CN115308846A - 一种基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器，属于微纳硅基集成光学技术领域，耦合部分基于级联的亚波长光栅结构进行设计，亚波长光栅SWG是一种周期性的双折射材料结构，可以自由改变波导结构参数以满足不同的需求，同时可以提高耦合效率，实现紧凑的耦合长度。同时在耦合区域引入一段SWG锥形，实现了输入波导与SWG波导之间的绝热模耦合；弯曲部分采用180度标准圆弯曲，弯曲半径设计为45μm，以支持具有低串扰的TE0和TE1模式传输。结合上述两部分的优化可以大幅缩小微环谐振器的尺寸，并减小模式串扰。
Description
技术领域
本发明属于微纳硅基集成光学技术领域，更具体地，涉及一种基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器。
背景技术
随着现代信息技术的发展，光通信技术在日常生活中发挥着越来越重要的作用。光通信技术的迅速发展在给人们的生活带来巨大便利的同时，也对信号处理的速率提出了更高的要求。传统的光-电-光的信号处理方式由于电子瓶颈的限制，其信号处理速率难以进一步提升。全光信号处理可以在光域完成信号的处理，大大提升通信系统的通信容量。而基于集成光子平台的全光信号处理光芯片更具有尺寸小、功耗低、成本低等优点，成为近年来国内外研究的热点。
由于物联网技术的高速发展，人们对于信息的提取速度、容量、传输质量等提出了越来越高的要求。基于不同维度的复用技术为提升通信容量提供了新的思路，其中基于空间维度的模分复用(Mode Division Multiplexing，MDM)技术，能够进一步有效地提升通信的传输容量，解决人们当前通信传输所面临的问题。在诸多光学集成平台中，硅基(Silicon-On-Insulator，SOI)平台因其低成本、小尺寸、高集成度、高调谐性和与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)工艺兼容等特点从中脱颖而出，成为近十多年来最热门的集成光学研究方向之一，在集成微波光子学中有着不可替代的作用。
微环谐振器作为SOI平台最关键的基础器件之一，具有结构简单、尺寸较小、易于集成等诸多优点，可以设计制作光开关、滤波器与调制器等，并可以通过级联多个微环来实现更多的功能。而通常用于模分复用系统的多模微环谐振器常常由于模式串扰较大，导致器件性能差。常规的微环谐振器一般采用传统对称定向耦合器作为耦合部分，很难在保持紧凑尺寸的同时实现TE0和TE1的等效率耦合。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明基于亚波长光栅结构，提出一种基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器，其具备小尺寸和结构简单的优点，为多模传输提供了新思路。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器，所述微环谐振器基于SOI平台制造，由第一耦合部分、第一弯曲部分、第二耦合部分和第二弯曲部分组成；
第一耦合部分由第一级联SWG组成，第一级联SWG的一端加入一段直波导以便模式光信号输入，在第一级联SWG的外围引入第一SWG锥形结构，实现信道波导与SWG波导之间的绝热模耦合；第一弯曲部分连接在第一级联SWG的另外一端波导处；
第二耦合部分由第二级联SWG组成，第二级联SWG的一端加入一段直波导以便模式光信号输入，在第二级联SWG的外围引入第二SWG锥形结构，实现信道波导与SWG波导之间的绝热模耦合；第二弯曲部分连接在第二级联SWG的另外一端波导处；
第一耦合部分、第一弯曲部分、第二耦合部分及第二弯曲部分一次相连，形成一种对称结构的两个耦合部分与两个弯曲部分以形成微环谐振器。
在一些可选的实施方案中，所述第一级联SWG和所述第二级联SWG均由若干个SWG级联构成。
在一些可选的实施方案中，所述第一弯曲部分和所述第二弯曲部分均为180度标准圆弯曲。
在一些可选的实施方案中，所述第一级联SWG、所述第二级联SWG及所述第一弯曲部分和所述第二弯曲部分材质均为SOI。
在一些可选的实施方案中，制作于标准SOI芯片上，因此波导的厚度固定为220nm，SOI芯片的表层是220nm厚的硅，埋置氧化物层是2μm厚的SiO2。为了同时支持TE0以及TE1两种模式的正常传输，所选的波导宽度必须使两种模场都能稳定分布，利用时域有限差分FDTD仿真出不同波导宽度下可支持的稳定模场数，所以本发明所述亚波长光栅的波导宽度为1μm。
在一些可选的实施方案中，SWG的光栅周期选为280nm。
在一些可选的实施方案中，考虑到工艺容差，占空比选为0.5。
在一些可选的实施方案中，工作周期越小，亚波长光栅支持的布拉格波长越短，为了使1500nm以上的工作波长通过亚波长光栅时，避免散射损耗，光栅的布拉格波长须小于工作波长，耦合间隙的选取必须不大于260nm，所以级联的亚波长光栅的耦合间隙选择为220nm，耦合长度为20μm，引入的SWG锥形宽600nm、长度1.4μm。
在一些可选的实施方案中，45μm以上的弯曲半径可以保证两种模式较低的模间串扰，故180度标准圆弯曲的弯曲半径选为45μm。
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：
本发明所提供的一种基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器，采用了亚波长光栅结构，大大缩减了微环谐振器的尺寸，且可以实现两种模式相等的耦合效率，可应用于多模传输。实验结果表明该发明良好的实现了多模处理，可以用于先进的模分复用网络。基于此设计可以使得器件结构紧凑，同时设计灵活，结构简单，为未来大规模集成光路减小尺寸、提升通信容量提供了思路。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器3D结构示意图以及耦合区域局部放大图；
图2是本发明实施例提供的一种基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器的模拟的TE0、TE1两种模式模拟在1550nm处的耦合效率；
图3是本发明实施例提供的一种基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器的模拟的TE0、TE1两种模式透射传输谱；
图4是本发明实施例提供的一种基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器的版图；
图5是本发明实施例提供的一种基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器，测试TE0、TE1两种模式透射传输谱；
图6是本发明实施例提供的一种基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器，测试了TE0和TE1模式下加热功率从0到28mw的谐振波长偏移。
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。
本发明采用上传下载型微环谐振器(Micro Ring Resonator，MRR)，由两个级联的亚波长光栅(Subwavelength Grating，SWG)作为其耦合区域，同时在耦合区域引入一段SWG锥形，实现了输入波导与SWG波导之间的绝热模耦合；180度的标准圆弯曲作为弯曲部分。当输入具有谐振波长的TE0、TE1模式光通过输入端口耦合到MRR，并在Drop端口耦合，不符合谐振的光将直接从Through端输出。
本发明通过引入基于级联亚波长光栅的定向耦合器和180度标准圆弯曲波导，以消除模式色散效应的不良影响。亚波长光栅SWG是一种周期性的双折射材料结构，可以自由改变波导结构参数以满足不同的需求。180度标准圆弯曲波导的曲率变化平滑，设计简单灵活，既能减小串扰又保持整体结构紧凑。结合上述两部分的优化可以大幅缩小微环谐振器的尺寸，实现双模传输的微环谐振器，减小串扰。该发明还制作了谐振波长调谐的加热器，并对两种TE模式进行测试，具有良好的均匀性。
本发明的一个实施例如图1所示，图1为一种基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器3D结构示意图以及耦合区域局部放大图，图中所标参数，其中LT为耦合长度，t为所引入SWG锥形的长度，gap为耦合间隙，W为波导宽度，Λ为SWG的光栅周期，η为占空比。该器件主要对TE0、TE1模式进行传输。包括由级联亚波长光栅组成的耦合区域，其波导宽度为1μm，光栅周期为280nm，占空比为0.5。级联的亚波长光栅的耦合间隙选择为220nm，耦合长度为20μm，此外，引入了一种宽600nm、长度1.4μm的SWG锥形，实现了输入波导与SWG波导之间的绝热模耦合；弯曲部分则由两个半径为45μm的180度标准圆弯曲波导组成。
如图1所示，本发明提供的双模硅基微环谐振器结构及布置关系如下：该微环谐振器在SOI平台上制造，由第一耦合部分、第一弯曲部分、第二耦合部分和第二弯曲部分组成；第一耦合部分由第一级联SWG组成，第一级联SWG的一端加入一段直波导以便模式光信号输入，在第一级联SWG的外围引入第一SWG锥形结构，实现信道波导与SWG波导之间的绝热模耦合；第一弯曲部分连接在第一级联SWG的另外一端波导处；第二耦合部分由第二级联SWG组成，第二级联SWG的一端加入一段直波导以便模式光信号输入，在第二级联SWG的外围引入第二SWG锥形结构，实现信道波导与SWG波导之间的绝热模耦合；第二弯曲部分连接在第二级联SWG的另外一端波导处；第一耦合部分、第一弯曲部分、第二耦合部分及第二弯曲部分一次相连，形成一种对称结构的两个耦合部分与两个弯曲部分以形成微环谐振器。
本实施例中，通过亚波长光栅自由设计占空比以及工作周期可以减小芯层和包层的有效折射率差，继而提高耦合效率，实现紧凑的定向耦合器设计。具体工作情况是，当模式光信号从Input端输入，满足谐振条件的光信号通过级联亚波长光栅耦合进入弯曲波导内部，光信号在弯曲波导内干涉加强，最终从下载端Drop端耦合出去，不符合谐振条件的光则从直通端Through直接输出。
图2是两种模式TE0、TE1两种模式在1550nm处随着耦合长度变化时的不同耦合效率，可以看出在耦合长度为20μm时，两种模式的耦合效率相同。
图3是基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器，模拟的TE0、TE1两种模式透射传输谱。在图例“TE0-TE1”中，第一个“0”表示输入TE0模式，而第二个“1”代表输出TE1模式。模拟结果表明，TE0和TE1模式的插入损耗分别为～0.67和1.58dB。而TE0和TE1模式的模式串扰分别为～-17.72和-15.36dB。模拟TE0和TE1模式的自由频谱范围FSR分别为1.9和1.67nm，这可以通过优化弯曲波导来减小其尺寸来增加。
图4是基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器的版图。该器件在SOI晶片上制备，为了调整环的谐振波长，在环的顶部上制作了一个氮化钛加热器(Heater)。加热器的厚度和宽度分别为200nm和5μm。所制作的MRR的尺寸为90μm×20μm。为了测试所提出的MRR，采用了绝热模式MUX和De-MUX。
图5是基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器，测试的TE0、TE1两种模式透射传输谱。在图例“TE0-TE1”中，第一个“0”表示输入TE0模式，而第二个“1”代表输出TE1模式。TE0和TE1模式的插入损耗分别为～3和4.73dB。TE0和TE1模式的自由频频谱范围FSR分别为1.912和1.704nm。TE0和TE1模式的品质因子(Q因子)分别为～3300和5400。TE0和TE1模式的串扰测量为<-12.1和-10.3dB。需要注意的是，相对较低的消光比(～8.3dB)是由于SWG波导中的强耦合，这可以通过选择合适的耦合间隙来改善。
图6为基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器，测试的TE0和TE1模式下加热功率从0到28mw的谐振波长偏移。为了调整环的谐振波长，在MRR之上制作了一个集成的氮化钛加热器。为了表征加热器的性能，分别测量了不同加热功率TE0和TE1模式的谐振波长。测量到TE0模式和TE1模式的调谐效率分别为0.0504和0.0505nm/mw。
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 (9)
1.一种基于亚波长光栅的双模硅基微环谐振器，其特征在于，所述微环谐振器基于SOI平台制造，由第一耦合部分、第一弯曲部分、第二耦合部分和第二弯曲部分组成；
第一耦合部分由第一级联SWG组成，第一级联SWG的一端加入一段直波导以便模式光信号输入，在第一级联SWG的外围引入第一SWG锥形结构，实现信道波导与SWG波导之间的绝热模耦合；第一弯曲部分连接在第一级联SWG的另外一端波导处；
第二耦合部分由第二级联SWG组成，第二级联SWG的一端加入一段直波导以便模式光信号输入，在第二级联SWG的外围引入第二SWG锥形结构，实现信道波导与SWG波导之间的绝热模耦合；第二弯曲部分连接在第二级联SWG的另外一端波导处；
第一耦合部分、第一弯曲部分、第二耦合部分及第二弯曲部分一次相连，形成一种对称结构的两个耦合部分与两个弯曲部分以形成微环谐振器。
2.根据权利要求1所述的双模硅基微环谐振器，其特征在于，所述第一级联SWG和所述第二级联SWG均由若干个SWG级联构成。
3.根据权利要求1所述的双模硅基微环谐振器，其特征在于，所述第一弯曲部分和所述第二弯曲部分均为180度标准圆弯曲。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的双模硅基微环谐振器，其特征在于，所述第一级联SWG、所述第二级联SWG及所述第一弯曲部分和所述第二弯曲部分材质均为SOI。
5.根据权利要求4所述的双模硅基微环谐振器，其特征在于，亚波长光栅的波导宽度为1μm。
6.根据权利要求5所述的双模硅基微环谐振器，其特征在于，SWG的光栅周期选为280nm。
7.根据权利要求6所述的双模硅基微环谐振器，其特征在于，占空比选为0.5。
8.根据权利要求7所述的双模硅基微环谐振器，其特征在于，级联的亚波长光栅的耦合间隙选择为220nm，耦合长度为20μm，引入的SWG锥形宽600nm，长度1.4μm。
9.根据权利要求8所述的双模硅基微环谐振器，其特征在于，180度标准圆弯曲的弯曲半径选为45μm。
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