CN110488422B - 一种基于硅基mems微环的低功耗全光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于硅基MEMS微环的低功耗全光二极管，包括：硅基平台、第一微环和第二微环、第一波导和第二波导；所述第一波导上有第一端口，第二波导上有第二端口；所述硅基平台中间有两块大小相等且对称的凹槽；所述两个微环半径相同，部分悬空在凹槽旁边，通过微环与波导不同的间距实现不同的耦合效率；所述全光二极管利用MEMS微环中的光力效应能够实现光信号正反向的非互易传输，通过输入相应的谐振光功率，能够实现对MEMS微环的调谐。本发明的有益效果是：本发明提供的一种高隔离度、全光调谐并且尺寸紧凑的全光二极管，在激光器、光纤通信系统等领域具有很高的应用价值。

Description

一种基于硅基MEMS微环的低功耗全光二极管
技术领域
本发明涉及光通信和集成光器件领域，尤其涉及一种基于硅基MEMS(微机电系统)微环的低功耗全光二极管。
背景技术
光信息载体作为一种通信宽度大、信息处理速度快的载体，正在成为通信领域的主流方向。全光二极管是一种类似于电学中的半导体PN结的光学二极管，是集成光学系统中非常重要的器件，其可以实现光的非互易性传输，即光的单向传输。
为了实现这种非互易光学器件，国内外的研究人员提出了很多方法，光隔离器就是一种较为普遍的解决方案。目前，实现基于硅基微环的片上光隔离器主要有三种方法：第一种是利用磁光效应(参考文献[Bi,Lei,et al."On-chip optical isolation inmonolithically integrated non-reciprocal optical resonators."Nature Photonics5.12(2011):758-762.]),该方案在通信波长1550nm附近实现了19.5dB的隔离度，该方案的主要优势在于器件结构简单、隔离比大，主要缺点在于要集成磁光材料、工作带宽小。第二种方法是利用空间—时间折射率调制(参考文献[Lira,Hugo,et al."ElectricallyDriven Nonreciprocity Induced by Interband Photonic Transition on a SiliconChip."Physical Review Letters 109.3(2012):033901-1456.])，该方案利用电驱动实现硅波导中的间接光子迁移来进行有效折射率的时域调制，实现非互易的功能器件，该文献中实现了超过20dB的隔离度。第三种方法是利用硅基微环的非线性效应(参考文献[Li,Fan,et al."Silicon optical diode with 40dB nonreciprocal transmission."OpticsLetters 38.8(2013):1259-61.])，该方案提出了利用热光效应结合硅基微环的方法，最后的结果是在3.55dBm的输入功率下实现了40dB的隔离度。
上述方法虽然能在硅基片上实现光学二极管，但是它们都有需求功率大、隔离度低的缺点。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种利用光力效应设计的硅基MEMS微环结构，从而实现低功耗、高隔离度的全光二极管。
本发明解决其问题采取的技术方案是：
一种基于硅基MEMS微环的低功耗全光二极管，具体包括硅基平台、第一微环和第二微环、第一波导和第二波导；所述硅基平台上有两个凹槽；所述第一微环与第二微环分别部分悬空置于凹槽同侧；所述第一波导为直波导，置于硅基平台之上且与第一微环和第二微环同一侧相邻；所述第二波导中间弯折180°，弯折部分置于两个凹槽之间且一端悬空在凹槽之上并与第二微环相邻；所述第一微环与第一波导之间、第二微环与第一波导之间以及第二微环与第二波导之间会发生耦合；所述第一波导上有第一端口，第二波导上有第二端口。
进一步，所述硅基平台的形状是长方体，材料为二氧化硅。
进一步，所述硅基平台表面两块凹槽大小相等且对称。
进一步，所述第一微环和第二微环的制作材料是硅，第一微环为全通型微环，第二微环为上下载型微环。
进一步，所述第一微环和第二微环的半径均为30μm。
进一步，所述第一微环和第二微环部分悬空的最远距离为11.2μm，悬空部分与对应的凹槽的底面的间距为160nm。
进一步，第一微环与第一波导的距离和第二微环与第二波导的距离较小，第二微环与第一波导的距离比较大。
进一步，第一端口为光信号正向输入端口和反向输出端口；第二端口为光信号正向输出端口和反向输入端口。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：利用光力效应，隔离度更高，能够实现全光调谐；器件的功耗小，且更易于集成。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种基于硅基MEMS微环的低功耗二极管的结构示意图；
图2是本发明实施例中悬空微环因为光力效应发生形变的示意图；
图3是本发明实施例中输入光信号功率为0.6mW，波长为1550nm时的传输谱线图；
图4是本发明实施例中输入光信号功率为2mW，波长为1550nm时的传输谱线图；
图5是本发明实施例中隔离度和15dB带宽与输入功率的关系图。
附图标记：1-硅基平台；2-凹槽；3-第一微环；4-第二微环；5-第一波导；6-第二波导；7-第一端口；8-第二端口；G1-第一微环与第一波导的距离；G2-第二微环与第一波导的距离；G3-第二微环与第二波导的距离。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
参考图1，本发明的实施例提供了一种基于硅基MEMS微环的低功耗全光二极管，包括：硅基平台1、第一微环3、第二微环4、第一波导5、第二波导6。
硅基平台1是由二氧化硅制成的，二氧化硅价格低廉、制备简单，是一种重要的光学器件原材料，由二氧化硅制成的硅基平台可以尽可能地减少基片损耗和基底吸收造成的损耗。硅基平台1的形状是扁平状的长方体，其正表面有两块平行于表面、大小相等且对称的凹槽2。
第一微环3和第二微环4是由硅制成，第一微环3与第二微环4级联，分别部分悬空放置于两个凹槽2的同侧。进一步，第一微环3和第二微环4的尺寸结构和半径相同。第一微环3与第二微环4尺寸结构相同，保证了环程损耗系数a相同；第一微环3与第二微环4半径均为30μm，保证了谐振波长相同；第一微环3与第二微环4悬空部分的最远距离均为11.2μm；第一微环3与第二微环4的悬空部分与凹槽2底面的间距为160nm，即图2中x与g之和。
第一波导5为直波导，置于硅基平台1之上且与第一微环3和第二微环4同一侧相邻；第二波导6中间弯折180°，弯折部分置于两个凹槽2之间且一端悬空在凹槽2之上并与第二微环4相邻。
进一步，第一微环3与第一波导5的距离G1和第二微环4与第二波导6的距离G3都较小，光信号的耦合效率高；第二微环4与第一波导5的距离G2较大，则光信号的耦合效率低。
第一波导5上有第一端口7，第二波导6上有第二端口8，第一端口7和第二端口8用作光信号的输入和输出端口。当正向传输时，光信号从第一端口7进入，从第二端口8输出；当反向传输时，光信号从第二端口8进入，从第一端口7输出。本实施例采用的光信号的波长为1550nm，等于第一微环3和第二微环4的谐振波长，保证光力效应最明显，可以得到最大的隔离度。
参考图2，本发明提供的一种基于硅基MEMS微环的低功耗全光二极管是利用光力效应来实现光信号正反向的非互易传输。光力效应是指：当光信号传输时，第一微环3和第二微环4的悬空部分与凹槽2的底面会产生吸引的光力，使第一微环3和第二微环4悬空部分向着凹槽的底面发生形变，进而导致传输光信号波长的红移(红移：指波长由于某种原因增加的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离)，即通过输入相应的谐振光功率，就能实现对第一微环3和第二微环4的调谐。
对于上述实施例，一种基于硅基MEMS微环的低功耗全光二极管的实现方法如下：
正向传输时，光信号从第一端口7输入，由于第一微环3与第一波导5的距离G1较小，大部分光能量耦合进第一微环3，高功率能量触发光力效应，使第一微环3的悬空部分发生形变从而引起光信号波长发生红移。光信号继续传输，由于第二微环4与第一波导5的距离G2较大，第二微环4耦合进的光能量不足以使其悬空部分发生形变，最后由于第二微环4与第二波导6的距离G3较小，第二波导6可以耦合大部分的剩余光能量并从第二端口8输出。此时可以测出第一微环3悬空部分的形变量以及形变引起的光信号波长红移量，从而得到光信号正向传输时的传输谱线。
反向传输时，光信号从第二端口8输入，由于第二微环4与第二波导6的距离G3较小，大部分光能量耦合进第二微环4，高功率能量触发光力效应，使第二微环4的悬空部分发生形变从而引起光信号波长红移。光信号继续传输，由于第二微环4与第一波导5的距离G2较大，耦合进第一波导5的光能量很小，则之后第一微环3耦合进的光能量不足以使其悬空部分发生形变，最后很小的光能量从第一端口7输出。此时可以测出第二微环4悬空部分的形变量以及形变引起的光信号波长红移量，从而得到光信号反向传输时的传输谱线。
将光信号正向和反向传输下的传输谱线绘制在同一坐标图中，横坐标为波长，纵坐标为归一化传输功率谱，两条传输谱线凹陷的最低处的横坐标之差即为光信号的波长红移量，光信号在谐振波长下纵坐标差值的绝对值即为隔离度。
本发明实施例的具体结果如下：
如图3所示，此时光信号输入功率为0.6mW，波长为1550nm，第一微环3与第二微环4的谐振波长也为1550nm。图中的实线表示的是光信号正向传输谱线，第一微环3形变量x1＝2.033nm，引起的光信号波长红移量δλ1＝0.0474nm；虚线表示的是光信号反向传输谱线，第二微环4形变量x2＝2.033nm，引起的光信号波长红移量δλ2＝0.0474nm。由图3可见，实线和虚线凹陷最低处的横坐标之差即为光信号的波长红移量，在1550nm处可以实现46.98dB的隔离度。
如图4所示，此时光信号输入功率为2mW，波长为1550nm，第一微环3和第二微环4的谐振波长也为1550nm。图中的实线表示的是光信号正向传输谱线，第一微环3形变量x1＝3.39nm，引起的光信号波长红移量δλ1＝0.0798nm；虚线表示的是光信号反向传输谱线，第二微环4形变量x2＝3.39nm，引起的光信号波长红移量δλ2＝0.0798nm。由图4可见，实线和虚线凹陷最低处的横坐标之差即为光信号的波长红移量，在1550nm处可以实现52.98dB的隔离度。
如图5所示，改变输入光信号的功率，可以得到在不同的光功率下，全光二极管在1550nm波长处的隔离度和15dB带宽。该全光二极管可以在0.6mW-5mW的功率下实现大约0.02nm的工作带宽，在较低功耗下实现较高的隔离度和相对较好的15dB工作带宽。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于硅基MEMS微环的低功耗全光二极管，其特征在于：所述全光二极管包括硅基平台、第一微环和第二微环、第一波导和第二波导；所述硅基平台上有两个凹槽；所述第一微环与第二微环分别部分悬空置于凹槽同侧；所述第一波导为直波导，置于硅基平台之上且与第一微环和第二微环同一侧相邻；所述第二波导中间弯折180°，弯折部分置于两个凹槽之间且一端悬空在凹槽之上并与第二微环相邻；所述第一微环与第一波导之间、第二微环与第一波导之间以及第二微环与第二波导之间会发生耦合；所述第一波导上有第一端口，第二波导上有第二端口；所述第一微环为全通型微环；所述第二微环为上下载型微环；所述第一微环和第二微环的半径均为30μm；所述第一微环和第二微环部分悬空的最远距离为11.2μm，悬空部分与对应的凹槽的底面的间距为160nm。
2.如权利要求1所述的一种基于硅基MEMS微环的低功耗全光二极管，其特征在于：所述硅基平台的形状是长方体，材料为二氧化硅。
3.如权利要求1所述的一种基于硅基MEMS微环的低功耗全光二极管，其特征在于：所述硅基平台表面的两个凹槽大小相等且对称。
4.如权利要求1所述的一种基于硅基MEMS微环的低功耗全光二极管，其特征在于：所述第一微环和第二微环的制作材料是硅。
5.如权利要求1所述的一种基于硅基MEMS微环的低功耗全光二极管，其特征在于：所述第一端口为光信号正向输入端口和反向输出端口；所述第二端口为光信号正向输出端口和反向输入端口。
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