CN113625395A - 一种级联式啁啾光栅辅助反向耦合器型光色散延时线 - Google Patents
一种级联式啁啾光栅辅助反向耦合器型光色散延时线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种级联式啁啾光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，包括基于SOI材料制备的直波导、弯曲波导和多个交错级联的啁啾光栅辅助反向耦合器；所述啁啾光栅辅助反向耦合器由单侧壁调制波导光栅和锥形波导构成反向耦合区，所述单侧壁调制波导光栅在邻近锥形波导一侧具有周期性矩形光栅尺，所述锥形波导宽度沿波导长度方向线性改变；相邻啁啾光栅辅助反向耦合器由直波导和弯曲波导连接。本发明可以实现对输入光信号的滤波作用，并使选通波长范围内的光具有随波长线性变化的群延时量，能够在紧凑的芯片尺寸下提供高色散值，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种延时线，具体涉及一种级联式啁啾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，对信息传输效率及准确性的要求越来越高，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具备高集成度、低损耗特性受到学者们的普遍关注。
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，难以在实际系统中实用；单波导布拉格啁啾光栅采用螺旋形片上布局，能够在很小的器件尺寸内实现较大的群延时范围和高色散值，然而这种反射型色散延时线需要采用独立的环形器或设计片上Y分支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，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，提供一种级联式啁啾光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，该技术方案为光通信系统提供了集成化色散补偿模块，比现有的二端口器件具有更大的色散值、更合理的器件长宽比以及更高的设计灵活性；也适于作为大延时量光缓存器、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：一种级联式啁啾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，包括多条横向直波导、多条半环形波导和至少两段啁啾光栅辅助反向耦合器；其中左侧上方一条横向直波导作为整个结构的输入端，左侧下方一条横向直波导作为整个结构的输出端，啁啾光栅辅助反向耦合器自上而下级数逐渐增加，其中最上方第一级啁啾光栅辅助反向耦合器与输入端连接，最下方末级啁啾光栅辅助反向耦合器与输出端连接；所述啁啾光栅辅助反向耦合器由单侧壁调制波导光栅和锥形波导构成反向耦合区，其中单侧壁调制波导光栅由直波导在邻近锥形波导一侧引入周期性矩形光栅齿构成，纵向齿宽度经过切趾函数调制，横向光栅周期保持不变，锥形波导宽度沿波导长度方向线性改变；每一段啁啾光栅辅助反向耦合器的左侧与两段横向短直波导连接作为该部分的输入、输出端，两端口具有不同的波导宽度，右侧连接两段直波导作为透射端，所述半环形波导用于结构间的连接。当输入光信号的波长满足反向耦合条件时，将经过各段啁啾光栅辅助反向耦合器的输入端反向耦合至输出端，并最终由左侧下方的输出端口输出；由于啁啾光栅辅助反向耦合器在所述反向耦合区的不同位置具有不同的反向耦合波长，且该波长沿横向自左至右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从右侧透射端输出。
作为本发明的一种优选技术方案：至少两段所述啁啾光栅辅助反向耦合器采用级联的方式相连，通过增加级联的数量，以优化整体结构的长宽比，减小芯片尺寸，提高输出光谱的旁瓣抑制比，便于获取更大的片上总群延时量和色散值。
作为本发明的一种优选技术方案：所述相邻啁啾光栅辅助反向耦合器采用交错连接的方式，即二者具有相反的输入、输出端口，结构上下颠倒，使具有相同波导宽度的端口相互连接，无需使用渐变锥形波导来匹配不同的波导宽度，从而减小了片上损耗。
作为本发明的一种优选技术方案：所述整体结构的输入端与第一级啁啾光栅辅助反向耦合器中的锥形波导相连，以抑制因周期性光栅引起的单根波导内部的反射光强，增大整体结构的自由光谱范围。
作为本发明的一种优选技术方案：所述啁啾光栅辅助反向耦合器中的锥形波导左、右两端的宽度均小于单侧壁调制波导光栅的平均波导宽度，以降低两波导间的同向耦合效率，抑制由此产生的谐振效应，从而减小反向耦合光功率损失。
作为本发明的一种优选技术方案：所述单侧壁调制波导光栅与锥形波导间的波导间距保持不变，并设置为约窄波导宽度的一半，利用大波导间距进一步抑制波导间的同向耦合。
作为本发明的一种优选技术方案：所述单侧壁调制波导光栅的纵向光栅齿宽度在反向耦合区左侧部分区域内由正弦切趾函数加权，其余光栅齿宽度固定为切趾区域的最大齿宽，以提高输出光谱的旁瓣抑制比，减小群延时抖动。
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级联式啁啾光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，通过交错级联多段啁啾光栅辅助反向耦合器优化了长波导延时线的片上长宽比，借助于部分切趾技术减小群延时抖动，抑制输出光谱旁瓣，在紧凑的器件尺寸下实现大色散值、高线性度的光色散延时功能；2)本发明无需采用独立的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，通过适当增加级联级数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等应用领域对于集成化大色散值芯片的需要；3）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为本发明采用不同级联级数时输出端口输出信号光谱。
图4为本发明采用不同级联级数时输出端口输出信号群延时谱。
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，如图1和图2所示，本发明设计了一种基于SOI材料制备的级联式啁啾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，图1、2显示了采用三级啁啾光栅辅助反向耦合器交错级联的情况，需要注意的是，级联级数可以随着实际芯片尺寸和所需色散值大小进行调整。所述三级级联情况下的波导层包括第一直波导至第十四直波导1-1至1-14、第一半环形波导4-1、第二半环形波导4-2、第一级啁啾光栅辅助反向耦合器5-1、第二级啁啾光栅辅助反向耦合器5-2、第三级啁啾光栅辅助反向耦合器5-3。第一直波导1-1和第二直波导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、第六直波导1-6、第七直波导1-7分别与第一锥形波导2-1、第二锥形波导2-2、第三锥形波导2-3的左端连接，第四直波导1-4、第五直波导1-5、第八直波导1-8分别与第一级单侧壁调制波导光栅3-1、第二级单侧壁调制波导光栅3-2、第三级单侧壁调制波导光栅3-3左端连接，第四、第五和第八直波导1-4、1-5、1-8的宽度相同且与第一级、第二级和第三级单侧壁调制波导光栅3-1、3-2、3-3平均宽度相同，第三至第八直波导1-3至1-8作为第一级至第三级啁啾光栅辅助反向耦合器5-1至5-3左侧输入端之前和输出端之后的缓冲区；第九直波导至第十四直波导1-9至1-14与第一级至第三级啁啾光栅辅助反向耦合器5-1至5-3右端相连，作为透射端。所述第一锥形波导2-1、第二锥形波导2-2、第三锥形波导2-3分别和第一级单侧壁调制波导光栅3-1、第二级单侧壁调制波导光栅3-2、第三级单侧壁调制波导光栅3-3构成具有固定间距的第一级啁啾光删辅助反向耦合器5-1、第二级啁啾光删辅助反向耦合器5-2和第三级啁啾光删辅助反向耦合器5-3，其中第一、第三级啁啾光删辅助反向耦合器5-1、5-3的上侧为锥形波导，下侧为单侧壁调制波导光栅，第二级啁啾光删辅助反向耦合器5-2则相反，形成交错级联构架,所述第一半环形波导4-1和第二半环形波导4-2用于连接相邻啁啾光栅辅助反向耦合器。
本发明提供色散延时功能的原理是：当入射进反向耦合区中的光波长满足局部布拉格条件
时，该波长的光可以由啁啾光栅辅助反向耦合器的输入波导耦合进输出波导，且输出信号传输方向与入射方向相反。其中，λ为入射光波长，Λ为光栅周期，neff1为单侧壁调制波导光栅在一个光栅周期内的平均有效折射率，neff2(z)为锥形波导的局部有效折射率，z代表以反向耦合区左端为原点，反向耦合区内任一位置处的水平方向位置坐标。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，而锥形波导宽度自左至右线性增大或减小，锥形波导的芯区有效折射率也相应地自左至右线性增加或减小，从而使反向耦合光波长沿啁啾光栅辅助反向耦合器的水平方向线性变化，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。在三级级联的情况下，波长满足局部布拉格条件的入射光从Inport进入直波导，依次经过第一级、第二级和第三级啁啾光栅辅助反向耦合器5-1、5-2和5-3，由作为各级反向耦合器输入波导的第一锥形波导2-1、第二级单侧壁调制波导光栅3-2、第三锥形波导2-3分别反向耦合至作为输出波导的第一级单侧壁调制波导光栅3-1、第二锥形波导2-2、第三级单侧壁调制波导光栅3-3，最后从端口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。波长因前期设计和制造误差而不满足局部布拉格条件的光将由作为透射端的第九至第十四直波导1-9至1-14输出。
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宽度为500nm；各级啁啾光栅辅助反向耦合器中锥形波导2宽度由左向右从460nm线性增加到500nm，单侧壁调制波导光栅3平均波导宽度为580nm，与锥形波导的间距为248nm，光栅横向周期、纵向最大齿宽度分别为308nm、104nm，周期数为1500，切趾区域占整个反向耦合器长度的1/3；用于连接的半环形波导4弯曲半径为20nm；级联级数分别取一、二、三级进行仿真对比。
图3显示了采用不同级联级数时计算得到输出端口输出信号的光谱响应，其中粗实线、细实线和虚线分别为一级、二级、三级级联情况下Outport的输出谱线。可以看出，在三种级联级数下，反向耦合光谱的中心波长和工作带宽基本保持不变，为1554.5nm和14nm，而随着级联次数的增加，经过各级啁啾光栅辅助反向耦合器多次滤波，输出信号的旁瓣抑制比逐渐增大，分别为6dB、11dB和39dB。由于本发明的第一级光栅辅助反向耦合器以锥形波导作为光信号输入端，输入波导两侧壁上均未引入周期性光栅，因而能够很好地抑制输入波导内可能存在的自反射光强，使作为第一级啁啾光栅辅助反向耦合器5-1上侧透射端的第九直波导1-9（三级级联情况下）输出的透射光谱具有较大的自由光谱范围，因而本发明还具有在波分复用系统中的应用潜力。
图4显示了本发明的功效，其中粗实线、细实线和虚线分别为一级、二级、三级级联情况下Outport端输出光信号的群延时谱线，对应选通波长范围内产生的最大群延时差分别为9ps、17.3ps、25.5ps，色散值分别为0.75ps/nm、1.44ps/nm、2.13ps/nm，基本与级联级数成比例增加。可以看出，在相同的器件长度下，级联式啁啾光栅辅助反向耦合器相比单级啁啾光栅辅助反向耦合器可以实现更大的色散值；同理，为了达到某一特定的色散值，采用级联的方式将有效缩减所需器件的长度，通过合理地设计该色散延时线的级联级数和各级啁啾光栅辅助反向耦合器的长度，能够起到优化结构长宽比，从而减小器件尺寸的作用。
综上，本发明提供的级联式啁啾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滤波作用，并使选通波长范围内的光具有随波长线性变化的群延时量，比常规的单级光栅辅助反向耦合器具有更高的旁瓣抑制比和优化的器件长宽比，能够在紧凑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；由于器件具有抑制自反射光的能力，使第一级啁啾光栅辅助反向耦合器具有较大的自由光谱范围，该器件还可拓展应用到波分复用通信系统中；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 (9)
1.一种级联式啁啾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，包括多条横向直波导、多条半环形波导和至少两段啁啾光栅辅助反向耦合器；其中左侧上方一条横向直波导作为整个结构的输入端，左侧下方一条横向直波导作为整个结构的输出端，啁啾光栅辅助反向耦合器自上而下级数逐渐增加，其中最上方为第一级啁啾光栅辅助反向耦合器，该反向耦合器与输入端连接，最下方为末级啁啾光栅辅助反向耦合器，该反向耦合器与输出端连接。
2.根据权利要求1所述的级联式啁啾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由单侧壁调制波导光栅和锥形波导构成反向耦合区，其中单侧壁调制波导光栅由直波导在邻近锥形波导一侧引入周期性矩形光栅齿构成，纵向齿宽度经过切趾函数调制，横向光栅周期保持不变，锥形波导宽度沿波导长度方向线性改变；每一段啁啾光栅辅助反向耦合器的左侧与两段横向短直波导连接作为该部分的输入、输出端，两端口具有不同的波导宽度，右侧连接两段直波导作为透射端，所述半环形波导用于结构间的连接。
3.根据权利要求2所述的级联式啁啾光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，其特征在于，采用至少两段啁啾光栅辅助反向耦合器，各啁啾光栅辅助反向耦合器之间采用交错级联的方式，由弯曲半径相同、波导宽度不同的半环形波导连接，通过增加用于级联的啁啾光栅辅助反向耦合器的数量，以优化整体结构的长宽比。
4.根据权利要求2所述的级联式啁啾光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，其特征在于，相邻啁啾光栅辅助反向耦合器采用交错连接的方式，二者具有相反的输入、输出端口，结构上下颠倒。
5.根据权利要求1所述的级联式啁啾光栅辅助反向耦合器型光色散延时线，其特征在于，整体结构的输入端与第一级啁啾光栅辅助反向耦合器中的锥形波导相连。
6.根据权利要求2所述的级联式啁啾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中的单侧壁调制波导光栅平均波导宽度在反向耦合区内保持不变。
7.根据权利要求2所述的级联式啁啾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中的锥形波导宽度沿横向自左至右线性变化，变化趋势决定色散值的正负性，锥形波导左、右两端的宽度均小于单侧壁调制波导光栅的平均波导宽度。
8.根据权利要求2所述的级联式啁啾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与锥形波导间的波导间距保持不变，并设置为约窄波导宽度的一半，利用大波导间距进一步抑制波导间的同向耦合。
9.根据权利要求2所述的级联式啁啾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的纵向光栅齿宽度在反向耦合区左侧部分区域内由正弦切趾函数加权，其余光栅齿宽度固定为切趾区域的最大齿宽。
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| CN202110921712.7A CN113625395A (zh) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | 一种级联式啁啾光栅辅助反向耦合器型光色散延时线 |
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