CN111045271A - 一种耦合效率可电压微调的硅微环耦合调制结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耦合效率可电压微调的硅微环耦合调制结构，包括微环波导结构、输入端2×2的3dBMMI、输出端2×2的3dBMMI、非平衡型MZ相位调制结构；微环波导结构一端与所述输入端2×2的3dBMMI的输入端口相连，微环波导结构另一端与所述输出端2×2的3dBMMI的输出端口相连；所述的非平衡型MZ相位调制结构一端与输入端2×2的3dBMMI的输出端口连接，另一端与输出端2×2的3dBMMI的输入端口连接。本发明提出了一种新的微环耦合调制结构，基于此结构的微环调制器能够微调微环与直波导间的耦合效率，使其达到我们想要的某一特定值，且精度较高，从而在需要精确控制耦合效率的应用场景中发挥作用，该结构对于线性化的集成光子器件有着重要应用价值。

Description

一种耦合效率可电压微调的硅微环耦合调制结构
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体是一种耦合效率可电压微调的硅微环耦合调制结构。
背景技术
现今的光子集成领域中，微环结构在调制器、滤波器、波分复用器、光延迟器等器件中有大量的应用。微环结构在集成光子器件中发挥重要作用的原因在于微环波导与直波导间的光场耦合作用，耦合效率是个十分重要的参数。
在某些应用如微环辅助MZ调制器的线性化中，对于微环与直波导间的耦合效率有着精确的要求。例如，对于基于单微环辅助MZ调制器的线性化方案来说，耦合效率需要控制在0.928。对于一般的基于倏逝波耦合的微环结构，很难达到如此精准的耦合效率，对工艺容差要求很高，且无法调谐（Xie X , Khurgin J , Kang J , et al. Linearized Mach-Zehnder intensity modulator[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2003, 15(4):531-533.）；对于其他的基于多模干涉耦合的微环结构，也并没有对耦合效率的精准控制加以关注（Microwave frequency upconversion employing a coupling-modulatedring resonator[J]. Photonics Research, 2017, v.5(06):208-213.）。为了提高对微环耦合效率的控制能力，降低工艺容差，寻找一种可微调的耦合效率调制结构十分有必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种耦合效率可电压微调的硅微环耦合调制结构。
根据传输矩阵理论分析，通过引入非平衡型MZ臂产生长度差而引入相位差，结合两2×2的3dB多模干涉耦合器，可以在无控制电压的情况下预先把耦合效率调到我们需要的值附近。再进一步，对非平衡型MZ相位调制结构加上调制电压来微调调制相位，这样就可以使耦合效率精确地到达我们所需的值。
本发明提出了一种耦合效率可电压微调的硅微环耦合调制结构，包括微环波导结构、输入端2×2的3dBMMI、输出端2×2的3dBMMI、非平衡型MZ相位调制结构；微环波导结构一端与所述输入端2×2的3dBMMI的输入端口相连，微环波导结构另一端与所述输出端2×2的3dBMMI的输出端口相连； 所述的非平衡型MZ相位调制结构一端与输入端2×2的3dBMMI的输出端口连接，另一端与输出端2×2的3dBMMI的输入端口连接。
优选的，所述非平衡型MZ相位调制器结构包括一个单模波导短臂和带有弯曲的单模波导长臂；所述输入端2×2的3dBMMI的输入端口一输入光信号，输入端口二连接微环波导结构一端，输出端口一连接所述非平衡型MZ相位调制结构的短臂，输出端口二连接所述非平衡型MZ相位调制结构的长臂；所述输出端2×2的3dBMMI的输入端口一连接所述非平衡型MZ相位调制结构的短臂，输入端口二连接所述非平衡型MZ相位调制结构的长臂，输出端口一连接微环波导结构另一端，输出端口二输出光信号。
优选的，所述微环波导结构为单模波导，所述的微环波导结构由两个二分之一圆弧波导和一段直波导构成。
优选的，结构中的波导采用脊形波导；波导材料为硅；基底的材料为二氧化硅、硅、Ⅲ-Ⅴ族材料中任一一种。
优选的，所述带有弯曲的单模波导长臂由两段直单模波导和一段弯曲单模波导构成；所述带有弯曲的单模波导长臂在光传输方向与所述的单模波导短臂的尺寸相同。
优选的，所述一段弯曲单模波导经过横向PN掺杂且两边加上调制电极。
进一步的，耦合效率电压微调包括以下步骤：
1）对所述输入端2×2的3dBMMI的输入端口一加上输入光信号；
2）调节所述输入端2×2的3dBMMI的输入端口一的输入光信号波长，使得耦合效率接近目标耦合效率，直到到达目标耦合效率。
3）对所述非平衡型MZ相位调制结构的两调制电极加上调制电压；
4）调节加在所述非平衡型MZ相位调制结构上两调制电极上的调制电压，使得耦合效率达到目标耦合效率。
本发明的有益效果是：本发明从结构上实现了耦合效率可精确微调，并通过仿真验证了结果的正确性。本发明只需通过对器件尺寸进行优化设计就能够适用不同的光通信波段而无需更改结构，如1310nm、1550nm等。本发明对耦合效率的调节与微环半径无关，对任意半径的微环都适用。本发明所需控制电压小，控制精度大大提高且降低能耗。本发明因其可微调，对工艺容差要求降低，有利于器件的制作 。
附图说明
图1是本耦合效率可电压微调的硅微环耦合调制结构的结构图；
图2是2×2的3dBMMI多模干涉耦合器的结构图；
图3是非平衡型MZ相位调制器结构的结构图；
图4是当不加调制电压时，不同输入光波长下的耦合区域的光场分布图；
图5是当不加调制电压时，不同输入光波长下耦合效率的变化；
图6是当加上调制电压后，输入光波长为1550nm时非平衡型MZ相位调制结构的调制相位随调制电压的变化值；
图7是当加上调制电压后，输入光波长为1550nm时不同调制电压下的耦合效率。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种耦合效率可电压微调的硅微环耦合调制结构，包括微环波导结构、输入端2×2的3dBMMI、输出端2×2的3dBMMI、非平衡型MZ相位调制结构；微环波导结构一端与所述输入端2×2的3dBMMI的输入端口相连，微环波导结构另一端与所述输出端2×2的3dBMMI的输出端口相连； 所述的非平衡型MZ相位调制结构一端与输入端2×2的3dBMMI的输出端口连接，另一端与输出端2×2的3dBMMI的输入端口连接。
所述非平衡型MZ相位调制器结构包括一个单模波导短臂和带有弯曲的单模波导长臂；所述输入端2×2的3dBMMI的输入端口一输入光信号，输入端口二连接微环波导结构一端，输出端口一连接所述非平衡型MZ相位调制结构的短臂，输出端口二连接所述非平衡型MZ相位调制结构的长臂；所述输出端2×2的3dBMMI的输入端口一连接所述非平衡型MZ相位调制结构的短臂，输入端口二连接所述非平衡型MZ相位调制结构的长臂，输出端口一连接微环波导结构另一端，输出端口二输出光信号。
所述微环波导结构为单模波导，所述的微环波导结构由两个二分之一圆弧波导和一段直波导构成。
结构中的波导采用脊形波导；波导材料为硅；基底的材料为二氧化硅、硅、Ⅲ-Ⅴ族材料中任一一种。
所述带有弯曲的单模波导长臂由两段直单模波导和一段弯曲单模波导构成；所述带有弯曲的单模波导长臂在光传输方向与所述的单模波导短臂的尺寸相同。
所述一段弯曲单模波导经过横向PN掺杂且两边加上调制电极。
耦合效率电压微调包括以下步骤：
1）对所述输入端2×2的3dBMMI的输入端口一加上输入光信号；
2）调节所述输入端2×2的3dBMMI的输入端口一的输入光信号波长，使得耦合效率接近目标耦合效率，直到到达目标耦合效率。
3）对所述非平衡型MZ相位调制结构的两调制电极加上调制电压；
4）调节加在所述非平衡型MZ相位调制结构上两调制电极上的调制电压，使得耦合效率达到目标耦合效率。
图1是根据1550nm光波段优化设计本发明所需各波导结构尺寸后得到的本发明的结构图，其中单模脊波导尺寸为300×500nm，波导平板区的厚度为90nm；MMI的多模波导尺寸为300×3900nm，波导平板区的厚度为90nm，多模波导长度为19.8μm；两MMI的多模波导距离为70.2μm；微环波导结构由两个二分之一圆弧波导和一段直波导构成，圆弧半径为50μm，直波导长度为160μm。
图2是MMI的结构图，其中单模波导和多模波导间由长度为10μm、宽度从500nm渐变为1.17μm的线性taper所连接，taper中心距多模波导中心650nm。
图3为非平衡型MZ相位调制器结构的结构图，其中弯曲波导部分由两个四分之一圆弧波导和一个二分之一圆弧波导拼接而成，半径为5μm；弯曲波导经过PN掺杂，p型掺杂浓度为8×1017cm-3，n型掺杂浓度为5×1017cm-3;弯曲波导两边加上调制电极。
不加调制电压，对输入端2×2的3dBMMI的一输入端口输入不同波长的输入光信号，非平衡型MZ相位调制结构的调制相位发生变化，使得耦合效率接近目标值。图4是Lumerical仿真得到的不加调制电压时，不同输入光波长下的耦合区域的光场分布图，其中输入光信号从输入端2×2的3dBMMI的下输入端口入射，输入端2×2的3dBMMI的上输出端口的归一化光场大小代表了耦合效率大小。从图中可以看出，归一化光场大小随波长改变。图5是当不加调制电压时，Lumerical仿真得到的不同输入光波长下耦合区域的耦合效率变化。从图中可以看出，若目标值设为0.687，则可把输入光波长调为1550nm，此时仿真得到的耦合效率约为0.678，接近目标值。
在非平衡型MZ相位调制器结构的调制电极上加调制电压，微调非平衡型MZ相位调制结构的调制相位，就可使耦合效率达到目标值。图6是当加上调制电压时，Lumerical仿真得到的非平衡型MZ相位调制器结构的调制相位的变化值。根据计算，当调制电压为5.5V时，耦合效率可调至目标值0.687。图7是加上调制电压后，仿真得到的输入光波长为1550nm时不同调制电压下的耦合效率。从图中可以看出，当调制电压为5.5V时，耦合效率为0.687。
综上所述，本实施例通过调节输入光波长为1550nm使耦合效率为0.678，接近目标值，再通过调节非平衡型MZ相位调制结构的调制电压为5.5V来微调调制相位，从而微调耦合效率，使得耦合效率精确达到目标值0.687。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1. 一种耦合效率可电压微调的硅微环耦合调制结构，其特征在于：包括微环波导结构、输入端2×2的3dBMMI、输出端2×2的3dBMMI、非平衡型MZ相位调制结构；微环波导结构一端与所述输入端2×2的3dBMMI的输入端口相连，微环波导结构另一端与所述输出端2×2的3dBMMI的输出端口相连； 所述的非平衡型MZ相位调制结构一端与输入端2×2的3dBMMI的输出端口连接，另一端与输出端2×2的3dBMMI的输入端口连接。
2.根据权利要求1所述的一种耦合效率可电压微调的硅微环耦合调制结构，其特征在于，所述非平衡型MZ相位调制器结构包括一个单模波导短臂和带有弯曲的单模波导长臂；所述输入端2×2的3dBMMI的输入端口一输入光信号，输入端口二连接微环波导结构一端，输出端口一连接所述非平衡型MZ相位调制结构的短臂，输出端口二连接所述非平衡型MZ相位调制结构的长臂；所述输出端2×2的3dBMMI的输入端口一连接所述非平衡型MZ相位调制结构的短臂，输入端口二连接所述非平衡型MZ相位调制结构的长臂，输出端口一连接微环波导结构另一端，输出端口二输出光信号。
3.根据权利要求1所述的一种耦合效率可电压微调的硅微环耦合调制结构，其特征在于，所述微环波导结构为单模波导，所述的微环波导结构由两个二分之一圆弧波导和一段直波导构成。
4.根据权利要求1所述的一种耦合效率可电压微调的硅微环耦合调制结构，其特征在于，结构中的波导采用脊形波导；波导材料为硅；基底的材料为二氧化硅、硅、Ⅲ-Ⅴ族材料中任一一种。
5.根据权利要求2所述的一种耦合效率可电压微调的硅微环耦合调制结构，其特征在于，所述带有弯曲的单模波导长臂由两段直单模波导和一段弯曲单模波导构成；所述带有弯曲的单模波导长臂在光传输方向与所述的单模波导短臂的尺寸相同。
6.根据权利要求4所述一段弯曲单模波导，其特征在于：所述一段弯曲单模波导经过横向PN掺杂且两边加上调制电极。
7.根据权利要求1所述的一种耦合效率可电压微调的硅微环耦合调制结构，其特征在于，耦合效率电压微调包括以下步骤：
对所述输入端2×2的3dBMMI的输入端口一加上输入光信号；
调节所述输入端2×2的3dBMMI的输入端口一的输入光信号波长，使得耦合效率接近目标耦合效率，直到到达目标耦合效率；
对所述非平衡型MZ相位调制结构的两调制电极加上调制电压；
调节加在所述非平衡型MZ相位调制结构上两调制电极上的调制电压，使得耦合效率达到目标耦合效率。
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