CN107402489B - 点对称马赫-曾德尔干涉仪设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种点对称马赫‑曾德尔干涉仪(PSMZI)设备100，包括：三个连续的路径时延段PDS)，作为两个外部PDS 102和一个中心PDS 101，每个PDS 101、102包括上波导臂103和下波导臂104。所述PSMZI设备100也包括四个非对称耦合器(AC)，每个AC 105包括上波导部106和下波导部107。每个PDS 101、102的每一侧都直接设置有一个AC 105，且所述上下波导部106、107分别耦合至所述上下波导臂103、104。此外，在所述PDS 101、102一侧的所述AC 105与所述PDS 101、102另一侧的所述AC 105点对称；设置在所述中心PDS 101一侧的所述两个AC 105和所述一个外部PDS 102一起与设置在所述中心PDS 101另一侧的所述两个AC 105和所述一个外部PDS 102点对称。

Description

点对称马赫-曾德尔干涉仪设备
技术领域
本发明涉及一种点对称马赫-曾德尔干涉仪(Point-Symmetric Mach-Zehnder-Interferometer，PSMZI)设备、一种包括PSMZI设备的波长双工器设备以及一种PSMZI设备的制作方法。
背景技术
作为一种在电信、数据通讯、互联和传感中广泛应用的通用技术平台，硅光子学日益受到重视。硅光子学允许通过使用兼容CMOS的晶片级技术来实现低成本、优质硅衬底上的光子功能。然而，纯无源硅波导设备在插入损耗、相位噪声(导致信道串扰)和温度依存性方面的性能仍有限。这是由二氧化硅(silicon dioxide，SiO2)包层和硅(silicon，Si)核心之间的高折射率对比度、不均匀的Si层厚度和硅的高热光效应导致的。
基于氮化硅(silicon nitride，SiNx)的无源设备提供了优越的性能。经证实，低于0.1dB/cm的传播损耗适用于SiNx核心厚度为640nm的波导，甚至已证实，低于0.1dB/m的传播损耗适用于核心厚度为50nm的波导。另外，SiNx(n＝2)和SiO2(n＝1.45)与Si(n＝3.5)和SiO2(n＝1.45)之间略低的折射率对比度导致相位噪声较少，制作公差较大。这使得能够制作性能很高但仍很紧凑的光路，例如AWG或者环形谐振器。据报告，SiNx波导既是一种有源硅光子芯片上的高性能无源波导层，同时也是一种“独立的”无源光芯片。
在光纤接入(Fiber-To-The-X，FTTX)设备/装备，如OLT和ONU中，已知使用波长双工器来将上下游波段与单输入光纤分离开来。ITU标准要求波长双工在宽波段上的损耗和串扰都很低，从而以低成本实现。在FTTX设备/装备中使用(硅)光子集成电路(photonicintegrated circuit，PIC)会带来低成本、小尺寸、高可靠性的优势。
为了实现，例如，PIC双工器，已知基于硅光子学使用了多模干涉仪(multimodeinterferometer，MMI)、马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder-Interferometer，PSMZI)、环等。然而，对于所有这些结构，在大批量生产中要实现ITU指定的性能和高产率仍具挑战性。而且，在宽带双工器中已经使用了多阶段式级联MZI。随着级联阶段数量的增加，滤波器通带平坦度和信道间的隔离也随之增加。但是，与此同时，光子电路的复杂度和对制作误差的敏感度也随着阶段数量的增加而增加。
Hida等人(在1996年的《光波技术杂志(Journal of Lightwave Technology)》的第14卷第10期的第2301至2310页和在1998年《日本电子学与通信期刊》(Electronics andCommunications in Japan)第二部分的第81卷第4期的第19至28页)提出了针对宽带平顶波导(解)复用器的硅基PSMZI。该设计基于零臂差的MZI，该MZI具有由两个完全相同的耦合器MZI组成的两个耦合器段。耦合器MZI由对称(定向)耦合器(symmetric coupler，SC)实现。在这种SC中，耦合系数K(λ)的频谱响应在0-1之间周期变化。该耦合系数K(λ)及其对结构参数变化、温度变化等的敏感度可以通过设计SC的结构参数来进行整形。比如说，间隔距离、耦合器波导宽度、耦合器波导长度、弯曲波导宽度、锥长、波导厚度或者波导蚀刻厚度等都可以选择。
Takagi等人(在1992年的《光波技术杂志(Journal of Lightwave Technology)》的第10卷第12期的第1814至1824页)提出了三种硅基非对称(定向)耦合器(asymmetriccoupler，AC)，其具有系列锥型耦合结构，即分别为线对称系列锥(line-symmetricseries-tapered，LSST)型，点对称系列锥(point-symmetric series-tapered，PSST)型和不对称系列锥(non-symmetric series-tapered，NSST)型。这些AC专门设计用于波长不敏感耦合(wavelength-insensitive coupling，WINC)。
到目前为止，AC在PSMZI中的应用还未知。这是因为低折射率对比度平台在PIC制作中仍占主导，而AC的使用相比SC会大幅增加PSMZI设备的制作成本。
发明内容
本发明旨在进一步改善传统PSMZI。具体而言，本发明的目的在于提供一种性能改善且对制作误差敏感度较低的PSMZI设备。为此，本发明的目标是一种PSMZI设备，可以提供更多的设计灵活性。此外，将可以实现PSMZI设备和FTTX模块例如OLT和ONU的生产成本的大幅降低。
本发明的目标通过随附独立权利要求所提供的方案实现。本发明的有益实现形式进一步地在从属权利要求中限定。本质上，本发明提出了AC在PSMZI设备中的使用。
本发明的第一方面提供了一种PSMZI设备，包括：三个连续的路径时延段(pathdelay section，PDS)，作为两个外部PDS和一个中心PDS，每个PDS包括上波导臂和下波导臂；四个AC，每个AC包括上波导部和下波导部，其中，每个PDS的每一侧都直接设置有一个AC，且所述上下波导部分别耦合至所述上下波导臂；在所述PDS一侧的所述AC与在所述PDS另一侧的所述AC点对称；在所述中心PDS一侧的所述两个AC和所述一个外部PDS一起与设置在所述中心PDS另一侧的所述两个AC和所述一个外部PDS点对称。
与有效耦合长度和总长度之比等于1的SC相比，典型AC的有效耦合长度和总长度之比小于1。进一步地，AC的特征在于其交叉输出和直通输出之间的相位差不可能为90°。通过提供所述第一方面的所述PSMZI设备中所述AC的点对称设置，不对称的形状和几何结构在每个PDS的任一侧和所述中心PDS的任一侧翻转。相应地，来自单个AC的任一相位偏差得到补偿。因此，所述第一方面的所述PSMZI设备充分受益于AC带来的较大设计灵活性，而无任何缺点。
具体而言，通过在所述第一方面的所述PSMZI设备中所用所述AC，由于还有除了SC提供的设计参数以外的额外设计参数(比如，耦合波导宽度差)，引入了更多的设计灵活性。所述AC的额外设计参数可以用于对所述PSMZI设备内的耦合器的频谱响应进行整形。凭借在设计所述耦合器方面的附加自由度，可以实现更好的整体性能。具体地，每个AC的频谱响应可以整形成相较可比SC的频谱响应更接近最优设计。对于为平顶低串扰的宽带双工器设计的耦合来说，这尤其现实。
在所述第一方面的所述PSMZI设备中，因为在每个PDS的任一侧的任一对AC都是点对称的，所以在所述PSMZI设备制作过程中出现的尺寸误差同样也将会出现在所有AC中。这是因为所有AC结构在制作过程中彼此相对靠近。因此，任意尺寸误差间都会相互补偿。
根据所述第一方面，在所述设备的第一种实施形式中，所述中心PDS提供的路径差为0。
相应地，可以为所述PSMZI设备设计完全点对称结构。
根据如上所述第一方面或者所述第一方面的第一种实施形式，在所述设备的第二种实施形式中，一个外部PDS提供的路径差与另一个外部PDS在另一个波导臂上提供的路径差相同。
根据如上所述第一方面或者所述第一方面的前述实施形式中的任一种，在所述设备的第三种实施形式中，所有上波导臂的总路径长度与所有下波导臂的总路径长度相同。
相应地，所述PSMZI设备的整体结构变得完全点对称。
根据如上所述第一方面或者所述第一方面的任意前述实施形式，在所述设备的第四种实施形式中，设计所述四个AC和所述两个外部PDS，使得设置在所述中心PDS一侧的所述两个AC和所述一个外部PDS所导致的相位差由设置在所述中心PDS另一侧的所述两个AC和所述一个外部PDS所导致的相位差来补偿。
这样，在对所述PSMZI设备性能无任何负面影响的情况下，所述AC提供的增强的设计灵活性可以在设计所述PSMZI设备时被充分开发。
根据如上所述第一方面或者所述第一方面的任意前述实施形式，在所述设备的第五种实施形式中，所述四个AC呈线对称系列锥(line-symmetric series-tapered，LSST)型。
所述第一方面的所述PSMZI设备中所采用的优选LSST型产生最好的耦合结果，进而得到最大的性能改善。
根据如上所述第一方面或者所述第一方面的任意前述实施形式，在所述设备的第六种实施形式中，所述波导臂由折射率范围在1.4–4.5之间的材料制成。
根据如上所述第一方面或者所述第一方面的任意前述实施形式，在所述设备的第七种实施形式中，所述波导臂由SiN制成，且更具体地，嵌在由SiO2制成的包层中。
因此，高折射率对比度平台是首选的。这是因为在低折射率对比度平台中，(定向)耦合器总是弱耦合(因为波导间隔为几μm)，因此整个结构需要很长(至少几mm)，以实现预期的耦合特性。然而，在高折射率对比度平台中，特别是带有SOI或SiN-on-Silica的(定向)耦合器可以被设计成更强耦合(波导间隔为200–400nm)，这样所述结构的总长度可以减少至低于100μm。这在制作中节省了很多遮掩区域和硅片空间成本。
每个AC可以被具体设计成具有专用，更具体的说，弯曲(即，非平带)的耦合系数。具体地，这可以按数十nm量级改变耦合波导宽度即可实现。然而，在粗略光刻准确度(比如，500nm的光刻准确度用于制作MEMS)制作过程中，实现这样的精细调整并不现实。但是，随着高反射率对比度平台(比如，具有低于100nm的光刻准确度的CMOS)制作技术针对PIC制作而做出改善，AC变得越来越实用。
根据如上所述第一方面或者所述第一方面的任意前述实施形式，在所述设备的第八种实施形式中，所述PSMZI设备还包括：设在所述中心PDS任一侧且与所述中心PDS点对称的偶数个附加PDS，每个附加PDS包括上波导臂和下波导臂；偶数个附加AC或对称耦合器(symmetric coupler，SC)，每个附加AC或SC包括上波导部和下波导部，其中，每个附加PDS的每一侧都直接设置有一个AC或SC，且所述上下波导部分别耦合至所述上下波导臂；在所述附加PDS一侧的所述AC或SC与所述附加PDS另一侧的所述AC或SC点对称。
因此，可以制作一种与发明一致的多阶段式PSMZI设备。如上所述，随着级联阶段数量的增加，滤波器通带平坦度和信道间的隔离也随之增加。前述对随阶段数量增加而导致的制作误差的敏感度增长造成的负面结果至少在某种程度上由AC的使用和优势补偿。
根据如上所述第一方面或者所述第一方面的任意前述实施形式，在所述设备的第九种实施形式中，每个AC的每个波导臂的宽度在1–3μm之间，更具体地，在1.5–2μm之间。
根据如上所述第一方面或者所述第一方面的任意前述实施形式，在所述设备的第十种实施形式中，每个AC的每个波导臂的宽度变化值在10–1000nm之间，更具体地，在20–200nm之间。
根据如上所述第一方面或者所述第一方面的任意前述实施形式，在所述设备的第十一种实施形式中，每个AC的所述波导部之间的距离在0.25–0.5μm之间，更具体地，在0.3–0.4μm之间。
上述所有参数一方面均针对PSMZI设备的性能改善进行优化，另一方面也针对制作误差的灵敏度降低来进行优化。
根据如上所述第一方面或者所述第一方面的任意前述实施形式，在所述设备的第十二种实施形式中，所述PSMZI设备包括两个以点对称方式设置的耦合器马赫-曾德尔干涉仪(Mach Zehnder Interferometer，MZI)；每个耦合器MZI的耦合系数C(λ)满足以下条件：在所述耦合器MZI的交叉端口的传输波长峰值处，C＝0.5；在所述耦合器MZI的直通端口的传输波长峰值处，C＝0或者C＝1；在所述交叉端口的所述传输波长峰值处，dC/dλ＝0。
通过上述方式选择耦合系数来实现针对宽带、平顶及低串扰进行优化的频谱响应。
本发明第二方面提供一种包括至少一个根据如上所述第一方面或者所述第一方面的任意前述实施形式中的PSMZI的波长双工器设备，其中，所述波长双工器设备更具体地用于无源光网络(passive optical network，PON)相关应用中。
通过使用所述第一方面的PSMZI设备来获得在TX波段处既具有低插入损耗又具有TX到RX低串扰的波长双工器。
本发明第三方面提供一种PSMZI设备的制作方法，包括如下步骤：提供三个连续的PDS作为两个外部PDS和一个中心PDS，每个PDS包括上波导臂和下波导臂；提供四个AC，每个AC包括上波导部和下波导部；其中，每个PDS的每一侧都直接设置有一个AC，且所述上下波导部分别耦合至所述上下波导臂；在所述PDS一侧的所述AC与所述PDS另一侧的所述AC点对称；设置在所述中心PDS一侧的所述两个AC和所述一个外部PDS一起与设置在所述中心PDS另一侧的所述两个AC和所述一个外部PDS点对称。
根据所述第三方面，在所述方法的第一种实施形式中，所述中心PDS提供的路径差为0。
根据如上所述第三方面或者所述第三方面的第一种实施形式，在所述方法的第二种实施形式中，一个外部PDS提供的路径差与另外一个外部PDS在另外一个波导臂上提供的路径差相同。
根据如上所述第三方面或者所述第三方面的前述实施形式中的任一种，在所述方法的第三种实施形式中，所有上波导臂的总路径长度与所有下波导臂的总路径长度相同。
根据如上所述第三方面或者所述第三方面的任意前述实施形式，在所述方法的第四种实施形式中，设计所述四个AC和所述两个外部PDS，使得设置在所述中心PDS一侧的所述两个AC和所述一个外部PDS所导致的相位差由设置在所述中心PDS另一侧的所述两个AC和所述一个外部PDS所导致的相位差来补偿。
根据如上所述第三方面或者所述第三方面的任意前述实施形式，在所述方法的第五种实施形式中，所述四个AC呈LSST型。
根据如上所述第三方面或者所述第三方面的任意前述实施形式，在所述方法的第六种实施形式中，所述波导臂由折射率范围在1.4–4.5之间的材料制成。
根据如上所述第三方面或者所述第三方面的任意前述实施形式，在所述方法的第七种实施形式中，所述波导臂由SiN制成，且更具体地，嵌在由SiO2制成的包层中。
根据如上所述第三方面或者所述第三方面的任意前述实施形式，在所述方法的第八种实施形式中，所述PSMZI设备还包括：设在所述中心PDS任一侧且与所述中心PDS点对称的偶数个附加PDS，每个附加PDS包括上波导臂和下波导臂；偶数个附加AC或SC，每个附加AC或SC包括上波导部和下波导部；其中，每个附加PDS的每一侧都直接设置有一个AC或SC，且所述上下波导部分别耦合至所述上下波导臂；在所述附加PDS一侧的所述AC或SC与所述附加PDS另一侧的所述AC或SC点对称。
根据如上所述第三方面或者所述第三方面的任意前述实施形式，在所述方法的第九种实施形式中，每个AC的每个波导臂的宽度在1–3μm之间，更具体地，在1.5–2μm之间。
根据如上所述第三方面或者所述第三方面的任意前述实施形式，在所述方法的第十种实施形式中，每个AC的每个波导臂的宽度变化值在10–1000nm之间，更具体地，在20–200nm之间。
根据如上所述第三方面或者所述第三方面的任意前述实施形式，在所述方法的第十一种实施形式中，每个AC的所述波导部之间的距离在0.25–0.5μm之间，更具体地，在0.3–0.4μm之间。
根据如上所述第三方面或者所述第三方面的任意前述实施形式，在所述方法的第十二种实施形式中，所述PSMZI设备包括两个以点对称方式设置的耦合器MZI；每个耦合器MZI的耦合系数C(λ)满足以下条件：在所述耦合器MZI的交叉端口的传输波长峰值处，C＝0.5；在所述耦合器MZI的直通端口的传输波长峰值处，C＝0或者C＝1；在所述交叉端口的所述传输波长峰值处，dC/dλ＝0。
通过根据所述第三方面的制作方法，实现了具有与上述传统PSMZI设备相比针对所述第一方面的所有优势的PSMZI设备。
须注意的是，本申请描述的所有设备、元件、单元和构件都可以在软件或硬件元件或它们任意类型的组合中实施。本申请中描述的各种实体执行的所有步骤和所描述的将由各种实体执行的功能旨在表明各个实体适于或用于执行各自的步骤和功能。即使在下文特定实施例的描述中，由一般实体执行的具体功能或步骤没有体现在执行该具体步骤或功能的那个实体的具体详细元件的描述中，技术人员也应清楚，这些方法和功能可以在各个软件或硬件元件或其任意类型的组合中实施。
附图说明
结合所附附图，下面具体实施例的描述将阐述上述本发明的各方面及其实现形式，其中：
图1所示为根据本发明实施例的PSMZI设备；
图2所示为根据本发明实施例的PSMZI设备；
图3所示为根据本发明实施例的PSMZI设备；
图4所示为根据本发明实施例的耦合器MZI设备中的耦合；
图5所示为根据本发明实施例的如在PSMZI设备中使用的LSST型AC；
图6所示为根据本发明实施例的PSMZI设备的模拟结果；
图7所示为根据本发明实施例的PSMZI设备的模拟结果；
图8所示为根据本发明实施例的PSMZI设备的模拟结果；
图9所示为根据本发明实施例的PSMZI设备的模拟结果；
图10所示为根据本发明实施例的制作方法的流程图。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明实施例的PSMZI设备100。可以看出，PSMZI设备100包括至少三个连续的PDS 101、102。具体而言，在PSMZI设备100的延伸方向(即，图1从左到右)提供三个PDS 101、102作为第一外部PDS 102，中心PDS 101，和位于中心PDS 101另一侧的不同于第一外部PDS 102的第二外部PDS 102。每个PDS 101、102包括上波导臂103和下波导臂104。更具体地，波导臂103、104由折射率范围在1.4–4.5之间的材料制成。有利地，波导臂103、104可以在高折射率对比度平台中制作，更具体地，是由SiNx制成，可选的，是嵌于由SiO2制成的包层中。
PSMZI设备100还包括至少四个AC 105(如图1示意性地示出)与PDS 101、102交替设置。具体而言，每个PDS 101、102的每一侧都直接设置有一个AC 105。这意味着在PSMZI设备100的延伸方向(即，图1从左到右)至少连续设置有第一AC 105，第一外部PDS 102，第二AC 105，中心PDS 101，第三AC 105，第二外部PDS 102和第四AC 105。
每个AC 105包括上波导部106和下波导部107(仅如图1示意性地示出)。AC 105的上下波导部106、107分别耦合至相邻PDS 101、102的上下波导臂103、104。有利地，这四个AC105均可以呈LSST型。
PSMZI设备100中，每个PDS 101、102一侧的AC 105均与该PDS 101、102另一侧的AC105点对称。具体而言，这意味着每个PDS 101、102周围的两个AC 105的形状和不对称是相对于彼此翻转的。此外，设置在中心PDS101一侧的两个AC 105和第一外部PDS102一起与设置在中心PDS101另一侧的两个AC 105和第二外部PDS102点对称。这意味着，比如，第一外部PDS 102提供的路径差与第二外部PDS 102在不同波导臂103上提供的(在另外一个波导臂104上提供的)路径差相同。
图2所示为图1的PSMZI设备100的具体实施例。可见，PSMZI设备100包括至少一个IN端口304，IN_X端口305，THROUGH端口302和CROSS端口303。此外，PSMZI设备100包括两个耦合器MZI 301，其以相对于中心PDS 101点对称的方式布置。第一耦合器MZI 301包括第一外部PDS 102和两个AC 105。第二耦合器MZI 301包括第二外部PDS 102和另外两个AC 105。
PSMZI设备100的结构在有如下特征的情况下有利地可全局性点对称：
IN端口304到THROUGH端口302的路径长度可选地可与IN_X端口305到CROSS端口303的总路径长度相同。
中心PDS 101段的路径长度差ΔL可选地可以为0(ΔL＝0)。也就是说，中心PDS101提供的路径差ΔL为0。
可选地，第一外部PDS 102提供的路径差ΔLc与第二外部PDS 102在另一个波导臂103、104上提供的路径差相同。
所有上波导臂103的总路径长度可选地可与所有下波导臂104的总路径长度相同。
有利地，在中心PDS 101任一侧可能有相同数量的耦合器。换句话说，总结构中可能有偶数个AC 105，具体地至少是四个AC 105。
相应地，中心PDS 101任一侧的耦合器MZI 301也是以点对称布局设置。
此外，中心PDS 101任一侧的单个MZI 301可以替换为多阶段式级联MZI 301(未示出)。这意味着PSMZI设备100还可能包括在中心PDS 101任一侧且与中心PDS 101点对称的偶数个附加PDS以及直接设置在每个附加PDS每一侧的偶数个附加AC或SC。因此，每个附加PDS一侧的AC或SC可与该附加PDS另一侧的AC或SC点对称。此外，如图4所示，每个附加AC或SC包括，如图2中的每个AC 105，上波导部和下波导部。每个附加PDS包括，如图2中的每个PDS 101、102，上波导臂和下波导臂。(定向)耦合器的上下波导部分别耦合至PDS的上下波导臂。
如图2和3所示，单独的AC 105(图3中标为C1-C4)均具有耦合系数K(λ)且以充分点对称方式设置。AC 105有利地可被设计成具有尽可能接近于最优设计(即，最优耦合系数)的耦合系数K(λ)。因此，改良的设计得到AC 105授权的附加设计灵活性的支持。
图4示意性地在上半部分示出了具有CROSS端口401和THROUGH端口402的耦合器MZI 301。具体而言，图4示出了AC 105的形状和几何结构是如何在耦合器MZI 301中的PDS101、102的任一侧进行翻转的。由于此翻转，各单个AC 105所导致的相位偏差由另一个AC105补偿。因此，总之，未引入相位偏差，但是这可能充分受益于AC105提供的设计灵活性。
图4示出了具体是如何分别实现AC 105和PDS 101、102(仅如图1示意性地示出)之间的耦合。具体而言，图4示出的是两个AC 105和其中一个外部PDS102之间的耦合。可见，AC105的上波导部106与该PDS 101的上波导臂103的对边相连接。同样地，AC 105的下波导部107与该PDS 101的下波导臂104的对边相连接。同样为图1所示的PSMZI设备100的所有AC105和所有PDS 101、102实现耦合。
可选地，还如图4所示，每个耦合器MZI 301在CROSS端口401具有相同的耦合系数C(λ)，由下式给出：
C＝4K(1-K)cos2(πneffΔLc/λ)
此外，整个PSMZI设备100在CROSS端口303具有耦合系数T(λ)，由下式给出：
T＝4C(1-C)
针对最优设计，具体针对耦合系数为T(λ)下的宽带平顶低串扰频谱响应，每个耦合器MZI 301的耦合系数C(λ)有利地可满足以下条件：在CROSS端口401的传输波长峰值处，C＝0.5；在THROUGH端口402的传输波长峰值处，C＝0或者C＝1；在CROSS端口401的传输波长峰值处，dC/dλ＝0。
为了充分开发通过在PSMZI设备100中使用AC 105带来的增强设计灵活性，有利地，选择结构参数“耦合器波导宽度(w)”、“波导宽度差(δw)”和“间隔宽度(δx)”。LSST型的AC 105在图5中作为例子示出，且指明了上面提及的参数w、δw和δx。也就是说，w是波导部106、107的基本宽度(不考虑不对称性)。此外，δx是波导部106、107之间的距离。最后，δw是与每个波导部106、107的基本宽度相比下不对称性导致的差值。这三个参数尤其可优化至实现：AC 105的耦合系数K(λ)尽可能接近最优耦合系数K。
图6示出了在针对GPON双工器应用的PSMZI设备100中使用的(a)单个DC和(b)单个AC 105的TX波段上的模拟耦合系数K。
图6也示出了PSMZI设备100针对波导宽度(dw)和波导高度(dH)的制作公差。实曲线对应目标设计。点虚线分别对应波导宽度误差dw＝–20nm且波导高度误差dH＝10nm的SC以及dw＝20nm且dH＝–10nm的SC。虚线分别对应dw＝–20nm且dH＝–10nm的SC以及dw＝20nm且dH＝10nm的SC。
理想上，在波长为1.49μm(即，GPON的TX波段中心波长)处，K应等于0或者1。图6(a)和图6(b)的比较证实了AC 105可以被设计成具有耦合系数K，其值与SC相比更接近于理想设计，同时在TX波段处对波导尺寸误差(dw，dH)的灵敏度更低。
图7示出了在GPON的TX波段处的使用SC的PSMZI设备和使用AC 105的PSMZI设备100的CROSS/THROUGH端口模拟传输频谱。具体地，图7(a)涉及带SC的THROUGH端口(TX插入损耗)。图7(b)涉及带SC的CROSS端口(TX到RX串扰)。图7(c)涉及带AC 105的THROUGH端口302(TX插入损耗)。图7(d)涉及带AC 105的CROSS端口303(TX到RX串扰)。
图7又示出了针对波导宽度(dw)和波导高度(dH)的制作公差。实曲线对应目标设计。点虚线分别对应波导宽度误差dw＝–20nm且波导高度误差dH＝10nm的耦合器以及dw＝20nm且dH＝–10nm的耦合器。虚线分别对应dw＝–20nm且dH＝–10nm的耦合器以及dw＝20nm，dH＝10nm的耦合器。
图7(a)和图7(c)之间的比较示出了使用AC 105的PSMZI设备100可以设计成在TX波段处具有与带SC的PSMZI设备相比更低的插入损耗和更好的制作公差。图7(b)和图7(d)之间的比较示出了使用AC 105的PSMZI设备100可以设计成在TX波段处具有与使用SC的PSMZI设备相比更低的串扰。
对AC 105的耦合系数K进行整形的技术具体如下。首先，在标准平台上，获取SC的结构参数(例如，耦合器波导宽度、波导长度、间隔宽度)，其中，耦合系数K合理地与最优值接近。其次，以这种SC设计作为起始点，获取AC 105的三个重要结构参数(即，如图5所示的耦合器波导宽度w、波导宽度差δw、间隔宽度δx)，例如，LSTT型的AC。有利地，这可以通过参数优化完成，以便K值尽可能接近于最优值(即，最优耦合系数)。
本发明也可以应用于10GPON应用中。为此，图8示出了在针对10GPON双工器应用的PSMZI设备100中使用的(a)单个SC和(b)单个AC 105的TX波段上的模拟耦合系数K。
图8也示出了针对波导宽度(dw)和波导高度(dH)的制作公差。实曲线是目标设计。点虚线分别对应波导宽度误差dw＝–20nm且波导高度误差dH＝10nm的耦合器以及dw＝20nm且dH＝–10nm的耦合器。虚线分别对应dw＝–20nm且dH＝–10nm的耦合器以及dw＝20nm且dH＝10nm的耦合器。
理想上，在波长为1.578μm(即，10GPON的TX波段中心波长)处，K应等于0或者1。图8(a)和图8(b)的比较示出了AC 105可以被设计成具有耦合系数K，其值与SC相比更接近于理想设计，同时在TX波段处对波导尺寸误差(dw，dH)的灵敏度更低。
图9示出了在10GPON的TX波段处的使用SC的PSMZI设备和使用AC 105的PSMZI设备100的CROSS/THROUGH端口模拟传输频谱。图9(a)涉及带SC的THROUGH端口(TX插入损耗)。图9(b)涉及带SC的CROSS端口(TX到RX串扰)。图9(c)涉及带AC 105的THROUGH端口302(TX插入损耗)。图9(d)涉及带AC 105的CROSS端口303(TX到RX串扰)。
图9也示出了针对波导宽度(dw)和波导高度(dH)的制作公差。实曲线对应目标设计。点虚线分别对应波导宽度误差dw＝–20nm且波导高度误差dH＝10nm的耦合器以及dw＝20nm且dH＝–10nm的耦合器。虚线分别对应dw＝–20nm且dH＝–10nm的耦合器以及dw＝20nm且dH＝10nm的耦合器。
图9(a)和图9(c)之间的比较示出了使用AC 105的PSMZI设备100可以设计成，与使用SC的PSMZI设备相比，在TX波段处具有更低的插入损耗和更好的制作公差。图9(b)和图9(d)之间的比较示出了使用AC 105的PSMZI设备100可以设计成，与使用SC的PSMZI设备相比，在TX波段处具有更低的串扰。
图10示出了一种如上所述的PSMZI设备100的制作方法500。具体而言，在步骤501中，提供三个连续的PDS 101、102作为两个外部PDS 102和一个中心PDS 101。每个PDS 101、102包括上波导臂103和下波导臂104。在后续步骤502中，提供四个AC 105，每个AC 105包括上波导部106和下波导部107。
具体而言，步骤501和502包括步骤503。在步骤503中，每个PDS 101、102的每一侧都直接设置有一个AC 105，且上下波导部106、107分别耦合至上下波导臂103、104。因此，步骤504确保了在每个PDS 101、102一侧的AC 105与该PDS另一侧的AC 105点对称。另一步骤505确保了设置在中心PDS 101一侧的两个AC 105和一个外部PDS 102一起与设置在中心PDS 101另一侧的两个AC 105和一个外部PDS 102点对称。
在该方法500中，AC 105和PDS 101、102可以在点对称且连续地设置之前制作，或者可以连续地一一设计，或者可以连续地设置并最终整形成点对称。
综上所述，根据本发明实施例的PSMZI设备100，具体的就是，在此PSMZI设备100中使用AC 105导致了发送(transmitter，TX)波段中更低的插入损耗和TX波段中更低的TX到接收(receiver，RX)串扰。这也意味着PSMZI设备100可以在没有防反射涂层(anti-reflection coating，ARC)步骤的情况下制作。因而，节省了生产成本，简化了工艺流程。此外，PSMZI设备100对制作误差的灵敏度更低，且在其设计中提供了更好的灵活性。
已经结合作为示例的不同实施例以及实施方案描述了本发明。但本领域技术人员通过实践所请发明，研究附图、本公开以及独立权项，能够理解并获得其他变体。在权利要求以及描述中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，且“一个”并不排除复数可能。单个元件或其它单元可满足权利要求书中所叙述的若干实体或项目的功能。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能在有利的实现方式中使用。

Claims (14)

1.一种点对称马赫-曾德尔干涉仪PSMZI设备(100)，其特征在于，包括：
三个连续的路径时延段PDS，作为两个外部PDS(102)和一个中心PDS(101)，每个PDS(101，102)包括上波导臂(103)和下波导臂(104)；
四个非对称耦合器AC，每个AC(105)包括上波导部(106)和下波导部(107),所述四个AC(105)呈线对称系列锥LSST型，
其中，每个PDS(101，102)的每一侧都直接设置有一个AC(105)，且所述上下波导部(106，107)分别耦合至所述上下波导臂(103，104)；
在每个PDS(101，102)一侧的AC(105)与所述每个PDS(101，102)另一侧的AC(105)点对称；
设置在所述中心PDS(101)一侧的两个AC(105)和一个外部PDS(102)一起与设置在所述中心PDS(101)另一侧的两个AC(105)和另外一个外部PDS(102)点对称。
2.根据权利要求1所述的PSMZI设备(100)，其特征在于：
所述中心PDS(101)提供的路径差为0。
3.根据权利要求1或2所述的PSMZI设备(100)，其特征在于：
一个外部PDS(102)提供的路径差与另外一个外部PDS(102)在另外一个波导臂(103，104)上提供的路径差相同。
4.根据权利要求1或2所述的PSMZI设备(100)，其特征在于：
所有上波导臂(103)的总路径长度与所有下波导臂(104)的总路径长度相同。
5.根据权利要求1或2所述的PSMZI设备(100)，其特征在于：
设计所述四个AC(105)和所述两个外部PDS(102)，使得设置在所述中心PDS(101)一侧的所述两个AC(105)和所述一个外部PDS(102)所导致的相位差由设置在所述中心PDS(101)另一侧的所述两个AC(105)和所述另外一个外部PDS(102)所导致的相位差来补偿。
6.根据权利要求1或2所述的PSMZI设备(100)，其特征在于：
所述波导臂(103，104)由折射率范围在1.4–4.5之间的材料制成。
7.根据权利要求1或2所述的PSMZI设备(100)，其特征在于：
所述波导臂(103，104)由SiN制成，嵌在由SiO2制成的包层中。
8.根据权利要求1或2所述的PSMZI设备(100)，其特征在于，还包括：
设在所述中心PDS(101)任一侧且与所述中心PDS(101)点对称的偶数个附加PDS，每个附加PDS包括上波导臂和下波导臂；
偶数个附加AC或对称耦合器SC，每个附加AC或SC包括上波导部和下波导部，
其中，每个附加PDS的每一侧都直接设置有一个AC或SC，且所述上下波导部分别耦合至所述上下波导臂；
在所述附加PDS一侧的所述AC或SC与所述附加PDS另一侧的所述AC或SC点对称。
9.根据权利要求1或2所述的PSMZI设备(100)，其特征在于：
每个AC(105)的每个波导部(106，107)的宽度在1–3μm之间。
10.根据权利要求1或2所述的PSMZI设备(100)，其特征在于：
每个AC(105)的每个波导部(106，107)的宽度变化值在10–1000nm之间。
11.根据权利要求1或2所述的PSMZI设备(100)，其特征在于：
每个AC的所述波导部(106，107)之间的距离在0.25–0.5μm之间。
12.根据权利要求1或2所述的PSMZI设备(100)，其特征在于：
所述PSMZI设备(100)包括两个以点对称方式设置的耦合器马赫-曾德尔干涉仪MZI；
每个耦合器MZI(301)的耦合系数C(λ)满足以下条件：在所述耦合器MZI(301)的交叉端口(401)的传输波长峰值处，C＝0.5；在所述耦合器MZI(301)的直通端口(402)的传输波长峰值处，C＝0或者C＝1；在所述交叉端口(401)的所述传输波长峰值处，dC/dλ＝0。
13.一种包括至少一个根据权利要求1至12中之一所述的PSMZI设备(100)的波长双工器设备，其特征在于，所述波长双工器设备更具体地用于无源光网络PON相关应用中。
14.一种点对称马赫-曾德尔干涉仪PSMZI设备(100)的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供三个连续的路径时延段PDS作为两个外部PDS(102)和一个中心PDS(101)，每个PDS(101，102)包括上波导臂(103)和下波导臂(104)；
提供四个非对称耦合器AC，每个AC(105)包括上波导部(106)和下波导部(107)，所述四个AC(105)呈线对称系列锥LSST型，
其中，每个PDS(101，102)的每一侧都直接设置有一个AC(105)，且所述上下波导部(106，107)分别耦合至所述上下波导臂(103，104)；
在所述PDS(101，102)一侧的所述AC(105)与所述PDS(101，102)另一侧的所述AC(105)点对称；
设置在所述中心PDS(101)一侧的两个AC(105)和一个外部PDS(102)一起与设置在所述中心PDS(101)另一侧的两个AC(105)和另外一个外部PDS(102)点对称。
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