CN112462535A - 一种硅基电光调制与模分复用集成器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基电光调制与模分复用集成器件，包括模分复用模块，所述的模分复用模块包括非对称设置的单模纳米线波导和多模纳米线波导和模分复用模块；对应的还包括两组电光调制模块，所述的单模纳米线波导和所述的多模纳米线波导一端与所述的电光调制模块连接，另一端汇聚于耦合区；所述的电光调制模块由纳米线波导、WM型谐振腔、平行设置的第一光子晶体波导和第二光子晶体波导组成，其中所述第一光子晶体波导的一端与所述的纳米线波导相连，另一端与所述单模纳米线波导或所述多模纳米线波导相连，所述的WM型谐振腔对应于所述第二光子晶体波导的中间位置设置。本发明提高系统集成度、对提升光通信网络容量具有重要价值。

Description

一种硅基电光调制与模分复用集成器件
技术领域
本发明属于光通信器件领域，具体涉及一种硅基电光调制与模分复用集成器件。
背景技术
随着高速光通信器件的封装尺寸越来越小，性能要求越来越高，传统的相互分离的光电元器件已经很难适应现代光通信的需求，目前光电子器件正在朝着高度集成的小型化方向发展。由于人们对现代光通信技术有着小体积、高容量、大带宽和集成化的需求，在同一芯片上实现光电集成是最佳的途径，而硅光子技术利用其低功耗、高速率以及与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺兼容的特性，也使光子器件与电子器件的集成成为可能。
光子晶体具有独特的带隙和慢光特性，能够制作出性能优良的电光调制器。例如，采用PIN电学结构的光子晶体谐振腔型低功耗、快速电光调制器，它可以实现高品质因数与小尺寸的设计目标，但是，此类电光调制器所需要的调制电压最低为3V，这无法适应未来光通信系统的性能要求，而采用PN结电学结构的电光调制器一般来说可以实现较低的调制电压。此外，WM型光子晶体谐振腔的本征品质因数高达6.1×〖10〗^4，相比于该指标在〖10〗^3量级的L3型谐振腔更高。近年来，片上波导型模分复用器也得到了广泛的研究，主要有多模干涉、绝热耦合、非对称Y结、非对称定向耦合(Asymmetry Directional Coupler，ADC)和反向耦合光栅(Grating-Assisted Contra-Directional Coupler，GACC)等实现方法。其中，非对称定向耦合型的模分复用器具备结构简易、便于进行多模式扩展等优势，但器件的尺寸也会随着模式的扩展而增大。尽管相关领域的专家和学者们对基于光子晶体的电光调制器和基于硅材料的模分复用器的研究越来越深入，但这些研究仅仅着眼于单独器件的功能，并不能实现对这两种器件的一体集成。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种硅基电光调制与模分复用集成器件。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种硅基电光调制与模分复用集成器件，包括模分复用模块，所述的模分复用模块包括非对称设置的单模纳米线波导和多模纳米线波导和模分复用模块；对应的还包括两组电光调制模块，所述的单模纳米线波导和所述的多模纳米线波导一端与所述的电光调制模块连接，另一端汇聚于耦合区；
所述的电光调制模块由纳米线波导、WM型谐振腔、平行设置的第一光子晶体波导和第二光子晶体波导组成，其中所述第一光子晶体波导的一端与所述的纳米线波导相连，另一端与所述单模纳米线波导或所述多模纳米线波导相连，所述的WM型谐振腔对应于所述第二光子晶体波导的中间位置设置。
作为本发明的进一步改进，所述的第一光子晶体波导与所述纳米线波导和所述模分复用模块的连接处采用的是锥形渐变结构。
作为本发明的进一步改进，所述锥形渐变结构中的空气孔的孔径由内而外以固定的尺寸按等差数列逐级减小直至零。
具体的，锥形尺寸设计：将锥形结构的空气孔半径r′n表示为
Figure BDA0002783897470000021
且n≤c+1，其中r为空气孔的半径，c为锥形结构其中一侧空气孔的个数；n为锥形结构其中一侧空气孔的编号。以图4为例，此时c＝7，r′8＝0.14μm，所以第一个空气孔(n＝1)的半径为 r′1＝0μm；第二个空气孔(n＝2)的半径为r′2＝0.02μm；以此类推，直到n＝c+1＝8时，即最后一个空气孔与原光子晶体平板的空气孔半径相等。
作为本发明的进一步改进，所述单模纳米线波导和所述的多模纳米线波导选用具有相同有效折射率的波导，在所述耦合区，两者之间的耦合长度和波导间距的确认以获取最高的耦合效率为目的。
单模纳米线波导宽度和多模纳米线波导宽度的确定过程：利用仿真软件Lumerical FDTD模块的模式求解器，能够求出对应光源波长下不同宽度的硅基纳米线波导所对应的传输模式，以及各模式所对应的有效折射率。以光源波长1500nm-1600nm为例，图5给出了波导宽度从0.5μm到1.3μm变化时TE0和TE1模式所对应有效折射率的数值。由曲线图可以得出，当单模波导宽度w1＝0.6μm、多模波导宽度w2＝1.20768μm时，TE0和TE1的有效折射率均为2.392757。此时，满足模式匹配(即有效折射率相等)的条件。
对应于耦合长度和波导间距的确定过程为，将探测器置于模分复用模块的输出端口5 处，设置合适的波导间距g，调节波导耦合长度L，使耦合效率η达到最高。在 1500nm-1600nm光源波长下，不同波导间距g对应的耦合长度L与耦合效率η的关系如图6 所示。当波导间距g＝0.05μm，耦合长度L＝22μm，波导w1中TE0模式耦合到波导w2中的效率最高，达到η＝0.9735。其余情况下，光波的耦合效率都无法达到该水平。综上分析，选取波导间距g＝0.05μm，耦合长度L＝22μm。
作为本发明的进一步改进，所述的第一光子晶体波导和第二光子晶体波导设置于光子晶体平板中，所述的第一光子晶体波导和所述的第二光子晶体波导与所述的光子晶体平板厚度相同；且所述的第一光子晶体波导、所述的第二光子晶体波导以及所述光子晶体平板中的晶格常数和空气孔半径相同
作为本发明的进一步改进，所述的WM型谐振腔为在所述的光子晶体平板上，在第二光子晶体波导附近通过对空气孔位置移动获得。
作为本发明的进一步改进，还包括通过调节所述的空气孔半径调节所述WM型谐振腔的谐振中心波长。
例如在晶格常数不变时，减小空气孔半径，谐振腔的中心波长向右偏移；增大空气孔半径，谐振腔的中心波长向左偏移。在本发明所选取的晶格常数a＝0.419μm，空气孔半径r＝0.14μm的条件下，所设计的集成器件为了获得较优的透射率，选择其中 1550nm-1560nm波段。
作为本发明的进一步改进，第一光子晶体波导
Figure 100002_1
和第二光子晶体波导的宽度
Figure 5
是通过公式算得的。
本发明的有益效果：本发明提出了光电子器件，通过将电光调制模块与模分复用模块进行一体集成，在两者的连接处采用锥形渐变结构，不仅使得光电子器件结构紧凑，实现小体积和集成化的发展需求；且能够降低传输损耗，性能优良。对于将光电子器件应用于高速大容量光通信系统，提高系统集成度、提升光通信网络容量具有重要价值。
附图说明
图1为本发明提出的硅基电光调制与模分复用集成器件结构图；
图2(a)为“断”状态下光束从端口1输入后的稳态场分布图，图2(b)为“通”状态下光束从端口1输入后的稳态场分布图；
图3为在1550nm到1560nm的工作波长下，器件在“断”、“通”状态下的透射谱；
图4为所设计的锥形渐变结构的放大剖面图；
图5为TE模式有效折射率随波导宽度变化的曲线图；
图6为不同波导间距g对应的单模波导w1的耦合长度与耦合效率的关系；其中：1-纳米线波导，2-第一光子晶体波导，3-第二光子晶体波导，4-光子晶体平板，5-WM型谐振腔，6-单模纳米线波导，7-多模纳米线波导，8-波导间距，9-耦合长度，10-锥形渐变结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示一种硅基电光调制与模分复用集成器件，包括模分复用模块，所述的模分复用模块包括非对称设置的单模纳米线波导6和多模纳米线波导7和模分复用模块；对应的还包括两组与模分复用模块进行级联的电光调制模块，所述的单模纳米线波导6和所述的多模纳米线波导7一端与所述的电光调制模块连接，另一端汇聚于耦合区；所述的电光调制模块由纳米线波导1、WM型谐振腔5、平行设置的第一光子晶体波导2和第二光子晶体波导3组成，其中所述第一光子晶体波导2的一端与所述的纳米线波导1相连，另一端与所述单模纳米线波导6或所述多模纳米线波导7相连，所述的WM型谐振腔5对应于所述第二光子晶体波导3的中间位置设置。
为了优化器件的性能，所述的第一光子晶体波导2的两端，与所述纳米线波导1和所述模分复用模块的连接处均采用的是锥形渐变结构10。
具体的结构为，所述的第一光子晶体波导2和第二光子晶体波导3设置于光子晶体平板4中，所述的第一光子晶体波导2和所述的第二光子晶体波导3与所述的光子晶体平板4厚度相同。
在本发明的一种实施例中，所述电光调制模块中的光子晶体平板4采用硅材料，其上刻蚀29×23个圆形空气孔，构成三角晶格型的光子晶体结构。所述的第一光子晶体波导2和第二光子晶体波导3晶格常数a＝0.419μm，空气孔半径r＝0.14μm；所述的电光调制模块中的第一光子晶体波导2的宽度为
Figure 3
第二光子晶体波导3的宽度为
Figure 4
。另外，所述的WM型谐振腔5为在所述的光子晶体平板4上，在第二光子晶体波导3附近通过对空气孔位置分别移动3nm，6nm，9nm形成的腔体。
所述的模分复用模块中的单模纳米线波导6和多模纳米线波导7采用硅材料制作，所述的单模纳米线波导6的宽度为w1-0.6μm，多模纳米线波导7的宽度为w2-1.20768μm，两波导在模式耦合区的波导间距8为g＝0.05μm，耦合长度9为L＝22μm。
在所述电光调制模块中以及电光调制模块与模分复用模块级联处的硅基纳米线波导1 与光子晶体波导接触段均所采用的锥形渐变结构10由第二光子晶体波导3两侧的空气孔按一定规律缩小半径所得，最里侧的空气孔与第二光子晶体波导3的空气孔半径相等，最外侧的空气孔的半径为0μm。以本发明的原空气孔半径r＝0.14μm为基准，对应于锥形渐变结构10中的空气孔由外往里依次为0.0156μm，0.0311μm，0.0467μm，0.0622μm， 0.0778μm，0.0933μm，0.1089μm，0.1244μm，0.14μm。
采用本发明的集成器进行调试，将1550-1560nm入射光从端口1输入图1上方的第一个电光调制模块输入端的纳米线波导1中，当未施加调制电压，入射波长与WM型谐振腔 5的谐振波长一致时，该波长的光波被束缚在腔内，如图2(a)所示，形成“断”状态；当施加一定的调制电压时，WM型谐振腔5处的有效折射率发生变化，谐振波长会发生偏移，原谐振波长处的光波可以通过第二光子晶体波导3，如图2(b)所示，形成“通”状态，此时基模光波从端口3输出并进入模分复用模块的单模纳米线波导6中传输，然后经过耦合区转换为TE1模式并耦合进入多模纳米线波导7，最终从端口5输出。同时，另一束入射光(1550-1560nm)从端口2输入显示在图1下方的第二个电光调制模块进入，同理，基模光波会从端口4输出并进入模分复用模块的多模纳米线波导7中传输，最终与从单模纳米线波导6中转换而来的TE1模式一同从端口5输出，完成TE0和TE1模式的窄带通断调制和模分复用功能。在整个过程中，未能耦合进入多模纳米线波导7中传输的部分光波通过端口6输出。
如图3所示，对应于图2所示的器件在“断”、“通”两种状态下的透射谱，由图3可以看出当电光调制模块未施加调制电压时，即在“断”状态下中心波长λ＝1553.91nm处的透射率，为T＝0.010255；当施加一定调制电压，WM腔处有效折射率发生变化，在“通”状态下中心波长偏移至λ＝1555.83nm，原中心波长处的透射率为T＝96.34％。
采用锥形渐变结构1010后可以减少器件的传输损耗，此时插入损耗小于0.46dB，消光比为19.73dB，调制深度为0.9894，品质因数达1.5×104，信道串扰小于-14.66dB，性能优良。
消光比定义为：
Figure BDA0002783897470000051
其中，P1为通状态下的信号光强，P0为断状态下的信号光强。消光比的单位为dB，电光调制器的消光比越大，则调制性能越好，反之则越差。根据断、通状态下中心波长的透射率可得
Figure BDA0002783897470000052
调制深度定义为：
Figure BDA0002783897470000053
其中，P1为电光调制器在“通”状态下的光功率，P0为“断”状态下的光功率。调制深度越大表明调制效果越好。根据断、通状态下中心波长的透射率可得
Figure BDA0002783897470000054
品质因数
Figure BDA0002783897470000055
其中λ为谐振腔的中心波长，△λ为WM型谐振腔5在“断”状态下透射谱图的半高宽。
插入损耗定义为：
Figure BDA0002783897470000061
其中，Iin是输入光强，Iout是输出光强。插入损耗的单位为dB，在光波传输过程中，插入损耗越小表明器件的性能越好。
信道串扰定义为：
Figure BDA0002783897470000062
其中，I'out为传输信道进入相邻信道的光强，Iout为输出信道的输出光强。信道串扰的单位为dB，信道串扰越小表明器件的性能越好。
在集成器件的端口1、2和端口5、6分别放置探测器，测得输出端口各模式的参数。通过上述公式计算得到该集成器件的插入损耗和信道串扰，分别如表1、2所示。由表可得，所设计的集成器件插入损耗最小为0.05dB，最大为0.46dB；信道串扰最小为-34.33dB，最大为-14.66dB。
表1波长1553.91nm时输出端口5处各模式的插入损耗(单位：dB)
Figure BDA0002783897470000063
表2波长1553.91nm时输出端口5处各模式的信道串扰(单位：dB)
Figure BDA0002783897470000064
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种硅基电光调制与模分复用集成器件，其特征在于：包括模分复用模块，所述的模分复用模块包括非对称设置的单模纳米线波导和多模纳米线波导和模分复用模块；对应的还包括两组电光调制模块，所述的单模纳米线波导和所述的多模纳米线波导一端与所述的电光调制模块连接，另一端汇聚于耦合区；
所述的电光调制模块由纳米线波导、WM型谐振腔、平行设置的第一光子晶体波导和第二光子晶体波导组成，其中所述第一光子晶体波导的一端与所述的纳米线波导相连，另一端与所述单模纳米线波导或所述多模纳米线波导相连，所述的WM型谐振腔对应于所述第二光子晶体波导的中间位置设置。
2.根据权利要求1所述的一种硅基电光调制与模分复用集成器件，其特征在于：所述的第一光子晶体波导与所述纳米线波导和所述模分复用模块的连接处采用的是锥形渐变结构。
3.根据权利要求2所述的一种硅基电光调制与模分复用集成器件，其特征在于：所述锥形渐变结构中的空气孔的孔径由内而外以固定的尺寸按等差数列逐级减小直至零，其中，最内侧的空气孔的孔径与原光子晶体平板的空气孔半径相等，所采用的递减尺寸为r/c，式中，r为最内侧空气孔的孔径，n为锥形渐变结构中沿其中一条锥形线所包含的空气孔的个数。
4.根据权利要求1所述的一种硅基电光调制与模分复用集成器件，其特征在于：所述单模纳米线波导和所述的多模纳米线波导选用具有相同有效折射率的波导，在所述耦合区，两者之间的耦合长度和波导间距的确认以获取最高的耦合效率为目的。
5.根据权利要求1所述的一种硅基电光调制与模分复用集成器件，其特征在于：所述的第一光子晶体波导和第二光子晶体波导设置于光子晶体平板中，所述的第一光子晶体波导和所述的第二光子晶体波导与所述的光子晶体平板厚度相同，且所述的第一光子晶体波导、所述的第二光子晶体波导以及所述光子晶体平板中的晶格常数和空气孔半径相同。
6.根据权利要求5所述的一种硅基电光调制与模分复用集成器件，其特征在于：所述的WM型谐振腔在所述的光子晶体平板上，在第二光子晶体波导附近通过对空气孔位置移动获得。
7.根据权利要求6所述的一种硅基电光调制与模分复用集成器件，其特征在于：还包括通过调节所述的空气孔半径调节所述WM型谐振腔的谐振中心波长。
8.根据权利要求5所述的一种硅基电光调制与模分复用集成器件，其特征在于：所述的第一光子晶体波导的宽度为
Figure 1
所述的第二光子晶体波导的宽度为
Figure 2
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