CN108732685A - 一种基于亚波长光栅的定向耦合器 - Google Patents

一种基于亚波长光栅的定向耦合器 Download PDF

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Abstract

本文公开了一种基于亚波长光栅的定向耦合器，包括：第一波导(101)和具有亚波长光栅SWG结构的第二波导(102)；所述第一波导(101)用于将从所述第一波导(101)的第一端口入射的不满足两波导之间耦合条件的波长信号从所述第一波导(101)的第二端口直通输出；所述第二波导(102)用于将从所述第一波导(101)的第一端口入射的满足两波导之间耦合条件的特定波长信号反向耦合至所述第二波导(102)的下载端口并输出。本文的技术方案能够降低波分复用系统中波长信道间的串扰，提高数据传输容量。

Description

一种基于亚波长光栅的定向耦合器
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及的是一种基于亚波长光栅的定向耦合器。
背景技术
随着光通信技术的不断发展，数据容量不断提升，在有限的带宽中尽可能提升容量就成为了粗波分复用技术(Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM)中最紧迫的需求，波分复用光网络通过在多个波长信道上同时传输数据提高网络容量。在波分复用光网络中为了实现对信道的选择和噪声的抑制，需要设计对多波长光信号进行滤波的光器件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于亚波长光栅的定向耦合器，能够降低波分复用系统中波长信道间的串扰，提高数据传输容量。
本发明实施例提供一种基于亚波长光栅的定向耦合器，包括：
第一波导(101)和具有亚波长光栅SWG结构的第二波导(102)；
所述第一波导(101)用于将从所述第一波导(101)的第一端口入射的不满足两波导之间耦合条件的波长信号从所述第一波导(101)的第二端口直通输出；所述第二波导(102)用于将从所述第一波导(101)的第一端口入射的满足两波导之间耦合条件的特定波长信号反向耦合至所述第二波导(102)的下载端口并输出。
可选地，所述第一波导和第二波导之间的间距满足高斯函数：
其中，G(n)是第一波导和第二波导之间的间距；n为自然数，代表亚波长光栅的周期序号；Gmin为间距最小值；R为常数；N为亚波长光栅的周期序号的最大值；a为亚波长光栅切趾系数。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于亚波长光栅的定向耦合器，两波导之间的间距满足高斯函数分布，由于采用了切趾技术，使得滤波谱形、边带抑制以及器件尺寸方面取得了进步，达到了较高的信道隔离度，降低了波分复用系统中波长信道间的串扰，提高了数据传输容量。
附图说明
图1为本发明实施例1中基于亚波长光栅的定向耦合器的结构示意图；
图2(a)为本发明示例1中基于亚波长光栅的定向耦合器的的结构示意图；
图2(b)为本发明示例1中基于亚波长光栅的定向耦合器的下载端口传输谱示意图；
图3(a)为本发明示例2中基于亚波长光栅的定向耦合器的直波导和SWG波导的俯视图；
图3(b)为本发明示例2中亚波长光栅的示意图；
图3(c)为本发明示例2中一段放大后的亚波长光栅的示意图；
图4(a)为本发明示例3中基于切趾亚波长光栅的定向耦合器的结构示意图(立体示意图)；
图4(b)为本发明示例3中基于切趾亚波长光栅的定向耦合器的结构示意图(剖面图)；
图5-1为本发明示例3中仿真基于切趾亚波长光栅的定向耦合器的下载端口传输谱示意图一；
图5-2为本发明示例3中仿真基于切趾亚波长光栅的定向耦合器的下载端口传输谱示意图二；
图5-3为本发明示例3中实际测试基于切趾亚波长光栅的定向耦合器的下载端口传输谱示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于亚波长光栅的定向耦合器，包括：
第一波导(101)和具有亚波长光栅SWG结构的第二波导(102)；
所述第一波导(101)用于将从所述第一波导(101)的第一端口入射的不满足两波导之间耦合条件的波长信号从所述第一波导(101)的第二端口直通输出；所述第二波导(102)用于将从所述第一波导(101)的第一端口入射的满足两波导之间耦合条件的特定波长信号反向耦合至所述第二波导(102)的下载端口并输出；
所述基于亚波长光栅的定向耦合器还可以包括下述特点：
在一种实施方式中，所述第一波导(101)和第二波导(102)平行放置，间距满足高斯函数分布，中心间距最窄处设为Gmin；
在一种实施方式中，所述第一波导和第二波导之间的间距满足高斯函数：
其中，G(n)是第一波导和第二波导之间的间距；n为自然数，代表亚波长光栅的周期序号，也即代表亚波长光栅第n个周期，1≤n≤N；Gmin为间距最小值，也即两波导中心点之间的距离；R为常数；N为亚波长光栅的周期序号的最大值；a为亚波长光栅切趾系数；
在一种实施方式中，Gmin的取值范围是：100nm≤Gmin≤300nm；N的取值范围是：300≤N≤500；
其中，Gmin较小可以满足较强的耦合要求，但考虑到加工精度的限制，一般设置在100nm至300nm之间；亚波长光栅的周期小于亚波长光栅波导所传输光的波长，这样非连续的亚波长光栅结构就可等效于材料折射率较低的直波导。N一般选在300至500之间；a为亚波长光栅切趾系数，a的值决定了SWG波导的弯曲形态，a可以设置为整数；其中，第一波导的宽度可以设置为500nm；
在一种实施方式中，所述第一波导是硅基纳米线直波导；
在一种实施方式中，所述第二波导(102)还用于将从所述第二波导(102)的上载端口入射的满足两波导之间耦合条件的特定波长信号反向耦合至所述第一波导(101)的第二端口并输出。
在一种实施方式中，所述定向耦合器集成在硅基平台上；
其中，所述硅基平台可以是绝缘体上的硅(Silicon on Insulator，SOI)。硅基光子器件具有尺寸小，成本低，且能够与互补金属氧化物半导体(Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS)工艺相兼容等优点，是集成光路的理想选择。
下面通过一些示例来说明基于亚波长光栅的硅基定向耦合器。
示例1
本示例提供一种基于亚波长光栅的硅基定向耦合器。
如图2(a)所示，借助一根具有亚波长光栅(Subwavelength Grating，SWG)结构的SWG波导和一根能够直通光信号的直波导可以构造定向耦合器。其中，亚波长光栅是指光栅周期远小于入射光波长的光栅，亚波长光栅具有特殊的衍射特性。
当一段连续光谱从所述直波导的入射端口输入后，满足相位匹配条件的特定波长被耦合至SWG波导并从下载端口输出，其他波长信号由于不满足耦合条件而由直波导的直通端口直通输出。
其中，直波导是硅基纳米线波导，直波导的两端分别是入射端口和直通端口。SWG波导的两端分别是下载端口和上载端口，其中，下载端口是将特定波长下载至该端口输出，上载端口是将指定波长的光从SWG波导反向耦合至直波导，然后从直波导的入射端口输出。
如图2(b)所示，在SWG波导的下载端口测试输出光信号得到传输谱1，该传输谱具有低插入损耗，窄带宽的优点，但是，该传输谱仍然存在较强的边带，强边带会给CWDM系统的复用和解复用带来较大的串扰，从而影响系统的性能。
示例2
本示例说明基于亚波长光栅的定向耦合器制作在硅基上的工艺。
本示例的定向耦合器集成在绝缘衬底上的硅(SOI)平台上。首先通过电子束曝光(elec-tron-beamlithography，EBL)对光刻胶进行曝光，之后通过感应耦合等离子体(Inductive Coupled Plasma，ICP)将光刻胶图案刻蚀在顶层硅上，最终沉积一层1μm厚的二氧化硅沉积层。硅基定向耦合器的扫描电子显微镜照片(Scanning ElectronMicroscope，SEM)如图3所示，其中包含了部分结构的放大图。
示例3
本示例提供一种采用切趾技术的基于亚波长光栅的硅基定向耦合器。
光栅切趾技术，是采用特定的函数对光栅的折射率沿纵向进行调制，也就是改变折射率的包络，则光栅折射率平均变化值Δneff需要具有特定的函数形式，如下述公式(1-1)所示：
Δneff＝ΔnmaxTn (1-1)
其中，Δnmax是光栅折射率的最大值，Tn是特定函数；所述特定函数可以采用高斯函数G(n)；
采用光栅切趾技术后，光栅反射谱顶部会变得平缓，并且旁瓣会得到有效地抑制。因此，借助于光栅切趾技术设计一种低边带的高效硅基集成光滤波器，能够使得CWDM复用和解复用过程中的串扰降低，从而使得硅基光通信数据容量得到有效提高。
如图4(包括(a)和(b))所示，本示例中的定向耦合器可以在SOI芯片上制作实现，包括：第一波导与具有SWG结构的第二波导；两波导间的间距满足高斯函数：
其中，G(n)是第一波导和第二波导之间的间距；n为自然数，代表亚波长光栅的周期序号，也即代表亚波长光栅第n个周期，1≤n≤N；Gmin为两根波导之间的间距的最小值，R为常数，比如可以设置为1微米，N为亚波长光栅的周期序号的最大值，可以设置为300，a为亚波长光栅切趾系数，a的值决定了SWG波导的弯曲形态。本示例的定向耦合器的左上角有一个输入端口，右上角有一个直通端口(输出光信号)、左下角有一个下载端口，右下角有一个上载端口，该定向耦合器集成在硅基芯片上。
所述定向耦合器在工作时，满足耦合条件的特定波长信号由入射端口入射后，被反向耦合至SWG波导并由下载端口输出，不满足耦合条件的波长信号由直通端口输出。
上述高斯函数中，亚波长光栅切趾系数a可以设置为整数；比如，在仿真实验中，参数设定为：a＝0，2，5，7，仿真在下载端口监测的传输谱。如图5-1所示，a＝0时，相当于未采用切趾技术时的传输谱线，边带较强；当a＝2,5,7时，相当于采用切趾技术后，边带抑制有极大地改善。a＝7时，边带抑制比可以达到27dB左右，因此，a的值越大，边带抑制效果越好，边带抑制比越高。另外，如图5-2所示，如果将a设置为5，然后设置不同的最小间距Gmin，最小间距Gmin越大，边带抑制效果越好，但由于两根波导间隔增大，耦合减弱，插损也会提升。因此a值的选取需要在边带抑制效果以及器件损耗间平衡。
在下载端口实际测试传输谱时，可以通过可调激光器输入一束10dBm激光，经过偏振控制器控制输入激光的偏振态，然后调节入射光纤的角度位置使其对准芯片上的光栅耦合器，该束激光会被耦合至芯片上的定向耦合器并由第一波导入射端口入射。根据选定的亚波长光栅周期、占空比、波导宽度等参数，满足耦合条件：
其中λ为工作波长，Λ为光栅周期，n1和n2分别为第一波导和第二波导的有效折射率。此时第一波导中特定波长的光会反向耦合到第二波导中，并由下载端口出射。在下载端口用光功率计扫谱记录该端口出射光的传输谱。不满足耦合条件的其它波长的光信号则会直通，由第一波导的直通端口出射，实验测试结果则如图5-3所示。上述实验中，亚波长光栅SWG周期设置为378nm，占空比为50％，亚波长光栅的周期组数为300，也即亚波长光栅包含300组周期，耦合长度是100.3微米。
不同波导间距的器件被加工在同一批芯片上并进行测试。如图5-3所示，传输谱都经过归一化处理。当a＝0时，也即相当于未采用切趾技术时，两根波导间的间距最小值Gmin设置为200nm时的传输谱线边带较强。采用切趾技术后，将亚波长光栅切趾系数a设置为5时，通过设置两根波导间的间距最小值Gmin，分别测量定向耦合器的下载端口的传输谱。10nm的波长偏移内，未采用切趾技术(a＝0)时，边带抑制比在-4.5dB左右，采用了切趾技术(a＝5)后，最小波导间距230nm时可实现27dB的边带抑制比。实验发现，波导间距越大则边带抑制效果越好，但对应被下载信号损耗会增大。
需要说明的是，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于亚波长光栅的定向耦合器，包括：
第一波导(101)和具有亚波长光栅SWG结构的第二波导(102)；
所述第一波导(101)用于将从所述第一波导(101)的第一端口入射的不满足两波导之间耦合条件的波长信号从所述第一波导(101)的第二端口直通输出；所述第二波导(102)用于将从所述第一波导(101)的第一端口入射的满足两波导之间耦合条件的特定波长信号反向耦合至所述第二波导(102)的下载端口并输出。
2.如权利要求1所述的基于亚波长光栅的定向耦合器，其特征在于：
所述第一波导和第二波导之间的间距满足高斯函数：
其中，G(n)是第一波导和第二波导之间的间距；n为自然数，代表亚波长光栅的周期序号；Gmin为间距最小值；R为常数；N为亚波长光栅的周期序号的最大值；a为亚波长光栅切趾系数。
3.如权利要求1或2所述的基于亚波长光栅的定向耦合器，其特征在于：
所述第二波导(102)还用于将从所述第二波导(102)的上载端口入射的满足两波导之间耦合条件的特定波长信号反向耦合至所述第一波导(101)的第二端口并输出。
4.如权利要求2所述的基于亚波长光栅的定向耦合器，其特征在于：
Gmin的取值范围是：100nm≤Gmin≤300nm。
5.如权利要求1或2所述的基于亚波长光栅的定向耦合器，其特征在于：
所述定向耦合器集成在硅基平台上。
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