CN115189799B - 一种基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器，包括：光芯片：依次连接的输入波导和一个逆向设计的波分解复用器；第一波导模块，包括依次连接的第一信道波导、n行m列串联并联微环组(m≥4,n≥2)和第一下载区，其中第一信道波导的输入端与逆向设计的波分解复用器的一个输出端相连接，每行的微环半径相同，每列微环有n个不同的微环半径；以及同样结构的第二波导模块。电芯片：包括DAC、微处理器和ADC等器件，调节微环器件的谐振波长，时间在ms量级。该系统可用在光模块中的光接收芯片或三端口波分解复用器中，在很小器件尺寸下实现双波段光信号解复用及波长自动调节，解决解复用器对工艺和外界环境变化敏感的问题。

Description

一种基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器

技术领域

本申请涉及及光通信波分解复用技术领域，尤其涉及一种基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器。

背景技术

在通信领域，为了提升光信号传输的容量，在安防监控的光纤传输系统中，单光纤双波长传输的光组件已成为各控制点的重要设备。因1310 nm通信窗口附近光纤的色散几乎为零，1550 nm通信窗口光纤插入损耗最低，故常用的双波段选为1310和1550 nm波段。高速电信号经调制器后调制到这两个光波段中，通过光实现载波的功能，实现高速电信号的传输。信号接收端接收载波信号时，常需要光模块中的接收芯片将这两个波段的波长分离，然后再使用密集波分解复用，再经过探测器得以提取高速电信号，实现信息的下载。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

现有技术常使用阵列波导光栅、刻蚀衍射光栅等器件实现密集波分解复用，由于上述元器件的自由光谱范围FSR(约为40-60 nm)相比于1310和1550 nm波段的间隔较小，即难以分离两个波段的光信号。如通过硅光器件将这两个波段分离，分离后的两个波段光信号通过如连接阵列波导光栅或刻蚀衍射光栅实现密集波分解复用，则每个上述的滤波器件尺寸需大于200×200 μm²，器件尺寸较大，故难以实现热调谐(常见的上述两个元器件波长调节范围仅为3-4 nm，且加热功耗较大，而这两个器件工艺制备时对应通道波长甚至会偏离二分之一FSR以上)。而通过硅光器件将这两个波段分离，分离后的两个波段光信号后续如采用微环等实现密集波分解复用，微环的自由光谱范围较小FSR(小于25 nm)，很难精准分离自由光谱范围较大(大于30 nm)的光信号，常出现两个波长间隔1个FSR的光信号从同一下载端下载的问题；此外，微环器件制备时对微环半径、波导宽度和高度等参数敏感，硅光代工厂制备时常有±20 nm左右的偏差,故这类元器件的自由光谱范围较窄和尺寸较为敏感的问题需得到有效解决，且能够自动实现波长对准。该器件可后续级联探测器实现硅光接收模块。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器，以解决相关技术中存在的分离两个波段光信号器件尺寸大、且波分解复用时无法自动实现波长对准及下载的技术问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器，包括：

依次连接的输入波导和一个逆向设计的波分解复用器；

两个波导模块，每个所述波导模块均包括依次连接的一个信道波导、一个n行m列串联并联微环组和一个下载区，两个所述信道波导的输入端分别与所述逆向设计的波分解复用器的两个输出端相连接，每个所述n行m列串联并联微环组中包括n×m个微环结构，所述微环结构包括波导部分和电极部分，所述电极部分与调节系统相连接，用于为所述波导部分中的微环波导施加电压并检测微环波导中心位置的光电流变化，以结合所述调节系统实现波长的反馈调节；每行的微环波导半径相同，每列的微环波导包含n个不同的微环半径，相邻微环结构的耦合间距相等，所述信道波导和下载区分别与所述n行m列微环组间的间距相同，其中n≥2，m≥4。

进一步地，其特征在于，所述逆向设计的波分解复用器的多模干涉区域的尺寸小于5×5 μm²，最小格点尺寸大于100×100 nm²，输入的光信号波长在1260-1360和1500-1600nm范围内，且输入的光信号为若干个窄带的激光信号。

进一步地，在所述微环结构中，

所述波导部分包括平板区和微环波导，所述微环波导采用所述平板区上的脊形波导的设计方式，所述波导部分包括从左至右的n++型掺杂区、n型掺杂区、n++型掺杂区、n型掺杂区、n++型掺杂区，且以每个微环圆心的连线为对称轴，其中n型掺杂区覆盖所述微环波导；

所述电极部分包括接直流信号的第一电极以及接地的第二电极和第三电极，所述第一电极设置在中间的n++型掺杂区上，所述第二电极和第三电极分别设置在两端的n++型掺杂区上，其中所述第一电极用于为所述微环波导施加电压，所述第二电极和第三电极用于检测微环波导中心位置的光电流变化，以结合所述调节系统实现波长的反馈调节。

进一步地，所述n型掺杂区的掺杂浓度为10¹⁶-10¹⁷/cm³，n++型掺杂区的掺杂浓度为10¹⁹-10²⁰/cm³，n型掺杂区的长度在0.6-1.5 μm间，两端的n++型掺杂区的长度大于2 μm，所述微环波导的宽度在0.38-0.55 μm间，中间的n++型掺杂区的长度等于所述微环波导的内环宽度，平板区厚度在70-120 nm间，波导部分的整体厚度为220 nm。

进一步地，所述第一电极施加的电压在0-10 V之间。

进一步地，所述调节系统包括数模转换器、微处理器和模数转换器，所述模数转换器用于接收所述电极部分输出的电流并将所述电流转化为数字形式的电流，所述微处理器读取所述数字形式的电流并控制所述数模转换器以模拟电压的形式施加到所述电极部分。

进一步地，在所述n行m列串联并联微环组中，半径最小的微环波导的半径为5-10μm，半径最大的微环波导的半径为7-15 μm，且满足FSR为FSR₁、FSR₂、……、FSR_n的公倍数且FSR >30 nm，其中FSR为所述n行m列串联并联微环组的自由光谱范围，FSR₁为半径最小的微环波导的自由光谱范围，FSR_n为半径最大的微环波导的自由光谱范围，FSR₁、FSR₂、……、FSR_n对应的微环波导的半径逐渐增大。

进一步地，信道波导与所述n行m列串联并联微环组的第一行之间的间距为0.13-0.24 μm，微环组相邻行之间的间距为0.24-0.4 μm，微环组第n行与下载区之间的间距在0.13-0.24 μm间。

进一步地，所有器件均在绝缘体上硅上制备而成，波导的下包层均为二氧化硅，芯层为硅材料。

进一步地，所述下载区包括若干条形波导或脊形波导，波导高度为220 nm，宽度在400-600 nm间，所述下载区中波导的数量与所述微环组中微环波导的数量相等。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请采用逆向设计的1310和1550 nm波段光分离器，相比于不采用逆向设计的器件，明显减小了器件的通道间串扰和器件尺寸；采用不等半径的微环级联结构，有效地增大了器件的自由光谱范围，减小了不同波长的光信号从同一微环下载端输出的概率，使输入光芯片的每个波长的光信号从所需通道下载；采用波长反馈电路的方式，能够高速自动调节微环波导的性能，克服微环波导工艺和温度敏感的难点问题。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1为根据一示例性实施例示出的一种基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器的光芯片结构示意图。

图2为根据一示例性实施例示出的逆向设计的波分解复用器的结构示意图。

图3为根据一示例性实施例示出逆向设计的波分解复用器的FOM值与迭代次数的关系示意图。

图4为根据一示例性实施例示出的一种基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器的输出功率与输出效果示意图，其中(a)输入光信号为1285-1335 nm时，第一信道波导和第二信道波导的输出功率；(b) 输入光信号为1525-1575 nm时，第一信道波导和第二信道波导的输出功率；(c) 输入光信号为1285-1335 nm时，第一信道波导和第二信道波导的输出效果图；(d) 输入光信号为1525-1575 nm时，第一信道波导和第二信道波导的输出效果图。

图5为根据一示例性实施例示出的级联微环谐振器在1260-1360 nm范围内滤波效果。

图6为根据一示例性实施例示出的微环结构示意图，其中(a)为微环结构俯视图；(b)为微环截面示意图。

图7为根据一示例性实施例示出的该自动波长反馈系统示意图。

图8为根据一示例性实施例示出的微环光电流与微环电压的关系示意图。

图中的附图标记包括：

100、输入波导；200、逆向设计的波分解复用器；300、第一信道波导；310、第一n行m列微环组； 311、第一电极； 312、第二电极；313、第三电极；320、第一下载区；400、第二信道波导；410、第二n行m列微环组；420、第二下载区；501、第一信道波导截止端；502、第二信道波导截止端。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器的光芯片结构示意图，如图1所示，该基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器可以包括依次连接的输入波导100和一个逆向设计的波分解复用器200，以及两个波导模块，每个所述波导模块均包括依次连接的一个信道波导、一个n行m列串联并联微环组和一个下载区，两个所述信道波导的输入端分别与所述逆向设计的波分解复用器200的两个输出端相连接，每个所述n行m列串联并联微环组中包括n×m个微环结构，所述微环结构包括波导部分和电极部分，所述电极部分与调节系统相连接，用于为所述波导部分中的微环波导施加电压并检测微环波导中心位置的光电流变化，以结合所述调节系统实现波长的反馈调节；每行的微环波导半径相同，每列的微环波导包含n个不同的微环半径，相邻微环结构的耦合间距相等，所述信道波导和下载区分别与所述n行m列微环组间的间距相同，其中n≥2，m≥4。

图1为器件的光芯片，光芯片中与每个微环相连的调节系统可由ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）、微控制器和DAC（Digital-to-Analog Converter，数模转换器）级联的电芯片实现。

由上述实施例可知，本申请采用逆向设计的1310和1550 nm波段光分离器，相比于不采用逆向设计的器件，明显减小了器件的通道间串扰和器件尺寸；采用不等半径的微环级联结构，有效地增大了器件的自由光谱范围，减小了不同波长的光信号从同一微环下载端输出的概率，使输入光芯片的每个波长的光信号从所需通道下载；采用波长反馈电路的方式，能够高速自动调节微环波导的性能，克服微环波导工艺和温度敏感的难点问题。

具体地，所述逆向设计的波分解复用器200的多模干涉区域的尺寸小于5×5 μm²，最小格点尺寸大于100×100 nm²，输入的光信号波长在1260-1360和1500-1600 nm范围内，且输入的光信号为数个窄带的激光信号。

在具体实施中，逆向设计的波分解复用器200采用多模干涉结构，输入的光信号波长在1260-1360和1500-1600 nm范围内，且输入的光信号为数个窄带的激光信号。可对中心波长约为1310 nm和1550 nm的光信号实现很好地分离，每通道的波长范围可超过50 nm，各信道间串扰小于-25 dB，多模干涉区域的尺寸小于5×5 μm²；最小格点尺寸大于100×100nm²,从而保证该器件能够有效地被加工。逆向设计的要求在该波分解复用器的各信道间串扰小于-25 dB，插入损耗小于0.2 dB。

在一实施例中，所述逆向设计的波分解复用器200采用逆向设计算法L-BFGS-B进 行优化，是对多变量牛顿迭代法的改进。牛顿迭代法中如有N个相互独立的变量，每次迭代 前变量为X_k，X_k经迭代一次后变量变为X_k+1。在常规牛顿迭代法求解过程中，X_k+1可由X_k通过 关系式

得到。

为N×N阶矩阵，g_k为中间变量的N行1列矩阵。由 于涉及矩阵求逆，且维度较大，故难以计算。改进的L-BFGS-B算法为

，且D_k可由之前计算的X₀…X_k、g₀…g_k得到，减少了存储空间。

逆向设计的粗波分解复用器由一个输入信道、一个多模干涉区和两个输出信道组成，多模干涉区的尺寸为5×4 μm²，结构图如图2所示。设计的要求是使得1310 nm波段和1550 nm波段分别经波导300和400输出，两个波长带宽均需大于等于50 nm。设计的器件最小格点尺寸大于100×100 nm²,从而保证该器件能够有效地被加工。

L-BFGS-B算法设计该器件的迭代过程如图3所示，思路如下：SOI波导(即芯层材料 为220 nm厚度硅，包层为SiO₂材料)得有效折射率n_eff约为2.8。首先可设置所有格点的折射 率为SiO₂与n_eff和的一半。然后通过上述优化算法确定每次迭代后每个分辨率对应格点的 折射率，所有的折射率均需在SiO₂与n_eff间，其中第i格点的折射率的平方

，ε_high为2.8²，ε_low为SiO₂折射率的平方。经过上百次迭代后，使得 器件的FOM(Figure of merit)值最小，此时第一信道波导300和第二信道波导400间的串扰 值最低。之后需要改变β值利用heaviside函数使每个分辨率对应位置的折射率发生变化， 变化后的表达式如(1)所示：

(1)

这里η一般选为0.5。每增加改变一次β后，需要对所有分辨率对应位置的折射率再 小幅度的改动，通过数次迭代，使FOM值最低。然后再增加β值，超过200时即可停止，每个分 辨率对应位置的折射率即为SiO₂的折射率或n_eff(即格点被填充为硅材料)。这样迭代后的 器件得到的最小格点尺寸可能会小于设计要求的格点尺寸，通过小幅度的修改版图，即可 得到最终器件版图形貌。随着β值的逐渐增大，最终需要满足

<0.5时，

；

>0.5 时，

。

图4示出根据逆向设计的波分解复用器200器件仿真效果图。图4中的(a)为输入光信号为1285-1335 nm时，第一信道波导300和第二信道波导400的输出功率；图4中的(b)为输入光信号为1525-1575 nm时，第一信道波导300和第二信道波导400的输出功率；图4中的(c)为输入光信号为1285-1335 nm时，第一信道波导300和第二信道波导400的输出效果图；图4中的(d)为输入光信号为1525-1575 nm时，第一信道波导300和第二信道波导400的输出效果图。由图可得到该器件能够对1310和1550 nm波段光信号有很好地分离，这两个波段带宽至少大于50 nm，信道间串扰小于-25 dB，插入损耗小于0.2 dB。该逆向设计的器件具有带宽大、串扰低和尺寸小的明显优势。

在一实施例中，本申请的两个波导模块为第一波导模块和第二波导模块，第一波导模块包括依次连接的第一信道波导300、第一n行m列微环组310(m≥4,n≥2)和第一下载区320，第二波导模块包括依次连接的第二信道波导400、第二n行m列微环组410(m≥4,n≥2)和第二下载区420。采用m列微环的原因是在常见的光通信骨干网中，常传输25.6 Tbps、51.2Tbps容量的信号，故需要每个子单元，如光模块、波分复用器等信号传输速率为100、200、400、800 Gbps,即波分解复用器的相邻信道光频率间隔即为100、200、400和800 GHz等(该频率间隔满足密集波分解复用，Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)，因此通道数需满足2^k，常为4，8，16，32等。器件采用每列n个微环级联，若n≥2,相比于n=2的级联微环器件会扩展光谱的3 dB带宽。在本实施例中，以n=2为例，简述器件的工作原理及效果。

具体地，在所述n行m列串联并联微环组中，半径最小的微环波导的半径为5-10 μm，半径最大的微环波导的半径为7-15 μm，且满足FSR为FSR₁、FSR₂、……、FSR_n的公倍数且FSR >30 nm，其中FSR为所述n行m列串联并联微环组的自由光谱范围，FSR₁为半径最小的微环波导的自由光谱范围，FSR_n为半径最大的微环波导的自由光谱范围，FSR₁、FSR₂、……、FSR_n对应的微环波导的半径逐渐增大。

在本实施例的2行m列微环组中，半径较小的微环波导的半径约为5-10 μm，半径较 大的微环波导的半径约为7-15 μm，且满足FSR=t₁×FSR₁=t₂×FSR₂ >30 nm，其中FSR为微环 组的自由光谱范围，FSR₁为半径较小的微环波导的自由光谱范围，FSR₂为半径较大的微环波 导的自由光谱范围，t₁,t₂为互质数，即

。

图5为仿真的第一波导模块级联微环效果图，谐振波长约在1320 nm，器件的FSR大于40 nm，边模抑制比小于17 dB，3 dB带宽约为0.40 nm，插入损耗约为0.64 dB，器件性能良好，完全可以胜任密集波分解复用器。对于第二波导模块，设计参数仅有少量不同，即可实现谐振波长约在1550 nm，具体而言，实现1550 nm的谐振波长需要稍微增加微环与信道波导以及微环与微环间的耦合间距，同时需要略微增大微环半径，保持FSR基本不变。相邻微环耦合间距需增加50-100 nm，微环半径增加约1/3即可。

具体地，在所述微环结构中，所述波导部分包括平板区和微环波导，所述微环波导采用所述平板区上的脊形波导的设计方式，所述波导部分包括从左至右的n++型掺杂区、n型掺杂区、n++型掺杂区、n型掺杂区、n++型掺杂区，且以每个微环圆心的连线为对称轴，其中n型掺杂区覆盖所述微环波导；所述电极部分包括接直流信号的第一电极 311以及接地的第二电极 312和第三电极313，所述第一电极 311设置在中间的n++型掺杂区上，所述第二电极 312和第三电极313分别设置在两端的n++型掺杂区上，其中所述第一电极 311用于为所述微环波导施加电压，所述第二电极 312和第三电极313用于检测微环波导中心位置的光电流变化，以结合所述调节系统实现波长的反馈调节。

在一实施例中，图6中的(a)为微环结构俯视图。微环与长方形交叠的阴影区域为n型掺杂区，微环中间和大于微环半径的部分均为n++型掺杂区。n型掺杂区的掺杂浓度在10¹⁶-10¹⁷/cm³量级，n++型掺杂区的掺杂浓度在10¹⁹-10²⁰/cm³量级。第一n行m列微环组310中，某一时刻t第i行第1列微环中心的电压为V_i,1,t(i=1,2,…n)，相同行不同列的电压V_i,k,t(k=1,2,…m)不同，需根据滤波波长和加工工艺实际得到。图6中的(b)为微环结构截面示意图，载流子浓度从左到右分别由n++、n、n++、n、n++五个掺杂区构成，n型掺杂区的长度需在0.6-1.5 μm间，两端的n++型掺杂区长度需大于2 μm。微环波导采用脊形波导的设计方式，宽度W_rib在0.38-0.55 μm间，中间的n++型掺杂区的长度等于所述微环波导的内环宽度，平板区厚度H_rib在70-120 nm间，波导整体厚度约220 nm。

进一步地，第一波导模块中的微环结构，中间n++区域与接直流信号的电极即第一电极 311相连接，两端n++区域分别与两个接地的电极即第二电极 312和第三电极313相连接，第一电极 311为直流电压端（S），第二电极312和第三电极313均为直流接地端（G），电极的材料需为金属导电材料，所有的电极宽度需大于2 μm。在不同的微环器件施加的直流电压不同，所述第一电极 311施加的电压范围在0-10 V内，所加的电压用来调谐微环的谐振波长，因脊形波导存在电阻，故接直流信号的电极存在电流，某一时刻该电流I_i,k,t是施加电压导致的电流I_heater,i,k,t与微环中的光电流I_PD,i,k,t的求和。而I_PD,i,k,t与通过微环的光功率成正比，故该器件可通过I_i,k,t的大小实现最佳光功率的检测，为自动波长反馈奠定坚实基础。

具体地，所述调节系统包括数模转换器、微处理器和模数转换器，所述模数转换器用于接收所述电极部分输出的电流并将所述电流转化为数字形式的电流，所述微处理器读取所述数字形式的电流并控制所述数模转换器以模拟电压的形式施加到所述电极部分。

在一实施例中，图7示出了该调节系统示意图。输入的波长为数个波长范围为1285-1335 nm和1525-1575 nm的窄带光信号，这些光信号的波长最好满足IEEE光模块相应规范。因存在2个n行m列微环组，反馈系统的电路部分包含了2×n×m个由DAC、微处理器和ADC。以n行m列微环组第一列为例，ADC读取此时反馈系统第i行第k列微环的电流I_i,k,t并将该电流转化为数字信号形式的电流。微处理器读取该电流值，并能控制DAC以模拟电压V_i,k,t的方式施加到第一电极 311的电压端，且微处理器能够保留上一扫描时刻t-1对应的电流值I_i,k,t-1和电压值V_i,k,t-1。微处理器根据上一扫描时刻的这两个值和此时这两个值的变化，确定DAC施加到第一电极 311的电压大小应该如何改变。器件的共地端与第二电极 312或第三电极313相连。

进一步的，由于某一时刻I_i,k,t=I_heater,i,k,t+I_PD,i,k,t, 因微环截面区域存在电阻且施加电压后能够改变微环截面区域n型载流子分布，I_heater,i,k,t与微环截面区域和施加电压V_i,k,t有关；通过微环的光功率造成了微环截面区域缺陷态吸收，进而产生光电流，因此I_PD,i,k,t与通过微环的光功率成正比，故该器件I_i,k,t最大时实现了该微环谐振波长与某一输入波长的一致，使得光功率最大。为了得到I_heater,i,k,t,在器件没有输入光的时候可得到I_heater,i,k,t与施加电压V_i,k,t的关系。然后在输入波导100施加光功率时，能得到I_i,k,t与V_i,k,t的关系，由I_i,k,t与I_heater,i,k,t相减即可得到I_PD,i,k,t，约为10-100 μA。

进一步地，实现波长自动反馈时，每个微环依次经过调谐即可。图8示出了微环I_PD,i,k,t与V_i,k,t的关系，产生的电流最大时说明该微环调谐完成。当输入光信号时，系统需初始调节以实现器件的波长反馈，注意的是从300和400输出的波导后面的m列微环需要依次施加不同的电压V_i,k,t，因为各微环有滤波波长和加工工艺的不同，施加电压有少许区别，相邻微环需间隔几十ms的级别。

波长自动反馈可通过PID算法或逐步扫描法实现，这里简述逐步扫描法的过程。当V_i,k,t>V_i,k,t-1且I_PD,i,k,t>I_PD,i,k,t-1时，微处理器继续增加△V的电压，约为mV级别；当V_i,k,t>V_i,k,t-1且I_PD,i,k,t< I_PD,i,k,t-1时，微处理器减小△V的电压；当V_i,k,t<V_i,k,t-1且I_PD,i,k,t>I_PD,i,k,t-1时，微处理器减小△V的电压；当V_i,k,t<V_i,t-1且I_PD,i,k,t<I_PD,i,k,t-1时，微处理器增加△V的电压。每个微环自动扫描的时长约为ms量级，扫描速率较快。后续输入信号的波长变化时，各微环无需扫描时间的间隔，即可实现微环下载相应波长信号的效果，此时扫描时间约为μs量级，克服微环滤波器工艺误差和温度敏感的难点问题。

具体地，所述下载区包括若干条形波导或脊形波导，波导高度为220 nm，宽度在400-600 nm间，所述下载区中波导的数量与所述微环组中微环波导的数量相等，后面连接输出耦合光栅或端面耦合器。

具体地，信道波导与微环组第一行之间的间距为0.13-0.24 μm，微环组相邻行之间的间距为0.24-0.4 μm，微环组第n行与下载区之间的间距在0.13-0.24 μm间，微环组每行中相邻微环波导的间距最好大于3πR，且为πR的整数倍。

具体地，所有器件均在SOI(Silicon On Insulator,绝缘体上硅)上制备而成，波导的下包层均为二氧化硅，芯层为硅材料。

综上所述：本申请采用SOI材料体系，与集成电路兼容；采用逆向设计的1310和1550波段光分离器，相比于不采用逆向设计的器件，明显减小了器件的通道间串扰和器件尺寸；采用不等半径的微环级联结构，有效地增大了器件的自由光谱范围，减小了不同波长的光信号从同一微环下载端输出的概率，使输入光芯片的每个波长的光信号从所需通道下载；采用波长反馈电路，无需探测器即可实现高速自动调节微环滤波器的性能，简化系统的同时克服微环滤波器工艺和温度敏感的难点问题。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器，其特征在于，包括：

依次连接的输入波导和一个逆向设计的波分解复用器；

两个波导模块，每个所述波导模块均包括依次连接的一个信道波导、一个n行m列串联并联微环组和一个下载区，两个所述信道波导的输入端分别与所述逆向设计的波分解复用器的两个输出端相连接，每个所述n行m列串联并联微环组中包括n×m个微环结构，所述微环结构包括波导部分和电极部分，所述波导部分包括从左至右的n++型掺杂区、n型掺杂区、n++型掺杂区、n型掺杂区、n++型掺杂区，且以每个微环圆心的连线为对称轴，所述电极部分与调节系统相连接，用于为所述波导部分中的微环波导施加电压并检测微环波导中心位置的光电流变化，以结合所述调节系统实现波长的反馈调节；每行的微环波导半径相同，每列的微环波导包含n个不同的微环半径，相邻微环结构的耦合间距相等，所述信道波导和下载区分别与所述n行m列微环组间的间距相同，其中n≥2，m≥4；所述n行m列串联并联微环组满足FSR为FSR₁、FSR₂、……、FSR_n的公倍数且FSR >30 nm，其中FSR为所述n行m列串联并联微环组的自由光谱范围，FSR₁为半径最小的微环波导的自由光谱范围，FSR_n为半径最大的微环波导的自由光谱范围，FSR₁、FSR₂、……、FSR_n对应的微环波导的半径逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器，其特征在于，所述逆向设计的波分解复用器的多模干涉区域的尺寸小于5×5 μm²，最小格点尺寸大于100×100 nm²，输入的光信号波长在1260-1360和1500-1600 nm范围内，且输入的光信号为若干个窄带的激光信号。

3.根据权利要求1所述的基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器，其特征在于，在所述微环结构中，

所述波导部分包括平板区和微环波导，所述微环波导采用所述平板区上的脊形波导的设计方式，所述n型掺杂区覆盖所述微环波导；

所述电极部分包括接直流信号的第一电极以及接地的第二电极和第三电极，所述第一电极设置在中间的n++型掺杂区上，所述第二电极和第三电极分别设置在两端的n++型掺杂区上，其中所述第一电极用于为所述微环波导施加电压，所述第二电极和第三电极用于检测微环波导中心位置的光电流变化，以结合所述调节系统实现波长的反馈调节。

4.根据权利要求3所述的基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器，其特征在于，所述n型掺杂区的掺杂浓度为10¹⁶-10¹⁷/cm³，n++型掺杂区的掺杂浓度为10¹⁹-10²⁰/cm³，n型掺杂区的长度在0.6-1.5 μm间，两端的n++型掺杂区的长度大于2 μm，所述微环波导的宽度在0.38-0.55 μm间，中间的n++型掺杂区的长度等于所述微环波导的内环宽度，平板区厚度在70-120 nm间，波导部分的整体厚度为220 nm。

5.根据权利要求3所述的基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器，其特征在于，所述第一电极施加的电压在0-10 V之间。

6.根据权利要求1所述的基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器，其特征在于，所述调节系统包括数模转换器、微处理器和模数转换器，所述模数转换器用于接收所述电极部分输出的电流并将所述电流转化为数字形式的电流，所述微处理器读取所述数字形式的电流并控制所述数模转换器以模拟电压的形式施加到所述电极部分。

7.根据权利要求1所述的基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器，其特征在于，在所述n行m列串联并联微环组中，半径最小的微环波导的半径为5-10 μm，半径最大的微环波导的半径为7-15 μm。

8.根据权利要求1所述的基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器，其特征在于，信道波导与所述n行m列串联并联微环组的第一行之间的间距为0.13-0.24 μm，微环组相邻行之间的间距为0.24-0.4 μm，微环组第n行与下载区之间的间距在0.13-0.24 μm间。

9.根据权利要求1所述的基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器，其特征在于，所有器件均在绝缘体上硅上制备而成，波导的下包层均为二氧化硅，芯层为硅材料。

10.根据权利要求1所述的基于逆向设计及波长自动反馈的宽带波分解复用器，其特征在于，所述下载区包括若干条形波导或脊形波导，波导高度为220 nm，宽度在400-600 nm间，所述下载区中波导的数量与所述微环组中微环波导的数量相等。

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