CN110850524A

CN110850524A - 一种实现片上多波长复用的系统

Info

Publication number: CN110850524A
Application number: CN201911248042.6A
Authority: CN
Inventors: 邹俊; 王昌辉; 张明
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-02-28

Abstract

一种实现片上多波长复用的系统，包括阵列波导光栅、偏振旋转器和偏振合波器，所述的阵列波导光栅的上输出端和偏振旋转器的输入端相连接，偏振旋转器的输出端和偏振合波器的上输入端相连接，同时阵列波导光栅的下输出端和偏振合波器的下输入端相连接。本发明提出了一种高折射率平台上利用阵列波导光栅实现片上多波长复用的系统。本发明实现不同输入波长的复用输出；减小基于阵列波导光栅的光波长复用器的尺寸；适用于高折射率差平台上制作的光波长复用器。

Description

一种实现片上多波长复用的系统

技术领域

本发明涉及片上多波长复用器，尤其涉及将多个不同波长的光复用到一根光波导或光纤中传输。

背景技术

光波长复用器能实现将多路不同波长的光信号复用到一根光波导或光纤中传输，大大提高了通信容量，在基于波分复用光通信系统中有着非常重要的作用。目前商用的基于波分复用器件的光发射模块的合波器主要利用低折射率平台(比如Silica-on-silicon，硅基底上的二氧化硅平台)的阵列波导光栅(AWG)，它具有损耗低，偏振不敏感和光纤耦合时耦合损耗小的特点，但是由于波导的折射率差较小，该器件的尺寸较大，不适用于大规模集成且超紧凑型的光子链路中。

随着近年来芯片集成技术的发展，为了进一步降低集成系统的尺寸和成本，基于高折射率平台，特别是绝缘体上的硅平台(Silicon-on-insulator，SOI)的光子器件得到了广泛的研究。同时，由于SOI平台的制作工艺完全兼容于CMOS制作工艺，大大降低了该平台光子器件的制作成本并能实现大规模生产。此外，基于SOI平台的混合集成技术也得到了大量研究，它能将III-V半导体激光器、调制器和探测器等混合集成到SOI平台，以实现一个功能化的模块单元，比如光发射模块，光接收模块等。目前数据中心的光模块已逐渐转向硅光平台，并在该平台上混合集成基于其他材料(InP,Ge,LiNO₃)的器件，以实现高性能、低成本的光模块。基于SOI材料的波分复用器是光模块的核心部件，它主要基于如下四类结构：级联马赫增德尔干涉仪、级联微环、蚀刻衍射光栅、阵列波导光栅。而阵列波导光栅在工艺制作、工艺容差和性能方面都极具优势，在SOI平台上的波分复用系统中备受亲睐。考虑到高折射率平台下，阵列波导光栅的性能与器件本身的尺寸成反比关系，即器件的尺寸越大，受到的影响因素越多，比如薄膜的厚度均匀性、光刻显影和刻蚀后波导宽度的一致性等，同时制作工艺的不完美带来的侧壁粗糙的影响也会因为器件尺寸大而更大，这都大大裂化了器件的性能。另一方面，较小尺寸的器件也降低了成本，为更高密度的集成提供了可能。所以，结构紧凑且性能优秀的阵列波导光栅在片上多波长复用和解复用芯片中十分重要。

发明内容

为了能实现超紧凑的基于波分复用的光发射器，本发明提出了一种高折射率平台上利用阵列波导光栅实现片上多波长复用的系统。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种实现片上多波长复用的系统，包括阵列波导光栅、偏振旋转器和偏振合波器，所述的阵列波导光栅的上输出端和偏振旋转器的输入端相连接，偏振旋转器的输出端和偏振合波器的上输入端相连接，同时阵列波导光栅的下输出端和偏振合波器的下输入端相连接。

进一步，所述阵列波导光栅具有2N个输入端口和2个输出端口，该2N个输入端口分成2组，第一组编号从#1,#3,…,#2N-1，第二组编号从#2,#4,…,#2N，且相邻数字编号#N和#N-1之间的波长间隔为Δλ，即第一组和第二组编号内相邻编号的波长间隔为2×Δλ。第一组编号的各波长信号从上输出端口输出，另一组编号的各波长信号从下输出端口输出。

再进一步，所述阵列波导光栅的2个输出端口具有相同的输出角度θ₀。

更进一步，偏振旋转器将输入TE偏振态旋转到TM偏振态输出或从TM偏振态旋转到TE偏振态输出。

本发明的有益效果主要表现在：1、实现不同输入波长的复用输出；2、减小基于阵列波导光栅的光波长复用器的尺寸；3、适用于高折射率差平台上制作的光波长复用器，比如氮化硅(Si₃N₄)和硅(Si)等材料平台。

附图说明

图1是常规的基于阵列波导光栅的多波长复用器的示意图；

图2是实现片上多波长复用的系统的示意图；

图3是图2中的2N×2阵列波导光栅的一个示意范例；

图4是图2中偏振旋转器的一个设计方案示意范例；

图5是图4中实现从TE₀耦合到TE₁的耦合效率随耦合区长度变化的关系图；

图6是图4中偏振旋转区实现从TE₁旋转到TM₀的转换效率值随转换长度的关系图；

图7是图2中偏振合波器的一个设计方案示意范例。

图8是图7中在耦合长度为7.8μm，两耦合波导之间空隙为250nm时，TM₀和TE₀的合波输出传输效率值随波长变化的关系图。

图中：1、片上半导体激光器阵列，2、常规型2N×1阵列波导光栅复用器，3、2的输出，4、单模光纤，5、本发明提出的光波长复用器结构，6、5中的2N×2阵列波导光栅，7、6的上输出端口，8a、6的下输出端口，8b、11的下输入端，9、偏振旋转器，10a、9的输出端，10b、11的上输入端，11、偏振合波器，12、11的输出端，13、9的耦合区，14、9的偏振旋转区，15、14的输入波导处横截面，16、14的中间波导区域的横截面，17、14的输出波导处横截面，18、11的耦合区。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图2～图8，一种实现片上多波长复用的系统，包括阵列波导光栅6、偏振旋转器9和偏振合波器11，所述的阵列波导光栅6的上输出端7和偏振旋转器9的输入端相连接，偏振旋转器的输出端10a和偏振合波器11的上输入端10b相连接，同时阵列波导光栅6的下输出端8a和偏振合波器11的下输入端8b相连接。

如图2所示，阵列波导光栅6具有2N个输入端口和2个输出端口，该2N个输入端口分成2组，第一组编号从#1,#3,…,#2N-1，第二组编号从#2,#4,…,#2N，且相邻数字编号#N和#N-1之间,的波长间隔为Δλ，即第一组和第二组编号内相邻编号的波长间隔为2×Δλ。第一组编号的各波长信号从上输出端口7输出，另一组编号的各波长信号从下输出端口8a输出。

阵列波导光栅的2个输出端口7和8a具有相同的输出角度θ₀，如图3所示。

偏振旋转器9将输入TE偏振态旋转到TM偏振态输出或从TM偏振态旋转到TE偏振态输出。

本实施例中，所用到的器件举例均是基于高折射率差的SOI(silicon-on-insulator,绝缘体上的硅)平台，其中顶层硅厚度为220nm，下包层二氧化硅为3um，上包层二氧化硅为2um。

图1给出了传统的基于2N×1阵列波导光栅的片上多波长复用器，其中1是片上的半导体激光器阵列。图2中，本发明提出的方案所使用的片上多波长复用器是一个2N×2的阵列波导光栅，即两组N×1，并且同一组内各波导信道对应的激光器出射波长的波长间隔为2×Δλ，整个2N个波导信道的波长间隔是Δλ，同时2个输出端口7和8a关于各自平板波导的中心线具有相同的夹角θ₀。在常规型2N×1阵列波导光栅中，它是2N个输入在同一边(相邻输入波长间隔Δλ)，一个输出在另一边，但是在本发明中的2N×2的阵列波导光栅是两边同时输入，两边各一个输出，在每一边的各输入信道波长之间的波长间隔是2×Δλ，但最后总的2N个波长信道之间的波长间隔还是Δλ。假设本发明中提出的阵列波导光栅和传统的阵列波导光栅具有相同的波导结构，即波导色散相同，同时假设各输入信道波导在平板波导区交界面上的相邻位置间距一样，那么本发明提出的阵列波导光栅的平板波导尺寸将减小一半，阵列波导数目也相应减小一半，从而减小了所使用的阵列波导光栅的尺寸。由于半导体激光器的出射光相对于波导来说大部分是TE偏振，所以在我们的示意图中片上激光器阵列1的发射光均标记为基模TE₀，阵列波导光栅工作在TE₀偏振。当激光器阵列1的出射光经过图1中的常规2N×1阵列波导光栅时，所有光波长信号均从同一个输出通道3出射，然而在经过本发明中所使用的2N×2阵列波导光栅时，基数编号输入的光波长信号从上面输出端口7输出，偶数编号输入的光波长信号从下面输出端口8a输出。

图3是图2中2N×2阵列波导光栅的一个布局设计示意。阵列波导光栅的2N根输入波导和2N个片上半导体激光器集成在一起并且奇数编号#1,#3,…,2N-1一组，偶数编号#2,#4,…,2N一组。根据本发明所述，2N个输入通道#1,2,3,…,2N-1,2N之间的激光器发射波长间隔为Δλ，那么同一组内的波长间隔为2×Δλ，即#1,3,..,2N-1和#2,4,…,2N之间间隔为2×Δλ。编号#1,#3,…,#2N-1经过阵列波导光栅合波后从上面输出波导7输出，同样地，编号#2,#4,…,#2N经过阵列波导光栅合波后从下面输出波导8a输出。上面输出端口7和下面输出端口8a关于各自平板波导的中心线具有相同的夹角θ₀，如图所标示。

图4给出了图2框图中偏振旋转器的一个设计方案实例，它由两部分组成，一部分是耦合区部分13，一部分是偏振旋转区14。耦合区13实现将输入基模TE₀偏振完全耦合到高阶模TE₁，偏振旋转区14实现将高阶模TE₁完全旋转到基模TM₀。偏转旋转区的波导截面如15、16、17所示，这里需要用到两步刻蚀工艺，即此区域有两种波导厚度，分别为h和h_s，偏转旋转区14的输入波导截面15和输出波导截面17厚度均为h，但是宽度不一样，分别为w₁和w₂。同时偏转旋转区14的波导结构是脊型，它有两种波导厚度，最中间横截面如16所示，厚度为h的脊宽度为w，厚度为h_s的脊平板宽度为w_s。在偏振旋转区14中，脊宽度w从w₁变化到w₂，脊平板宽度w₁先变化到w_s再从w_s变化到w₂。图5分别给出了在硅波导厚度h＝220nm，耦合区部分13中输入偏振TE₀耦合到下面宽波导中的TE₁时随耦合区13的长度变化的仿真图，在仿真中假设13的上面波导宽度左边是500nm，线性缩小到右边的200nm宽度，下面波导宽度左边是650nm，线性增加到850nm，上下波导中间的空隙gap的宽度是200nm。从图中可以看出当耦合区13的长度大于300μm时接近100％的能量从输入波导的基模TE₀耦合到下面宽波导中的TE₁。图6给出了偏振旋转区14中TE₁耦合到TM₀的效率随14的长度变化的关系，其中w₁＝850nm，w₂＝450nm，w_s＝1.55μm。从中可以看出当14的耦合长度大于80μm，TE₁可以完全耦合到TM₀传输。根据光路可逆，反过来，当TM₀输入时，在偏振旋转区14的长度大于80μm和耦合区13的长度大于300μm时，可以完全转化为TE₀输出。

图7给出了图2中的偏振合波器11的一个设计方案实例，它主要由一个方向耦合器构成，在高折射率差波导中，比如SOI或者Si₃N₄中，波导对模场有强限制特性，在波导厚度较薄时，比如常用的Si波导其厚度一般在200-300nm之间，波导宽度一般在400-500nm之间，在这种波导中TE和TM模式的限制是不一样的，一般TE远大于TM，故在方向耦合器中TM的耦合强度要远强于TE偏振。利用TE和TM偏振的巨大差异性，通过合适的设计偏振合波器11中的耦合区18的长度，当TE偏振从偏振合波器11的下输出端口8b和TM偏振从偏振合波器11的上输出端口10b中同时输入时，TE和TM偏振将同时从输出端口12输出。图8给出了一个具体的设计实例中，两种偏振合波后的光谱传输图，图中用的硅波导尺寸为厚度220nm，宽度500nm，耦合区18中两波导之间的空隙为300nm和耦合区长度为7.8μm。从图8可以看出当TM₀从图8中的上臂波导10b中输入时，从输出波导12中获得的功率值在1.50μm-1.58μm的范围内大于0.9。同时对于TE₀从图8的下臂波导8b输入时，其从输出波导12中获得的功率值在1.50μm-1.58μm的范围内大于0.96。通过调节耦合区18的耦合长度和两波导之间的空隙可以进一步优化TM₀和TE₀合波后各自的传输值。

此外，偏振旋转器9和偏振合波器11也可以利用其他波导结构设计来实现，但最终实现的功能是一致的，均属于本发明方案的范畴。

Claims

1.一种实现片上多波长复用的系统，其特征在于，所述系统包括阵列波导光栅、偏振旋转器和偏振合波器，所述的阵列波导光栅的上输出端和偏振旋转器的输入端相连接，偏振旋转器的输出端和偏振合波器的上输入端相连接，同时阵列波导光栅的下输出端和偏振合波器的下输入端相连接。

2.如权利要求1所述的一种实现片上多波长复用的系统，其特征在于，所述阵列波导光栅具有2N个输入端口和2个输出端口，该2N个输入端口分成2组，第一组编号从#1,#3,…,#2N-1，第二组编号从#2,#4,…,#2N，且相邻数字编号#N和#N-1之间的波长间隔为Δλ，即第一组和第二组编号内相邻编号的波长间隔为2×Δλ；第一组编号的各波长信号从上输出端口输出，另一组编号的各波长信号从下输出端口输出。

3.如权利要求1或2所述的一种实现片上多波长复用的系统，其特征在于，所述阵列波导光栅的2个输出端口具有相同的输出角度θ₀。

4.如权利要求1或2所述的一种实现片上多波长复用的系统，其特征在于，偏振旋转器将输入TE偏振态旋转到TM偏振态输出或从TM偏振态旋转到TE偏振态输出。