CN113376737A - 一种螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线 - Google Patents

一种螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，包括SiO2包层，SiO2包层内部设有水平设置的波导层，所述波导层采用Si材料制备而成，包括四条横向直波导、两条S形弯曲波导、两段螺旋损耗线和一段螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器；其中左侧一条横向宽直波导作为反向耦合器的输入端，横向窄直波导作为反向耦合器的输出端，两端口通过一对S形弯曲波导与反向耦合器连接；第一直波导左端为色散延时线的输入端口，第二直波导左端为色散延时线的输出端口；第三直波导和第四直波导作为前置缓冲区，右端分别与螺旋形单侧壁调制波导光栅和螺旋条形/锥形波导左端连接。

Description

一种螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线
技术领域
本发明涉及一种延时线，具体涉及一种螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，属于光通信技术领域。
背景技术
随着光通信技术向高速率、大容量方向迅速发展，对信息传输、处理的效率及准确性要求越来越高，具有大色散值的色散延时技术已然成为提升信息系统性能的关键。光色散延时线能够使输出光信号具有随波长变化的群延时量，延时值与波长一般符合线性变化关系，可应用于色散补偿、光缓存、光学真延时网络、集成化微波光子信号产生与处理等。常见的非集成光色散延时线主要包括色散补偿光纤、啁啾光纤光栅等光纤器件，为提供所需要的高色散值，此类器件长度通常达到几公里以上，不利于系统的小型化，而基于光波导技术的色散延时线则因其固有的高集成度、低损耗特性受到广泛关注。
与传统光学材料相比，基于SOI(Silicon on Insulator，绝缘体上的硅)材料制备的光波导器件具有传输损耗低、偏振特性好、器件工艺与标准CMOS工艺兼容、便于实现光电混合集成等优势；特别地，二氧化硅包层与硅器件层间的大折射率差使得光信号能够很好地被限制在硅中，有利于进一步减小波导尺寸，实现大规模集成。
依据不同的原理，目前集成波导色散延时线方案主要包括微环谐振器型、光子晶体波导型和布拉格光栅型。其中，微环谐振器与光子晶体波导受器件本身高插损的影响，难以在实际光子芯片中实用；当单波导布拉格啁啾光栅采用螺旋形片上布局时，能够在很小的器件尺寸内实现较大的总延时量和高色散值，然而这种反射型色散延时线需要外接独立环形器或设计片上分光器将其转换成二端口器件，以便于分离出反射信号，前者将增加系统复杂程度，不利于微型化，后者则会引入额外的3dB插损；另一种基于光栅辅助反向耦合器的色散延时线巧妙地利用双波导结构，以反向耦合的方式取代单波导光栅的反射输出方式，有效解决了输出信号的分离难题，然而对于大色散值的需要必然要求增加器件反向耦合区长度，在有限的芯片尺寸下极大地提高了集成难度。在不增加系统复杂度和损耗的前提下，设计具有尽可能小的器件尺寸和优化长宽比的光色散延时线有很大的实际意义。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于SOI材料制备的螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，该技术方案为现代光通信系统中集成化色散补偿模块提供了一种可行方案，比现有的二端口器件具有更大的色散值和更紧凑的片上占用空间；可作为大延时量光缓存器、用于搭建光学真延时网络或为集成化微波光子信号产生提供易于集成的波长-时域映射组件。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，其特征在于，包括SiO2包层，SiO2包层内部设有水平设置的波导层，所述波导层采用Si材料制备而成，包括四条横向直波导、两条S形弯曲波导、两段螺旋损耗线和一段螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器；其中左侧一条横向宽直波导作为反向耦合器的输入端，横向窄直波导作为反向耦合器的输出端，两端口通过一对S形弯曲波导与反向耦合器连接；第一直波导左端为色散延时线的输入端口（Inport），第二直波导左端为色散延时线的输出端口（Outport）；第三直波导和第四直波导作为前置缓冲区，二者右端分别与螺旋形单侧壁调制波导光栅和螺旋条形/锥形波导左端连接，第一直波导、第二直波导分别通过第一S形弯曲波导、第二S形弯曲波导分别与第三直波导、第四直波导相连；第一螺旋损耗线、第二螺旋损耗线与螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器的透射端连接，用于将透射光辐射进入包层并损耗。
作为本发明的一种改进，所述螺旋形单侧壁调制波导光栅与螺旋条形/锥形波导构成具有固定间距的螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器，其中螺旋形单侧壁调制波导光栅采用多模波导结构以减小反向耦合器内波导间的同向耦合，并降低实际芯片中波导侧壁粗糙度对基模传输特性的影响。
作为本发明的一种改进，所述螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器由螺旋形单侧壁调制波导光栅和相邻的螺旋条形波导或锥形波导构成反向耦合区，其中螺旋形单侧壁调制波导光栅由条形波导在反向耦合区内侧引入周期性矩形光栅齿构成，径向齿宽度经过切趾函数调制。当输入光信号的波长满足局部相位匹配条件时，将在对应反向耦合区域内被反向耦合至输出端口输出；因啁啾光栅辅助反向耦合器在所述反向耦合区域的不同位置具有不同的相位匹配条件和反向耦合波长，且该波长沿螺旋切向近似满足线性变化关系，输出光信号具有随波长线性变化的群延时量；波长不满足反向耦合条件的光由透射端螺旋损耗线进行衰减。
作为本发明的一种改进，反向耦合器采用单螺旋构架，以弯曲光栅及弯曲波导代替常规直波导光栅辅助反向耦合器，从而优化结构长宽比，减小芯片尺寸，有利于获取更大的片上总延时量和色散值。
作为本发明的一种改进，所述螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器局部弯曲半径沿螺旋切向线性变化，相邻圈数的耦合区域间隔保持不变且远大于可产生波导间耦合的最大间隔，以减小因波导弯曲半径改变而引起的模式失配，并抑制不同圈数的波导间光串扰。
作为本发明的一种改进，所述螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器采用两种不同的啁啾方式：当采用改变光栅周期的方式时，螺旋条形/锥形波导采用条形波导形式，反向耦合器内螺旋形单侧壁调制波导光栅和螺旋条形波导的平均宽度均保持不变，光栅周期沿螺旋切向线性改变；当采用改变波导有效折射率的方式时，螺旋条形/锥形波导采用锥形波导形式，波导宽度沿切向线性改变。
作为本发明的一种改进，所述螺旋形单侧壁调制波导光栅采用平均宽度大于两倍输出端螺旋条形/锥形波导（平均宽度的多模波导，以抑制与螺旋条形/锥形波导间的同向耦合，降低实际芯片中基模传输时受侧壁粗糙度的影响。
作为本发明的一种改进，所述螺旋形单侧壁调制波导光栅的光栅齿宽度由高斯切趾函数加权，以提高输出光谱的旁瓣抑制比，减小群延时抖动。所述第一螺旋损耗线和第二螺旋损耗线与螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器透射端存在弯曲半径突变，损耗线半径、波导宽度沿螺旋切向同时快速减小，使反向耦合带宽外的透射光辐射进包层，以减小输入端的回波反射。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，1）该技术方案提供了一种螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，通过采用单螺旋构架的反向耦合器有效减小了长波导延时线的片上占用面积，借助高斯切趾函数调制减小了群延时抖动，抑制了输出光谱旁瓣，在紧凑的器件尺寸下能够实现大色散值、高线性度的光色散延时功能；2）本发明无需采用独立环形器或通过设计片上Y分支来转换成二端口器件，相比于单波导螺旋型啁啾光栅等反射型色散延时线具有较低的插损，更适于应用在多功能光学模块的单片集成。它最主要的优势在于继承了反向耦合器输入、输出端口分离的特点，通过采用螺旋形构架的反向耦合区，以增加螺旋圈数的方式来代替增大波导横向长度，有效缓解了大色散延时芯片面临的长波导需求与集成芯片空间受限之间的矛盾，可以更好地适应色散补偿、光缓存、光学真延时网络、集成化微波光子信号产生与处理等应用领域对于集成化大色散值芯片的需要，并且，本发明采用的制作工艺可与COMS工艺相兼容，具有传输损耗低、偏振特性好、便于实现光电器件混合集成的潜在特性和优点。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为本发明的波导俯视结构示意图。
图3为本发明采用周期啁啾方式时输出端口输出信号光谱与群延时谱。
图4为本发明采用折射率啁啾方式时输出端口输出信号光谱与群延时谱。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：参见图1，一种螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，包括SiO2包层6，SiO2包层内部设有水平设置的波导层，所述波导层采用Si材料制备而成，包括四条横向直波导，即第一直波导1-1、第二直波导1-2、第三直波导1-3、第四直波导1-4，两条S形弯曲波导即第一S形弯曲波导2-1、第二S形弯曲波导2-2，两段螺旋损耗线即第一螺旋损耗线4-1、第二螺旋损耗线4-2，和一段螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器；其中左侧一条横向宽直波导作为反向耦合器的输入端，横向窄直波导作为反向耦合器的输出端，两端口通过一对S形弯曲波导与反向耦合器连接；第一直波导1-1左端为色散延时线的输入端口（Inport），第二直波导1-2左端为色散延时线的输出端口（Outport）；第三直波导1-3第四直波导1-4作为前置缓冲区，二者的右端分别与螺旋形单侧壁调制波导光栅3-1和螺旋条形/锥形波导3-2左端连接，第一直波导1-1、第二直波导1-2分别通过第一S形弯曲波导2-1、第二S形弯曲波导2-2与第三直波导1-3、第四直波导1-4相连；第一螺旋损耗线4-1、第二螺旋损耗线4-2与螺旋啁啾光栅辅助反向耦合器透射端连接，用于将透射光辐射进入包层并损耗，所述螺旋形单侧壁调制波导光栅3-1与螺旋条形/锥形波导3-2构成具有固定间距的螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器5，其中螺旋形单侧壁调制波导光栅3-1采用多模波导结构以减小反向耦合器内波导间的同向耦合，并降低实际芯片中波导侧壁粗糙度对基模传输特性的影响，所述单侧壁调制波导光栅由条形波导在反向耦合器内侧引入周期性矩形光栅齿构成，径向齿宽度经过切趾函数调制。当输入光信号的波长满足局部相位匹配条件时，将在对应反向耦合区域被反向耦合至输出端口输出；因啁啾光栅辅助反向耦合器在所述反向耦合区域的不同位置具有不同的相位匹配条件和反向耦合波长，且该波长沿螺旋切向近似满足线性变化关系，输出光信号具有随波长线性变化的群延时量；波长不满足反向耦合条件的光由透射端螺旋损耗线进行衰减。反向耦合器采用单螺旋构架，以弯曲光栅及弯曲波导代替常规直波导光栅辅助反向耦合器，从而优化结构长宽比，减小芯片尺寸，有利于获取更大的片上总延时量和色散值，所述螺旋形光栅辅助反向耦合器局部弯曲半径沿螺旋切向线性变化，相邻圈数的耦合区域间隔保持不变且远大于可产生波导间耦合的最大间隔，以减小因波导弯曲半径改变而引起的模式失配，并抑制不同圈数的波导间光串扰，所述啁啾光栅辅助反向耦合器采用两种不同的啁啾方式：当采用改变光栅周期的方式时，反向耦合器内单侧壁调制光栅和条形波导平均宽度均保持不变，光栅周期沿螺旋切向线性改变；当采用改变波导有效折射率的方式时，反向耦合器窄波导设置为锥形波导，波导宽度沿切向线性改变，所述啁啾光栅辅助反向耦合器的输入端单侧壁调制光栅波导采用平均宽度大于两倍输出端窄波导平均宽度的多模波导，以抑制与窄波导间的同向耦合，降低实际芯片中基模传输时受侧壁粗糙度的影响，所述单侧壁调制波导光栅的光栅齿宽度由高斯切趾函数加权，以提高输出光谱的旁瓣抑制比，减小群延时抖动。所述螺旋损耗线与反向耦合区透射端存在弯曲半径突变，损耗线半径、波导宽度沿螺旋切向同时快速减小，使反向耦合带宽外的透射光辐射进包层，以减小输入端的回波反射。
实施例2：参照图1—图4，如图1和图2所示，本发明设计了一种螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，其波导层为内嵌在SiO2包层6里的条形Si波导，包括第一直波导1-1、第二直波导1-2、第一S形弯曲波导2-1，第二S形弯曲波导2-2、第一螺旋损耗线4-1、第二螺旋损耗线4-2和螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器5。所述第一直波导1-1、第二直波导1-2左端分别为色散延时线的输入端口（Inport）和输出端口（Outport）；第三直波导1-3、第四直波导1-4作为前置缓冲区，右端分别与螺旋形单侧壁调制波导光栅3-1和螺旋条形/锥形波导3-2左端连接，第一直波导1-1、第二直波导1-2分别通过第一S形弯曲波导2-1、第二S形弯曲波导2-2与第三直波导1-3、第四直波导1-4相连；第一螺旋损耗线4-1、第二螺旋损耗线4-2与螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器5的透射端连接，将透射光辐射进入包层并损耗。所述螺旋形单侧壁调制波导光栅（3-1）与螺旋条形/锥形波导3-2构成具有固定间距的螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器5，其中螺旋形单侧壁调制波导光栅3-1采用多模波导结构以减小反向耦合区域内波导间的同向耦合，并降低实际芯片中波导侧壁粗糙度对基模传输特性的影响。
本发明提供色散延时功能的原理是：当入射进反向耦合区域中的光波长满足局部布拉格条件
Figure 546200DEST_PATH_IMAGE001
时，该波长的光可以由螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器5的输入波导耦合进输出波导，且输出信号的传输方向与入射方向相反。其中，λ为入射光波长，Λ(l)为光栅周期，neff1为螺旋形单侧壁调制波导光栅3-1在一个光栅周期内的平均有效折射率，neff2(l)为螺旋条形/锥形波导3-2的有效折射率。当采用光栅周期啁啾方式时，neff2(l)为常数，光栅周期Λ(l)沿螺旋切向线性改变，当采用波导有效折射率啁啾方式时，Λ(l)保持不变，螺旋条形/锥形波导3-2采用锥形波导形式，波导宽度沿螺旋切向线性改变，由于波导有效折射率随波导宽度在较小的变化范围内基本符合线性变化关系，neff2(l)沿螺旋切向线性改变；其中l代表以反向耦合区外侧左端为原点，反向耦合区内任一位置处相对于原点的弧长。设置光栅周期或锥形波导宽度自螺旋外侧向内侧线性增大或减小，可以使反向耦合光波长延螺旋路径线性变化，满足局部布拉格条件的不同波长的光在不同的光栅区域内发生反向耦合，最终从端口Outport输出。输出光信号的群延时量与所经过的波导长度成正比，因此产生随波长线性变化的群延时。波长不满足局部布拉格条件的光将由透射端第一螺旋损耗线4-1、第二螺旋损耗线4-2辐射进包层并损耗。
为了验证本发明能够实现该功能，特列举验证例进行说明。
本验证例采用时域有限差分法进行计算分析，仿真计算中用到的主要参数有：Si波导层厚度为220nm；作为输入、输出端的第一直波导1-1、第二直波导1-2宽度分别为1240nm、480nm，螺旋形单侧壁调制波导光栅3-1与螺旋条形/锥形波导3-2的间距为120nm，光栅径向齿宽最大值为60nm，当采用周期啁啾方式时，光栅周期由296nm向螺旋内侧线性减小为292nm，当采用有效折射率啁啾方式时，锥形波导宽度改变量为40nm，光栅周期数为4000，螺旋初始弯曲半径为64um，半径变化率为-8um/圈。
图3显示了采用周期啁啾方式时计算得到的输出端口输出信号光谱与群延时谱，分别由图中实线、点线表示。在该啁啾方式下，反向耦合光谱的中心波长和工作带宽分别为1560nm和12.3nm，旁瓣抑制比为~12dB，对应选通波长范围内产生的最大群延时差为18.7ps，色散值为1.52ps/nm。
同样地，图4显示了采用折射率啁啾方式时计算得到的输出端口输出信号光谱与群延时谱，分别由图中实线、点线表示。在该啁啾方式下，反向耦合光谱的中心波长和工作带宽分别为1566.3nm和7nm，旁瓣抑制比为~13dB，对应选通波长范围内产生的最大群延时差为18.8ps，色散值为2.69ps/nm。通过合理地设计螺旋初始弯曲半径及半径变化率并增加螺旋圈数，该色散延时线能够在紧凑的片上空间内进一步增大总延时量与色散值。
综上，本发明提供的螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，可实现对输入光信号的波长选择功能，并使选通带宽内的光具有随波长线性变化的群延时量，相比于常规的直波导光栅辅助反向耦合器具有更紧凑的片上占用，能够在较小的芯片尺寸下提供高色散值，可更好地应用于集成化色散补偿、光缓存、光学真延时网络、微波光子信号产生与处理；同时本发明还具有传输损耗低、偏振特性好、制作简单、可与CMOS工艺兼容、便于实现光电器件混合集成的潜在特性和优点。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (8)

1.一种螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，其特征在于，包括SiO2包层(6)，SiO2包层内部设有水平设置的波导层，所述波导层采用Si材料制备而成，包括四条横向直波导、两条S形弯曲波导、两段螺旋损耗线和一段螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器；其中左侧一条横向宽直波导作为反向耦合器的输入端，横向窄直波导作为反向耦合器的输出端，两端口通过一对S形弯曲波导与反向耦合器连接；其中第一直波导（1-1）左端为色散延时线的输入端口，第二直波导（1-2）左端为色散延时线的输出端口（Outport）；第三直波导(1-3)和第四直波导(1-4)作为前置缓冲区，二者右端分别与螺旋形单侧壁调制波导光栅（3-1）和螺旋条形/锥形波导（3-2）左端连接，第一直波导（1-1）、第二直波导（1-2）分别通过第一S形弯曲波导（2-1）、第二S形弯曲波导（2-2）与第三直波导（1-3）、第四直波导（1-4）相连；第一螺旋损耗线（4-1）和第二螺旋损耗线（4-2）与螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器（5）的透射端连接，用于将透射光辐射进入包层并损耗。
2.根据权利要求1所述的螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，其特征在于，所述螺旋形单侧壁调制波导光栅（3-1）与螺旋条形/锥形波导(3-2)构成具有固定间距的螺旋波导啁啾光栅辅助反向耦合器（5），其中螺旋形单侧壁调制波导光栅（3-1）采用多模波导结构以减小反向耦合器内波导间的同向耦合。
3.根据权利要求1所述的螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，其特征在于，单侧壁调制波导光栅由条形波导在反向耦合器内侧引入周期性矩形光栅齿构成，径向齿宽度经过切趾函数调制。
4.根据权利要求2所述的螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，其特征在于，反向耦合器采用单螺旋构架。
5.根据权利要求3所述的螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，其特征在于，所述螺旋形光栅辅助反向耦合器局部弯曲半径沿螺旋切向线性变化，相邻圈数的耦合区域间隔保持不变且远大于可产生波导间耦合的最大间隔。
6.根据权利要求3或4所述的螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，其特征在于，所述啁啾光栅辅助反向耦合器采用两种不同的啁啾方式：当采用改变光栅周期的方式时，反向耦合器内单侧壁调制光栅和条形波导平均宽度均保持不变，光栅周期沿螺旋切向线性改变；当采用改变波导有效折射率的方式时，反向耦合器窄波导设置为锥形波导，波导宽度沿切向线性改变。
7.根据权利要求6所述的螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，其特征在于，所述啁啾光栅辅助反向耦合器的输入端单侧壁调制光栅波导采用平均宽度大于两倍输出端窄波导平均宽度的多模波导。
8.根据权利要求7所述的螺旋波导光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，其特征在于，所述单侧壁调制波导光栅的光栅齿宽度由高斯切趾函数加权。
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