CN115421245B - 一种基于soi上氮化硅平台的o波段3d模式分束器 - Google Patents

一种基于soi上氮化硅平台的o波段3d模式分束器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SOI上氮化硅平台的O波段3D模式分束器，所述模式分束器包括总线波导、分支波导和基模波导，所述总线波导由硅材料制备，位于所述模式分束器的第一层，所述分支波导由氮化硅材料制备，位于所述模式分束器的第二层，并置于总线波导的斜上方，所述分支波导耦合区与总线波导耦合区隔层相邻，形成层间相互作用的模式分束器结构，所述基模波导由硅材料制备，位于总线波导所在的第一层，所述基模波导耦合区与分支波导输出区隔层相邻，将分支波导中的光信号耦合至硅波导；本发明可以实现对输入光信号的模式分束，可应用于多通道光通信系统，具有工艺容差大、温度敏感度低、易于加工和Si层占用面积小等特点。

Description

一种基于SOI上氮化硅平台的O波段3D模式分束器
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于SOI（Silicon on Insulator，绝缘体上硅）上氮化硅平台的O波段3D模式分束器。
背景技术
随着信息化的逐步发展，人们对超高速率、超大容量和超低功耗的信息传输、处理的需求日益增加。为了满足快速增长的带宽需求，全世界都在寻求新技术以进一步提高光纤的信号承载能力。光纤传输采用多种复用技术，来提高信道容量，其中包括波分复用技术、偏振复用技术与模分复用技术等等。基于少模光纤的模分复用技术可以根据承载独立信号通道的模数成比例地扩展光纤的传输容量，近年来备受关注。模分复用技术利用不同的模式同时携带信息进行通信，这样在同等传输带宽下，多个模式复用就增加了多倍的传输数据量。模分复用系统中的一个关键器件是用于空间组合或分离不同模式通道的模式分束器。模式解复用器可以通过体光学元件、光纤和平面波导来实现。特别是基于SOI（Silicon on Insulator，绝缘体上硅）平台的波导模式分束器，具有紧凑性、光纤兼容性和集成能力等优点。目前已经提出了各种波导结构来实现模式分束器，例如多模干涉仪、非对称Y结和定向耦合器，但目前这些器件在性能上存在着工艺容差小、温度敏感度高和Si层占用面积大等问题，降低了器件的实用性。
发明内容
为了克服现有模式分束器的工艺容差小、温度敏感度高和Si层占用面积大等不足，本发明提出一种基于SOI上氮化硅平台的O波段3D模式分束器，该发明具有工艺容差大、温度敏感度低、易于加工、Si层占用面积小等特点，可以应用至基于SOI平台的光模块、光开关和逻辑光路等。
本发明采用以下技术方案：
一种基于SOI上氮化硅平台的O波段3D模式分束器包括总线波导、分支波导和基模波导，所述总线波导由硅材料制备，位于所述模式分束器的第一层，包括输入区、耦合区、输出区，所述分支波导由氮化硅材料制备，位于所述模式分束器的第二层，并置于总线波导的斜上方，包括耦合区、输出区。所述分支波导耦合区与总线波导耦合区隔层相邻，形成层间相互作用的模式分束器结构，所述基模波导由硅材料制备，位于总线波导所在的第一层，包括耦合区、输出区，所述基模波导耦合区与分支波导输出区隔层相邻，将分支波导中的光信号耦合至硅波导。
进一步地，所述总线波导输入区与总线波导耦合区输入端相连，为宽度和高度与总线波导耦合区输入端相等的条形直波导，用于TEO与TE1两个模式的光输入；
所述总线波导耦合区为宽度逐渐变小的锥状波导，所述分支波导耦合区为宽度逐渐变大的锥状波导，并位于总线波导的上层，所述总线波导耦合区和分支波导耦合区构成层间相互作用的模式分束结构，可以通过相速度匹配的方式，将总线波导中的TE1信号耦合至分支波导，并在分支波导耦合区输出端中以TE0模式的形式进行传播，同时总线波导中的TE0信号在总线波导耦合区输出端中继续传播；
所述总线波导输出区与总线波导耦合区输出端相连，为宽度和高度与总线波导耦合区输出端相等的条形直波导，用于TEO模式的光输出。
进一步地，所述分支波导输出区与分支波导耦合区输出端通过第一弯波导和第二弯波导相连，第一弯波导、第二弯波导的宽度和高度与分支波导耦合区输出端相等，用于TE1光信号的传输，分支波导输出区的高度与第一弯波导、第二弯波导相等，但其宽度随着光信号的传输逐渐变窄，用于TE1光信号由分支波导到基模波导进行耦合时的相速度匹配。
进一步地，所述基模波导耦合区由高度与总线波导相等，且宽度逐渐变宽的锥状波导构成，用于与TE1光信号由分支波导到基模波导进行耦合时的相速度匹配。
进一步地，所述基模波导输出区为宽度和高度与基模波导耦合区输出端相等的条形直波导，用于TE1光信号的光输出，此时的TE1光信号由所述基模波导输出区中的TE0模式代表。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
（1）通过采用Si3N4锥状波导与Si锥状波导之间的相速度匹配效应，在实现TE1与TE0模式分束的同时，在Si3N4锥状波导中将TE1模式转化为TE0模式，并耦合至硅波导进行输出，与硅相比，Si3N4大大降低了工艺难度和Si层占用面积，并降低了器件热光效应以及光学非线性，可以灵活地应用于大容量光通信系统中，也可以用于设计光模块、光开关和逻辑光路等；
（2）本发明波导结构制作工艺可与COMS相兼容，一方面能够有效降低模式分束器的生产成本，另一方面可以消除现有的化合物半导体工艺线由于技术落后而引入的损伤，加固器件的可靠性。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于SOI上氮化硅平台的O波段3D模式分束器的整体结构示意图；
图2为本发明提出的一种基于SOI上氮化硅平台的O波段3D模式分束器的俯视结构示意图，其中包含截面Cross-A和Cross-B在模式分束器中的位置；
图3为本发明提出的一种基于SOI上氮化硅平台的O波段3D模式分束器的截面示意图，其中，（a）为Cross-A截面示意图，（b）为Cross-B截面示意图；
图4为本发明对应TE1输入时，光经过总线波导输入区，总线波导与分支波导的耦合区，分支波导输出区的功率传输率、串扰至总线波导输出端口的串扰率和TE1信号的整体损耗率的仿真计算结果曲线图；
图5为本发明对应TE0输入时，光经过总线波导输入区，总线波导耦合区，总线波导输出区的功率传输率、串扰至分支波导输出端口的串扰率和TE0信号的整体损耗率的仿真计算结果曲线图；
图中，总线波导1、分支波导2、基模波导3、总线波导输入区1-1、总线波导耦合区1-2、总线波导输出区1-3、分支波导耦合区2-1、第一弯波导2-2、第二弯波导2-3、分支波导输出区2-4、基模波导耦合区3-1、基模波导输出区3-2。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明：
本发明可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便时本发明公开透明且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
参照图1的示意，所述分束器包括总线波导1、分支波导2和基模波导3，所述总线波导1和基模波导3由硅材料制备。总线波导1位于所述模式分束器的第一层，包括总线波导1输入区、耦合区、输出区，基模波导3包括耦合区、输出区，所述分支波导2由氮化硅材料制备，位于所述模式分束器的第二层，并置于总线波导的斜上方，包括耦合区、输出区，所述分支波导耦合区2-1与总线波和基模波导3隔层相邻，形成层间相互作用的模式分束结构。
参照图2的示意，所述总线波导输入区1-1与总线波导耦合区1-2相连，总线波导输入区1-1为宽度和高度与总线波导耦合区输入端相等的条形直波导，用于TE0与TE1两个模式的光输入，所述总线波导耦合区1-2为宽度逐渐变小的锥状波导，和分支波导耦合区2-1构成层间相互作用的模式分束结构，可以通过相速度匹配的方式，将总线波导中的TE1信号耦合至分支波导2，并在分支波导耦合区2-1输出端中以TE0模式的形式进行传播，同时总线波导1中的TE0信号在总线波导耦合区1-2输出端中继续传播，所述总线波导输出区1-3与总线波导耦合区1-2相连，为宽度和高度与总线波导耦合区1-2输出端相等的条形直波导，用于TE0模式的光输出。
所述分支波导耦合区2-1为宽度逐渐变大的锥状波导，并位于总线波导1的上层，与总线波导耦合区1-2构成层间相互作用的模式分束结构，可以通过相速度匹配的方式，将总线波导1中的TE1信号耦合至分支波导2，并在分支波导耦合区2-1中以TE0模式的形式进行传播，所述分支波导输出区2-4与分支波导耦合区2-1输出端通过第一弯波导2-2和第二弯波导2-3相连，第一弯波导2-2和第二弯波导2-3的宽度和高度与分支波导耦合区2-1输出端相等，用于TE1光信号的传输，分支波导输出区2-4的高度与第一弯波导2-2和第二弯波导2-3相等，但其宽度随着光信号的传输逐渐变窄，用于TE1光信号由分支波导2到基模波导3进行耦合时的相速度匹配。
所述基模波导耦合区3-1为高度与总线波导1相等，且宽度逐渐变宽的锥状波导构成，用于TE1光信号由分支波导2到基模波3导进行耦合时的相速度匹配，所述基模波导输出区3-2为宽度和高度与基模波导耦合区3-1输出端相等的条形直波导，用于TE1光信号的光输出，此时的TE1光信号由所述基模波导输出区3-2中的TE0模式代表。
参照图3.(a)的示意，所述分支波导耦合区2-1位于总线波导耦合区1-2的斜上方，所述分支波导耦合区2-1由Si3N4制备，所述总线波导耦合区1-2由Si制备，两者共同形成基于相速度匹配的层间模式分束结构。
参照图3.(b)的示意，所述分支波导输出区2-4位于总线波导输出区1-3的斜上方，所述基模波导耦合区3-1位于分支波导输出区2-4的下方，基模波导耦合区3-1与分支波导输出区2-4共同形成基于相速度匹配的层间模式分束结构。
所述总线波导1与基模波导3以标准SOI平台制备，以使所述总线波导1与基模波导3各部位高度等，所述分支波导2以标准氮化硅平台批量制备，以使所述分支波导2各部位高度等，且上述各波导被置于起保护作用的二氧化硅包覆层内。
本发明提出的一种基于SOI上氮化硅平台的O波段3D模式分束器，其工作原理为：根据模式在波导宽度不同时的有效折射率不同，以及波导之间相速度匹配的原理，所述分支波导耦合区2-1与总线波导耦合区1-2在宽度变化的过程中可实现TE1模式从总线波导1中耦合至分支波导2，并且所述基模波导耦合区3-1与分支波导输出区2-4在宽度变化的过程中可实现携带TE1信息的TE0模式从分支波导2耦合至基模波导3，从而完成Si波导中的TE0与TE1的模式分束。
本发明结构下，当TE0模式与TE1模式从述总线波导输入区1-1输入后，经过分支波导耦合区2-1与总线波导耦合区1-2的层间耦合，TE1模式信号在分支波导耦合区2-1输出端中以TE0模式的形式进行传播，同时总线波导1中的TE0信号在这总线波导1中继续传播，从总线波导输出区1-3输出端输出，携带TE1模式信号的TE0模式经过基模波导耦合区3-1与分支波导输出区2-4的层间耦合，从基模波导输出区3-2输出端输出。
为了验证本发明在实际应用中的效果，通过以下仿真实验进行说明：
本实验采用时域有限差分法进行计算分析，仿真实验中用到的主要参数包括：Si波导与Si3N4波导的高度，分别为220纳米与400纳米；分支波导耦合区2-1输入端、输出端宽度与总长度，分别为350纳米、700纳米与50微米；总线波导耦合区1-2输入端和输出端宽度与总长度，分别为450纳米、380纳米与50微米。
从图4中可以看出，对应TE1输入时，光经过总线波导输入区，总线波导与分支波导的耦合区，在1310纳米波长处，分支波导输出区的功率传输率为88.9%、串扰至总线波导输出端口的串扰率为1.3%、TE1信号的整体损耗率为9.8%，实现了TE1模式信号从总线波导2至分支波导的低串扰耦合。
从图5中可以看出，对应TE0输入时，光经过总线波导输入区，总线波导耦合区，在1310纳米波长处，总线波导输出区的功率传输率为97.7%、串扰至分支波导输出端口的串扰率为十万分之4.2、TE0信号的整体损耗率为2.3%，实现了TE0模式信号的低损耗和低串扰输出。
综上，本发明提供的一种基于SOI上氮化硅平台的O波段3D模式分束器可实现TE0模式和TE1模式的分束功能，并且损耗低、串扰小。与硅相比，Si3N4大大降低了工艺难度和Si层占用面积，并降低了器件热光效应以及光学非线性，可以灵活地应用于大容量光通信系统中，也可以用于设计光模块、光开关和逻辑光路等。
应说明的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述不能理解为本发明专利分为的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于SOI上氮化硅平台的O波段3D模式分束器，其特征是：所述模式分束器包括总线波导（1）、分支波导（2）和基模波导（3），所述总线波导（1）由硅材料制备，位于所述模式分束器的第一层，包括输入区、耦合区、输出区，所述分支波导（2）由氮化硅材料制备，位于所述模式分束器的第二层，并置于总线波导（1）的斜上方，包括耦合区、输出区；所述分支波导耦合区（2-1）与总线波导耦合区（1-2）隔层相邻，形成层间相互作用的模式分束器结构，所述基模波导（3）由硅材料制备，位于总线波导（1）所在的第一层，包括耦合区、输出区，所述基模波导耦合区（3-1）与分支波导输出区（2-4）隔层相邻，将分支波导（2）中的光信号耦合至硅波导；
所述总线波导输入区（1-1）与总线波导耦合区（1-2）输入端相连，为宽度和高度与总线波导耦合区（1-2）输入端相等的条形直波导，用于TE0 与TE1两个模式的光输入；
所述总线波导耦合区（1-2）为宽度逐渐变小的锥状波导，所述分支波导耦合区（2-1）为宽度逐渐变大的锥状波导，并位于总线波导（1）的上层，所述总线波导耦合区（1-2）和分支波导耦合区（2-1）构成层间相互作用的模式分束结构，通过相速度匹配的方式，将总线波导（1）中的TE1信号耦合至分支波导（2），并在分支波导耦合区（2-1）输出端中以TE0模式的形式进行传播，同时总线波导（1）中的TE0信号在总线波导耦合区（1-2）输出端中继续传播；
所述总线波导输出区（1-3）与总线波导耦合区（1-2）输出端相连，为宽度和高度与总线波导耦合区（1-2）输出端相等的条形直波导，用于TE0 模式的光输出。
2.如权利要求1所述的基于SOI上氮化硅平台的O波段3D模式分束器，其特征是：所述分支波导输出区（2-4）与分支波导耦合区（2-1）输出端通过第一弯波导（2-2）和第二弯波导（2-3）相连，第一弯波导（2-2）、第二弯波导（2-3）的宽度和高度与分支波导耦合区（2-1）输出端相等，用于TE1光信号的传输，分支波导输出区（2-4）的高度与第一弯波导（2-2）、第二弯波导（2-3）相等，但其宽度随着光信号的传输逐渐变窄，用于TE1光信号由分支波导（2）到基模波导（3）进行耦合时的相速度匹配。
3.如权利要求1所述的基于SOI上氮化硅平台的O波段3D模式分束器，其特征是：所述基模波导耦合区（3-1）由高度与总线波导（1）相等，且宽度逐渐变宽的锥状波导构成，用于与TE1光信号由分支波导（2）到基模波导（3）进行耦合时的相速度匹配。
4.如权利要求1所述的基于SOI上氮化硅平台的O波段3D模式分束器，其特征是：所述基模波导输出区（3-2）为宽度和高度与基模波导耦合区（3-1）输出端相等的条形直波导，用于TE1光信号的光输出，此时的TE1光信号由所述基模波导输出区（3-2）中的TE0模式代表。
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