CN107092056B - 一种波分复用/解复用器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种波分复用/解复用器及其制作方法，波分复用/解复用器包括第一光传播端、多模干涉区和两个第二光传播端，所述多模干涉区的水平方向上的一端与所述第一光传播端连通，所述多模干涉区的水平方向上的另一端分别与两个第二光传播端连通；多模干涉区中设有光栅，且光栅沿光载波信号在多模干涉区中传播方向设置。本发明有效减小了器件整体尺寸，同时降低了应用该波分复用/解复用器进行波分复用或解复用处理时的损耗、提高了工作带宽，进而使得该波分复用/解复用器易于集成，在集成光电子领域具有很高的应用价值。

Description

一种波分复用/解复用器及其制作方法
技术领域
本发明涉及集成光电子器件领域，具体涉及一种波分复用/解复用器及其制作方法。
背景技术
在光纤通信领域中，波分复用/解复用器是非常重要的一个组件。研究人员已经提出了多种波分复用/解复用器的结构，包括多模干涉耦合器(multimode-interferencecoupler)、微环谐振腔(micro ring resonator)，光栅耦合器(grating coupler)等，而其中多模干涉耦合器的方案因为结构简单、设计方便而被广泛采用。
目前的基于多模干涉耦合器的波分复用/解复用器的一半采用水平式沟道波导(horizontal slot waveguide)或条形波导制成，但由于这两种波分复用/解复用器结构中多模干涉区的长度均过长，甚至超过 110μm，而增加了波分复用/解复用器整体的集成难度及成本。
因此，如何降低波分复用/解复用器整体的集成难度，是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种波分复用/解复用器及其制作方法，有效减小了器件整体尺寸，同时降低了应用该波分复用/解复用器进行波分复用或解复用处理时的损耗、提高了工作带宽。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种波分复用/解复用器，其特征在于，所述波分复用/解复用器包括第一光传播端、多模干涉区和两个第二光传播端，所述多模干涉区的水平方向上的一端与所述第一光传播端连通，所述多模干涉区的水平方向上的另一端分别与两个第二光传播端连通；
所述多模干涉区中设有光栅，且所述光栅沿光信号在所述多模干涉区中传播方向设置；
在所述波分复用/解复用器进行波分解复用处理时，两种不同波长的光信号经所述第一光传播端输入所述多模干涉区后分别经两个第二光传播端输出，以及，在所述波分复用/解复用器进行波分复用处理时，两种不同波长的光信号分别经两个第二光传播端输入多模干涉区后均经所述第一光传播端输出。
进一步地，光栅结构使得波长A的拍长LA和波长B的拍长LB均缩短，并满足(p+1):p的比例关系，其中的p为正整数；取光栅总长度为pLA即(p+1)LB。
进一步地，所述第一光传播端、多模干涉区和两个第二光传播端均为光波导；
其中，所述多模干涉区的光波导为多模波导，且所述光栅与该多模波导的长度相同。
进一步地，所述光栅的光栅周期长度Λ小于在所述光栅中进行传播的光信号的波长。
进一步地，所述第一光传播端和第二光传播端与所述多模干涉区之间均设有宽度渐变区。
进一步地，所述光波导为沟道波导、脊波导或条形波导，且所述光波导的材料为电介质、半导体或有机物。
进一步地，所述电介质为二氧化硅、二氧化钛或氧化镓。
进一步地，所述半导体为硅、锗、氮化硅或三五族光电子化合物，其中的所述三五族光电子化合物为磷化铟或氮化镓。
另一方面，本发明还提供一种制作所述的波分复用/解复用器的方法，所述方法包括：
根据光信号确定光栅的制作参数，并根据所述光栅的制作参数制作得到光栅；
根据所述光栅确定多模干涉区的水平长度，并制作得到所述多模干涉区；
以及，将所述光栅沿光信号在所述多模干涉区中传播方向设置在所述多模干涉区内，并依次连通所述第一光传播端、多模干涉区和两个第二光传播端。
进一步地，所述根据光信号确定光栅的制作参数，并根据所述光栅的制作参数制作得到光栅，包括：
预设多模干涉区宽度和光栅周期，其中，光栅周期小于多模干涉区中传播的光波长，通过设置光栅的槽宽和光栅宽度调节入射光信号在多模干涉区中的拍长LA和LB，使得拍长比例满足(p+1):p，进而确定所述光栅的总长度，即多模干涉区的长度为pLA即(p+1)LB，其中，所述p为正整数；
根据所述光栅的总长度及预设的光栅周期长度，确定所述光栅的个数；
以及，根据所述光栅的总长度、光栅周期长度、光栅个数、槽宽以及光栅的宽度值，制作得到所述光栅。
由上述技术方案可知，本发明所述的一种波分复用/解复用器及其制作方法，波分复用/解复用器包括第一光传播端、多模干涉区和两个第二光传播端，所述多模干涉区的水平方向上的一端与所述第一光传播端连通，所述多模干涉区的水平方向上的另一端分别与两个第二光传播端连通；多模干涉区中设有光栅，且光栅沿光信号在多模干涉区中传播方向设置。本发明有效减小了器件整体尺寸，同时降低了应用该波分复用/解复用器进行波分复用或解复用处理时的损耗、提高了工作带宽，进而使得该波分复用/解复用器易于集成，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一中的一种波分复用/解复用器的结构示意图；
图2为本发明的应用实例中的一种波分复用/解复用器的参数分布示意图；
图3为本发明的应用实例中的波分复用/解复用器中波长为 1310nm的光的电场幅度分布示意图；
图4为本发明的应用实例中的波分复用/解复用器中波长为 1550nm的光的电场幅度分布示意图；
图5为本发明的应用实例中的仿真得到的透过率(Transmission) 与入射光波波长(Wavelength)的关系示意图；
图6为本发明实施例二中的一种波分复用/解复用器的制作方法的流程示意图；
图7为本发明实施例二中的制作方法中步骤100的流程示意图；
其中，1-第一光传播端；2-第二光上传播端；3-第二光下传播端； 4-多模干涉区；5-光栅。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例一提供了一种波分复用/解复用器的具体实施方式，参见图1，所述波分复用/解复用器具体包括如下内容：
所述波分复用/解复用器包括第一光传播端1、多模干涉区4和两个第二光传播端，所述多模干涉4区的水平方向上的一端与所述第一光传播端1连通，所述多模干涉区4的水平方向上的另一端分别与两个第二光传播端连通，两个第二光传播端分别为：第二光上传播端2 和第二光下传播端3；所述多模干涉区中设有光栅5，且所述光栅5沿光信号在所述多模干涉区4中传播方向设置。可以理解的是，所述第一光传播端和第二光传播端与所述多模干涉区之间设有宽度渐变区；在所述波分复用/解复用器进行波分解复用处理时，第一光传播端1为波分复用/解复用器的光输入端，第二光上传播端2和第二光下传播端 3为波分复用/解复用器的光输出端，两种波长不同的光信号经所述第一光传播端1输入所述多模干涉区4后分别经第二光上传播端2和第二光下传播端3输出；在所述波分复用/解复用器进行波分复用处理时，第二光上传播端2和第二光下传播端3为波分复用/解复用器的光输入端，第一光传播端1为波分复用/解复用器的光输出端，两种波长不同的光信号分别经第二光上传播端2和第二光下传播端3输入多模干涉区4后均经所述第一光传播端1输出。
可以理解的是，多模干涉区中设有光栅5，根据光栅5对波导模式等效折射率的调控作用，使得两种光信号对应的拍长均缩短，同时减小了p值，进而缩短多模干涉区4的长度。
从上述描述可知，本发明的实施例提供一种波分复用/解复用器，有效减小了器件整体尺寸，同时降低了应用该波分复用/解复用器进行波分复用或解复用处理时的损耗、提高了工作带宽，进而使得该波分复用/解复用器易于集成。
在一种具体实施方式中，所述第一光传播端1、多模干涉区4和第二光上传播端2和第二光下传播端3均由光波导制备而成，且其中的所述多模干涉区4的光波导为多模波导，且所述光栅5的总长度与多模干涉区4长度一致。由此可确定光栅5中单位平行刻痕的个数为多模干涉区长度除以光栅周期；该多模波导至少支持2种干涉模式在多模干涉区中发生干涉作用；所述光波导为沟道波导、脊波导或条形波导，且所述光波导的材料为电介质、半导体或有机物；所述电介质为二氧化硅、二氧化钛或氧化镓；所述半导体为硅、锗、氮化硅或三五族光电子化合物，其中的所述三五族光电子化合物为磷化铟或氮化镓。
在一种具体实施方式中，所述光栅5的光栅周期长度Λ小于在所述光栅5中进行传播的光信号的波长，利用光栅对波导模式等效折射率的调控作用使得波长A的拍长LA和波长B的拍长LB均缩短，并满足(p+1):p的比例关系，其中的p为正整数；取光栅的总长度即多模干涉区长度为pLA即(p+1)LB。
在具体应用中，可根据实际的加工条件来确定多模波导宽度，减小宽度，可以缩短多模干涉区域长度，从而减小整个波分复用/解复用器的尺寸，易于集成。
在具体应用中，可根据实际的加工条件以及波长A的拍长和波长B 的拍长均缩短，并满足(p+1):p的比例关系(其中p为正整数)来确定光栅结构的结构参数，如图3所示光栅的周期长度Λ，光栅槽宽a以及光栅宽度ws。拍长为多模干涉结构中，输入端距离第一个单自镜像点(first single self-image)之间的水平距离。
相比于现有技术，本发明的波分复用/解复用器，利用光栅对波导模式等效折射率的调控作用，使得波长A的拍长和波长B的拍长均缩短，并满足(p+1):p的比例关系(其中p为正整数)，从而在较短长度内即可实现波长复用/解复用。
从上述描述可知，本发明的实施例公开的波分复用/解复用器具有器件尺寸小，损耗小，消光比高，工作带宽大，易于加工、集成的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
为进一步的说明本方案，本发明还提供了一种波分复用/解复用器的应用实例，波分复用/解复用器具体包括如下内容：
参见图2，以波分复用/解复用器的外部包层为二氧化硅的绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)材料为例，通过时域差分方法(finite difference time domain，FDTD)数值仿真示出了波分复用/解复用器结构中光场能流的分布情况。
在所述波分复用/解复用器进行波分解复用处理时，如图3所示的波长为1310nm的一种光信号从波分复用/解复用器的第一光传播端1 入射，经过多模干涉区4，从第二光上传播端2输出；波长为1550nm 的光从波分复用/解复用器的第一光传播端1入射到波分复用/解复用器中，经过多模干涉区4，从第二光下传播端3输出。波长为1310nm和 1550nm这两种光从左边的第一光传播端1输入，而1310nm的拍长 L1310和1550nm的拍长L1550满足3:2的比例关系，此时多模干涉区长度为2 L1310即3 L1550，所以波长为1310nm和1550nm这两种光从右边的第二光上传播端2和第二光下传播端3分别输出，即波分复用/解复用器实现了波长解复用功能。
在所述波分复用/解复用器进行波分复用处理时，当如图4所示的 1310nm和1550nm这两种波长的光分别从右边的第二光上传播端2 和第二光下传播端3输入时，均可以从左边的第一光传播端1输出，即可以实现波长复用功能。
多模干涉区4中，波导中间位置分布有预设数量的光栅结构。多模干涉区4和第一光传播端1以及第二光上传播端2和第二光下传播端3之间设置有宽度渐变区Lt，即条状波导的宽度从w变为wt(或从 wt变为w)，以减少模式转换损耗。
仿真过程中采用的结构参数为：SOI的顶硅厚度为220nm；第一光传播端1和第二光传播端2、3的条形波导的宽度w为450nm；第一光传播端1和第二光传播端2、3的条形波导渐变后的渐变区的长度Lt为5μm，渐变区的宽度wt为0.9μm；多模干涉区4的宽度wm为2μm，多模干涉区4的长度Lm为43.4μm；光栅的周期Λ为180nm，光栅槽宽a为60nm，光栅横向宽度ws为60nm。整个多模干涉区包含241个光栅周期。
该应用实例中1310nm的拍长为21.70μm，1550nm的拍长为 14.46μm，满足3:2的关系。所以整个多模干涉区的长度Lm为 21.7×2≈14.46×3≈43.4μm。而没有光栅结构，其他参数相同时，1310nm 的拍长为36.5μm，1550nm的拍长为29.5μm，基本满足5:4的关系，即需要大约146μm的长度。可以看出光栅结构的引入使得拍长减小，并且p的取值更小，所以器件长度更短。
如图5所示，当入射光波长在1200nm至1650nm范围内变化时，仿真得到的波分复用/解复用器的传输曲线在波长1310nm和1550nm 处，两个输出端之间的消光比分别达到22.27dB和20.18dB。此时的插入损耗分别为0.09dB和0.08dB。对于这两个输出端口来说，1dB的带宽分别达到了约150nm和120nm。由此可见本发明的应用实例提供的波分复用/解复用器具有很大的工作带宽，并且该带宽达到ITU983.3标准，足以满足集成光电子系统的应用。
从上述描述可知，本发明的应用实例提供的波分复用/解复用器，利用光栅对波导模式等效折射率的调控作用，使得1310nm的拍长L1310和1550nm的拍长L1550满足3:2的比例关系，取多模干涉区长度为2 L1310即3*L1550时，它们从右边的第二光上传播端2和第二光下传播端3分别输出，从而实现波长分束。本设计具有器件尺寸小，损耗小，消光比高，工作带宽大的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
本发明的实施例二提供了一种用于制作上述波分复用/解复用器的制作方法的一种具体实施方式，参见图6，所述波分复用/解复用器的制作方法具体包括如下内容：
步骤100：根据光信号确定光栅的制作参数，并根据所述光栅的制作参数制作得到光栅。
步骤200：根据所述光栅确定多模干涉区的水平长度，并制作得到所述多模干涉区。
步骤300：将所述光栅沿光信号在所述多模干涉区中传播方向设置在所述多模干涉区内，并依次连通所述第一光传播端、多模干涉区和两个第二光传播端。
从上述描述可知，本发明的实施例提供一种波分复用/解复用器，有效减小了器件整体尺寸，同时降低了应用该波分复用/解复用器进行波分复用或解复用处理时的损耗、提高了工作带宽，进而使得该波分复用/解复用器易于集成。
在一种具体实施方式中，上述用于制作上述波分复用/解复用器的制作方法中的步骤100的一种具体实施方式，参见图7，所述步骤100 具体包括如下内容：
步骤101：预设多模干涉区宽度和光栅周期，其中，光栅周期小于多模干涉区中传播的光波长，通过设置光栅的槽宽和光栅宽度调节入射光信号在多模干涉区中的拍长LA和LB，使得拍长比例满足(p+1):p，进而确定所述光栅的总长度，即多模干涉区的长度为pLA即(p+1)LB，其中，所述p为正整数。
可以理解的是，光栅周期要小于其中传播的光波长，保证光在其中传播不会发生明显衍射或反射。
步骤102：根据所述光栅的总长度及预设的光栅周期长度，确定所述光栅的个数。
步骤103：根据所述光栅的总长度、光栅周期长度、光栅个数、槽宽以及光栅的宽度值，制作得到所述光栅。
从上述描述可知，本发明的实施例公开的波分复用/解复用器具有器件尺寸小，损耗小，消光比高，工作带宽大，易于加工、集成的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种波分复用/解复用器，其特征在于，所述波分复用/解复用器包括第一光传播端、多模干涉区和两个第二光传播端，所述多模干涉区的水平方向上的一端与所述第一光传播端连通，所述多模干涉区的水平方向上的另一端分别与两个第二光传播端连通；
所述多模干涉区中设有光栅，且所述光栅沿光信号在所述多模干涉区中传播方向设置；
在所述波分复用/解复用器进行波分解复用处理时，两种不同波长的光信号经所述第一光传播端输入所述多模干涉区后分别经两个第二光传播端输出，以及，在所述波分复用/解复用器进行波分复用处理时，两种不同波长的光信号分别经两个第二光传播端输入多模干涉区后均经所述第一光传播端输出。
2.根据权利要求1所述的波分复用/解复用器，其特征在于，光栅结构使得波长A的拍长LA和波长B的拍长LB均缩短，并满足(p+1):p的比例关系，其中的p为正整数；取光栅总长度为pLA即(p+1)LB。
3.根据权利要求1所述的波分复用/解复用器，其特征在于，所述第一光传播端、多模干涉区和两个第二光传播端均为光波导；
其中，所述多模干涉区的光波导为多模波导，且所述光栅与该多模波导的长度相同。
4.根据权利要求1所述的波分复用/解复用器，其特征在于，所述光栅的光栅周期长度Λ小于在所述光栅中进行传播的光信号的波长。
5.根据权利要求1所述的波分复用/解复用器，其特征在于，所述第一光传播端和第二光传播端与所述多模干涉区之间均设有宽度渐变区。
6.根据权利要求3所述的波分复用/解复用器，其特征在于，所述光波导为沟道波导、脊波导或条形波导，且所述光波导的材料为电介质或半导体。
7.根据权利要求6所述的波分复用/解复用器，其特征在于，所述电介质为二氧化硅、二氧化钛或氧化镓。
8.根据权利要求6所述的波分复用/解复用器，其特征在于，所述半导体为硅、锗、氮化硅或三五族光电子化合物，其中的所述三五族光电子化合物为磷化铟或氮化镓。
9.一种制作如权利要求1至8任一项所述的波分复用/解复用器的方法，其特征在于，所述方法包括：
根据光信号确定光栅的制作参数，并根据所述光栅的制作参数制作得到光栅；
根据所述光栅确定多模干涉区的水平长度，并制作得到所述多模干涉区；
以及，将所述光栅沿光信号在所述多模干涉区中传播方向设置在所述多模干涉区内，并依次连通所述第一光传播端、多模干涉区和两个第二光传播端。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据光信号确定光栅的制作参数，并根据所述光栅的制作参数制作得到光栅，包括：
预设多模干涉区宽度和光栅周期，其中，光栅周期小于多模干涉区中传播的光波长，通过设置光栅的槽宽和光栅宽度调节入射光信号在多模干涉区中的拍长LA和LB，使得拍长比例满足(p+1):p，进而确定所述光栅的总长度，即多模干涉区的长度为pLA即(p+1)LB，其中，所述p为正整数；
根据所述光栅的总长度及预设的光栅周期长度，确定所述光栅的个数；
以及，根据所述光栅的总长度、光栅周期长度、光栅个数、槽宽以及光栅的宽度值，制作得到所述光栅。
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