CN115291333A - 一种可重构的硅基多模微环谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于马赫‑增德尔干涉仪MZI的级联多模干涉MMI耦合结构的可重构硅基多模环形谐振器，属于硅基光子学中微环谐振器技术领域，基于MMI自映像原理可实现多模的同比分束，通过改变MZI的相位臂的相位差，实现不同的耦合效率。该发明可以实现多种模式的共同传输，并且可以根据耦合效率的改变以此来控制微环谐振器中不同模式的消光比ER和Q。在器件制作方面，该器件可以基于SOI材料实现，能与现有的成熟CMOS工艺完全兼容，使得器件制作成本低、易于与电学元件集成，期望在光通信与光互连等方面将有很好的应用前景。

Description

一种可重构的硅基多模微环谐振器
技术领域
本发明属于硅基光子学中微环谐振器技术领域，更具体地，涉及一种可以重构并且用于多种模式的硅基微环谐振器。
背景技术
在过去的几十年中，硅基光电子由于其低成本、小尺寸及与成熟的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)技术相兼容等优点，被普遍认定为一种很有前途的光通信系统的解决方案。随着大数据时代的到来，数据中心的通信容量激增，对通信传输的介质与方法提出了挑战。因此，多种不同维度的复用技术应运而生。相较于成熟的波分复用(Wavelength-Division Multiplexing，WDM)技术，模分复用(Mode Division Multiplexing，MDM)针对增大通信容量的需求提供了一种新维度的技术方案。在近些年来，已经报道了许多相应的多模器件，包括交叉和弯曲波导以及多模开关。微环谐振器作为硅基光电子学中的关键基础器件，可以设计制作复用器、滤波器、光开关、调制器等传统器件，还可以应用在光子神经网络、光计算等方面。
然而，由于强模式色散问题，常规的微环谐振器并不适用于多模式应用。另外，传统的多模微环谐振器设计僵硬，若想要增加更多模式，就需要对整个器件进行重新设计仿真。在之前研究中，利用全内反射(Total Internal Reflection，TIR)和受抑TIR耦合方法，设计了四种模式的微环谐振器(Micro Ring Resonator，MRR)。然而，由于工艺所造成的粗糙波导侧壁引起的散射，损耗很大，四种模式的Q因子只有几千。另外，由于工艺及应用等因素的要求，需要对微环谐振器进行相应的性能调整。然而，可重构的多模微环谐振器却鲜有报道。有些文章写了通过对多模干涉(Multi-mode Inferometer，MMI)的多模干涉区进行加热实现了对微环谐振器的耦合效率的调节，但是此器件并不支持多种模式，且可调范围较小。故对可重构多模微环谐振器有着重要的研究价值。
常规的微环谐振器设计中常采用定向耦合以及MMI耦合的方式，前者很难实现多模的不敏感耦合。MMI作为硅光子学的基础器件，同样受到许多的关注。基于MMI的功率分束器能提供宽的、对波长不敏感的工作带宽，又能更好地耐受制造变化和误差。目前可以实现任意比的功率分束器。对于微环谐振器，就意味着可以实现任意的耦合效率。因此，如何通过MMI实现任意耦合效率，实现多种模式的共同传输是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种可重构的硅基多模谐振器，可以实现多种模式的共同传输，并且可以根据耦合效率的改变以此来控制微环谐振器中不同模式的消光比ER和Q值。
为实现上述目的，本发明提供了一种可重构的硅基多模微环谐振器，所述硅基多模微环谐振器基于上传下载型微环谐振器结构，through端与drop端的第一耦合区域和第二耦合区域均由两个级联的MMI组成；
第一耦合区域的两个级联MMI的中间部分形成第一MZI结构，第二耦合区域的两个级联MMI的中间部分形成第二MZI结构，通过在第一MZI结构的单臂上设计第一移相器，及在第二MZI结构的单臂上设计第二移相器以实现不同的耦合效率。
在一些可选的实施方案中，through端与drop端的第一耦合区域和第二耦合区域均由两个级联的3dB MMI组成。
在一些可选的实施方案中，为了实现两种模式的相同调节，在第一MZI结构和第二MZI结构的相位臂部分采用更宽的4μm波导宽度，使两种模式的有效折射率相近，即两种模式的有效折射率之间的差距<0.02，在此部分还设计了弯曲的热调相移器以提升相移效率。
在一些可选的实施方案中，为了减小热串扰和损耗，在整个硅基多模微环谐振器的弯曲部分均采用90度Euler弯曲波导，以减小损耗缩小尺寸，增大第一MZI结构和第二MZI结构的上下两臂间距。
在一些可选的实施方案中，第一耦合区域和第二耦合区域通过两根直波导连接以实现微环谐振器功能。
在一些可选的实施方案中，所述硅基多模微环谐振器基于多项目SOI晶圆设计和制造，顶部硅层为220nm，SiO2埋层为2μm，使用电子束光刻EBL和电感耦合等离子体ICP蚀刻形成波导结构，通过等离子体增强化学气相沉积PECVD的2μm厚的SiO2覆层覆盖整个硅基多模微环谐振器，在TiN heater与波导之间形成缓冲层，金属铝电极溅射在单独的一层上，通过DC探针实现与外部电源的连接，为支持多模传输，设计1μm宽的波导宽度进行传输，在级联MMI中间的类MZI部分采用波导加宽设计，并且将HEATER设计成弯曲结构，进一步提升加热效率。
其中，本发明是基于220nm厚的硅核心层和2um厚的氧化物层的标准CMOS工艺SOI平台设计，硅和二氧化硅相应的折射率分别为nsi＝3.455、nSiO2＝1.445，该器件针对TE模式进行设计，工作在用于常规通信的C波段。
其中，MMI器件的中心结构被称为多模干涉区，是一个用于支持大量模式的多模波导(一般＞3)，为了将光输入到多模波导中并从多模波导中恢复光传输，在多模波导的开始和结束处放置了若干单模通路波导。自映像作为多模波导的一种特性，当光从输入波导进入多模干涉区后，会激发多种模式，这些模式在干涉区发生相干干涉，在传播方向上以周期性间隔复制为单个成像和多个成像。
其中，MMI基于自映像原理可以实现多种模式的3dB分束。利用MMI提高多种模式在耦合时的一致性，从而增加支持的模式信道数，以实现多模微环谐振器功能。为了保证TE0、TE1的成像质量，WMMI设置为4μm。输入和输出锥形波导的长度会影响损耗及模间串扰，需要优化输入和输出波导的锥度长度，在此锥度的长度选择5μm，以满足绝热过渡。多模干涉区输入端宽度Wa会影响多模成像，利用本征模展开法EME分别计算TE0和TE1模式输入时，可以得到MMI多模干涉区的6个最低阶激励模式功率和与Wa的关系。功率比是指耦合到激励模式的输入功率的比例。输入端口的宽度应该足够大，以避免较高的额外损耗。在这里选择Wa＝1.9μm，此时TE0和TE1模式在MMI区域耦合到6个最低阶模态的总功率大于99％。端口间距Wg设置为0.2μm。TE0和TE1模式的分光比随MMI宽度的变化而改变，然后根据成像位置公式得出第一次二成像位置为29.8μm，即多模干涉区长度需大于29.8μm，利用FDTD计算出实现均匀50:50功率分束的最优长度LMMI为58.1μm。
其中，根据传统上传下载型微环谐振器的drop端传递函数公式，并对其简化计算，在此以该公式进行仿真计算。通过用微环谐振器through端与drop端的透过系数，和微环谐振器through端与drop端的耦合系数，以及微环谐振器的环程损耗系数和微环的环程相移。通过FDE求解器得到不同模式的有效折射率，可以计算得到不同模式在不同耦合效率下的透射谱。
其中，作为可以支持基模TE0和TE1或更高阶模式的多模宽波导，当光沿着微环传播时，由于弯曲波导和直波导连接区存在强烈的模式失配，会产生较大的额外损耗和模间串扰。为了解决这一问题，一般都会选择改变弯曲波导或直波导的有效折射率分布使两者相匹配，本发明采用的基于修正欧拉曲线的多模弯曲波导是一种有效减小模式失配的方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明针对目前大容量通信需求日益增加的问题，从模分复用系统的方向出发，提出一种基于MZI的级联多模干涉MMI耦合结构的可重构硅基多模微环谐振器。本发明的硅基多模微环谐振器具有良好的可重构特性，通过基于马赫-增德尔干涉仪(Mach-Zehnderinterferometer，MZI)的级联多模干涉MMI耦合结构实现了多模式的任意耦合效率，只需要在MZI相位臂施加电压就可以进行耦合效率的改变，并且同时可以实现多模微环谐振器的ER与Q动态调控。通过在相位臂实施波导加宽设计，可以实现多种模式的一致性调控和多种模式共同传输。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种上传下载型微环谐振器结构图；
图2是本发明实施例提供的一种优化后的可重构硅基多模微环谐振器结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种可重构硅基多模微环谐振器耦合区域的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种多模波导折射率的二维阶梯示意图；
图5是本发明实施例提供的一种多模波导支持的多种模式示意图；
图6是本发明实施例提供的一种TE0与TE1模式的透射谱，和其相对应的微环性能参数(ER、Q)随着不同耦合效率的趋势图，其中，(a)为TE0与TE1模式的透射谱，(b)为相对应的微环性能参数(ER、Q)随着不同耦合效率的趋势图；
图7是本发明实施例提供的一种TE0与TE1两种模式的Drop端的光谱响应图以及Q与ER随电压改变的趋势图，其中，(a)与(b)分别展示的是TE0与TE1两种模式的Drop端测得的光谱响应，(c)表示的是随着电压不断增大，TE0与TE1两种模式的Q与ER随着电压改变的趋势图；
其中，1-1到1-4为直波导，2-1到2-4为弯曲波导，3-1到3-4为多模耦合器，4-1到4-4为3dB MMI，5-1到5-2为相移器，6-1到6-4为90度欧拉弯曲波导，7为电极，8为光栅。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。
图1是上传下载型微环谐振器结构示意图，目前学术界一般采用琼斯矩阵来分析微环的传递矩阵。当输入端输入电场振幅为Ei的光信号时，其耦合到环波导的耦合效率为κ1，Er1表示为耦合进微环的光，在微环中传输一半路程时再以κ2的耦合效率进入下载端，耦合的光信号继续沿微环传输一周后的光场强度为Er2。通过琼斯矩阵分析耦合区的定向耦合器可得微环直通端的光场Et、耦合光场Er1以及微环的输入光Ei之间的关系。由于强模式色散问题，常规的微环谐振器并不适用于多模式应用。另外，传统的多模微环谐振器设计僵硬，若想要增加更多模式，就需要对整个器件进行重新设计仿真。然而，由于工艺所造成的粗糙波导侧壁引起的散射，损耗很大，四种模式的Q因子只有几千。所以常规微环谐振器适用范围很小。
本发明提供的多模微环谐振器是基于MZI的级联多模干涉MMI耦合结构的可重构硅基多模环形谐振器。基于MMI自映像原理可实现多模的同比分束，通过改变MZI的相位臂的相位差，实现不同的耦合效率。该发明可以实现多种模式的共同传输、并且可以根据耦合效率的改变以此来控制微环谐振器中不同模式的消光比ER和Q。
本发明提供了一种如图2所示的可重构多模微环谐振器。该微环谐振器基于上传下载型结构进行设计。其中，1-1到1-4为直波导，2-1到2-4为弯曲波导，3-1到3-4为多模耦合器，4-1到4-4为3dB MMI，5-1到5-2为相移器，6-1到6-4为90度欧拉弯曲波导，7为电极，8为光栅。该器件由四个90°欧拉弯曲波导6-1到6-4和两个MZI光开关组成4-1到4-4。through端与drop端的耦合区域分别由两个级联的3dB MMI 4-1到4-4组成，两个级联3dB MMI的中间部分形成一个MZI的结构。当微环谐振器工作时，处于谐振波长的TE0、TE1、TE2和TE3模式光通过级联3dB MMI会进行50:50的分路，此时级联MMI之间上下两根等臂波导的相位差在90°，在不对下臂移相器5-1到5-2施加热调的情况下，大部分光会等效率耦合到环形波导中。此时所有模式的透射谱消光比都很低，随后同时给上下两个级联MMI的下臂波导的移相器施加电压，这会改变MMI上下两臂输出光的相位差，因而改变MMI的上下端输出分光比，即可以实现任意耦合效率的调谐，进一步给上下两个级联MMI的下臂移相器施加不同的输入电压可以使微环趋向临界耦合。由于所有的模式光在多模弯曲波导2-1到2-4的传输中几乎没有串扰，因此可以在下载端端口同等传输出去。欧拉弯曲波导6-1到6-4用以支持TE0、TE1、TE2和TE3模式低串扰、低损耗的传输，通过上述两部分实现TE0、TE1、TE2和TE3模式的统一处理。
图3是为所提出的可重构多模微环谐振器耦合区域的结构示意图，其中LMMI与WMMI分别为MMI多模干涉区的长度与宽度，多模干涉区的输入输出分别采用波导宽度由Wt到Wa的taper，Wg为两锥形波导(taper)间的间隙。当微环谐振器工作时，入射光从input端口输入，经模式复用器实现基模到高阶模式转换。本发明提出的可重构多模微环谐振器通过独特的级联MMI结构进行耦合设计，可以实现不同模式以相同耦合效率进行工作。再通过移相器改变耦合效率来实现不同的ER与Q。
图4和图5展示了MMI的多模干涉区结构示意图和多模波导中支持的各阶传输模式。在图4中，WM代表多模波导的宽度，nr为芯层折射率，nc为包层折射率。波长在λ0处可以支持m个传输模式。由于存在古斯-汉森(Good-Hahnchen)位移，当光束射入一个光学界面发生全反射时，反射点和入射点之间存在一个界面上的横向位移，因此We是考虑到模式光射入波导边界会发生位移的等效宽度，考虑到硅波导存在高折射率差，这种位移比较微小，因此We可等效为WM，一般也近似为基模的有效宽度We0。其模式阶数如图5所示分别为v＝0，1，2，3…(m-1)。由于存在古斯-汉森(Good-Hahnchen)位移，当光束射入一个光学界面发生全反射时，反射点和入射点之间存在一个界面上的横向位移，因此We是考虑到模式光射入波导边界会发生位移的等效宽度，考虑到硅波导存在高折射率差，这种位移比较微小，因此We可等效为WM，一般也近似为基模的有效宽度We0。
图6中(a)所示分别为TE0与TE1模式的透射谱。其相对应的微环性能参数(ER、Q)随着不同耦合效率的趋势图如图6中(b)所示。波长满足谐振条件的TE0、TE1模式光通过级联3dB MMI会进行50:50的分束，此时MZI区域的两根等臂波导的相位差为180°。当前微环谐振器工作在过耦合状态，两种模式的消光比较小，Q较低。通过给上下两个MZI的下臂波导的移相器施加电压，以此改变MMI上下两臂输出光的相位差，因而改变MMI的上下端输出分光比，即可以实现任意耦合效率的调谐，进一步给上下两个级联MMI的下臂移相器施加不同的输入电压可以使微环趋向临界耦合，增大ER与Q。由于所有的模式光在多模弯曲波导的传输中几乎没有串扰，因此可以在Drop端口同等传输出去。
图7中(a)与(b)分别展示的是TE0与TE1两种模式的Drop端测得的光谱响应。从图7中可以看出，随着电压的不断增大，两种模式的ER逐渐变大，对应的Q也逐渐变大。图7中(c)表示的是随着电压不断增大，TE0与TE1两种模式的Q与ER随着电压改变的趋势图。这与理论分析和仿真结果是一致的。在未加电压时，TE0模式与TE1模式的ER分别为2.4dB与3.36dB，Q分别为4369与3096。随着电压的增大，在电压为8V时，TE1的消光比为10.78dB，Q为10095。造成这种差异的原因是两种模式在波导中的模场分布不同，TE1的模场与波导侧壁的接触面积更大。由于工艺原因波导侧壁是具有一定粗糙度的，所以TE1的传播损耗会大于TE0模式，临界耦合状态会有差异。
本发明是基于SOI晶圆设计和制造，顶部硅层为220nm，SiO2埋层为2μm。使用电子束光刻(Electron-Blocking Layer，EBL)和电感耦合等离子体(Inductively CoupledPlasma，ICP)蚀刻形成波导结构。通过等离子体增强化学气相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD)的2μm厚的SiO2覆层覆盖整个器件，在TiN heater与波导之间形成缓冲层。金属铝电极溅射在单独的一层上，通过DC探针实现与外部电源的连接。为支持多模传输，设计1μm宽的波导宽度进行传输。在级联MMI中间的类MZI部分采用波导加宽设计，并且将HEATER设计成弯曲结构，进一步提升加热效率。
本发明可重构硅基多模谐振器具有良好多模式的任意耦合效率，只需要在MZI相位臂施加电压可以进行耦合效率的改变，以此多模微环谐振器的ER与Q可以实现动态调控。通过在相位臂实施波导加宽设计，可以实现多种模式的一致性调控。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可重构的硅基多模微环谐振器，其特征在于，所述硅基多模微环谐振器基于上传下载型微环谐振器结构，through端与drop端的第一耦合区域和第二耦合区域均由两个级联的MMI组成；
第一耦合区域的两个级联MMI的中间部分形成第一MZI结构，第二耦合区域的两个级联MMI的中间部分形成第二MZI结构，通过在第一MZI结构的单臂上设计第一移相器，及在第二MZI结构的单臂上设计第二移相器以实现不同的耦合效率。
2.根据权利要求1所述的硅基多模微环谐振器，其特征在于，through端与drop端的第一耦合区域和第二耦合区域均由两个级联的3dB MMI组成。
3.根据权利要求2所述的硅基多模微环谐振器，其特征在于，在第一MZI结构和第二MZI结构的相位臂部分采用更宽的4μm波导宽度，使两种模式的有效折射率相近，即两种模式的有效折射率之间的差距<0.02，在此部分还设计了弯曲的热调以提升相移效率。
4.根据权利要求3所述的硅基多模微环谐振器，其特征在于，在整个硅基多模微环谐振器的弯曲部分均采用90度Euler弯曲波导，以减小损耗缩小尺寸，增大第一MZI结构和第二MZI结构的上下两臂间距。
5.根据权利要求4所述的硅基多模微环谐振器，其特征在于，第一耦合区域和第二耦合区域通过两根直波导连接以实现微环谐振器功能。
6.根据权利要求5所述的硅基多模微环谐振器，其特征在于，所述硅基多模微环谐振器基于多项目SOI晶圆设计和制造，顶部硅层为220nm，SiO2埋层为2μm，使用电子束光刻EBL和电感耦合等离子体ICP蚀刻形成波导结构，通过等离子体增强化学气相沉积PECVD的2μm厚的SiO2覆层覆盖整个硅基多模微环谐振器，在TiN heater与波导之间形成缓冲层，金属铝电极溅射在单独的一层上，通过DC探针实现与外部电源的连接，为支持多模传输，设计1μm宽的波导宽度进行传输，在级联MMI中间的类MZI部分采用波导加宽设计，并且将HEATER设计成弯曲结构，进一步提升加热效率。
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DAOXIN DAI, ET AL.: "\"Multimode silicon photonic devices\"" *

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