CN114415289B - 基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器 - Google Patents

基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器 Download PDF

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Abstract

本发明提出基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器，包括一根条形波导；所述条形波导为以直线方式延伸的条状件，该条状件的顶面与底面平行，一侧以宽度渐变的方式形成输出端的锥状波导，另一侧以条状的矩形柱形成输入端的直波导；条形波导的锥状波导的两个侧面分别与第一锥形波导的输入端、第二锥形波导的输入端紧邻形成两个波长复用/解复用结构；所述第一锥形波导的输出端、第二锥形波导的输出端处均设有用于解耦的弯曲波导；第一锥形波导输出端、第二锥形波导输出端处均设有用于提高器件的消光比滤波结构；所述直波导的侧面与第三锥形波导的输出端紧邻形成模分复用结构；本发明具有大带宽，低损耗，高消光比等特点。

Description

基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器
技术领域
本发明涉及集成光电子芯片和光波导技术领域，尤其是基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器，即基于氮化硅平台绝热锥形结构的低损耗宽带宽波长复用/解复用器。
背景技术
氮化硅光子材料平台以其优越的特性，在构建片上极低损耗光子链路和功能器件方面体现出巨大的优势，因此受到人们的广泛关注。氮化硅材料有比硅材料更低的折射率，降低了波长对器件的影响，具有更宽的透射光谱。低的双折射率差使得氮化硅材料平台在制造公差方面有着较大的优势。并且，氮化硅光波导在通信波长范围内几乎不会产生自由载流子吸收，其最低阶非线性极化率比硅大约小20倍，意味着氮化硅光波导可以承受比SOI波导更高的光功率。此外，氮化硅的热光系数比硅的热光系数小大约5倍，具有更低的温度敏感性。
波长复用/解复用是提高通信容量的有效途径之一。随着现如今社会的高速发展，云计算、人工智能等技术被得到了广泛应用，数据量也得到了爆发式增长。为了提高通信的传输容量，在集成光电子的研究领域中，人们对波长复用/解复用器件的研究越发密切，陆续有多种类型的波长复用/解复用器件被报道。例如定向耦合结构、多模干涉结构、光子晶体结构、亚波长光栅结构、马赫-曾德尔干涉仪结构等；但目前这些器件或者在总体性能上存在一些不足（如损耗大、带宽小等），或者存在尺寸偏大以及制造工艺难度大等问题。
针对上述问题，本发明所设计的一种低损耗、宽带宽、易于制造，能够实现O波段和C+L波段的光信号复用/解复功能的波长复用/解复用器，对于光通信技术开发而言是极具实用价值的。
发明内容
本发明提出基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器，具有大带宽，低损耗，高消光比等特点。
本发明采用以下技术方案。
基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器，包括一根条形波导；所述条形波导为以直线方式延伸的条状件，该条状件的顶面与底面平行，一侧以宽度渐变的方式形成输出端的锥状波导，另一侧以条状的矩形柱形成输入端的直波导；条形波导的锥状波导的两个侧面分别与第一锥形波导的输入端、第二锥形波导的输入端紧邻形成两个波长复用/解复用结构；所述第一锥形波导的输出端、第二锥形波导的输出端处均设有用于解耦的弯曲波导；所述直波导的侧面与第三锥形波导的输出端紧邻形成模分复用结构。
所述波长复用/解复用器以标准氮化硅工艺平台批量制备，以使所述条形波导、第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导各部位的高度均相等，且上述各波导结构均覆盖有起保护作用的二氧化硅上包覆层。
所述条形波导、第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导形成300nm高度的氮化硅材料平台，所述宽带波长复用/解复用器外壁由微米厚的二氧化硅层包裹。
所述模分复用结构中与波长复用/解复用结构相连接的条形波导，用于输入并传输一个特定波段光信号的基模；而通过弯曲波导与第三锥形波导相连接的条形波导，用于输入并传输另一个特定波段光信号的基模。所传输基模通过在第三锥形波导的耦合结构，把该波段的基模耦合成为条形波导中的一阶模式。
所述波长复用/解复用结构中，条形波导顶部的锥状波导用于传输输入基模时所带波段的光信号。
所述波长复用/解复用结构包括三根绝热锥形渐变结构的波导，基于基模和一阶模的不同模式特性导致基模和一阶模的传输路径不同来实现波长复用/解复用功能，第一锥形波导输出端处的弯曲波导、第二锥形波导输出端处的弯曲波导的宽度不相等。
所述波长复用/解复用结构以光信号的偏振和模式组合复用的方法来承载不同的波段并实现不同波段光信号的分离，组合方式包括O波段TM一阶模和C+L波段TE基模、O波段TE基模和C+L波段TE一阶模、O波段基模和C+L波段TE一阶模。但组合方式不限于以上三种。
所述三种情况的波长复用/解复用功能，其一阶模都是基于前端的模分复用结构的基模耦合所产生，基模通过模分复用结构的直波导输入，模分复用结构的输出端接到波长复用/解复用结构的输入端；第一锥形波导输出端、第二锥形波导输出端处均设有滤波结构来提高器件的消光比。
所述氮化硅平台采用的氮化硅高度为CMOS标准工艺可实现的氮化硅高度，前端的模分复用结构用于产生不同阶数的两个波段的光信号，中间的波长复用/解复用结构用于分离O波段和C+L波段的光信号，后端的滤波结构用于提高器件的消光比，实现在大的带宽下低的插损。
所述波长复用/解复用器的批量制备，可通过硅的集成光子材料平台、磷化铟的集成光子材料平台或聚合物的集成光子材料平台来进行。采用本发明的设计方案时，上述所有功能均可得到实现。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明基于氮化硅材料平台绝热锥形的宽带波长复用/解复用器，设计的绝热锥形结构的宽带波长复用/解复用器相对于传统结构的波长复用/解复用器来说，具有大带宽，低损耗，高消光比等特点，在O、C和L的光通信波段里具有重大应用前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的立体示意图；
附图2是本发明的模分复用结构的俯视向示意图；
附图3是本发明的波长复用/解复用结构的俯视向示意图；
附图4是本发明的滤波结构的俯视向示意图；
图中：Ⅰ-波长复用/解复用结构；Ⅱ-模分复用结构；Ⅲ-滤波结构；1-条形波导；2-第一锥形波导；3-锥状波导；4-第二锥形波导；5-第三锥形波导；6-弯曲波导；7-直波导；8-直形波导；9-条形氮化硅波导。
具体实施方式
如图所示，基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器，包括一根条形波导1；所述条形波导为以直线方式延伸的条状件，该条状件的顶面与底面平行，一侧以宽度渐变的方式形成输出端的锥状波导3，另一侧以条状的矩形柱形成输入端的直波导7；条形波导的锥状波导的两个侧面分别与第一锥形波导2的输入端、第二锥形波导4的输入端紧邻形成两个波长复用/解复用结构Ⅰ；所述第一锥形波导的输出端、第二锥形波导的输出端处均设有用于解耦的弯曲波导6；所述直波导的侧面与第三锥形波导5的输出端紧邻形成模分复用结构Ⅱ。
所述波长复用/解复用器以标准氮化硅工艺平台批量制备，以使所述条形波导、第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导各部位的高度均相等，且上述各波导结构均覆盖有起保护作用的二氧化硅上包覆层。
所述条形波导、第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导形成300nm高度的氮化硅材料平台，所述宽带波长复用/解复用器外壁由微米厚的二氧化硅层包裹。
所述模分复用结构中与波长复用/解复用结构相连接的条形波导，用于输入并传输一个特定波段光信号的基模；而通过弯曲波导6与第三锥形波导相连接的条形波导，用于输入并传输另一个特定波段光信号的基模。所传输基模通过在第三锥形波导的耦合结构，把该波段的基模耦合成为条形波导中的一阶模式。
所述波长复用/解复用结构中，条形波导顶部的锥状波导用于传输输入基模时所带波段的光信号。
所述波长复用/解复用结构包括三根绝热锥形渐变结构的波导，基于基模和一阶模的不同模式特性导致基模和一阶模的传输路径不同来实现波长复用/解复用功能，第一锥形波导输出端处的弯曲波导、第二锥形波导输出端处的弯曲波导的宽度不相等。
所述波长复用/解复用结构以光信号的偏振和模式组合复用的方法来承载不同的波段并实现不同波段光信号的分离，组合方式包括O波段TM一阶模和C+L波段TE基模、O波段TE基模和C+L波段TE一阶模、O波段TM基模和C+L波段TE一阶模。但组合方式不限于以上三种。
所述三种情况的波长复用/解复用功能，其一阶模都是基于前端的模分复用结构的基模耦合所产生，基模通过模分复用结构的直波导输入，模分复用结构的输出端接到波长复用/解复用结构的输入端；第一锥形波导输出端、第二锥形波导输出端处均设有滤波结构Ⅲ来提高器件的消光比。
所述氮化硅平台采用的氮化硅高度为CMOS标准工艺可实现的氮化硅高度，前端的模分复用结构用于产生不同阶数的两个波段的光信号，中间的波长复用/解复用结构用于分离O波段和C+L波段的光信号，后端的滤波结构用于提高器件的消光比，实现在大的带宽下低的插损。
所述波长复用/解复用器的批量制备，可通过硅的集成光子材料平台、磷化铟的集成光子材料平台或聚合物的集成光子材料平台来进行。
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处的附图中的描述和示出的组件可以以不同配置来组合设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的选定实施例的详细描述并非为了限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器的立体示意图，其中包括一根条形波导1；所述条形波导为以直线方式延伸的条状件，该条状件的顶面与底面平行，一侧以宽度渐变的方式形成输出端的锥状波导3，另一侧以条状的矩形柱形成输入端的直波导7；条形波导的锥状波导的两个侧面分别与第一锥形波导2的输入端、第二锥形波导4的输入端紧邻形成两个波长复用/解复用结构Ⅰ；所述第一锥形波导的输出端、第二锥形波导的输出端处均设有用于解耦的弯曲波导6；波长复用/解复用结构的弯曲波导输出端和紧邻的直波导构成滤波结构Ⅲ；所述输入端的直波导的侧面与第三锥形波导的输出端紧邻形成模分复用结构Ⅱ。
如图2所示，前端的模式复用结构由两根波导组成，一根直波导7用于传输C+L波段TE基模光信号用于直通，另一根波导由弯曲波导6和第三锥形波导5组成，弯曲波导用于传输O波段TM基模光信号，第三锥形波导用于将O波段TM基模光信号耦合为O波段TM一阶模式光信号。
如图3所示，后端的波长复用/解复用结构由三根波导组成，分为耦合区和解耦区，耦合区的绝热锥形结构的三根锥形波导的尺寸并不相同。输入端接收到前端模式复用结构输入的C+L波段TE基模光信号和O波段TM一阶模式光信号，由于模式特性的不同，第一锥形波导2用于传输输入为C+L波段TE基模的光信号，经弯曲波导6解耦，输出C+L波段TE基模。第二锥形波导4用于传输输入为O波段TM一阶模时转变为基模的光信号，经弯曲波导6解耦，输出O波段TM基模。解耦区由两根弯曲波导6组成，用于分离两个波长的光信号。第一锥形波导2与一根弯曲波导6相连，第二锥形波导4与一根弯曲波导6相连，实现O与C+L波段的波长复用/解复用功能。两根弯曲波导6宽度并不相等。
如图4所示，滤波结构由一根条形氮化硅波导9和一根具有不同有效折射率的直形波导8组成。波长复用/解复用结构上输出端输出C+L波段TE基模，下输出端输出O波段TM基模，与上输出端紧邻的滤波结构用于滤除波导中残留的O波段TM基模，与下输出端紧邻的滤波结构用于滤除波导中残留的C+L波段TE基模。滤波结构的加入使得器件的消光比从20dB，提升至接近50dB。
由于本发明装置中采用了绝热锥形结构，通过模式复用技术和波长复用/解复用技术结合的多维复用技术，实现了O与C+L波段大带宽范围下的波长复用/解复用功能。对于利用一阶模和基模的特性实现的波长复用/解复用器，一阶模式的光信号的损耗相对于基模式的光损耗偏大，并且一阶模式的带宽也相对小于基模式的带宽。通过滤波装置实现了一个高消光比的基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器。

Claims (9)

1.基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器，其特征在于：包括一根条形波导；所述条形波导为以直线方式延伸的条状件，该条状件的顶面与底面平行，一侧以宽度渐变的方式形成输出端的锥状波导，另一侧以条状的矩形柱形成输入端的直波导；条形波导的锥状波导的两个侧面分别与第一锥形波导的输入端、第二锥形波导的输入端紧邻形成波长复用/解复用结构；所述第一锥形波导输出端处的弯曲波导、第二锥形波导输出端处的弯曲波导的宽度并不相同；所述第二锥形波导输入端的位置，相比于第一锥型波导输入端的位置，沿光传播方向向输出端方向发生了偏移；所述第一锥形波导的输出端、第二锥形波导的输出端处均设有用于解耦的弯曲波导；所述直波导的侧面与第三锥形波导的输出端紧邻形成模分复用结构。
2.根据权利要求1所述的基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器，其特征在于：所述波长复用/解复用器以标准氮化硅工艺平台批量制备，以使所述条形波导、第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导各部位的高度均相等，且条形波导、第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导的波导结构均覆盖有起保护作用的二氧化硅上包覆层。
3.根据权利要求1所述的基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器，其特征在于：所述模分复用结构中与波长复用/解复用结构相连接的条形波导，用于输入并传输C+L波段TE基模光信号的基模；而通过弯曲波导与第三锥形波导相连接的条形波导，用于输入并传输O波段TM基模光信号的基模；所传输基模通过在第三锥形波导的耦合结构，把O波段TM基模光信号耦合成为条形波导中的O波段TM一阶模式光信号。
4.根据权利要求1所述的基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器，其特征在于：所述波长复用/解复用结构中，条形波导顶部的锥状波导用于传输输入基模时所带波段的光信号。
5.根据权利要求4所述的基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器，其特征在于：所述波长复用/解复用结构包括三根绝热锥形渐变结构的波导，基于基模和一阶模的不同模式特性导致基模和一阶模的传输路径不同来实现波长复用/解复用功能。
6.根据权利要求5所述的基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器，其特征在于：所述波长复用/解复用结构以光信号的偏振和模式组合复用的方法来承载不同的波段并实现不同波段光信号的分离。
7.根据权利要求6所述的基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器，其特征在于：所述波长复用/解复用器的波长复用/解复用功能，其一阶模都是基于前端的模分复用结构的基模耦合所产生，基模通过模分复用结构的直波导输入，模分复用结构的输出端接到波长复用/解复用结构的输入端；第一锥形波导输出端、第二锥形波导输出端处均设有滤波结构来提高器件的消光比。
8.根据权利要求7所述的基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器，其特征在于：所述氮化硅平台采用的氮化硅高度为CMOS标准工艺可实现的氮化硅高度，前端的模分复用结构用于产生不同阶数的两个波段的光信号，中间的波长复用/解复用结构用于分离O波段和C+L波段的光信号，后端的滤波结构用于提高器件的消光比，实现在大的带宽下低的插损。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的基于氮化硅平台的低损耗宽带宽波长复用/解复用器，其特征在于：所述波长复用/解复用器的批量制备，通过硅的集成光子材料平台、磷化铟的集成光子材料平台或聚合物的集成光子材料平台来进行。
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