CN109407209A - 一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器 - Google Patents

一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器，采用输入单模布拉格波导光栅结构，实现两路波长信号的复用功能，同时通过模式转换器将其中两路波长由单模波导的基模转化为多模波导的一阶模，实现模式复用功能，从而实现四个信道的复用；采用反对称多模布拉格波导光栅结构，将多模波导中两路不同波长的一阶模耦合到单模输出波导的基模，完成模式的解复用，同时通过输出单模布拉格波导光栅结构，把多模波导中两路不同波长的基模分离，从而实现四个信道的解复用。本发明把波分复用和模分复用混合集成在一个器件中，减小了器件尺寸，大大提高了通信系统的容量。

Description

一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复 用解复用器
技术领域
本发明涉及光波分模分混合复用解复用集成器件，特别是涉及一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器。
背景技术
随着当今信息社会的不断发展，人们对光传输的容量和带宽的需求呈指数型增长。人们采用了多种方法来提高光通信的带宽容量。光波分复用(WDM)技术，是一种被证实为直接有效的方法，不同的波长光携带不同的信息，在同一光波导中传输，这在光纤通信系统的运用中已经非常成功。模分复用(MDM)技术是另一种提高光链路容量的方法。在MDM系统中，多模波导作为总线光干路，利用正交的不同模式同时携带不同的信息，从而使单根光路实现多通道传输信息。
结合不同的复用技术的优点，进一步提高光链路是当今研究的热点。波分模分混合复用技术是一种很好的方案，可以实现N(波长)×M(模式)路光信道。因此，研制出结构简单、尺寸紧凑，功能齐全、易于集成和制作的光波分模分复用解复用器，是今后发展片上集成光通信技术的重要而有意义的工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器。设计上采用单模布拉格波导光栅和单模波导相结合的结构，实现基于TE基模的1550nm和1560nm的波分复用解复用，通过模式转换器实现了从单模波导中1550nm和1560nm的基模到多模波导一阶模的转换，从而实现模分复用，同时借助反对称多模布拉格波导光栅和单模波导相结合的结构，实现基于TE一阶模的1550nm和1560nm的波分模分解复用。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器，其特征在于：包括单模输入波导1(1)、单模渐变波导(2)、多模波导(3)、单模下路波导1(4)、单模输出波导1(5)、反对称多模布拉格波导光栅(6)、输出渐变波导(7)、单模输出波导2(8)、输出单模布拉格波导光栅(9)、单模输出波导3(11)、单模下路波导2(12)、单模输出波导4(14)、多模渐变波导(15)、单模输入波导2(17)、单模输入波导3(18)、输入单模布拉格波导光栅1(19)、单模输入波导4(21)和输入单模布拉格波导光栅2(22)；其中，单模渐变波导和多模渐变波导间的耦合区为模式转换区(16)；反对称多模布拉格波导光栅与单模下路波导1和单模下路波导2间的耦合区为双通道多模下路耦合区(13)；输入单模布拉格波导光栅1与单模输入波导2间的耦合区为单模上路耦合区1(20)；输入单模布拉格波导光栅2与单模输入波导1间的耦合区为单模上路耦合区2(23)；输出单模布拉格波导光栅与单模输出波导2间的耦合区为单模下路耦合区(10)；多模渐变波导两端分别与单模输入波导2和多模波导连接；输出渐变波导两端分别与多模波导和单模输出波导2连接。
优选地，所述的单模输入波导、单模渐变波导、多模波导、单模下路波导、单模输出波导、反对称多模布拉格波导光栅、输出渐变波导、输入单模布拉格波导光栅、输出单模布拉格波导光栅、多模渐变波导和模式转换区为条形波导。
优选地，所述的单模渐变波导和多模渐变波导的波导宽度渐变区发生在波导的一侧，波导另一侧保持不变。
优选地，所述的单模渐变波导和多模渐变波导间的耦合区组成的模式转换区，其中两波导的非渐变侧边相对且保持两波导间隔不变。
优选地，所述的反对称多模布拉格波导光栅与单模下路波导1和单模下路波导2间的耦合区组成的双通道多模下路耦合区，其中单模下路波导1和单模下路波导2的宽度不同，光栅的周期满足分别将多模波导中波长为1550nm和1560nm的一阶模耦合到单模下路波导1和单模下路波导2中的相位匹配条件。
优选地，所述的反对称多模布拉格波导光栅的周期性折射率微扰区在多模波导的两侧边上，呈反对称分布；所述的构成布拉格波导光栅的周期单元形状均为矩形。
优选地，所述的输入单模布拉格波导光栅1的周期满足将单模输入波导3中1560nm波长的光耦合到单模输入波导2的相位匹配条件。
优选地，所述的输入单模布拉格波导光栅1的周期性折射率微扰区在面向单模输入波导2的侧边上，所述构成布拉格波导光栅的周期单元形状均为矩形。
优选地，所述输入单模布拉格波导光栅1、输入单模布拉格波导光栅2以及输出单模布拉格波导光栅的结构一致。
本发明所提供的基于模式转换器和布拉格波导光栅的复用解复用方法的原理为：复用时，1550nm的TE基模从单模输入波导2输入，经过多模渐变波导进入多模波导转化为多模波导的基模；1560nm的TE基模从单模输入波导3输入，通过输入单模布拉格波导光栅1，在单模上路耦合区1中被反向耦合为单模输入波导2的TE基模，再经过多模渐变波导进入多模波导转化为多模波导的基模；1550nm的TE基模从单模输入波导1输入，经过单模渐变波导，在模式转换区中转化为多模波导的一阶模；1560nm的TE基模从单模输入波导4输入，通过输入单模布拉格波导光栅2，在单模上路耦合区2中被反向耦合为单模输入波导1的TE基模，再经过单模渐变波导进入多模波导转化为多模波导的TE一阶模。解复用时，多模波导中1550nm和1560nm的TE一阶模，经过反对称多模布拉格波导光栅分别被反向耦合为单模下路波导1和单模下路波导2的TE基模，再分别从单模输出波导1和单模输出波导4输出；多模波导中的1550nm的TE基模先后经过反对称多模布拉格波导光栅和输出渐变波导，从单模输出波导2输出；多模波导中的1550nm的TE基模先后经过反对称多模布拉格波导光栅和输出渐变波导，被输出单模布拉格波导光栅反向耦合为单模输出波导3的TE基模输出。
本发明的有益效果是：
1、本发明所提供的基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器结合了模式转换器和布拉格波导光栅实现了波分模分混合复用解复用功能，具有插损小和容差大等特点。
2、本发明所提供的基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器具有器件设计结构简单和尺寸紧凑等优点。
3、本发明的器件制作工艺具有CMOS工艺兼容性，使得器件易于集成和扩展，方便低成本制造，可广泛应用于片上高密度集成的光互连通信系统。
附图说明
图1是本发明所提供的基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器的结构图；
图2是本发明所提供的基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器中条形波导的剖面图；
图3是本发明所提供的基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器的双通道多模下路耦合区的示意图；
图4是本发明所提供的基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器的单模下路耦合区的示意图。
图中标识：1、单模输入波导1，2、单模渐变波导，3、多模波导4、单模下路波导1，5、单模输出波导1，6、反对称多模布拉格波导光栅，7、输出渐变波导，8、单模输出波导2，9、输出单模布拉格波导光栅10、单模下路耦合区，11、单模输出波导3，12、单模下路波导2，13、双通道多模下路耦合区14、单模输出波导4，15、多模渐变波导，16、模式转换区，17、单模输入波导2，18、单模输入波导3，19、输入单模布拉格波导光栅1，20、单模上路耦合区1，21、单模输入波导4，22、输入单模布拉格波导光栅2，23、单模上路耦合区2。
具体实施方式
如图1所示，本发明所提供的一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器，包括单模输入波导1(1)、单模渐变波导(2)、多模波导(3)、单模下路波导1(4)、单模输出波导1(5)、反对称多模布拉格波导光栅(6)、输出渐变波导(7)、单模输出波导2(8)、输出单模布拉格波导光栅(9)、单模输出波导3(11)、单模下路波导2(12)、单模输出波导4(14)、多模渐变波导(15)、单模输入波导2(17)、单模输入波导3(18)、输入单模布拉格波导光栅1(19)、单模输入波导4(21)和输入单模布拉格波导光栅2(22)。其中单模渐变波导(2)和多模渐变波导(15)间的耦合区为模式转换区(16)，单模下路波导1(4)、反对称多模布拉格波导光栅(6)和单模下路波导2(12)间的耦合区为双通道多模下路耦合区(13)，输出单模布拉格波导光栅(9)和单模输出波导2(8)间的耦合区为单模下路耦合区(10)，单模输入波导3(18)和输入单模布拉格波导光栅1(19)间的耦合区为单模上路耦合区1(20)，单模输入波导4(21)和输入单模布拉格波导光栅2(22)间的耦合区为单模上路耦合区2(23)。多模渐变波导(15)两端分别与单模输入波导2(17)和多模波导(3)连接，输出渐变波导(7)两端分别与多模波导(3)和输出单模布拉格波导光栅(9)连接。
所述的单模渐变波导(2)由渐变的条形波导组成，波导宽度渐变区发生在波导的一侧，波导另一侧保持不变，它的功能是和多模渐变波导(15)组成模式转换区，将单模输入波导1(1)的TE基模转换为多模波导(3)的TE一阶模；
所述的多模渐变波导(15)由渐变的条形波导组成，波导宽度渐变区发生在波导的一侧，波导另一侧保持不变，它的功能除了和单模渐变波导(2)组成模式转换区外，还能将单模输入波导2(17)的TE基模转换为多模波导(3)的TE基模；
所述的反对称布拉格波导光栅(6)的周期性折射率微扰区设在多模波导(3)的两侧边上，呈反对称分布；
所述的输出渐变波导(7)由对称渐变的波导组成，功能是将多模波导(3)中的TE基模转化为单模输出波导2(8)的TE基模；
所述的输出单模布拉格波导光栅(9)位于单模输出波导3(11)面向单模输出波导2(8)的一侧；
所述的输入单模布拉格波导光栅1(19)、输入单模布拉格波导光栅2(22)和输出单模布拉格波导光栅(9)的结构一致。
此基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器的具体工作原理如下：复用时，波长为1550nm的TE基模从单模输入波导1(1)输入，进入单模渐变波导(2)，模式转换区(16)将其转换为多模波导(3)的TE一阶模；1560nm的TE基模从单模输入波导4(21)输入，通过输入单模布拉格波导光栅2(22)，在单模上路耦合区2(23)中被反向耦合为单模输入波导1(1)的TE基模，进入单模渐变波导(2)，模式转换区(16)将其转换为多模波导(3)的TE一阶模；1550nm的TE基模从单模输入波导2(17)输入，经过多模渐变波导(15)进入多模波导(3)，转化为多模波导(3)的基模；1560nm的TE基模从单模输入波导3(18)输入，通过输入单模布拉格波导光栅1(19)，在单模上路耦合区1(20)中被反向耦合为单模输入波导2(17)的TE基模，再经过多模渐变波导(15)进入多模波导(3)，转化为多模波导(3)的基模。解复用时，多模波导中1550nm的TE一阶模，经过反对称多模布拉格波导光栅(6)，双通道多模下路耦合区(13)将其反向耦合为单模下路波导1(4)的TE基模，再从单模输出波导1(5)输出；多模波导中1560nm的TE一阶模，经过反对称多模布拉格波导光栅(6)，双通道多模下路耦合区(13)将其反向耦合为单模下路波导2(12)的TE基模，再从单模输出波导4(14)输出；多模波导中的1550nm的TE基模先后经过反对称多模布拉格波导光栅(6)和输出渐变波导(7)，转化为输出单模波导2(8)的基模输出；多模波导中的1560nm的TE基模先后经过反对称多模布拉格波导光栅(6)和输出渐变波导(7)，转化为单模输出波导2(8)的基模，被输出单模布拉格波导光栅(9)反向耦合为单模输出波导3(11)的TE基模输出。
本发明实现了2×2光信号的波分模分混合复用解复用功能，具有结构简单，尺寸紧凑和容差大等优点，制作工艺具有CMOS工艺兼容性，易于集成和扩展，方便低成本制造，可应用于片上高密度集成的光互连系统。
如图1和图3所示，所述的反对称布拉格波导光栅(6)是通过在波导上刻蚀一维矩形周期单元形成的，反对称布拉格波导光栅(6)的周期满足多模波导(3)的1550nm的TE一阶模反向耦合到单模下路波导1(4)的TE基模的相位匹配条件，同时满足1560nm的TE一阶模反向耦合到单模下路波导2(12)的TE基模的相位匹配条件。需要设计单模下路波导1(4)和单模下路波导2(12)的宽度以及反对称多模布拉格波导光栅(6)的周期，可以通过以下公式获得
式中Λ为光栅周期，为单模下路波导1(4)在1550nm处TE基模的传播常数，为多模波导(3)在1550nm处TE一阶模的传播常数，为单模下路波导2(12)在1560nm处TE基模的传播常数，为多模波导(3)在1560nm处TE一阶模的传播常数。
如图1和图4所示，所述的输出单模布拉格波导光栅(9)是通过在波导一侧边上刻蚀一维矩形周期单元形成的，周期满足将单模输出波导2(8)的1560nm处TE基模反向耦合到单模输出波导3(11)的TE基模的相位匹配条件，可以通过以下公式获得
(3)
式中Λ为光栅周期，β1(1560)为单模输出波导2(8)在1560nm TE基模的传播常数，β2(1560)为单模输出波导3(11)在1560nm TE一阶模的传播常数。
如图1所示一种实施例，本发明一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器，由单模波导、渐变波导、多模波导和布拉格波导光栅构成，该器件所有组成部分皆位于同一平面内。图1中的所有单模波导，渐变波导，多模波导和布拉格波导光栅皆采用图2所示的条形波导。
实施例：
如图1、图2和图4所示，采用顶层硅厚为220nm、氧化硅埋层2μm的绝缘层上硅(SOI)材料，在完成晶圆表面清洗后，进行深紫外光刻或电子束直写光刻获得硅刻蚀掩膜，通过硅干法刻蚀，制作出高度为220nm的条形波导，其中单模输入波导1、单模输入波导2和单模输出波导2宽度为400nm；单模输入波导3、单模输入波导4和单模输出波导3的宽度为450nm；多模波导宽为800nm；单模渐变波导宽度由400nm变化到200nm，变化长度为100μm；多模渐变波导宽度由400nm变化到800nm，变化长度为100μm；单模渐变波导与多模渐变波导的间隔为100nm；多模波多模波导的两侧边刻蚀反对称结构的布拉格波导光栅，矩形光栅齿为100nm，其周期为353nm，光栅的长度为600μm，波导间距都为150nm，单模下路波导1宽度为400nm，单模下路波导2宽度为420nm；输入单模布拉格波导光栅1、2和输出单模布拉格波导光栅的光栅齿为50nm，波导间距为150nm，光栅周期为344nm，光栅长度为600μm。波导刻蚀完毕后，用PECVD生长1μm厚度的二氧化硅，作为覆盖层。整个器件只需一次刻蚀即可完成制作。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器，其特征在于：包括单模输入波导1(1)、单模渐变波导(2)、多模波导(3)、单模下路波导1(4)、单模输出波导1(5)、反对称多模布拉格波导光栅(6)、输出渐变波导(7)、单模输出波导2(8)、输出单模布拉格波导光栅(9)、单模输出波导3(11)、单模下路波导2(12)、单模输出波导4(14)、多模渐变波导(15)、单模输入波导2(17)、单模输入波导3(18)、输入单模布拉格波导光栅1(19)、单模输入波导4(21)和输入单模布拉格波导光栅2(22)；其中，单模渐变波导和多模渐变波导间的耦合区为模式转换区(16)；反对称多模布拉格波导光栅与单模下路波导1和单模下路波导2间的耦合区为双通道多模下路耦合区(13)；输入单模布拉格波导光栅1与单模输入波导2间的耦合区为单模上路耦合区1(20)；输入单模布拉格波导光栅2与单模输入波导1间的耦合区为单模上路耦合区2(23)；输出单模布拉格波导光栅与单模输出波导2间的耦合区为单模下路耦合区(10)；多模渐变波导两端分别与单模输入波导2和多模波导连接；输出渐变波导两端分别与多模波导和单模输出波导2连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器，其特征在于：所述的单模输入波导、单模渐变波导、多模波导、单模下路波导、单模输出波导、反对称多模布拉格波导光栅、输出渐变波导、输入单模布拉格波导光栅、输出单模布拉格波导光栅、多模渐变波导和模式转换区为条形波导。
3.根据权利要求1所述的一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器，其特征在于：所述的单模渐变波导和多模渐变波导的波导宽度渐变区发生在波导的一侧，波导另一侧保持不变。
4.根据权利要求1所述的一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器，其特征在于：所述的单模渐变波导和多模渐变波导间的耦合区组成的模式转换区，其中两波导的非渐变侧边相对且保持两波导间隔不变。
5.根据权利要求1所述的一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器，其特征在于：所述的反对称多模布拉格波导光栅与单模下路波导1和单模下路波导2间的耦合区组成的双通道多模下路耦合区，其中单模下路波导1和单模下路波导2的宽度不同，光栅的周期满足分别将多模波导中波长为1550nm和1560nm的一阶模耦合到单模下路波导1和单模下路波导2中的相位匹配条件。
6.根据权利要求1所述的一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器，其特征在于：所述的反对称多模布拉格波导光栅的周期性折射率微扰区在多模波导的两侧边上，呈反对称分布；所述的构成布拉格波导光栅的周期单元形状均为矩形。
7.根据权利要求1所述的一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器，其特征在于：所述的输入单模布拉格波导光栅1的周期满足将单模输入波导3中1560nm波长的光耦合到单模输入波导2的相位匹配条件。
8.根据权利要求1所述的一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器，其特征在于：所述的输入单模布拉格波导光栅1的周期性折射率微扰区在面向单模输入波导2的侧边上，所述构成布拉格波导光栅的周期单元形状均为矩形。
9.根据权利要求1所述的一种基于模式转换器和布拉格波导光栅的光波分模分混合复用解复用器，其特征在于：所述输入单模布拉格波导光栅1、输入单模布拉格波导光栅2以及输出单模布拉格波导光栅的结构一致。
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