CN112041717B - 具有三叉戟结构的分光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于特定硅光的分光器(100)。所述分光器(100)用于将多模光信号(102)在绝热条件下分成两个单模光信号(104)。所述分光器(100)包括锥形第一波导(101)，用于在其基部接收所述多模光信号(102)并传播所述多模光信号(102)。此外，所述分光器(100)包括并行设置在所述第一波导(101)的不同侧的两个锥形第二波导(103)。每个第二波导(103)的锥形与所述第一波导(101)的锥形相反，用于传播单模光信号(104)并在其基部输出所述单模光信号(104)。所述第一波导(101)和所述两个第二波导(103)构成三叉戟结构。通过所述三叉戟结构，所述分光器(100)用于将所述第一波导(101)中向其顶端传播的所述多模光信号(102)在绝热条件下分成所述第二波导(103)中向其基部传播的所述两个单模光信号(104)。

Description

具有三叉戟结构的分光器
技术领域
本发明涉及分光器、偏振分束旋转器(polarization splitter and rotator，PSR)以及合波器。PSR和合波器包括分光器，分光器具体包括三叉戟结构，三叉戟结构包括锥形第一波导和设置在所述第一波导旁边的两个相反锥形的第二波导。本发明特别适用于硅光领域。
背景技术
硅光技术作为一种新兴技术，对于电信、数据通信、互连和传感等广泛应用的通用平台越来越重要。所述技术允许在高质量、低成本的硅基板上使用与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)兼容的晶圆级技术来实现光子功能。然而，纯无源硅波导器件在插入损耗、相位噪声(导致信道串扰)和温度依赖性方面的性能仍然有限。这是因为二氧化硅(SiO2)包层与硅(Si)芯之间折射率差较大，Si层厚度不均匀以及Si的热光效应较大。
基于氮化硅(SiN)的无源器件性能良好。例如，对于具有640nm厚SiNx芯的波导，已证明传播损耗低于0.1dB/cm，对于具有50nm厚芯的波导，传播损耗甚至低于0.1dB/m。此外，SiNx(n＝2)和SiO2(n＝1.45)与Si(n＝3.5)和SiO2(n＝1.45)之间的折射率差略低，因此相位噪声较低，制造公差较大。这样能够制造高性能但仍然非常紧凑的光路，如阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)或环形谐振器。氮化硅波导既作为有源硅光芯片上的高性能无源波导层，又作为“独立”无源光芯片。
在硅光收发器中，使用多种模式是有利的，因为可以独立地以不同模式编码信息。因此，所述收发器能够以光纤连接数相等的相对简单的架构传输更多的数据。通常研究的模式是横电(TE)和横磁(TM)偏振的基模(即TE0和TM0)，也是TE偏振的一阶模(即TE1)。因此，在这种多模收发器中，需要采取高效方法来转换和/或分离不同模式，以便可以独立地调制或恢复在每个模式下编码的信息。
TE0-TE1合波器(分波器)通常通过将TE1模信号在绝热条件下转换为在独立波导中传播的TE0模来实现。由于这需要在两个不同的波导中传播的两种非常不同的模式耦合，因此产生通常体型较大的非常长组件。TE-TM转换和分波通常通过PSR组件实现。典型的PSR通过将TE0和TM0输入信号引导到不同的TE0输出信号中工作，如图6中的(a)所示。此版本的PSR通常先由TM0-TE1转换器，然后由TE1-TE0分波器的组合来实现。
最近提出了另一种PSR，即45度PSR，体型小得多。在45度PSR中，输出信号是TM和TE输入信号的组合，如图6中的(b)所示。这种情况下，分波器被多模分光器代替，将TE0和TE1模的功率均分到输出支路。
因此，需要研发一种高效的TE0-TE1分光器，以便高效地分离两种模式的功率，不仅在45度PSR中如此，在需要TE0和TE1模组合/分离的任何应用中也是如此。
TE0模和TE1模均分到两个不同的波导中，要求初始波导能够容纳TE0模和TE1模，并在两个输出波导中均分TE0模和TE1模的功率。到目前为止，可以通过使用Y结或如图7所示的定向耦合器来实现这一目标。该Y结由一个分为两个分支的波导组成，将功率均匀地引导到两个输出波导中，如下图所示。
发明内容
由于上述方案涉及从单个波导到两个波导的突然转变，因此该结构需要优化布局以实现低损耗和期望的在两个分支之间的功率等分。因此，Y结很易受任何优化设计布局偏差和制造误差的影响，使它很难成为一种保证制造一致性的结构。任何优化设计偏差不仅会产生输出损耗，而且还会导致两个输出波导之间功率分布不均衡。这可能非常不利于最终设备的性能，因此应该找到一种解决方案作为此方法的替代方案。
鉴于上述挑战和缺点，本发明旨在改进传统结构和应用。本发明的目的尤其在于提供一种将多模信号分成两个解耦的单模信号的高效、低损耗宽带方案。具体而言，本发明寻求一种将多模信号的基TE模(TE0)和一阶TE模(TE1)的多模信号分成在独立波导中传播的两个解耦和正交的TE0单模信号的方案。相应地，本发明的目的在于提供一种体积小(小型)、能够对多模信号进行在绝热条件下分光的分光器。这种情况应该是可能的，不需要使用对制造变化高度敏感的突然转变，如果结果不是预期的结果，那么很容易有损耗。本发明的目的还在于改进的PSR和合波器，特别是一种分波器。
本发明的目的是通过所附独立权利要求中提供的方案实现的。从属权利要求中进一步定义了本发明的有利实现方式。
具体而言，本发明提出具有三叉戟(波导)结构的分光器，所述分光器能够传播多模信号(如TE和TM偏振的零阶模和一阶模)，以便有效地将所述多模信号在绝热条件下转换为两个单模信号，特别是分别转换成两个输出波导的偶超模和奇超模。
本发明的技术核心原理依赖于在输入端实现所述多模信号有效指数的绝热转换，以便在输出端匹配所述两个波导的偶数/奇数单模的有效指数。为了实现此目的，所述三叉戟结构的所述波导按尺寸裁剪和设计，允许输入截面适应所述基模和一阶模的多模信号，允许输出截面适应每个偶数模和奇数模的单模信号。此外，所述三叉戟结构的总长度也经过了裁剪，允许这些信号(模)之间的必要转换。
本发明第一方面提供一种分光器，包括：锥形第一波导，用于在其基部接收多模光信号并传播所述多模光信号；两个锥形第二波导，并行设置在所述第一波导的不同侧，每个第二波导的锥形与所述第一波导的锥形相反，用于传播单模光信号并在其基部输出所述单模光信号，其中所述分光器用于将所述第一波导中向其顶端传播的所述多模光信号在绝热条件下分成所述第二波导中向其基部传播的所述两个单模光信号。
所述第一方面的所述分光器提供了一种将多模信号分成两个(解耦的)单模信号的高效、低损耗宽带方案。具体而言，所述多模信号可以在绝热条件下分成单模信号。此外，所述分光器可以紧凑地构造，即体型非常小。与传统方案相比，所述分光器对制作变化不太敏感。
在所述第一方面的实现方式中，所述第一波导和/或所述第二波导由SiN制成。
第一方面的所述分光器在半导体材料系统中效果较好，即通常在硅光中，但同样可以在III-V半导体系统等其它材料系统中实现。
在所述第一方面的另一实现方式中，所述第一波导和所述第二波导嵌入包层中，特别是SiO2包层。
这样，所述分光器的性能提高了，尤其是由于波导和包层之间的低折射率对比度。
在所述第一方面的另一实现方式中，在所述第二波导的所述顶端，所述第一波导和所述每个第二波导之间的间隙是所述第二波导的每个顶端的宽度的0.8至1.2倍。
该间隙提高了光发送器的性能，特别是在硅光中实现的情况。
在所述第一方面的另一实现方式中，在所述第一波导的所述顶端，所述第一波导和所述每个第二波导之间的间隙是所述第一波导的所述顶端的宽度的2至3倍。
该间隙提高了光发送器的性能，特别是在硅光中实现的情况。
在所述第一方面的另一实现方式中，所述第一波导的所述基部的宽度是所述第二波导的每个顶端的宽度的5至7倍。
宽度尺寸提高了光发送器的性能，特别是在硅光中实现的情况。
在所述第一方面的另一实现方式中，所述第二波导的每个基部的宽度是所述第一波导的所述顶部宽度的3至5倍。
宽度尺寸提高了光发送器的性能，特别是在硅光中实现的情况。
在所述第一方面的另一实现方式中，所述第一波导的高度是其顶端宽度的1.8至2.2倍。
高度尺寸提高了光发送器的性能，特别是在硅光中实现的情况。
在所述第一方面的另一实现方式中，所述每个第二波导的高度是其顶端宽度的1.8至2.2倍。
高度尺寸提高了光发送器的性能，特别是在硅光中实现的情况。
在所述第一方面的另一实现方式中，所述多模光信号包括基TE模和一阶TE模或基TM模和一阶TM模，每个单模光信号分别包括基TE模或基TM模。
所述第一方面的分光器特别适合于将基TE模(TE0)和一阶TE模(TE1)的多模信号分成在独立波导中传播的两个解耦和正交的TE0单模信号的方案。
本发明第二方面提供一种PSR，包括第一方面或其任一实现方式提供的分光器。
在所述第二方面的一种实现方式中，所述PSR包括偏振转换器，用于接收包括至少两种不同偏振模式的输入光信号，并将所述输入光信号转换为所述多模光信号；所述分光器用于将所述多模光信号分成两个单模光信号。
第二方面的PSR具有上述分光器的所有优点。特定而言，PSR通过分光器完全绝热工作。此外，PSR可以构建为体型较小，同时确保宽带、低损耗和制造顿感性。
本发明第三方面提供一种合波器，包括第一方面或任一实现方式提供的分光器。
在所述第三方面的实现方式中，所述合波器用于接收两个单模光输入信号并将每个单模光输入信号提供给所述分光器的所述两个第二波导中的一个的所述基部，其中所述分光器用于将所述第二波导中向其顶端传播的所述单模光输入信号在绝热条件下合成为所述第一波导中向其基部传播的多模光输出信号。
第三方面的合波器具有上述分光器的所有优点。特定而言，所述合波器能够高效地将单模信号在绝热条件下合成为多模信号。因此，所述合波器的体型可以非常小。所述第三方面的合波器也可以作为分波器。
应注意，本申请所描述的所有设备、元件、单元和装置可以在软件或硬件元件或其任何组合中实现。本申请中描述的各种实体执行的所有步骤和所描述的将由各种实体执行的功能旨在表明各个实体适于或用于执行各自的步骤和功能。
虽然在以下具体实施例的描述中，由外部实体执行的特定功能或步骤没有在执行特定步骤或功能的该实体的具体元件的描述中反映，但是技术人员应该清楚的是这些方法和功能可以在各自的硬件或软件元件或其任意组合中实现。
附图说明
结合所附附图，下面具体实施例的描述将阐述上述本发明的各方面及其实现形式，其中：
图1示出了本发明实施例提供的分光器；
图2示出了本发明实施例提供的分光器的模拟模式转换；
图3示出了本发明实施例提供的分光器中发射功率的模拟图；
图4示出了本发明实施例提供的分光器；
图5分别示出了本发明实施例提供的合波器的PSR；
图6示出了传统PSR和示例性45度PSR；
图7示出了用于多模信号分路的分成两个分支的波导结构。
具体实施方式
图1示出了本发明实施例提供的分光器100。分光器100用于将多模信号102分成两个单模信号104。
为此，分光器100包括锥形第一波导101，用于在多模光信号102的基部(即其较宽端)接收多模光信号102，具体向多模信号102的顶端(即其较窄端)传播多模信号102。此外，分光器100包括并行设置在第一波导101的不同侧的两个锥形第二波导103。每个第二波导103的锥形与第一波导101的锥形相反。此外，每个第二波导103用于传播单模信号104，具体是从其顶端传播到其基部，并在其基部(即其较宽端)输出单模光信号104。
具体地，通过分别由第一波导101和第二波导103构成的三叉戟结构，分光器100用于将第一波导101中向其顶端传播的多模光信号102在绝热条件下分成第二波导103中向其基部传播的两个单模信号104。
因此，图1所示的分光器100通过利用构成三叉戟结构的三个波导101、103的模式之间的绝热转换来实现上述目标。
在该三叉戟结构中，输入波导101基部的宽度可为约1.5um，大到足以容纳多模信号104的TE0和TE1模等模式。三叉戟结构的另一端由两个相同的波导103构成，可容纳偶超模和奇超模。偶/奇超模是指两个输出波导103相对彼此传播振幅相同且相位差为零(pi)弧度的情况(参见图2)。
三叉戟结构的一个特点是两种模式的有效指数(是与特定模式相互作用的材料的总折射率的度量)的递进变化。因此，具体地，可以设计三叉戟结构的尺寸，使得多模信号102的模式(例如，TE0模和TE1模)的有效指数的渐进变化在三叉戟结构内部传播期间，使所述模式分别在输出端耦合到两个波导103中单模信号104的模式。这可以通过将(TE0/TE1)输入模的有效指数与输出模(EVEN/ODD输出超模)进行绝热匹配来实现。
相应地，图1的分光器100具体能够进行两次绝热模式转换：TE0模变成偶超模，TE1模变成奇超模。图2描述了该机制的模拟结果，首先描述了偶模(图2中的(a))，然后进行奇模转换(图2中的(b))。
图3示出了在输出中插入偶数(实线)和奇数(虚线)时，在其中一个输出波导103中收集的预期功率的进一步有限差分时域(Finite Difference Time Domain，FDTD)模拟图。得到-3dB(功率的一半)的无损条件。可以看出，波导101和103构成的三叉戟结构的任何长度在150um到250um之间，对于C波段(O波段也可通过正确的设计实现)中的任何波长，以及对于ODD和EVEN转换，损耗小于0.05dB。这表明三叉戟结构是一个非常稳定的组件，对于预期的工作原理来说，性能极好。
因此，图1的分光器100提供了一种高效且稳定的方法来分离在第一波导101内传播的多模信号104的模式，比典型的Y结相对更好(对比图7)。也就是说，分光器100中发生的耦合过程是绝热的，允许比典型Y结(如图3中的模拟图所支持的)更小的耦合损耗和反射以及更高水平的处理公差。
所有之前对TE偏振所做的推理可以以相同的方式应用于波导101和103中传播的TM偏振模式。
分光器100的三叉戟结构的尺寸可以取决于所使用的材料平台(指不同层的厚度和折射率)并可以相应地调整最佳性能。下文结合图4，对纤芯和包层的特定折射率以及TE偏振的典型尺寸的示例进行说明。
图4示出了本发明实施例提供的基于图1所示的分光器100的分光器100。图1和图4中的相同元件用相同的附图编号标记。图4的分光器100还具有第一波导101和两个第二波导103。在图4的分光器100中，第一波导101和两个第二波导103具体由SiN制成，因此，折射率n＝2。此外，所述三个波导101和103嵌入到包层406中，具体是由SiO2制成的包层。因此，包层的具体折射率n＝1.45。
此外，波导101和103的具体尺寸比(即宽度和高度)如图4所示(如(a)和(b)所示)。具体而言，第一波导101的基部的宽度404通常是第二波导103的每个顶端的宽度401的5至7倍，具体是6倍。第二波导103的每个基部的宽度405是第一波导101的顶端的宽度403的3至5倍，具体是4倍。此外，每个第二波导103的高度是其顶端的宽度401的1.8至2.2倍，具体是2倍。此外，第一波导101的高度是其顶端的宽度403的1.8至2.2倍，具体是2倍。第一波导101的高度和第二波导103的高度相等。
因此，作为示例，如果波导101和103的高度为400nm，则相应顶端的宽度401和403通常为200nm左右，第一波导101的基部通常为1.2μm，第二波导103的基部的宽度通常为800nm。
此外，有利地，在第二波导103的顶端，第一波导101和每个第二波导103之间的间隙400是第二波导103的每个顶端的宽度401的0.8至1.2倍，具体是宽度相等。此外，在第一波导101的顶端，第一波导101和每个第二波导103之间的间隙402是第一波导101的顶端的宽度403的2至3倍。
此外，如图1和图4所示，本发明实施例提供的分光器100可用于下文结合图5进行解释的特定应用中。
图5具体在(a)中示出了本发明实施例提供的包括分光器100的PSR500，在(b)中示出了本发明实施例提供的包括分光器100的合波器510。
具体而言，PSR 500是45度PSR，包括分光器100。PSR 500包括第一组件(称为偏振转换器501)，将包括至少两种不同偏振模式的输入光信号502转换为多模光信号102，例如，将输入光信号502的TM0和TE0模转换为多模信号102的TE1模和TE0模。这意味着，将输入光信号502的TM0模转换为多模光信号102的TE1模。PSR 500的第二组件(即分光器100)用于将多模光信号(102)分成两个单模光信号104。具体而言，分光器100可以在45度组合中均分成多模信号102的TE0和TE1模。
因此，本发明可以应用于45度PSR配置中。值得注意的是，分光器100因此可以替换如图7所示的传统45度PSR中的Y结。分光器100应用于PSR 500的此方法代表一种可行的方案，具有45度PSR，可以100％绝热工作，同时减小体型并确保宽带、低损耗和对制造变化不敏感。
具体而言，合波器510是波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)FUNKY合波器(也可用作分波器)。此处，分光器100用于将包括两个TE0模等两个单模光输入信号511(两个单模通道A和B)合并成携带TE1模和TE0模等模式的正交组合的单个波导101，作为多模光输出信号512。
换句话说，如图5中(b)所示，合波器510接收两个单模光输入信号511并将每个单模光输入信号511提供给分光器100的两个第二波导103中的一个的基部。合波器510中的分光器100用于将第二波导103中向其顶端传播的单模光输入信号511在绝热条件下合成为第一波导101中向其基部传播的多模光输出信号512。
例如，在合波器510中使用分光器100允许比粗波WDM(CoarseWDM，CWDM)产品中使用的常规TE0-TE1分波器(FUNKY设计)等更短的方案，其中两个不同WDM通道的TE0模合成为TE0模和TE1模的组合。通过使用分光器100，合波器510可以高效地将来自两个不同通道的单模511绝热合成为承载输入模511的正交45度组合的单个波导101。输出信号512包含通道A和通道B的信息，但基于TE1和TE0等来预测。
已经结合作为实例的不同实施例以及实施方案描述了本发明。但本领域技术人员通过实践所请发明，研究附图、本公开以及独立权项，能够理解并获得其他变体。在权利要求以及描述中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，且“一”并不排除复数可能。单个元件或其它单元可满足权利要求书中所叙述的若干实体或项目的功能。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能在有利的实现方式中使用。

Claims (12)

1.一种分光器(100)，其特征在于，包括：
锥形第一波导(101)，用于在其基部接收多模光信号(102)并传播所述多模光信号(102)；
两个锥形第二波导(103)，并行设置在所述第一波导(101)的不同侧，每个第二波导(103)的锥形与所述第一波导(101)的锥形相反，用于传播单模光信号(104)并在其基部输出所述单模光信号(104)，
其中所述分光器(100)用于将所述第一波导(101)中向其顶端传播的所述多模光信号(102)在绝热条件下分成所述第二波导(103)中向其基部传播的两个所述单模光信号(104)；
所述第一波导(101)的所述基部的宽度(404)是所述第二波导(103)的每个顶端的宽度(401)的5至7倍；
所述第二波导(103)的每个基部的宽度(405)是所述第一波导(101)的所述顶端的宽度(403)的3至5倍。
2.根据权利要求1所述的分光器(100)，其特征在于，
所述第一波导(101)和/或所述第二波导(103)由SiN制成。
3.根据权利要求1或2所述的分光器(100)，其特征在于，
所述第一波导(101)和所述第二波导(103)嵌入到SiO2包层(406)中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的分光器(100)，其特征在于，在所述第二波导(103)的所述顶端，
所述第一波导(101)和每个所述第二波导(103)之间的间隙(400)是所述第二波导(103)的每个顶端的宽度(401)的0.8至1.2倍。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的分光器(100)，其特征在于，在所述第一波导(101)的所述顶端，
所述第一波导(101)和每个所述第二波导(103)之间的间隙(402)是所述第一波导(101)的所述顶端的宽度(403)的2至3倍。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的分光器(100)，其特征在于，
所述第一波导(101)的高度是其顶端的所述宽度(403)的1.8至2.2倍。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的分光器(100)，其特征在于，
所述每个第二波导(103)的高度是其顶端的所述宽度(401)的1.8至2.2倍。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的分光器(100)，其特征在于，
所述多模光信号(102)包括基横电(transverse electric，TE)模和一阶TE模或者基横磁(transverse magnetic，TM)模和一阶TM模；
每个所述单模光信号(104)包括基TE模或相应包括基TM模。
9.一种偏振分束旋转器(polarization splitter and rotator，PSR)(500)，其特征在于，包括：
权利要求1至8中任一项所述的分光器(100)。
10.根据权利要求9所述的PSR(500)，其特征在于，包括
偏振转换器(501)，用于接收包括至少两种不同偏振模式的输入光信号(502)，并将所述输入光信号(502)转换为所述多模光信号(102)；
所述分光器(100)用于将所述多模光信号(102)分成两个单模光信号(104)。
11.一种合波器(510)，其特征在于，包括：
权利要求1至8中任一项所述的分光器(100)。
12.根据权利要求11所述的合波器(510)，其特征在于，用于：
接收两个单模光输入信号(511)并将每个单模光输入信号(511)提供给所述分光器(100)的所述两个锥形第二波导(103)中的每一个的所述基部，
其中所述分光器(100)用于将所述第二波导(103)中向其顶端传播的所述单模光输入信号(511)在绝热条件下合成为所述第一波导(101)中向其基部传播的多模光输出信号(512)。
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