CN115032740A - 基于soi材料的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SOI材料的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器，包括SiO2包层和内部基于硅材料制备的粗波分复用器结构。所述粗波分复用器结构是由光栅辅助反向耦合器串联而成，包括中心波导、单侧壁布拉格光栅辅助的耦合波导、螺旋损耗线、弯曲波导和输出端直波导。第一级反向耦合器的输入端连接输入端口直波导，最后一级反向耦合器的透射端连接透射端口的直波导；每级光栅辅助反向耦合器中，中心波导的输入端(左端)与上一级反向耦合器的透射端通过直波导相连接，耦合波导的反射端(左端)分别连接输出端口，耦合波导的右端连接螺旋损耗线。本发明可实现多种波段光信号的粗波分复用，具有低插损、低串扰和显著平顶响应的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种粗波分复用器，具体涉及一种基于SOI材料的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器，属于光通信技术领域。
背景技术
在新兴的光通信技术中，波分复用技术(wavelength division multiplexing,WDM)是一项有效扩展通信容量、提高通信速率的技术，也是光互连系统的重要技术之一。其中非常关键的核心器件就是波分复用/解复用器。理想的粗波分复用(Coarse WavelengthDivision Multiplexing,CWDM)滤波器应该提供低损耗、低信道间串扰和平顶响应。
与传统材料相比，绝缘体上的硅(Silicon-on-insulator,SOI)材料具有较低的吸收损耗以及非常高的折射率差，能够实现更加紧凑的器件结构。因加工工艺成熟，基于SOI的光学结构可达微米尺度，且制备工艺与CMOS集成技术兼容，能实现低成本的大批量生产。
近几十年来，人们在SOI平台上提出并实现了多种CWDM器件，包括基于环形谐振滤波器、多模干涉仪、阵列波导光栅、Mach-Zehnder干涉仪和布拉格光栅的CWDM器件。其中，基于环形谐振器、阵列波导光栅和多模干涉仪的多路波分复用器难以实现平顶响应；基于Mach-Zehnder干涉仪的级联多通道复用器能够实现较好的性能，但需要占用较大的空间；而基于传统的布拉格光栅的CWDM器工作在反射模式，需要连接环形器，额外带来了3dB插入损耗。这些方案都无法实现理想的粗波分复用器件的要求，因此，设计一种基于SOI平台的能够实现低损耗、低信道串扰、具有平顶响应，且适合大规模集成的CWDM器件是十分急迫且有必要的。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种基于SOI材料的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器。与现有基于SOI的粗波分复用器相比，该技术方案能够实现低插损、低信道串扰、可调范围广、平顶响应明显的特点，通过选择合适的波导间隙和光栅宽度，可以很容易地满足不受自由光谱范围限制的条件，可容纳通道数更多，从而提高通信容量，为现代光通信提供更可靠可行的高集成方案。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于SOI材料制备的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器，包括SiO2包层和内部基于Si材料制备的波导层。所述Si波导包括输入端直波导(1)、多级光栅辅助反向耦合器、各级串联直波导(8)以及透射端直波导(9)，多级光栅辅助反向耦合器之间通过直波导(8)串联，第一级光栅辅助反向耦合器的输入端连接输入端直波导(1)，最后一级光栅辅助反向耦合器的透射端连接透射端直波导(9)。每级光栅辅助反向耦合器主要由中心波导(2)、单侧壁布拉格光栅(4)辅助的耦合波导(3)、螺旋损耗线(5)、弯曲波导(6)和输出端直波导(7)组成；中心波导(2)的左端即为光栅辅助反向耦合器的输入端，和上一级光栅辅助反向耦合器的透射端通过直波导(8)相连，中心波导(2)的右端为反向耦合器的透射端，和下一级反向耦合器的输入端通过直波导(8)相连；耦合波导(3)的左端为反向耦合器的输出端，通过弯曲波导(6)连接每一个输出端直波导(7)，耦合波导(3)的右端分别与螺旋损耗线(5)连接；各级光栅辅助反向耦合器之间经直波导(8)串联起来。光信号从输入端直波导输入粗波分复用器，不同波长的光经过各级光栅辅助反向耦合器，在符合相位匹配条件的布拉格光栅(4)内发生反向耦合，从不同的输出端直波导输出，从而实现波分复用的效果。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器，采用单侧壁布拉格光栅作为辅助，使光信号发生反向耦合，通过选择合适的波导间隙和光栅宽度，可以很容易地满足不受自由光谱范围限制的条件，使得粗波分复用器的可容纳通道数更多，提高了通信容量。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器，通过级联具有不同光栅周期的反向耦合器，使不同波长的输入光信号在满足相位匹配条件的各级光栅辅助反向耦合器内发生反向耦合，从不同的输出端直波导输出，实现了波分复用的效果。增加级联反向耦合器的数量以增加粗波分复用器的通道数。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的单侧壁布拉格光栅辅助的耦合波导(3)与中心波导(2)构成具有固定间距的不对称光栅辅助反向耦合器，其中中心波导(2)和耦合波导(3)的宽度不同，由于两波导的传播常数不同使得波导间同向耦合效率极低，同时能够达到抑制波导内耦合的效果。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的光栅辅助反向耦合器的反向耦合区由中心波导(2)与单侧壁布拉格光栅辅助的耦合波导(3)构成，其中，布拉格光栅(4)保持光栅周期均匀恒定，占空比恒定，光栅齿宽度由高斯切趾函数加权，使得波长满足条件的输入光信号在反向耦合区内充分发生反向耦合，从而使输出光信号具有宽带宽、明显平顶响应的特性。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器，通过改变反向耦合区布拉格光栅的光栅周期，使得粗波分复用器的通道间隔及中心波长可调，可用于更宽的波段范围。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的单侧壁集成布拉格光栅的光栅齿宽度由高斯切趾函数加权，以增强输出光谱的旁瓣抑制比，得到低串扰、低插损的输出光信号。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于SOI的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器，通过级联具有不同光栅周期的光栅辅助反向耦合器，使不同波长的输入光信号在满足相位匹配条件的各级光栅辅助反向耦合器内发生反向耦合，从不同的输出端直波导输出，实现了波分复用的效果。通过控制反向耦合区布拉格光栅的光栅周期，使得粗波分复用器的通道间隔及中心波长可调，可用于更宽的波段范围。
本发明相比于常见的基于MZI和微环谐振器的粗波分复用器，可调范围更广、具有明显的平顶响应；相比于传统布拉格光栅结构无需采用独立环形器等器件，具有较低的插损，更适用于多模块光学器件的单片集成；借助高斯切趾函数抑制了输出光谱的旁瓣，实现了低信道串扰的优点，更贴近理想CWDM器件的特点。
并且，本发明通过硅基片上集成，具有工艺简单成熟、集成度高等优点；且制作工艺可与COMS相兼容，具有传输损耗低、功耗小、便于实现光电器件集成等潜在特性和优点。
附图说明
图1为本发明的波导俯视结构示意图。
图2为本发明采用的单侧壁布拉格光栅辅助的耦合波导示意图。
图3为本发明采用4通道光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器的输出光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步阐明。下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明设计了一种基于SOI材料的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器，其波导层为内嵌在SiO2包层里的条形Si波导，包括输入端直波导1、多级光栅辅助反向耦合器、各级串联直波导8以及透射端直波导9，多级光栅辅助反向耦合器之间通过直波导8串联，第一级光栅辅助反向耦合器的输入端连接输入端直波导1，最后一级光栅辅助反向耦合器的透射端连接透射端直波导9。每级光栅辅助反向耦合器主要由中心波导2、单侧壁布拉格光栅4辅助的耦合波导3、螺旋损耗线5、弯曲波导6和输出端直波导7组成；中心波导2的左端即为光栅辅助反向耦合器的输入端，和上一级光栅辅助反向耦合器的透射端通过直波导8相连，中心波导2的右端为反向耦合器的透射端，和下一级反向耦合器的输入端通过直波导8相连；耦合波导3的左端为反向耦合器的输出端，通过弯曲波导6连接每一个输出端直波导7，耦合波导3的右端分别与螺旋损耗线5连接，用于将少量同向耦合的光辐射进入包层并损耗；各级光栅辅助反向耦合器之间经直波导8串联起来。其中单侧壁布拉格光栅辅助的耦合波导3与中心波导2构成具有固定间距的不对称光栅辅助反向耦合器，中心波导2和耦合波导3的宽度不同，由于两波导的传播常数不同使得波导间同向耦合效率极低，同时能够达到抑制波导内耦合的效果。
本发明结构提供的粗波分复用原理是：光信号从输入端直波导输入粗波分复用器，依次经过级联的具有不同光栅周期的各级光栅辅助反向耦合器，不同波长的光在符合相位匹配条件的布拉格光栅4内发生耦合，且输出信号与入射方向相反，经过不同的输出端直波导输出，不同波长的光信号经此分离开，从而实现波分复用的效果。增加级联反向耦合器的数量可以增加粗波分复用器的通道数。通过改变反向耦合区内布拉格光栅的光栅周期，使得粗波分复用器的通道间隔及中心波长可调，可用于更宽的波段范围。
为了验证本发明能够实现该功能，特列举验证例进行说明。
本验证例是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；输入端直波导1和透射端直波导9的宽度均为350nm；4个光栅辅助反向耦合器结构通过直波导8级联形成四通道粗波分复用器，其中中心波导2的宽度均为350nm，耦合波导3的宽度均为470nm，中心波导和耦合波导的间隙距离为120nm；单侧壁集成布拉格光栅的结构如图2所示，径向尺宽最大为40nm，四个光栅辅助反向耦合器结构反向耦合区的光栅周期依次为328nm、332nm、336nm、340nm，光栅周期数为700；用于级联的直波导8宽度为350nm，长度为10μm。
图3显示了本四通道光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器各个输出端口的传输光谱图，Out port1、Out port2、Out port3、Out port4分别指光栅周期为328nm、332nm、336nm、340nm的光栅辅助反向耦合器的输出端，依次由实线、虚线、点线、点划线表示。可以看出不同波长的输入光信号被有效分离，得到的输出光谱中心波长分别为1540nm、1554nm、1568nm、1582nm，输出信号相邻通道间隔为14nm。光谱的3dB带宽为～10nm，峰值插损小于1dB，相邻串扰小于-22dB。且光谱的箱式效果明显，有效实现了粗波分复用器的功能。
综上所述，本发明提供的基于SOI材料的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器，可实现对不同波长输入光信号的波分复用功能；相较于传统粗波分复用器具有可调范围广、插损低、信道串扰低、具有明显的平顶响应的特点，更贴近理想的CWDM器件；同时本发明工艺简单成熟、集成度高，可与COMS相兼容，具有传输损耗低、功耗小、便于实现光电器件集成等潜在特性。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (5)
1.一种基于SOI材料的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器，其特征在于：包括Si波导、SiO2包层；所述Si波导包括输入端直波导(1)、多级光栅辅助反向耦合器、各级串联直波导(8)以及透射端直波导(9)，多级光栅辅助反向耦合器之间通过直波导(8)串联，第一级光栅辅助反向耦合器的输入端连接输入端直波导(1)，最后一级光栅辅助反向耦合器的透射端连接透射端直波导(9)；
所述的光栅辅助反向耦合器包括中心波导(2)、单侧壁布拉格光栅(4)辅助的耦合波导(3)、螺旋损耗线(5)、弯曲波导(6)和输出端直波导(7)；中心波导(2)的左端即为光栅辅助反向耦合器的输入端，和上一级光栅辅助反向耦合器的透射端通过直波导(8)相连，中心波导(2)的右端为反向耦合器的透射端，和下一级反向耦合器的输入端通过直波导(8)相连；耦合波导(3)的左端为反向耦合器的输出端，通过弯曲波导(6)连接每一个输出端直波导(7)，耦合波导(3)的右端分别与螺旋损耗线(5)连接；各级光栅辅助反向耦合器之间经直波导(8)串联起来。
2.根据权利要求1所述的一种基于SOI材料的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器，其特征在于：所述光栅辅助反向耦合器为不对称结构，中心波导(2)和耦合波导(3)的宽度不同。
3.根据权利要求1所述的一种基于SOI材料的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器，其特征在于：单侧壁布拉格光栅(4)辅助的耦合波导(3)在靠近中心波导(2)的一侧引入周期性的矩形布拉格光栅齿，径向齿宽度经过切趾函数调制。
4.根据权利要求3所述的一种基于SOI材料的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器，其特征在于：矩形布拉格光栅齿的光栅周期均匀恒定，占空比恒定，光栅齿宽度由高斯切趾函数加权。
5.根据权利要求1所述的一种基于SOI材料的光栅辅助反向耦合器型粗波分复用器，其特征在于：所述的输入端直波导(1)、多级光栅辅助反向耦合器、各级串联直波导(8)以及透射端直波导(9)采用单片集成制作，采用的芯层材料均为硅。
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