CN114966987A - 一种光波导芯片混合集成分波-合波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光波导芯片技术领域的一种光波导芯片混合集成分波‑合波器，包括光波导芯片，所述光波导芯片上设计有正向传输光波导和反向传输光波导阵列，所述反向传输光波导阵列包含B1，B2……Bn光波导，光波导数n大于等于2；所述正向传输光波导和反向传输光波导阵列的端口一侧放置准直透镜，该分波‑合波器采用了光波导芯片和分立光栅相结合的混合集成结构设计，该混合集成设计可以有效的规避集成光波导和准直透镜、分立光栅、四分之一波片的缺点，更大的发挥各自的优势。采用分立的光栅，而不是直接在光波导芯片上加工光栅，这降低了光波导芯片制作光栅面临的诸多材料、工艺和性能问题。
Description
技术领域
本发明涉及光波导芯片技术领域，具体为一种光波导芯片混合集成分波-合波器。
背景技术
人类社会的信息技术正向更高带宽、更高速度、更高效率的方向发展。光子信息技术正逐渐的在向社会各个领域应用发展。从几十年前的光纤骨干网建设，到后来的光纤到户，再到如今的光数据中心、激光雷达、光生物传感、光子计算等，光子技术发展蓬勃发展。随着应用领域的不断发展，光子器件与模块系统也在日新月异的进步。早期的光子器件主要由分立的各种光源、光纤、光学晶体、光学透镜等组成。随着技术的进步，光子器件正朝着小型化、集成化的方向发展。回顾电子信息领域的电子器件发展史，我们可以看到电子器件经历了从分立器件到集成电路芯片的逐步发展。光子器件目前也同样的朝着集成度更高的光芯片方向前进。集成度更高的光芯片方向意味着更小的体积、更快的速度、更低的能耗以及更低的成本。
光波导芯片是光芯片的一大类。光波导芯片是采用多种集成电路基本工艺技术(例如镀膜、光刻、腐蚀、刻蚀、离子注入等)加工出来的一种光子芯片。光波导是光信号在芯片上有效传输的基本路径，也是光子芯片实现各种处理功能的常用部件之一。按照光波导结构，可将光波导分为平板光波导、条形光波导、脊形光波导等；按照芯片材料，可将光波导分为：玻璃光波导、聚合物光波导、铌酸锂光波导、硅光波导、磷化铟光波导等。
为了满足更高的应用发展需要，光波导芯片目前正朝着更加的多功能化发展。更多的功能被集成到同一片光波导芯片上，包括：光纤耦合器、功分器、多波长的分波-合波器、偏振态处理结构、激光器、探测器、调制器、隔离器等等。其中多波长的分波-合波器是光波导芯片需要具备的常用功能。
更多功能结构集成到同一片光波导芯片，虽然可以降低体积，但是却面临很多现实的问题。因为不同的功能结构经常需要不同的材料、不同的设计。强行将众多功能部件加工在一片光波导芯片上经常需要克服成本激增、工艺矛盾、性能折衷、可靠性下降等诸多问题。
例如在玻璃上制作光波导芯片是一种很好的选择。玻璃基光波导和光纤耦合有着天生的材料匹配优势。但是由于诸如玻璃材料不是单晶类高纯材质等原因，玻璃波导加工精度较低，这导致其本身很难加工高精度的多波长分波-合波器。
再例如在硅基上制作光波导芯片，可以广泛利用目前大规模硅基集成电路的诸多工艺平台优势。硅基光波导芯片上可以通过AWG(阵列波导光栅)等结构实现多波长分波-合波器。AWG的基本波导设计结构参见图2所示。但是硅基的AWG多波长分波-合波器也存在诸如温度漂移、偏振相关损耗大等问题。
为此，我们提出一种光波导芯片混合集成分波-合波器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光波导芯片混合集成分波-合波器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种光波导芯片混合集成分波-合波器，包括光波导芯片，所述光波导芯片上设计有正向传输光波导和反向传输光波导阵列，所述反向传输光波导阵列包含B1，B2，.....Bn光波导，光波导数n大于等于2；
所述正向传输光波导和反向传输光波导阵列的端口一侧放置准直透镜，所述准直透镜的另一侧放置光栅，所述光栅的另一侧放置四分之一波片，所述四分之一波片的另一侧放置反射镜。
优选的，所述光波导芯片可以是玻璃基光波导芯片、二氧化硅基光波导芯片、硅基光波导芯片、聚合物基光波导芯片、铌酸锂基光波导芯片或其它材质加工的光波导芯片。
优选的，所述准直透镜为渐变折射率透镜、球面透镜或非球面透镜。
优选的，所述光栅为一片光栅或多片光栅的级联。
优选的，所述光波导芯片、准直透镜、光栅、四分之一波片的光入射和出射面可镀增透膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该分波-合波器采用了光波导芯片和分立光栅相结合的混合集成结构设计。该混合集成设计可以有效的规避集成光波导和准直透镜、分立光栅、四分之一波片的缺点，更大的发挥各自的优势。采用分立的光栅，而不是直接在光波导芯片上加工光栅，这降低了光波导芯片制作光栅面临的诸多材料、工艺和性能问题。分立光栅的加工可以单独考虑其衍射性能的最优化，例如可以实现温度漂移小、衍射效率高、工艺简单、成本低等优点。另一方面，由于光路返回折叠的设计以及独立四分之一波片的引入，使得整个分波-合波器的偏振相关损耗等到很好的控制。另一方面，该光波导芯片混合集成分波-合波器，依然可以利用芯片上光波导间距的高密设计、灵活的波导阵列占空比设计、灵活的端面波导光斑大小以及数值孔径设计，实现该分波-合波器集成度高、性能参数设计灵活等特点。
附图说明
图1为本发明光波导芯片混合集成分波-合波器结构示意图；
图2为AWG(阵列波导光栅)型分波-合波器结构示意图。
图中：1、光波导芯片；2、准直透镜；3、光栅；4、四分之一波片；5、反射镜；6、正向传输光波导；7、反向传输光波导阵列。
具体实施方式
实施例一
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：
一种光波导芯片混合集成分波-合波器，光波导芯片1上设计有正向传输光波导6和反向传输光波导阵列7，光波导芯片1可以是玻璃基光波导芯片、二氧化硅基光波导芯片、硅基光波导芯片、聚合物基光波导芯片、铌酸锂基光波导芯片或其它材质加工的光波导芯片；
其中反向传输光波导阵列7包含B1，B2，.....Bn光波导，光波导数n大于等于2。
正向传输光波导6和反向传输光波导阵列7的端口一侧放置准直透镜2，准直透镜2为渐变折射率透镜、球面透镜或非球面透镜，其作用是对光波导出射的发散光进行准直。
准直透镜2的另一侧放置光栅3，光栅3可以是一片光栅，也可以是多片光栅的级联，多片光栅级联可以增强光栅的衍射效率，减小分波-合波器的带宽。
光栅3的另一侧放置四分之一波片4，四分之一波片4的另一侧放置反射镜5。
光波导芯片1中的光信号经过正向传输光波导6输出，从光波导输出的光为发散光，发散光经过准直透镜2后变为准直光束。
准直光束进入光栅3，光栅3的作用是将不同波长的光偏转不同角度，偏转角度大小和波长相关，不同波长的光从光栅出光后输出为不同角度光束，不同角度的光束经过四分之一波片4后，再通过反射镜5返回，返回过程中光束第二次通过四分之一波片4、光栅3和准直透镜2，最后进入光波导芯片1上的反向传输光波导阵列7。
正向传输光波导6中不同波长的光信号最后进入反向传输光波导阵列7的不同光波导，从而实现光信号的分波。
四分之一波片4的功能是调整光信号第一次和第二次经过光栅时的偏振态，优化整个器件的偏振相关性能，由于光路的可逆性，光路正向传输实现分波功能，反向传输实现合波功能。
光波导芯片1、准直透镜2、光栅3和四分之一波片4的光入射和出射面可以根据需要镀增透膜，增加各通光界面的透射率，降低回波损耗。
本发明的优点在于：
该分波-合波器采用了光波导芯片1和分立光栅3相结合的混合集成结构设计。该混合集成设计可以有效的规避集成光波导和准直透镜2、分立光栅3、四分之一波片4的缺点，更大的发挥各自的优势。采用分立的光栅3，而不是直接在光波导芯片1上加工光栅，这降低了光波导芯片制作光栅面临的诸多材料、工艺和性能问题。分立光栅3的加工可以单独考虑其衍射性能的最优化，例如可以实现温度漂移小、衍射效率高、工艺简单、成本低等优点。另一方面，由于光路返回折叠的设计以及独立四分之一波片4的引入，使得整个分波-合波器的偏振相关损耗等到很好的控制。另一方面，该光波导芯片混合集成分波-合波器，依然可以利用芯片上光波导间距的高密设计、灵活的波导阵列占空比设计、灵活的端面波导光斑大小以及数值孔径设计，实现该分波-合波器集成度高、性能参数设计灵活等特点。
Claims (5)
1.一种光波导芯片混合集成分波-合波器，其特征在于：包括光波导芯片(1)，所述光波导芯片(1)上设计有正向传输光波导(6)和反向传输光波导阵列(7)，所述反向传输光波导阵列(7)包含B1，B2，.....Bn光波导，光波导数n大于等于2；
所述正向传输光波导(6)和反向传输光波导阵列(7)的端口一侧放置准直透镜(2)，所述准直透镜(2)的另一侧放置光栅(3)，所述光栅(3)的另一侧放置四分之一波片(4)，所述四分之一波片(4)的另一侧放置反射镜(5)。
2.根据权利要求1所述的一种光波导芯片混合集成分波-合波器，其特征在于：所述光波导芯片(1)可以是玻璃基光波导芯片、二氧化硅基光波导芯片、硅基光波导芯片、聚合物基光波导芯片、铌酸锂基光波导芯片或其它材质加工的光波导芯片。
3.根据权利要求1所述的一种光波导芯片混合集成分波-合波器，其特征在于：所述准直透镜(2)为渐变折射率透镜、球面透镜或非球面透镜。
4.根据权利要求1所述的一种光波导芯片混合集成分波-合波器，其特征在于：所述光栅(3)为一片光栅或多片光栅的级联。
5.根据权利要求1所述的一种光波导芯片混合集成分波-合波器，其特征在于：所述光波导芯片(1)、准直透镜(2)、光栅(3)、四分之一波片(4)的光入射和出射面可镀增透膜。
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