CN108873176B - 一种紧凑式三向波分复用/解复用器及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种紧凑式三向波分复用/解复用器及其实现方法，包括微环谐振器、微带金属线圈、设置在非互易微环谐振器两侧且与微环谐振器耦合的两个用于光信号输入/输出的条形带状直波导；两个条形带状直波导两端分别具有第一至第四光信号输出/输入端口，在第二端口刻有均匀的波导布拉格反射光栅；微环谐振器包括微环弯曲波导以及设置在微环波导内侧壁的磁旋光介质，金属线圈中通过的电流周围产生磁旋光介质工作所必需的外部准静态磁场。改变金属微带线圈中的电流方向实现系统在三向波分复用器和解复用器之间的切换。本发明结构简单，隔离度高，损耗低，串扰小，紧凑便于集成，可实现大范围的光波导集成，大批量生产降低成本，易于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，涉及一种复用/解复用器，更为具体的说，是涉及一种基于波导光栅与非互易微环谐振腔的紧凑式TE模波分复用/解复用器及其实现方法。
背景技术
非互易光子器件是光通信系统中不可或缺的重要原件，主要包括隔离器与环形器，其功能是使光能够单向传输。隔离器是一种两端口器件，主要用在保护激光不受不利的反向传输光的干扰，环形器是多端口的隔离器，功能特性与隔离器相似。近年来，非互易器件在光通信其他领域的应用也得到了探索和发展，比如在光互连中实现了双向复用技术，从而在许多数据中心和电信业的应用中提升了网络容量，同时它们也是分布式光纤传感器和其他一些干涉型光纤传感器的主要组成部分。
随着大数据和通信网中宽带业务的迅速发展，光纤到户(FTTH)接入网由于其独特的技术优势应运而生，而其中具有波分复用(WDM)功能的三向器(triplexer)作为FTTH中的重要组成部分近年来受到广泛关注。但现有片上三向器具有不少缺陷，在波分复用和解复用之间无法切换，光子集成度不高，整体尺寸较大。
发明内容
为解决上述问题，本发明基于非互易器件在波分复用领域进行新的探索，提出一种基于硅波导布拉格光栅和非互易微环结合型的TE模紧凑式三向波分复用/解复用器及其实现方法，具有尺寸小，结构紧凑致密的特点，同时具备很高的可靠性，在光子集成领域具有很大的潜在应用价值。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种紧凑式三向波分复用/解复用器，包括微环谐振器、微带金属线圈、设置在非互易微环谐振器两侧且与微环谐振器耦合的两个用于光信号输入/输出的条形带状直波导；其中一个条形带状直波导两端具有第一和第二光信号输出/输入端口，另一个条形带状直波导两端具有第三和第四光信号输出/输入端口，在第二光信号输出/输入端口刻有均匀的波导布拉格反射光栅；微环谐振器包括微环弯曲波导以及设置在微环波导内侧壁的磁旋光介质，金属线圈中通过的电流周围产生磁旋光介质工作所必需的外部准静态磁场。
进一步的，所述磁旋光介质包括沉积在微环波导内侧的籽晶层，以及沉积在籽晶层上的掺铈钇铁石榴石，所述籽晶层由钇铁石榴石制成。
进一步的，还包括硅衬底，硅衬底上设置有缓冲层，缓冲层上设置有二氧化硅包层，如二氧化硅包层顶部设置有环形刻槽，金属微带线圈沉积在刻槽中，两个条形带状直波导、微环波导均设置在二氧化硅包层内。
进一步的，金属微带线圈顶部高于二氧化硅包层的上表面，用于与外部电源连接。
本发明还提供了紧凑式三向波分复用/解复用器的实现方法，包括如下步骤：
当作为波分复用器时，三个相同波长的WDM光信道从第二、第三、第四端口进入器件中；第四端口输入的波长与CW共振波长相对应；第三端口输入波长信道与CCW共振波长以及波导布拉格反射光栅的中心反射波长相对应；第二端口输入的波长信道直接透过光栅不与非互易微环谐振器发生耦合；三路光波长信道最后在直波导第一端口合波输出；
当系统作为波分解复用器时，包含三个不同波长信道的WDM光信号从第一端口输入，与非互易微环谐振器中逆时针共振波长相对应的波长通道经过与微环临界耦合后进入微环，再从第四端口输出；与非互易微环中顺时针共振波长相对应的波长通道经过第一端口附近的硅上均匀布拉格光栅反射后与非互易微环临界耦合，然后第三端口输出，与微环没有共振的波长通道从光栅所在的第二端口输出。
进一步的，改变金属微带线圈中的电流方向使外加磁场方向反转能够实现系统在三向波分复用器和解复用器之间的切换。其原因在于外加磁场方向的反转使得非互易微环谐振器中CCW共振波长和CW共振波长相互交换。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1.结构简单，隔离度高，损耗低，串扰小，紧凑便于集成，可实现大范围的光波导集成，大批量生产降低成本，易于实现商业化，能够在实际生活中得到广泛应用。
2.核心部件为与磁光介质实现片上集成的非互易微环结构，具有很高的可靠性，尺寸小，光场强度高，诱导的非互易相移大，隔离度高，不同端口之间串扰小。
3.与传统的三向器相比，改变外加磁场的方向可以实现三向器在波分复用和解复用之间的有效切换，相比以往的方案尺寸大大减小。
4.TE模式的三向波分复用/解复用器本质是一个分插型环形谐振滤波器结构，可实现三向器整体尺寸很大程度的缩小，缩短光程，从而减小光模辐射，使得制作的器件更加紧凑、易于集成、隔离度高。
附图说明
图1为本发明提供的紧凑式三向波分复用/解复用器俯视图。
图2为图1的右侧方向剖视图。
附图标记说明：
1-第一光信号输出/输入端口，2-第二光信号输出/输入端口，3-第三光信号输出/输入端口，4-第四光信号输出/输入端口，5-波导布拉格反射光栅，6-微环弯曲型波导，7-磁旋光介质，8-微带金属线圈，9-籽晶层，10-铁石榴石，11-二氧化硅包层，12-环形刻槽，13-金属线圈中通过的电流，15-第一条形带状直波导，16-第二条形带状直波导，17-缓冲层，18-硅衬底，19-外部场。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供的紧凑式三向波分复用/解复用器，包括用于光信号输入/输出的第一条形带状直波导15，用于两个光波长通道输出的第二条形带状直波导16，一个非互易微环谐振器。从图1角度看，第二条形带状直波导16位于微环上方，第一条形带状直波导15位于微环下方。从图2角度来看，两个条形带状直波导设置在非互易微环谐振器两侧且与微环谐振器处于同一平面上，两条形带状直波导与微环谐振腔对称耦合；第一条形带状直波导15两端分别具有第一光信号输出/输入端口1和第二光信号输出/输入端口2，第二条形带状直波导16两端分别具有第三光信号输出/输入端口3和第四光信号输出/输入端口4，在第二光信号输出/输入端口2刻有均匀的波导布拉格反射光栅5。此外，还包括微带金属线圈8。如图2所示，微带金属线圈8位于非互异微环谐振器及两个条形带状直波导的上方。
具体的说，TE模式的非互易微环谐振器为横向的Voigt结构，所加外部磁场垂直于光传播方向，非互易微环谐振器包括微环弯曲型波导6以及横向紧贴微环波导内侧壁放置的磁旋光(MO)介质7，磁旋光介质7被放在微环6相同的平面上，其制作过程如下：利用脉冲激光沉积技术将钇铁石榴石作为籽晶层9沉积在微环波导6内侧的二氧化硅缓冲层17上，使其横向紧贴微环的内侧壁，并在高温下快速热退火使其结晶；用同样的沉积技术，可将掺铈钇铁石榴石10制作在籽晶层9上。金属线圈中通过的电流13周围产生磁旋光介质7工作所必须的外部准静态磁场。
当系统作为波分复用器时，三个相同波长的WDM光信道从2、3、4端口进入器件中；4号口输入的波长与CW共振波长相对应；3号输入波长信道与CCW共振波长以及波导布拉格反射光栅5的中心反射波长相对应；2号口输入的波长信道直接透过光栅不与非互易微环谐振器发生耦合；三路光波长信道最后在直波导1号口合波输出。
当系统作为波分解复用器时，包含三个不同波长信道的WDM光信号从第一条形带状直波导的1号口输入，与非互易微环谐振器中逆时针共振波长相对应的波长通道经过与微环临界耦合后进入微环，再从第二条形带状直波导的4号口输出；与非互易微环中顺时针共振波长相对应的波长通道经过第一条形带状直波导的2号端口附近的硅上均匀布拉格光栅5反射后与非互易微环临界耦合，然后从第二条形带状直波导16的3号口输出，与微环没有共振的波长通道从光栅5所在的2号端口输出，实现三向器波分解复用的功能。
金属微带线圈8产生的垂直于波导所在平面的外部磁场使作为磁光介质的YIG和Ce：YIG达到饱和磁化强度，并诱导非互易相移(NRPS)使环中的简并模式被打破，分裂出两个在微环中沿着相反方向传播的具有不同共振频率的共振模式：逆时针共振模式(CCW)和顺时针共振模式(CW)。
为了使提供外加准静态磁场的电磁体集成到芯片上，如图2所示，我们在距离微环中心几个微米的SiO2包层11顶面上刻蚀5微米左右深、2微米左右宽的环形槽12，包围整个非互易微环腔，然后将6微米左右厚的金属微带8沉积到刻好的环形槽中作为通电线圈，所沉积的金属微带顶面略高于SiO2包层的上表面，以便通过金属丝与外部电源连接。由于石榴石属于铁磁质，相对磁导率远远大于1，很小的外部磁场就可以使其达到饱和磁化强度。
当SiO2包层11所刻环形槽12中沉积的金属微带线圈8中的电流13改变方向时，穿过磁光活性介质7的外部场19变成相反的方向，此时CCW共振频率和CW共振频率相互交换。此时，三个相同波长的WDM光信道沿着相反方向从2，3，4端口重新进入器件中，2，3，4由输出口变成输入口；由于CCW和CW共振波长发生互换，4号口输入的波长与CW共振波长相对应；3号输入波长信道与CCW共振波长以及光栅5的中心反射波长相对应；2号口输入的波长信道直接透过光栅5不与非互易微环谐振器发生耦合；三路光波长信道最后在第一条形带状直波导15的1号口输出；1号口从输入口变成输出口。到此便实现了该器件系统从三向波分解复用器到三向复用器的转换。
为了实现技术方案的完全集成器件，避免使用永磁这种分离原件，我们在微环顶部周围集成了一个金属微带线圈8，通过在微带内通入电流13可以产生穿过磁光介质7的本地磁场，改变电流的方向可以很容易的转换磁化方向从而实现器件的动态可重构。为了增加垂直方向穿过磁光介质磁场的强度，可以通过加深加宽玻璃环形刻槽12来实现。
如图2所示，非互易微环谐振器还包括硅衬底18，硅衬底18上设置有缓冲层17，缓冲层上设置有二氧化硅包层11，如前述提及，二氧化硅包层顶部设置有环形刻槽12，刻槽中沉积有金属微带线圈8，线圈中通入电流13。第二条形带状直波导16，第一条形带状直波导15，硅微环波导6均设置在二氧化硅包层内。其中二氧化硅缓冲层的折射率为1.46，掺铈钇铁石榴石的折射率为2.22，钇铁石榴石的折射率为2.19，硅的折射率为3.48。
器件选用稀土掺杂的石榴石为磁光介质，通过施加外部磁场，磁光介质会被极化，它的相对介电张量如下所示：
其中，Mx，My和Mz表示磁化分量,K＝K′+jK″是一个复杂的材料参数。K的实部与法拉第椭圆率相关，它在Ce：YIG中可以忽略不计，而K″与非互易相移(NRPS)直接有关。如果磁化Mj(j＝x,y,z)是饱和的，那么介电张量非对角线上的元素与特定的法拉第旋转角
有关，关系式如下：
其中k0是真空中的波数，外部磁通量为50Gauss时就可以使Ce：YIG饱和磁化，另外，法拉第旋转角与晶体中铈(Ce)的替代程度成比例，提高Ce的掺杂浓度可以增强非互易效应。
磁光介质中的相对介电张量矩阵中的非对角线元素是引起非互易效应的原因。当K″Mj远小于对角线元素(即
)时，利用薛定谔微扰理论可以预计正向和反向传播常数之间存在的偏移。TE模式的非互易相移如下所示：
其中，βTE是TE横磁模的输入光在微环中传波时的相位常数，βTE＝2πnneff/λw，其中λw是工作波长，ω是光波角频率，nneff是横磁模的有效折射率；
是对y方向的电场分量求偏微分，这里的y方向是TE模偏振的方向，也就是与微环平面平行的方向；Ey是TE模的横向电场分量；ε0是真空的介电常数，N的表示式为:
如(3)式所示，TE模的非互易相移取决于Mx(即沿着纵向x方向的磁化强度)。对于TE模，它的ΔβTE取决于
的积分。如果波导芯层沿着水平轴方向是不均匀的，见图2，则Ey是不连续的，并且它沿着y的导数
会变得很大。当把模场的最大值放在分开不同法拉第旋转角区域的边界上时，结构中就会出现最大的非互易相移。
对于三向波分复用/解复用器的另一个关键的研究点在于硅波导上的均匀Bragg光栅，它的反射波长和带宽都需要被仔细地被设计；布拉格光栅的中心反射波长由下式决定：
mλB＝2nneffΛ (5)
其中neff是平均有效折射率，Λ是光栅间距，λB是Bragg波长，m是衍射级次。布拉格光栅的带宽表示为下式：
其中ng是群折射率，L是光栅总的长度，Δn是有效折射率的微扰项。布拉格光栅的中心反射波长和作为三向解复用器的CW共振波长(或者复用器的CCW共振波长)相对应。因此，布拉格光栅的中心反射波长除了与三路WDM波长信道的其中一路相对应之外，还要和作为三向解复用器时的非互易微环中的CW共振波长相对应，或者和作为三向复用器时的非互易微环的CCW共振波长相对应。此外，硅波导上的布拉格光栅带宽要尽量小。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种紧凑式三向波分复用/解复用器，其特征在于：包括微环谐振器、微带金属线圈、设置在非互易微环谐振器两侧且与微环谐振器耦合的两个用于光信号输入/输出的条形带状直波导；其中一个条形带状直波导两端具有第一和第二光信号输出/输入端口，另一个条形带状直波导两端具有第三和第四光信号输出/输入端口，在第二光信号输出/输入端口刻有均匀的波导布拉格反射光栅；微环谐振器包括微环弯曲波导以及设置在微环波导内侧壁的磁旋光介质，金属线圈中通过的电流周围产生磁旋光介质工作所必需的外部准静态磁场。
2.根据权利要求1所述的紧凑式三向波分复用/解复用器，其特征在于：所述磁旋光介质包括沉积在微环波导内侧的籽晶层，以及沉积在籽晶层上的掺铈钇铁石榴石，所述籽晶层由钇铁石榴石制成。
3.根据权利要求1所述的紧凑式三向波分复用/解复用器，其特征在于：还包括硅衬底，硅衬底上设置有缓冲层，缓冲层上设置有二氧化硅包层，如二氧化硅包层顶部设置有环形刻槽，金属微带线圈沉积在刻槽中，两个条形带状直波导、微环谐振器均设置在二氧化硅包层内。
4.根据权利要求1所述的紧凑式三向波分复用/解复用器，其特征在于：金属微带线圈顶部高于二氧化硅包层的上表面，用于与外部电源连接。
5.一种紧凑式三向波分复用/解复用器的实现方法，其特征在于：基于权利要求1-4所述的紧凑式三向波分复用/解复用器实现，包括：
当作为波分复用器时，三个相同波长的WDM光信道从第二、第三、第四端口进入器件中；第四端口输入的波长与CW共振波长相对应；第三端口输入波长信道与CCW共振波长以及波导布拉格反射光栅的中心反射波长相对应；第二端口输入的波长信道直接透过光栅不与非互易微环谐振器发生耦合；三路光波长信道最后在直波导第一端口合波输出；
当系统作为波分解复用器时，包含三个不同波长信道的WDM光信号从第一端口输入，与非互易微环谐振器中逆时针共振波长相对应的波长通道经过与微环临界耦合后进入微环，再从第四端口输出；与非互易微环中顺时针共振波长相对应的波长通道经过第一端口附近的硅上均匀布拉格光栅反射后与非互易微环临界耦合，然后第三端口输出，与微环没有共振的波长通道从光栅所在的第二端口输出。
6.根据权利要求5所述的紧凑式三向波分复用/解复用器的实现方法，其特征在于：改变金属微带线圈中的电流方向使外加磁场方向反转能够实现系统在三向波分复用器和解复用器之间的切换。
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