十甚至数百微米级)，因而本发明提出的波分器件尺寸远远小于常规器件。除此之外，不断对器件结构进行调整改进，器件性能不断得到增强，趋向最优，进而获得更小的损耗、更小的串扰。
附图说明
图1为本发明提出的波分解复用器结构的结构示意图。
图2为多模波导的构成示意图。
图3(a)为像素块刻蚀状态的俯视图与截面图，图3(b)为像素块完整状态的俯视图与截面图。
图4(a)为波分解复用器的初始状态，图4(b)为经过优化之后的像素块状态分布。
图5(a)1550nm波长的光在图4(b)所示结构中的传输情况，图5(b)1570nm波长的光在图4(b)所示结构中的传输情况。
图6为本发明提出的粗波分解复用器的实验测量谱线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为实现上述目的，本发明采用SWG结构，利用优化算法，在亚波长尺度上精准调节硅基波导的结构组成，实现低损耗低串扰且尺寸极小的粗波分复用器/解复用器。由于SWG对于器件结构的设计处于亚波长量级(百纳米级)，远小于常规波分器件的设计尺度(数十甚至数百微米级)，因而本发明提出的波分器件尺寸远远小于常规器件。除此之外，通过优化算法不断对器件结构进行调整改进，器件性能不断得到增强，趋向最优，进而获得更小的损耗、更小的串扰。
本发明基于亚波长光栅(SWG)的结构设计方法为解决这些问题提供了一种新的方案。其原理是：通过在亚波长尺度下调节硅基波导的组成，更灵活地调控光的传输路径，使得光在经过极短距离的传输后，即可高效实现所需的器件功能。
如图1所示，本发明提出的波分解复用器结构包括：一根输入波导11，一个表面分布圆柱状小孔的多模波导12，两根输出波导13，14。输入波导、多模波导、输出波导依次排列，无缝连接。光从输入波导注入；在多模波导中，光的传输路线与方向受圆柱状小孔的调控，不同波长的光行进路线不同，从而实现波长分离；输出波导用于将不同波长的光传输出去。
输入波导、输出波导宽度相同，均为W1；多模波导长度为L1，宽度为W2；圆柱状小孔底面半径r、深度d；两根输出波导的间距为y0。输入波导、多模波导、输出波导高度均为h。由光路的可逆性可知，当光从解复用器的输出端输入，从解复用器的输入端输出时，该器件即可实现复用功能。
为方便设计，将多模波导分为边界波导，耦合区域(虚线框表示)两部分，如图2所示。实际工艺条件下，由于邻近效应，刻蚀出的小孔尺寸与设计值往往存在一定偏差。靠近波导边缘处，小孔孔径变大，将可能使得波导边缘被刻穿，因而，划分出边界波导，有助于保护波导边缘的完整性。边界波导宽度设为W3。
耦合区域由M×N个大小相同的像素块组成，像素块与水平面平行的面为正方形，每个像素块尺寸为x0×x0×h，则多模波导长度为L1＝M×x0+2×W3，宽度为W2＝N×x0+2×W3。每个像素块具有两种状态：(1)刻蚀状态，指在像素块正中间刻蚀出一个底面半径r、深度d的的圆柱状小孔；(2)完整状态，指不对像素块做任何处理，像素块为一个完整的六面体。像素块在每种状态下俯视图、截面图如图3所示。
本发明提出的波分复用器/解复用器设计步骤包括：
(1)对每个像素块赋予一个随机初始状态：刻蚀状态或完整状态；
(2)根据设计目标，利用优化算法，不断改变每一个所述像素的状态，计算新的输出光谱，若新的输出光谱比原输出光谱更接近目标输出，则保留改变后的状态，否则像素块恢复改变前的状态。
本发明提出的波分器件用于实现波长为λ1、λ2的两路光的分离。理想情况下，两路光均从输入波导输入，波长λ1的光完全从输出波导13输出，端口14中没有波长λ1的光输出；波长λ2的光完全从输出波导14输出，端口13中没有波长λ2的光输出。为方便设计，定义一个参数T用于衡量器件性能；其中上式中，表示波长为λ1的光从输出波导13输出的透射率，表示波长为λ1的光从输出波导14输出的透射率，表示波长为λ2的光从输出波导13输出的透射率，表示波长为λ2的光从输出波导14输出的透射率。T的值越大，表示器件性能与理想情况越接近。
波分器件的主要性能指标包括：损耗，串扰，分别定义如下：可以看出，T的值越大，器件性能越接近理想情况，则λ1、λ2的两路光在目标输出波导的透射率越大，在非目标输出波导的透射率越小。此时，λ1、λ2两路光的损耗越小，且串扰也越小。
(3)经过多次迭代后，当再也无法通过改变像素块的状态，使得新的输出光谱更接近目标输出时，认为此时得到最优的像素块阵列分布。
在本发明实施例中，波导高度满足100nm＜h＜500nm，此为常规硅基波导的顶层硅厚度。输入波导、输出波导宽度满足300nm＜W1＜600nm，以保证光以单模形式传输。两根输出波导的间距满足y0＞W1/2。边界波导宽度满足60nm＜W3＜200nm，以电子束光刻工艺为例，其邻近效应导致的尺寸误差为±20nm，边界波导在该范围内的取值可保证多模波导边缘不被刻穿。正方形像素块在水平方向的边长需满足60nm＜x0＜200nm，该范围既保证了设计尺度为亚波长量级(＜200nm)，同时也满足实际工艺条件。刻蚀状态下，圆柱小孔的底面半径满足20nm＜r＜x0/2，小于20nm的小孔工艺实现难度较大，r＜x0/2的限制使得小孔的尺寸不超出单个像素块。孔深度满足60nm＜d≤h，小孔深度过浅，刻蚀工艺较难实现。
在本发明实施例中，设计步骤(2)所使用的优化算法可以为模拟退火法、直接二进制算法、粒子群算法等。
下面以参数：
W1＝450nm,W3＝100nm,x0＝120nm,h＝220nm,r＝40nm,d＝133nm,M＝20,N＝40为例，说明基于亚波长平面波导的粗光波分复用器/解复用器的实现过程。根据CWDM的信道标准，用于复用/解复用的两路光波长设定为λ1＝1550nm、λ1＝1570nm。设计目标设置为：1550nm波长的光完全从端口1输出，从端口2中出射的1550nm波长的光功率为0；1570nm波长的光完全从端口2输出，从端口1中出射的1550nm波长的光功率为0。设计优化算法选用直接二进制算法。
图4(a)为像素块的起始状态，图4(b)为经过优化之后的像素块状态分布。图5为1550nm、1570nm两路波长的光信号在图4(b)对应的波导结构中的传输情况，灰度表示光的强弱。可以看出，通过在亚波长尺度优化波导结构，本发明提出的光解复用器高效地实现了光的粗波复用。图6为图4(b)所示结构的测量结果。在1550nm、1573nm处，该波分解复用器的损耗分别为-2.1dB、-2.3dB，串扰为-16.4dB、-17.6dB，3dB带宽为23nm、18nm，且器件尺寸极小，仅为2.6μm×5μm。这说明本发明基于亚波长波导提出的波分复用器/解复用器，具有损耗小、串扰低、带宽宽、尺寸小的优势。
所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种硅基粗波分器件，其特征在于，包括：输入波导(11)，表面分布有圆柱状小孔的多模波导(12)，第一输出波导(13)和第二输出波导(14)；
所述多模波导(12)的输入端连接所述输入波导(11)，所述多模波导(12)的第一输出端连接所述第一输出波导(13)，所述多模波导(12)的第二输出端连接所述第二输出波导(14)；
光从所述输入波导(11)注入后进入所述多模波导(12)中，光的传输路线与方向被所述多模波导(12)中的所述圆柱状小孔调控，不同波长的光行进路线不同，从而实现波长分离；所述第一输出波导(13)和所述第二输出波导(14)用于将不同波长的光传输出去；
其中，所述输入波导的宽度、第一输出波导的宽度和第二输出波导的宽度均相同；
所述圆柱状小孔的分布图案是基于两个输出目标波长而通过逆向设计得到。
2.如权利要求1所述的硅基粗波分器件，其特征在于，所述多模波导(12)包括：边界波导和耦合区域，所述耦合区域包括M×N个大小相同的像素块，像素块与水平面平行的面为正方形，每个像素块尺寸为x0×x0×h，
M为平行于输入波导方向的像素块个数；N为垂直于输入波导方向的像素块个数，x0为像素块在水平方向的边长，h为像素块的高度。
3.如权利要求2所述的硅基粗波分器件，其特征在于，所述多模波导(12)的长度L1＝M×x0+2×W3，所述多模波导(12)的宽度W2＝N×x0+2×W3；
其中，W3为边界波导宽度，x0为正方形像素块在水平方向的边长，M为平行于输入波导方向的像素块个数；N为垂直于输入波导方向的像素块个数。
4.如权利要求3所述的硅基粗波分器件，其特征在于，所述边界波导宽度范围为：60nm＜W3＜200nm。
5.如权利要求2所述的硅基粗波分器件，其特征在于，所述正方形像素块在水平方向的边长范围为：60nm＜x0＜200nm。
6.如权利要求1至5任一项所述的硅基粗波分器件，其特征在于，300nm＜W1＜600nm，W1为输入波导的宽度。
7.如权利要求1至5任一项所述的硅基粗波分器件，其特征在于，所述第一输出波导的高度和所述第二输出波导的高度相同，100nm＜h＜500nm，h为所述第一输出波导的高度。
8.如权利要求1至5任一项所述的硅基粗波分器件，其特征在于，所述第一输出波导与所述第二输出波导之间的间距y0＞W1/2，W1为输入波导的宽度。
9.如权利要求2至5任一项所述的硅基粗波分器件，其特征在于，所述多模波导(12)中圆柱小孔的底面半径满足20nm＜r＜x0/2，孔深度满足60nm＜d≤h。
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