CN113671630B - 一种基于硅基集成的平面超透镜结构非互易光路由器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种基于硅基集成的平面超透镜结构非互易光路由器。本发明通过对每一路输入波导进行相位设计，使其形成特定的相位差，在平面超透镜中所需方向上进行相长干涉并输出；同时磁光波导带来的非互易移相效应能够使得反向传输信号在不同于输入端口的其他端口进行传输，从而实现了在多端口间同时进行正反向非互易光传输的功能。并且通过透镜聚焦进行端口选择的方法使得端口拓展不再需要器件的级联。最终本发明大大拓展了传输状态，有效避免了因多端口器件级联导致的器件尺寸大等问题。

Description

一种基于硅基集成的平面超透镜结构非互易光路由器
技术领域
本发明属于集成光学领域，具体涉及一种基于硅基集成的平面超透镜结构非互易光路由器。
背景技术
随着信息技术的快速发展，多芯片之间的光互连对传输带宽与效率的要求不断提升。硅基集成的光学路由器具有多端口、高集成度等优点，可以保证信息在所需端口间的准确传输。
在现有的集成光学路由器的研究中，通过马赫曾德尔干涉结构与微环结构的大量级联，可形成多端口的光学路由网络。进一步在每个单元结构内通过电光或热光效应进行相位调制，即可达到切换多端口间通断状态的效果，从而控制信号的传输。然而这样的结构存在一个显著的制约，即该类光路由器是通过增加级联单元器件的个数来拓展端口数的。随着端口数目的增加，所需的单元器件数量将随之急剧增加，从而大大增加了器件尺寸以及调制功耗。除此以外，目前所研制的光路由器均是互易的，即同一时刻下正向与反向传输的连接状态是相同的，若要改变该传输状态，则需要消耗额外的调制功率。
因此现有的集成光路由器急需一种易于拓展、小尺寸的架构，以能够实现多端口正反向的非互易传输、避免因多端口器件级联导致的器件尺寸大等问题。
发明内容
针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种基于硅基集成的平面超透镜结构非互易光路由器，通过相位设计控制透镜聚焦方向以选择端口，通过硅基集成的磁光波导以实现正反向非互易传输，进而实现多端口间的正反向非互易光传输。
一种基于硅基集成的平面超透镜结构非互易光路由器，包括依次连接的：输入硅基集成平板光波导、硅基集成磁光波导阵列、硅基集成相位补偿结构阵列以及输出硅基集成平板光波导。
所述输入硅基集成平板光波导的一端为具有m个端口的输入端，m≥3，另一端与硅基集成磁光波导阵列相连接，将输入的光波分束至各硅基集成磁光波导中。其作为光波波束的分束区域，用作基于硅基集成的平面超透镜的非互易光路由器的输入端。
所述硅基集成磁光波导阵列由n根等间距的硅基集成磁光波导组成，n≥3，一端与正向输入端的输入硅基集成平板光波导相连接，另一端与硅基集成相位补偿结构阵列相连接。用作基于硅基集成的平面超透镜的非互易光路由器的非互易移相部分。
所述硅基集成相位补偿结构阵列由n根等间距的相位补偿单元组成；各相位补偿单元均由两段不同尺寸的硅基集成光波导组成。其一端与n根等间距的硅基集成磁光波导一一对应连接，另一端与输出硅基集成平板光波导相连接。
所述输出硅基集成平板光波导的一端为具有k个端口的输出端，k≥3，另一端与硅基集成相位补偿结构阵列相连，使得由硅基集成相位补偿结构阵列输入的光波自由干涉并聚焦至k个输出端口中的至少一个输出端口，并进行输出。其作为光波波束的聚焦区域，用作基于硅基集成的平面超透镜的非互易光路由器的输出端。
进一步的，所述各相位补偿单元中两段不同尺寸的硅基集成光波导，通过分别设计每段波导的长度和宽度以实现在输入输出端之间的任意多个端口的正反向非互易传输。
进一步的，为了降低器件的本征损耗，还需要优化整体器件中的折射率突变结构以减小光散射损耗以及进一步提高磁光材料的优值。
上述基于硅基集成的平面超透镜结构非互易光路由器工作时：
在正向传输方向上，光波通过输入硅基集成平板光波导结构，被分束成n路进入硅基集成磁光波导阵列中，其中每一路光束已在输入硅基集成平板光波导中产生了相应的相位差。当光束通过硅基集成磁光波导阵列后，每一束光路进一步产生了正向的非互易相移，并进入硅基集成相位补偿结构阵列。在硅基集成相位补偿结构阵列中，对应每一路光束的相位得到相应的补偿，使得在整个硅基集成相位补偿结构阵列中的光束形成一个具有稳定相位差的光束阵列，并最终进入到正向输出端的输出硅基集成平板光波导中。由于稳定的相位差，这些光束最终在特定的方位上发生相长干涉，使得光波能量在该处发生聚焦，从而进入该处所对应的输出端口。
对于反向输入光，光波将经历与正向相同的传输状态，而由于硅基集成磁光波导带来的非互易移相效应，使得反向传输光在硅基集成磁光波导阵列中产生与正向不同的移相，从而改变了当光束阵列输入到正向输入端的输入硅基集成平板光波导时的相位差，导致反向传输光将在与正向输入端口不同的方位处发生干涉聚焦，反向输出光从而能够进入与原正向输入端口不同的端口，由此实现了非互易的端口间传输，且能够通过各相位补偿单元的两段硅基集成光波导的长宽尺寸设计实现在输入输出端之间的任意多个端口的正反向非互易传输。
本发明利用硅基集成的平面超透镜结构与硅基集成磁光波导构建新的非互易光路由器，以打破单元器件级联的光路由网络构建方法，并实现正反向非互易传输，大大提高光路由器的连接自由度。其原理是通过对每一路输入波导进行相位设计，使其形成特定的相位差，在平面超透镜的所需传播方向上进行相长干涉并输出。同时磁光波导带来的非互易移相效应能够使得反向传输信号在不同于输入端口的其他端口进行传输，从而实现了在多端口间同时进行收发的多工功能，大大拓展了传输状态，提高了信号传输效率。并且通过透镜聚焦进行端口选择的方法使得端口拓展不再需要器件的级联，有效避免了因多端口器件级联导致的器件尺寸大等问题。
综上所述，本发明实现了在多端口间进行实时收发的多工功能，大大拓展了传输状态，提高了信号传输效率，有效避免了因多端口器件级联导致的器件尺寸大等问题。并提供了进一步进行相位设计以改变传输状态的更优的方案，对降低器件整体损耗，提高传输效率等具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为实施例的硅基集成磁光波导截面TM0模式的y方向电场分量分布图；
图3为实施例的硅基集成相位补偿结构示意图及其相位补偿设计；
图4为实施例的一种传输状态的光场仿真示意图。
附图标记：1-输入端，2-输入硅基集成平板光波导，3-硅基集成磁光波导阵列，4-硅基集成相位补偿结构阵列，5-输出硅基集成平板光波导，6-输出端。
具体实施方式
如背景技术部分中所述，由于常规的集成光路由器中某一端口对之间的传输在同一时刻下是互易的，输出信号与输入信号的路径一致，无法实现多端口间的正反向非互易传输，传输效率无法进一步提高。同时，该类器件是通过级联单元器件来拓展端口数的，随着端口数目的增加，所需的单元器件数量将随之急剧增加，从而大大增加了器件尺寸以及调制功耗。
本发明提出的基于硅基集成的平面超透镜结构非互易光路由器，可以实现多工的工作状态，提高传输效率，同时打破单元器件级联的光路由网络构建方法，避免因器件级联导致的器件尺寸大等问题。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：利用硅基集成的平面超透镜结构与硅基集成磁光波导构建新的非互易光路由器，通过对每一路输入波导进行相位调控，使其形成特定的相位差，在所需端口进行相长干涉并输出。同时磁光波导带来的非互易移相效应能够使得反向传输信号在不同于原输入端口的其他端口进行传输，从而实现了在多端口间同时进行收发的多工功能。本发明中所采用的硅基集成磁光波导、硅基集成平板波导以及硅基集成相位补偿结构由光刻刻蚀加工硅基光波导结构以及沉积磁光材料制备而得。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步阐述。
一种基于硅基集成的平面超透镜的非互易光路由器的制备方法如下：
步骤1、光刻及刻蚀半导体(硅、氮化硅、氧化硅材料)基板，获得集成光波导及平板波导结构和相位补偿结构。
步骤2、通过溅射等方法生长一层低折射率包层将整个器件包覆。并作为沉积磁光材料的阻挡层(氧化硅材料)。
步骤3、在设计的磁光波导上表面位置通过二次光刻刻蚀得到沉积磁光材料的窗口，窗口宽度大于光波导宽度。在水平垂直于磁光波导的外加强磁场下，磁光材料可以使波导中的TM偏振模式产生非互易移相。
步骤4、在窗口处生长、转移或键合(包含但不限于脉冲激光沉积技术、晶圆键合技术和转移打印技术)磁光材料(包含但不限于铈元素掺杂的钇铁石榴石)。
本实施例的基于硅基集成的平面超透镜的非互易光路由器的结构如图1所示，其中在正向输入端口处与正向输出端口处分别集成了硅基集成平板光波导。硅基集成磁光波导阵列与硅基集成相位补偿结构阵列相连接，同时硅基集成磁光波导的一端与正向输入端口的输入硅基集成平板光波导相连，硅基集成相位补偿结构阵列的一端与正向输出端口的输出硅基集成平板光波导相连。
本实施例的硅基集成磁光波导截面TM0模式的y方向电场分量分布如图2所示。波导芯层为半导体材料(硅、氮化硅、氧化硅材料)。本实施例中：作为硅波导而言，其厚度为220nm，宽度为500nm，外部由氧化硅(SiO2)作为低折射率包层，上包层的钇铁石榴石(YIG)和铈掺杂的钇铁石榴石(Ce:YIG)的厚度分别为50nm和100nm。
本实施例的硅基集成相位补偿结构单元示意及其相位补偿设计如图3所示：结构的总长度固定为10μm，宽波导的宽度为1μm，窄波导的宽度为500nm。当窄波导的长度由0至10μm变化时，该结构所能提供的相位补偿能够超过2π的相位范围。
本实施例的基于硅基集成的平面超透镜的非互易光路由器的一种传输状态的光场仿真示意图如图4所示。在正反向的传输过程中，光波被聚焦到了不同的端口，实现了非互易的端口间传播。其中在1550nm波长处正向的聚焦损耗约为1dB，反向的聚焦损耗约为1.3dB。
至此，实施例模拟计算了本发明基于硅基集成的平面超透镜的非互易光路由器，并在1550nm波长处达到了1dB的正向聚焦的本征损耗与1.3dB的反向聚焦的本征损耗，实现了不同端口间的非互易光学路由。
综上可见，本发明通过对每一路输入波导进行相位设计，使其形成特定的相位差，在平面超透镜中所需方向上进行相长干涉并输出；同时磁光波导带来的非互易移相效应能够使得反向传输信号在不同于输入端口的其他端口进行传输，从而实现了在多端口间同时进行正反向非互易光传输的功能。并且通过透镜聚焦进行端口选择的方法使得端口拓展不再需要器件的级联。最终本发明大大拓展了传输状态，有效避免了因多端口器件级联导致的器件尺寸大等问题。

Claims (3)

1.一种基于硅基集成的平面超透镜结构非互易光路由器，其特征在于：
包括依次连接的：输入硅基集成平板光波导、硅基集成磁光波导阵列、硅基集成相位补偿结构阵列以及输出硅基集成平板光波导；
所述输入硅基集成平板光波导的一端为具有m个端口的输入端，m≥3，另一端与硅基集成磁光波导阵列相连接，将输入的光波分束至各硅基集成磁光波导中；其作为光波波束的分束区域，用作基于硅基集成的平面超透镜的非互易光路由器的输入端；
所述硅基集成磁光波导阵列由n根等间距的硅基集成磁光波导组成，n≥3，一端与正向输入端的输入硅基集成平板光波导相连接，另一端与硅基集成相位补偿结构阵列相连接，用作基于硅基集成的平面超透镜的非互易光路由器的非互易移相部分；
所述硅基集成相位补偿结构阵列由n根等间距的相位补偿单元组成，各相位补偿单元均由两段不同尺寸的硅基集成光波导组成；其一端与n根等间距硅基集成磁光波导一一对应连接，另一端与输出硅基集成平板光波导相连接；
所述输出硅基集成平板光波导的一端为具有k个端口的输出端，k≥3，另一端与硅基集成相位补偿结构阵列相连，使得由硅基集成相位补偿结构阵列输入的光波自由干涉并聚焦至k个输出端口中的至少一个输出端口，并进行输出；输出硅基集成平板光波导作为光波波束的聚焦区域，用作基于硅基集成的平面超透镜的非互易光路由器的输出端。
2.如权利要求1所述基于硅基集成的平面超透镜结构非互易光路由器，其特征在于：所述各相位补偿单元中两段不同尺寸的硅基集成光波导，通过设计每段波导的长度和宽度分别以实现在输入输出端之间的任意多个端口的正反向非互易传输。
3.如权利要求1所述基于硅基集成的平面超透镜结构非互易光路由器，其特征在于：
工作时：
在正向传输方向上，光波通过输入硅基集成平板光波导结构，被分束成n路进入硅基集成磁光波导阵列中，其中每一路光束已在输入硅基集成平板光波导中产生了相应的相位差；当光束通过硅基集成磁光波导阵列后，每一束光路进一步产生了正向的非互易相移，并进入硅基集成相位补偿结构阵列；在硅基集成相位补偿结构阵列中，对应每一路光束的相位得到相应的补偿，使得在整个硅基集成相位补偿结构阵列中的光束形成一个具有稳定相位差的光束阵列，并最终进入到正向输出端的输出硅基集成平板光波导中；由于稳定的相位差，这些光束最终在特定的方位上发生相长干涉，使得光波能量在该处发生聚焦，从而进入该处所对应的输出端口；
对于反向输入光，光波将经历与正向相同的传输状态，而由于硅基集成磁光波导带来的非互易移相效应，使得反向传输光在硅基集成磁光波导阵列中产生与正向不同的移相，从而改变了当光束阵列输入到正向输入端的输入硅基集成平板光波导时的相位差，导致反向传输光将在与正向输入端口不同的方位处发生干涉聚焦，反向输出光从而能够进入与原正向输入端口不同的端口，由此实现了非互易的端口间传输。
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