CN113904726A - 一种大时延差色散波导结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波分‑时延阵列‑反射型大时延差色散波导结构，包括波分复用单元、时延阵列、反射级三个部分。其波分复用单元可基于阵列波导光栅结构实现，用于将多波长复用信号解复用到分波端；色散延迟阵列基于波导总线延迟单元构成延迟网络实现大波长范围内的低抖动、大色散；最后的反射级用于将所有波长进行反射。针对大延迟需求，这里延迟单元利用波导总线的S‑螺旋结构实现紧凑的大延迟单元，并且利用色散单元之间的级联实现高色散斜率色散。相比基于FBG的色散结构，本结构制备工艺更为简单，更容易实现宽谱范围内低时延抖动。综上，本发明提供了一种具有宽谱、高色散/大时延差、工艺简单、抖动小的特点的色散波导芯片结构。

Description

一种大时延差色散波导结构
技术领域
本发明涉及光信号时延控制技术领域，尤其涉及光通信技术及微波光子学等技术领域。
背景技术
色散延迟结构在色散控制/补偿、传感、通信、光信号处理、及相控阵天线、波束成形等微波光子技术领域具有广泛的应用。为了满足大范围高精度相位/延迟调节等的需求，色散延迟结构需要有大的群时延差、大带宽、低插损、良好的带内平坦度以及低的时延抖动等特性。
到目前为止色散延迟结构的实现方案多基于分立器件构建成系统来完成。一种典型的结构为采用布拉格光纤光栅来实现，如均匀光纤光栅、啁啾光纤光栅、切趾光纤光栅、超结构光纤光栅等；另一种典型的结构为采用分波加色散阵列的结构，如利用星型耦合器和周期分布的离散布拉格光栅或啁啾光栅构成的延迟单元,或利用光开关和不同长度色散单元来实现可编程色散矩阵；为了增大色散时延差，人们采用具有高色散斜率的高色散光纤如光子晶体光纤或色散补偿光纤作为色散传输介质，一些方案中还提出利用高非线性光纤中的SPM非线性效应等实现频谱展宽，以进一步增大传输时延差。
相比分立器件的系统级实现方案，基于片上波导结构实现色散延迟的方案具有结构紧凑、性能稳定、易于集成等优点，但是设计和工艺实现尚不成熟，性能指标不容易达到系统级方案的指标，相关技术有待进一步深入研究。
片上光色散波导结构的最大长度和延迟受限于波导损耗，损耗和最大延迟差之间的相互矛盾，是最大群时延差的一个重要的限制因素；带宽亦受限于波导长度；同时对于具有高精度工艺要求的片上色散延迟结构，其损耗、延迟及延迟抖动等特性还会受到工艺过程精度和随机相位噪声等的明显影响。
关于时延结构的设计，已有环形谐振腔、布拉格光栅、带切换光开关的级联光路等结构，通过增加时延距离实现大时延差。这些方案中布拉格光栅结构需对波导尺寸、界面光滑性和光栅位置与折射率变化等参数进行精细控制，环形谐振腔通常只能实现较小的时延和较低的谱宽，光开关切换光路需要若干光开关引入了串扰。此外，这些结构由于损耗正比于所经过的路径长度，宽谱高色散要求的情况下高的带内平坦度要求意味着要有很低的插损，实现更为困难。要实现宽谱、大色散、低抖动、高平坦度的色散波导，现有的结构方案尚不能满足需求。
发明内容
技术问题：本发明要解决的技术问题，要达到的目标。
发明目的：为了满足光信号处理、微波光子技术等领域对宽谱、大色散、低抖动型片上色散波导的需求，本发明提供了一种大时延色散波导结构，其具有低时延抖动的特点，同时可以在宽谱高色散的情况下实现高的带内平坦度、较好的稳定性，并且易于制备、对波导工艺的要求相对较低。
技术方案：本发明完整的技术手段和方法。
本发明的一种大时延差色散波导结构，包括波分复用单元，时延阵列以及反射级；波分复用单元将入射的多波长复用信号解复用到分波端，并与时延阵列相连；时延阵列将分波端不同端口的信号进行不同的延迟；反射级在时延阵列波导的末端将各波导分路的光反射回入射端。
进一步的，时延阵列包括多个级联的单入双出单元，单入双出单元的结构是将多条波导并行走线产生时延，并在每个单入双出单元分路出其中边缘的一条时延波导经过时延校正后接入反射级，其余多条波导并行级联至下一级单入双出单元。
进一步的，时延阵列包括多个级联的多通道单入双出单元，多通道单入双出单元的结构是将多组波导并行走线产生时延，并在每组单入双出单元分路出其中一组时延波导经过时延校正后接入反射级，其余并行多组波导级联至下一级多通道单入双出单元。
进一步的，时延阵列结构包括单入双出单元、双入三出单元和多个级联的单入三出单元；波分复用单元产生两簇波导，两簇波导其中的一簇波导接入单入双出单元，并行走线产生时延后分路出一条波导经过时延校正后接入反射级，单入双出单元的其余波导接入双入三出单元；另一簇波导直接分路出一条波导经过时延校正后接入反射级，另一簇波导的其余波导接入双入三出单元，双入三出单元是将多条波导并行走线产生时延，之后分路出两边缘的两条波导，两条波导经过时延校正后分别接入反射级，其余波导进入单入三出单元；每个单入三出单元的结构是将多条波导并行走线产生时延，之后分路出两边缘的两条波导，两条波导经过时延校正后分别接入反射级，其余波导进入下一级单入三出单元。
进一步的，时延阵列结构包括多通道单入双出单元、多通道双入三出单元和多个级联的多通道双入三出单元。
波分复用单元产生两簇波导，两簇波导其中的一簇波导接入多通道单入双出单元，并行走线时延后分路出一组波导经过时延校正后接入反射级，多通道单入双出单元的其余波导接入多通道双入三出单元；另一簇波导直接分路出一组波导经过时延校正后接入反射级，另一簇波导的其余波导接入多通道双入三出单元，多通道双入三出单元是将多组波导并行走线产生时延，之后分路出两组波导，两组波导经过时延校正后分别接入反射级，其余波导进入多通道单入三出单元；每个多通道单入三出单元的结构是将多组波导并行走线产生时延，之后分路出两组波导，两组波导经过时延校正后分别接入反射级，其余波导进入下一级多通道单入三出单元
进一步的，并行走线产生时延是指波导的中间段绕成“S”形结构，外围波导以螺旋结构围绕该“S”形结构。
进一步的，所述并行波导走线方式是指波导的中间段以满足弯曲损耗要求的最小波导弯曲半径，外围波导以螺旋结构围绕该“S”形结构。
进一步的，反射级采用高反射端面。
进一步的，对不同长度分组的时延波导，反射级采用不同反射率的高反射端面，延迟较短的分组反射率相对较低，延迟较长的分组反射率相对较高。
进一步的，所述采用反射级采用布拉格光栅结构，对于不同的波长采用不同的栅距。
进一步的，波分复用单元采用阵列波导光栅实现。
进一步的，所述波分复用单元和时延阵列中，波导层采用氮化硅波导或SOS波导实现。
有益效果：和现有技术相比，本发明具有如下显著性特点：
(1)低抖动：通过分别对时延波导进行精细优化，实现低时延抖动的时延结构。
(2)工艺简单：通过波导长度来控制时延，相比布拉格光栅反射型结构，不需要精细控制波导折射率的周期性变化、降低了对波导界面进行精细控制的要求，有效降低了工艺的复杂性和工艺精度要求。
(3)通过引入了反射级，将现有的波分-时延阵列-波分的结构所需的芯片面积减小为一半，且去除了波分-时延阵列-波分对称结构对两端波分单元一致性和对称性的要求，简化了芯片设计、提升了芯片性能的一致性和工作稳定性。
(4)利用S-螺旋单元结构级联结构，进一步减小延迟阵列部分所占的面积，实现了大延迟差紧凑结构。
(5)通过对反射级不同时延波导终端反射率的分别控制，可以实现在宽谱大色散情况下仍然保持良好的带内平坦度。
附图说明
图1是本发明的色散波导总体结构示意图。
图2是单入双出单元级联型色散波导结构示意图。
图3是带双入三出单元的级联色散波导结构示意图。
图4是多通道单入双出复合级联型色散波导结构示意图。
图5是多通道带双入三出单元的复合级联型色散波导结构示意图。
图6是不同类型延迟单元结构示意图。
图6(a)是S-螺旋结构示意图。
图6(b)是波导总线结构示意图。
图6(c)是单入双出S-螺旋单元结构示意图。
图6(d)是双入三出S-螺旋单元结构示意图。
图6(e)是单入三出S-螺旋单元结构示意图。
具体实施方式
一种大时延差色散波导结构，如图1所示，采用波分-时延阵列-反射的三级结构，包括波分复用单元1，时延阵列2以及反射级3；波分复用单元1将入射的多波长复用信号解复用到分波端，并与时延阵列2相连；时延阵列2将分波端不同端口的信号进行不同的延迟；反射级3在时延阵列2波导的末端将各波导分路的光反射回入射端。
本发明中波分复用单元1的一个实施方案为基于阵列波导光栅结构(AWG)实现。
色散时延阵列2基于波导总线时延阵列构成时延网络，实现大波长范围内的低抖动、大色散，采用低损耗波导材料结构实现低损耗，通过调控光路走线方案实现大时延间隔的阵列。
如图2所示，AWG输出端的m路波导并行走线构成波导总线，进入时延阵列2，时延阵列2包括多个级联的单入双出单元，构成单入双出级联结构；各级单元结构参数用(*,*)表示，如(m,τ)表示该单元接入波导的数目为m，该单元波导总线的时延量为τ，在单入双出单元中将多条波导构成波导总线产生相等的时延，并在每个单入双出单元分路出边缘的一条波导经过时延校正后接入反射级3，其余波导级联至下一级单元结构；AWG输出的m路波导进入时延阵列2后，第一个单元首先直接分路出一条波导接入反射级3，其余波导进入下一级单入双出单元，这个单元的结构参数即为(m,0)；后面每个单元时延为τ，结构参数分别记为(m-1,τ)、(m-2,τ)、……、(1,τ)；通过这样m级单入双出单元的级联，可实现总时延差为2(m-1)τ的色散波导。
相比小的时延，要在小尺寸芯片范围内实现大的时延更加难于实现，针对这一问题，本发明通过波导总线的S-螺旋结构实现紧凑的大延迟单元，如图6所示，并且利用色散单元之间的级联实现高色散斜率色散。如图6(a)是S-螺旋结构图，其由波导总线盘绕而成，中间部位的波导总线绕成“S”形结构，为满足损耗限制，该S波导的最小弯曲半径应满足最大弯曲损耗要求，外围波导再以螺旋结构盘绕，构成S-螺旋结构；图6(b)是波导总线的局部放大结构示意图，对应于图6(c)中所示局部放大部位；图6(c)所示为一单入双出S-螺旋单元结构示意图，其最外侧波导在最外圈与其余波导分开，形成“双出”结构。
如图4所示为多通道单入双出复合级联型结构。光波首先通过AWG产生m组波导，每组对应的波导数为nm，时延阵列2包括多个级联的多通道单入双出单元；这里各多通道单入双出单元的结构参数用(*,*)表示，例如多通道单入双出单元结构为(mi,τi)，表示该单元的接入的波导组数为mi，该单元将多组波导并行走线产生相等的大时延，波导的时延量为τi，多通道单入双出单元引出两端输出，一端为单组波导输出，另一端为其余组波导输出，其中单组波导经过最大时延为τi的时延校正后接入反射级3，其余组波导级联至下一多通道单入双出单元；AWG输出的m组波导进入时延阵列2后，首先直接分路出一组波导经时延校正后接入反射级3，因此第一个单元的结构参数为(m,0)，其余波导进入下一个多通道单入双出单元，后面各多通道单入双出单元的时延分别用τ1、τ2、……、τm-1来表示，最后一级为单入单出单元，通过这样m个单元的级联，可实现总时延差为2∑τi的色散波导。
如图3所示为带双入三出单元的级联结构示意图。光波首先通过AWG产生两簇m/2路的波导，其中一簇接入结构参数为(m/2,mτ/2)的单入双出单元之后分路出一条波导经过时延校正后接入反射级3，另一簇波导直接分路出一条波导经过时延校正后接入反射级3，这两簇波导中的其余波导构成的两条波导总线分别接入参数为(m-2,τ)的双入三出单元的两个输入端；双入三出单元分出两根边缘波导经过时延校正后从两侧分别接入反射级3，其余波导组成的波导总线接入参数为(m-4,τ)的单入三出单元；之后每个单入三出单元分路出两条边缘波导、经时延校正后分别接入反射级3，其余波导组成的波导总线接入下一级单入三出单元，直至最后一个单元只有两路输出为止；通过这样m/2+1个单元的级联，即可得到时延梯度为2τ，总时延差为2(m-1)τ的色散波导。
如图6(d)和图6(e)所示为双入三出和单入三出的S-螺旋单元结构示意图，其将由两个(双入)或单个(单入)波导总线输入的多条波导并行走线产生时延，S-螺旋结构是指波将导的中间段以满足弯曲损耗要求的最小波导弯曲半径绕成“S”形结构，外围波导以螺旋结构围绕该“S”形结构；在输出端双入三出和单入三出单元将位于两侧边缘的两个波导分路出来、经过时延校正后分别接入反射级3，其余波导组成的波导总线进入下一级单/双入三出单元，形成三路输出。
如图5所示为多通道带双入三出单元的复合级联型色散波导结构示意图。光波首先通过AWG产生两簇波导，每簇波导分别包括m/2组波导，其中一簇接入结构参数为(m/2,τ)的多通道单入双出单元之后分路出一组波导经过最大时延为τi'的时延校正后接入反射级3，其余组波导接入结构参数为(m-2,τ1)的多通道双入三出单元的一个输入端；另一簇波导直接分路出一组波导经过最大时延为τi'的时延校正后接入反射级3，其余组波导接入同一多通道双入三出单元的另一个输入端；多通道双入三出单元的边缘两组波导经过时延校正后直接接入反射级3，其余波导组构成的波导总线连入下一个多通道单入三出单元的输入端；之后经若干个多通道单入三出单元，直至最后一个多通道单入双出单元；每个多通道单入三出单元分路出边缘两组波导经过时延校正后直接接入反射级3，其余波导组构成的波导总线连入下一个多通道单入三出/双出单元的输入端；这样通过m/2+1级单元的级联，实现总时延差为2∑τi的色散波导。
这里多通道单入/多入-单出/多出单元，与普通单入/多入-单出/多出单元结构类似，区别在于多通道单元的分路/合路都是以波导组为单位，每组都可以有多个波导，而普通的单出/双出/三出单元分别会分路出1个/1个/2个单独的波导。多通道单入/多入-单出/多出单元同样可以采用S-螺旋结构实现。

Claims (10)

1.一种大时延差色散波导结构，其特征在于，包括波分复用单元，时延阵列以及反射级；波分复用单元将入射的多波长复用信号解复用到分波端，并与时延阵列相连；时延阵列将分波端不同端口的信号进行不同的延迟；反射级在时延阵列波导的末端将各波导分路的光反射回入射端。
2.根据权利要求1所述一种大时延差色散波导结构，其特征在于，时延阵列包括多个级联的单入双出单元，单入双出单元的结构是将多条波导并行走线产生时延，并在每个单入双出单元分路出其中边缘的一条时延波导经过时延校正后接入反射级，其余多条波导并行级联至下一级单入双出单元。
3.根据权利要求1所述一种大时延差色散波导结构，其特征在于，时延阵列包括多个级联的多通道单入双出单元，多通道单入双出单元的结构是将多组波导并行走线产生时延，并在每组单入双出单元分路出其中一组时延波导经过时延校正后接入反射级，其余并行多组波导级联至下一级多通道单入双出单元。
4.根据权利要求1所述一种大时延差色散波导结构，其特征在于，时延阵列结构包括单入双出单元、双入三出单元和多个级联的单入三出单元；
波分复用单元产生两簇波导，两簇波导其中的一簇波导接入单入双出单元，并行走线时延后分路出一条波导经过时延校正后接入反射级，单入双出单元的其余波导接入双入三出单元；另一簇波导直接分路出一条波导经过时延校正后接入反射级，另一簇波导的其余波导接入双入三出单元，双入三出单元是将多条波导并行走线产生时延，之后分路出两边缘的两条波导，两条波导经过时延校正后分别接入反射级，其余波导进入单入三出单元；每个单入三出单元的结构是将多条波导并行走线产生时延，之后分路出两边缘的两条波导，两条波导经过时延校正后分别接入反射级，其余波导进入下一级单入三出单元。
5.根据权利要求1所述一种大时延差色散波导结构，其特征在于，时延阵列结构包括多通道单入双出单元、多通道双入三出单元和多个级联的多通道双入三出单元；波分复用单元产生两簇波导，两簇波导其中的一簇波导接入多通道单入双出单元，并行走线时延后分路出一组波导经过时延校正后接入反射级，多通道单入双出单元的其余波导接入多通道双入三出单元；另一簇波导直接分路出一组波导经过时延校正后接入反射级，另一簇波导的其余波导接入多通道双入三出单元，多通道双入三出单元是将多组波导并行走线产生时延，之后分路出两组波导，两组波导经过时延校正后分别接入反射级，其余波导进入多通道单入三出单元；每个多通道单入三出单元的结构是将多组波导并行走线产生时延，之后分路出两组波导，两组波导经过时延校正后分别接入反射级，其余波导进入下一级多通道单入三出单元。
6.根据权利要求2、3、4或5所述一种大时延差色散波导结构，其特征在于，并行走线产生时延是指波导的中间段绕成“S”形结构，外围波导以螺旋结构围绕该“S”形结构。
7.根据权利要求1所述一种大时延差色散波导结构，其特征在于，反射级采用高反射端面。
8.根据权利要求1所述一种大时延差色散波导结构，其特征在于，对不同长度分组的时延波导，反射级采用不同反射率的高反射端面，延迟较短的分组反射率相对较低，延迟较长的分组反射率相对较高。
9.根据权利要求1所述一种大时延差色散波导结构，其特征在于，所述采用反射级采用布拉格光栅结构，对于不同的波长采用不同的栅距。
10.根据权利要求1所述一种大时延差色散波导结构，其特征在于，波分复用单元采用阵列波导光栅实现。
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