CN108287417A - 一种宽谱光功率分束器及功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽谱光功率分束器及功率分配方法，包括：第一波导和第二波导，所述第一波导和所述第二波导存在互作用区，所述互作用区为石墨烯波导作用区域，用于通过调节所述石墨烯波导作用区域的电压大小，以改变所述石墨烯层的光学电导率，对输出的功率进行调节。本发明提供的宽谱光功率分束器可改变输出端口的光功率之比，实现片上可重构，尺寸小，工作范围宽。

Description

一种宽谱光功率分束器及功率分配方法

技术领域

本发明涉及光电子集成技术领域，具体涉及一种宽谱光功率分束器及功率分配方法。

背景技术

光功率分束器件是集成光子系统中的重要单元器件之一。目前片上系统的光功率分束主要由多模干涉耦合器(Multimode Interference,MMI)实现，通过对多模干涉区域的结构设计，利用多模波导的自映像效应，可以在较小的器件尺寸下实现固定比例的光功率分束器件。传统的多模干涉耦合器通过对多模干涉区域的硅波导进行不同程度的刻蚀，改变自映像点光功率的比例从而实现功率分束功能。然而这类结构一经制作完成则光功率分束比例即固定，对于不同波长或不同分束比需要不同的设计。故传统基于多模干涉耦合器的无源光功率分束器很难满足复杂应用系统中对多种分束比或分束比实时变化的需求。

方向耦合器(Directional Coupler)作为常见的光波导器件，由于其结构精简，工艺容差大，损耗低，均衡性好等优点被应用于诸多场景，如光功率分(合)束，光开关，波分复用，模式转换等。耦合模理论(coupled-mode theory)是方向耦合器的基本原理。二十世纪五十年代，耦合模理论首次被提出，用于解释微波传输线之间的模式微扰。而后，耦合模理论在纳米光波导器件中被广泛应用，其基本思想是用已知无扰动波导的本征模来解释扰动波导的传输状态。

而对于以耦合模理论为基础的方向耦合器，如果我们能够控制并改变两个波导的传输常数，在波导耦合长度L_c处两波导的光强度之比也会发生变化，从而达到控制分光比的作用。

对于常见的硅基波导结构，改变其折射率的方法一般有热调和电调两种。热调主要应用硅的热光效应，通过改变器件结构的温度来实现折射率的改变，这种方式响应速度较慢且可控性较差。由于硅是中心反演对称晶体，其一阶电光系数为0且高阶电光效应很弱，折射率的电调主要是通过掺杂硅的等离子色散效应进行，而自由载流子的掺杂会导致额外的器件损耗，用其作为分光器件使功耗成本大大增加，故其也不适用于光功率分束结构。

因此，如何提出一种方法，能够实现片上光输出功率比可调，成为亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种宽谱光功率分束器及功率分配方法。

第一方面，本发明提供一种宽谱光功率分束器，包括：第一波导和第二波导，所述第一波导和所述第二波导存在互作用区，所述互作用区为石墨烯波导作用区域，用于通过调节所述石墨烯波导作用区域的电压大小，以改变所述石墨烯层的光学电导率，对输出的功率进行调节。

第二方面，本发明提供的功率分配方法，包括：

从第一波导的输入端输入光信号；

通过调节互作用区的电压大小，调节所述光信号在所述第一波导的输出端和第二波导的输出端的功率输出比例，其中所述互作用区为石墨烯波导作用区域。

本发明提供的一种宽谱光功率分束器及功率分配方法，通过调节波导的相互作用区施加的电压值，并且在波导上增加石墨烯，从而改变硅波导的有效折射率，从而改变定向耦合器两个输出端口的光功率之比，实现片上可重构，尺寸小，工作范围宽，具有较高的工艺容差等特点。

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一简单地介绍，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为本发明实施例提供的一种宽谱光功率分束器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的功率分配方法的流程示意图；

图3所示的单层石墨烯波导器件的结构示意图；

图4为石墨烯波导线致折射原理示意图；

图5为本发明实施例提供的石墨烯波导有效折射率变化时，输出端口的光强仿真结果图；

图6为本发明又一实施例提供的光功率分束器的结构示意图；

图7为本发明又一实施例提供的光功率分束器的结构示意图；

图8为本发明又一实施例提供的光功率分束器的结构示意图。

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、完整地描述，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。

图1为本发明实施例提供的一种宽谱光功率分束器的结构示意图，如图1所示，至少包括：第一波导和第二波导，所述第一波导和所述第二波导存在互作用区，所述互作用区为石墨烯波导作用区域，用于通过调节所述石墨烯波导作用区域的电压大小，以改变所述石墨烯层的光学电导率，对输出的功率进行调节。

具体地，本发明实施例提供的宽谱光功率分束器，包括第一波导和第二波导，且有相互作用区，在本发明实施例中采用的是硅基石墨烯波导定向耦合器，包括：一条输入波导和一条下载波导，石墨烯-波导作用区域以及相应的信号和接地电极结构。

光源从输入端进入上侧波导，经过石墨烯-波导互作用区域之后，光功率根据耦合模理论按照电压加载情况以相应的比例分别从输出端1和输出端2输出，从而实现了功率分束的作用。

本发明提供的一种宽谱光功率分束器，通过调节波导的相互作用区施加的电压值，并且在波导上增加石墨烯，从而改变硅波导的有效折射率，从而改变定向耦合器两个输出端口的光功率之比，实现片上可重构，尺寸小，工作范围宽，具有较高的工艺容差等特点。

可选地，所述石墨烯波导作用区域包括二氧化硅埋氧层、有源波导层、氧化铝层、石墨烯层和电极层，并从下到上依次排列；其中：

所述石墨烯层位于所述氧化铝层上面，作为电容结构的上极板，用于通过对所述石墨烯层加载电压，以改变所述石墨烯层的光学电导率。

在上述实施例的基础上，具体地，所述石墨烯波导作用区域包括二氧化硅埋氧层、有源波导层、氧化铝层、石墨烯层和电极层，并从下到上依次排列；其中：

所述石墨烯层位于所述氧化铝层上面，作为电容结构的上极板，用于通过对所述石墨烯层加载电压，可以改变石墨烯层的化学势，以改变所述石墨烯层的光学电导率，从而改变石墨烯硅基波导整体的吸收系数与有效折射率，对输出的功率进行调节。

本发明提供的一种宽谱光功率分束器，通过调节波导的相互作用区施加的电压值，并且在波导上增加石墨烯，从而改变硅波导的有效折射率，从而改变定向耦合器两个输出端口的光功率之比，实现片上可重构，尺寸小，工作范围宽，具有较高的工艺容差等特点。

可选地，所述有源波导层位于所述二氧化硅埋氧层和所述氧化铝层之间，至少包括：轻掺杂的脊波导和重掺杂的脊波导，其中，所述轻掺杂的脊波导用于和所述电容结构的下极板，重掺杂的脊波导用于与接地电极形成欧姆接触。

可选地，所述氧化铝层为电解质层，用于在波导与石墨烯之间形成电容结构，用于通过调节所述氧化铝层厚度来调整改变器件的响应时间和效率。

在上述实施例的基础上，所述有源波导层位于所述二氧化硅埋氧层和所述氧化铝层之间，至少包括：轻掺杂的脊波导和重掺杂的脊波导，其中，所述轻掺杂的脊波导用于和所述电容结构的下极板，重掺杂的脊波导用于与接地电极形成欧姆接触。

其中氧化铝构成电解质层，用于在波导与石墨烯之间形成电容结构，调节氧化铝厚度可以调整电容大小从而改变器件的响应时间，同时，氧化铝的厚度也会影响电压对石墨烯硅波导折射率变化的效率。

本发明提供的一种宽谱光功率分束器，通过调节波导的相互作用区施加的电压值，并且在波导上增加石墨烯，从而改变硅波导的有效折射率，从而改变定向耦合器两个输出端口的光功率之比，实现片上可重构，尺寸小，工作范围宽，具有较高的工艺容差等特点。

图2为本发明实施例提供的功率分配方法的流程示意图，如图2所示，所述方法包括：

S101、从第一波导的输入端输入光信号；

S102、通过调节互作用区的电压大小，调节所述光信号在所述第一波导的输出端和第二波导的输出端的功率输出比例，其中所述互作用区为石墨烯波导作用区域。

引入二维材料的硅基波导器件结合了硅波导CMOS兼容，工艺成熟以及二维材料光学特性优良的特点，可以极大增强器件性能，精简器件结构。而石墨烯作为一种典型的二维材料，在光电调制、探测等领域已经有了广泛的研究基础。石墨烯的光电导率可以由Kubo公式获得，主要分为带间和带内两部分：

σ_total＝σ_intra+σ_inter (2-1)

其中e为电子电荷，ξ是能级，h是普朗克常数，ω是辐射频率，kB是波尔茨曼常数，T是温度，μ_C是化学势，可以通过掺杂和加载电压来改变。

对于图3所示的单层石墨烯波导器件的结构示意图，图4为石墨烯波导线致折射原理示意图，结合图3和图4所示的内容，可知当化学势在(0.5eV～1eV)范围内，波导有效折射率接近线性变化而损耗则基本可以忽略不计，且理论上该区域有效折射率值变化可以达到0.002–0.004，故而该区域十分适合折射率的调整。

本发明实施例提供的一分束器器件默认工作波长为1550nm，其中中间电极直接加载在两侧掺杂波导处，用于加载石墨烯-氧化物-硅波导电容结构的下极板电压，其电压为VG，一般情况下接地。两侧电极分别加载在方向耦合器两根石墨烯波导的上表面，与石墨烯直接接触，用于加载石墨烯-氧化物-硅波导电容结构的上极板电压，其电压分别为VS1和VS2，为充分利用石墨烯电致折射的折射率线性变化区域，初始电压应使得两侧石墨烯均处于0.41eV状态。此时，由方向耦合器输出的功率比为100：0，即光功率完全由图1所示的输出端1输出，输出端2的光功率为0。

本发明实施例提供的功率分配方法，通过调节波导的相互作用区施加的电压值，并且在波导上增加石墨烯，从而改变硅波导的有效折射率，从而改变定向耦合器两个输出端口的光功率之比，实现片上可重构，尺寸小，工作范围宽，具有较高的工艺容差等特点。

可选地，所述石墨烯波导作用区域包括二氧化硅埋氧层、有源波导层、氧化铝层、石墨烯层和电极层，并从下到上依次排列；其中：

所述石墨烯层位于所述氧化铝层上面，作为电容结构的上极板，用于通过对所述石墨烯层加载电压，以改变所述石墨烯层的光学电导率。

具体地，所述石墨烯波导作用区域包括二氧化硅埋氧层、有源波导层、氧化铝层、石墨烯层和电极层，并从下到上依次排列；其中：

所述石墨烯层位于所述氧化铝层上面，作为电容结构的上极板，用于通过对所述石墨烯层加载电压，可以改变石墨烯层的化学势，以改变所述石墨烯层的光学电导率，从而改变石墨烯硅基波导整体的吸收系数与有效折射率，对输出的功率进行调节。

可选地，所述功率输出比在100:0和50:50之间变化。

在上述实施例的基础上，为改变方向耦合器两输出端口的输出功率比，保持上侧石墨烯波导电压VS1不变，改变下方石墨烯波导的电压VS2，使得下侧石墨烯的化学势在0.41eV和1eV之间变化，使得输出端的功率输出比可以在100：0和50：50间自由变化，实现了光功率的自由分束。图5为本发明实施例提供的石墨烯波导有效折射率变化时，输出端口的光强仿真结果图。

下面举几个具体应用的结构示意图。

图6为本发明又一实施例提供的光功率分束器的结构示意图，所示的是一个针对较宽光谱输入范围的50：50光功率分束器，当输入信号光波长发生变化时，默认设置的光功率分束比会偏离50：50，此时调整功率分配区的电压即可以使得新的输入信号产生50：50分束。

图7为本发明又一实施例提供的光功率分束器的结构示意图，所示的是一个1xN的可调功率下载器，用于大型阵列系统的功率分配和调整。主光路在主线上传输，经过N个功率调整结构后，主线上的功率可以根据需求可调进入各个输出支路，从而实现了片上可调的功率分配器件。

图8为本发明又一实施例提供的光功率分束器的结构示意图，所示是一个50:50分束的波长传感装置，用于探测未知光信号的波长信息。当未知光信号进入功率分束装置时，根据系统将以输出功率为反馈信号自动调节为50：50分光比，再根据调节电压与光波长的映射关系探测未知光信号的波长信息。

本发明实施例提供的功率分配方法，通过调节波导的相互作用区施加的电压值，并且在波导上增加石墨烯，从而改变硅波导的有效折射率，从而改变定向耦合器两个输出端口的光功率之比，实现片上可重构，尺寸小，工作范围宽，具有较高的工艺容差等特点。

以上所描述的装置以及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

Claims (8)

1.一种宽谱光功率分束器，其特征在于，至少包括：第一波导和第二波导，所述第一波导和所述第二波导存在互作用区，所述互作用区为石墨烯波导作用区域，用于通过调节所述石墨烯波导作用区域的电压大小，以改变所述石墨烯层的光学电导率，对输出的功率进行调节。

2.根据权利要求1所述的分束器，其特征在于，所述石墨烯波导作用区域包括二氧化硅埋氧层、有源波导层、氧化铝层、石墨烯层和电极层，并从下到上依次排列；其中：

所述石墨烯层位于所述氧化铝层上面，作为电容结构的上极板，用于通过对所述石墨烯层加载电压，以改变所述石墨烯层的光学电导率。

3.根据权利要求2所述的分束器，其特征在于，所述有源波导层位于所述二氧化硅埋氧层和所述氧化铝层之间，至少包括轻掺杂的脊波导和重掺杂的脊波导。

4.根据权利要求3所述的分束器，其特征在于，所述轻掺杂的脊波导用于和所述电容结构的下极板，重掺杂的脊波导用于与接地电极形成欧姆接触。

5.根据权利要求2所述的分束器，其特征在于，所述氧化铝层为电解质层，用于在波导与石墨烯之间形成电容结构，用于通过调节所述氧化铝层厚度来调整改变器件的响应时间和效率。

6.一种基于上述任一权利要求1-5所述的分束器的功率分配方法，其特征在于，所述方法包括：

从第一波导的输入端输入光信号；

通过调节互作用区的电压大小，调节所述光信号在所述第一波导的输出端和第二波导的输出端的功率输出比例，其中所述互作用区为石墨烯波导作用区域。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述石墨烯波导作用区域包括二氧化硅埋氧层、有源波导层、氧化铝层、石墨烯层和电极层，并从下到上依次排列；其中：

所述石墨烯层位于所述氧化铝层上面，作为电容结构的上极板，用于通过对所述石墨烯层加载电压，以改变所述石墨烯层的光学电导率。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述功率输出比在100:0和50:50之间变化。