CN116560004A - 一种基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路 - Google Patents
一种基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116560004A CN116560004A CN202310612771.5A CN202310612771A CN116560004A CN 116560004 A CN116560004 A CN 116560004A CN 202310612771 A CN202310612771 A CN 202310612771A CN 116560004 A CN116560004 A CN 116560004A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- waveguide
- wavelength multiplexer
- wavelength
- multimode
- modulator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 41
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 52
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 14
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 7
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 18
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 15
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 13
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000012552 review Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- ZVLDJSZFKQJMKD-UHFFFAOYSA-N [Li].[Si] Chemical compound [Li].[Si] ZVLDJSZFKQJMKD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
- G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
- G02B6/29304—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by diffraction, e.g. grating
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
- G02B6/2753—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means characterised by their function or use, i.e. of the complete device
- G02B6/2773—Polarisation splitting or combining
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
- G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
- G02B6/29379—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device
- G02B6/2938—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device for multiplexing or demultiplexing, i.e. combining or separating wavelengths, e.g. 1xN, NxM
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明公开了一种薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路，包括八个MRR型调制器、八个基于反射布拉格光栅的波长复用器、两个偏振旋转分束器、一个基于亚波长波导光栅的锥形波导和一个双偏振一阶模式复用/解复用器。该光子集成回路先对输入的λ0、λ1波长信号进行调制，随后利用不同工作波长的反射布拉格光栅进行波长复用，再进行模式‑偏振复用，从而实现了波长、模式、偏振混合复用加信号调制的功能。该多维复用调制一体光子集成回路具有信道的可拓展特性，有望被用于光互连中实现光网络中的超大容量数据传输。
Description
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，涉及一种基于铌酸锂薄膜波导的片上多维复用调制一体的光子集成回路。
背景技术
近年来，具有优异电光、声光、压电特性的铌酸锂被广泛关注。由于波导制作方法的原因导致现有技术中铌酸锂器件的波导折射率差较低、器件体积较大，无法实现高度集成。随着工艺技术的发展，绝缘体上铌酸锂（LNOI）平台应运而生。该平台的薄膜铌酸锂既保留了铌酸锂材料的特性，又具有高折射率差的优势，使得研究人员很容易在LNOI上集成多个单元器件。目前国内外有许多基于LNOI平台的优异的电光调制器被相继报道，如美国哈佛大学的Marko Lončar课题组在Nature上发表了CMOS兼容驱动电压的薄膜铌酸锂电光调制器(“Integratedlithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages”Nature 562(7725), 101-104 (2018))。中山大学蔡鑫伦课题组在Nature Photonics上发表了超100 Gbps调制速率的硅-铌酸锂混合调制器(“High-performance hybrid silicon and lithium niobate Mach–Zehnder modulators for100 Gbits-1and beyond” Nature Photonics, 13(5), 359-364(2019))。
然而，随着人们对数据容量需求的不断增长，单个调制器所实现的数据调制速率仍然无法满足未来的需求。一种理想的方案就是将调制器与先进的复用技术相结合从而实现单根波导中传输的数据容量得到爆炸式增长。常见的光学复用技术有波分复用技术、模式复用技术、偏振复用技术。部分基于LNOI的复用/解复用器件以及复用调制一体器件已经被提出。如中山大学蔡鑫伦课题组在Optica上发表的双偏振薄膜铌酸锂同相正交调制器(“Dual-polarization thin-film lithium niobate in-phasequadrature modulatorsforterabit-per-secondtransmission” Optica, 9(1), 61-62 (2022))。
目前报道的铌酸锂复用技术以及复用调制一体器件大多是基于单一维度的复用，对信道数目的扩展有限，波导中传输的数据容量提升不够明显。且铌酸锂材料具有复杂的模式特性，在特定波导宽度时存在模式杂化（TM偏振的光与TE偏振的光会发生相互转化）详见文献（“Mode and polarization-division multiplexing based on silicon nitrideloaded lithiumniobate on insulator platform” Laser&Photonics Reviews, 16(1),2100529 (2022).）以及文献（“High-PerformanceMode‐Multiplexing Device withAnisotropic Lithium-Niobate-on-Insulator Waveguides”Laser&Photonics Reviews,2200774 (2023)）。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路，同时复用调制波长、模式、偏振三个维度，实现在单个波导中同时传输多路信道，提升数据传输容量。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路，其特征在于，包括八个MRR型调制器、八个波长复用器、两个偏振旋转分束器以及一个双偏振一阶模式复用/解复用器；八个波长复用器中的两个波长复用器和八个MRR型调制器中的两个MRR型调制器组成一个组合，共为四个组合，两个组合分别通过波导与一个偏振旋转分束器相连，该一个偏振旋转分束器通过亚波长波导的光栅锥形波导与双偏振一阶模式的复用/解复用器相连，另外两个组合分别通过另外的波导与另一个偏振旋转分束器相连，另一个偏振旋转分束器与双偏振一阶模式的复用/解复用器相连；
同一组合中：一个MRR型调制器的输出端与一个波长复用器的输入端相连，另一个MRR型调制器的输出端与另一个波长复用器的输入端相连，一个波长复用器的多模直通端为自由端，该一个波长复用器的输出端与另一个波长复用器的多模直通端相连，该另一个波长复用器的输出端通过波导与偏振旋转分束器相连；
所有的波长复用器均为基于反射布拉格光栅波长复用器。
本发明的多维复用调制一体集成光子回路中的波导为氮化硅负载的薄膜铌酸锂波导。由于氮化硅具有与铌酸锂材料相似的透明窗口且氮化硅的折射率略低于铌酸锂材料，可以使得氮化硅-铌酸锂复合波导的模场大部分处于铌酸锂层且其工作带宽不受影响。最重要的是，氮化硅材料具有成熟的加工工艺，与传统的直刻铌酸锂波导相比不存在波导倾角，可以很方便的加工亚波长波导光栅这类具有超小线宽的结构，且有利于实现器件的大规模集成。
本发明的多维复用调制一体的集成光子回路包含的偏振模式复用解复用器主要由两个PSR、一根基于亚波长波导光栅的锥形波导、一个双偏振一阶模式复用/解复用器构成。由于铌酸锂材料的模式色散情况较为复杂，在2.1微米处存在模式杂化点。当TM0模式通过该宽度时会发生模式转化（TM0模式将会转化为TE1模式），从而引入信道间的串扰。本发明采用基于亚波长波导光栅结构的锥形波导进行宽度过渡，可以大大的降低由于模式转化所造成的串扰，从而实现TM0模式能够很好的通过，最终实现多路信号的同时复用。本发明中的双偏振一阶模式复用/解复用器采用双锥形结构进行高阶模式耦合，可以实现TM0与TM1，TE0与TE1的模式折射率同时匹配，从而实现高效的模式耦合。
附图说明
图1是本发明多维复用调制一体光子集成回路的示意图。
图2是本发明多维复用调制一体光子集成回路中MRR型调制器的示意图。
图3是本发明多维复用调制一体光子集成回路中波长复用器的示意图。
图4是本发明多维复用调制一体光子集成回路中周期为410nm和415nm的反射布拉格光栅传输光谱图。
图5是本发明多维复用调制一体光子集成回路中第一偏振旋转分束器示意图。
图6是本发明多维复用调制一体光子集成回路中光栅锥形波导的示意图。
图7是现有技术中普通锥形波导的示意图。
图8是本发明多维复用调制一体光子集成回路中光栅锥形波导传输TM0模式时的传输光谱仿真图。
图9是现有技术中普通锥形波导传输TM0模式时的传输光谱仿真图。
图10是本发明多维复用调制一体光子集成回路中复用/解复用器的示意图。
图11是图10所示复用/解复用器的仿真传输损耗图。
图12是图10所示复用/解复用器的仿真串扰图。
图13是本发明多维复用调制一种基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路中的波导结构示意图。
图中：1.第一调制器，2.第二调制器，3.第三调制器，4.第四调制器，5.第五调制器，6.第六调制器，7.第七调制器，8.第八调制器，9.第一波长复用器，10.第二波长复用器，11.第三波长复用器，12.第四波长复用器，13.第五波长复用结构，14.第六波长复用器，15.第七波长复用器，16.第八波长复用器，17.第一偏振旋转分束器，18.第二偏振旋转分束器，19.光栅锥形波导，20.复用/解复用器，21.波导包层，22.氮化硅负载层，23.铌酸锂平板层，24.二氧化硅掩埋层，25.硅衬底层；
1-1.第一光栅耦合器，1-2.第一基模直波导，1-3.第一弯曲波导，1-4.第二基模直波导，1-5.高频电极，1-6.第二弯曲波导，1-7.第三基模直波导，1-8.热极；9-1.第三弯曲波导，9-2.第四弯曲波导，9-3.第四基模直波导，9-4.第一布拉格光栅，9-5.第一多模波导；17-1.第五基模直波导，17-2.第五弯曲波导，17-3.第六弯曲波导，17-4.第七基模直波导，17-5.第八基模直波导，17-6.第一锥形波导，17-7.第二多模波导，17-8.第二锥形波导，17-9.第三多模波导，17-10.第三锥形波导，17-11.第九基模直波导；19-1第十基模直波导，19-2亚波长波导光栅的锥形波导，19-3.第四多模波导；20-1.第七弯曲波导，20-2.第一梯形波导，20-3.第五多模波导，20-4.第二梯形波导，20-5.第六多模波导。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明一体光子集成回路，包括第一调制器1、第二调制器2、第三调制器3、第四调制器4、第五调制器5、第六调制器6、第七调制器7和第八调制器8；
第一调制器1的输出端与第一波长复用器9的输入端相连，第二调制器2的输出端与第二波长复用器10的输入端相连，第一波长复用器9的输出端与第二波长复用器10的多模直通端相连；
第三调制器3的输出端与第三波长复用器11的输入端相连，第四调制器4的输出端与第四波长复用器12的输入端相连，第三波长复用器11的输出端与第四波长复用器12的多模直通端相连；
第二波长复用器10的输出端和第四波长复用器12的输出端均与第一偏振旋转分束器17的输入端相连；
第五调制器5的输出端与第五波长复用器13的输入端相连，第六调制器6的输出端与第六波长复用器14的输入端相连，第五波长复用器13的输出端与第六波长复用器14的多模直通端相连。
第七调制器7的输出端与第七波长复用器15的输入端相连，第八调制器8的输出端与第八波长复用器16的输入端相连，第七波长复用器15的输出端与第八波长复用器16的多模直通端相连。
第六波长复用器14的输出端和第八基波长复用器16的输出端均与第二偏振旋转分束器18的输入端相连。
第一波长复用器9的多模直通端、第三波长复用器11的多模直通端、第五波长复用器13的多模直通端和第七波长复用器15的多模直通端均为自由端。
第一偏振旋转分束器17的输出端与锥形波导19宽度较窄的一端相连，锥形波导19宽度较宽的一端与复用/解复用器20中的多模波导相连，第二偏振旋转分束器18的输出端与复用/解复用器20中的基模波导相连。
第一调制器1、第二调制器2、第三调制器3、第四调制器4、第五调制器5、第六调制器6、第七调制器7和第八调制器8均为MRR型调制器。
第一波长复用器9、第二波长复用器10、第三波长复用器11、第四波长复用器12、第五波长复用器13、第六波长复用器14、第七波长复用器15和第八波长复用器16均为基于反射布拉格光栅波长复用器。
锥形波导19采用基于亚波长波导光栅的锥形波导。
复用/解复用器20采用双偏振一阶模式复用/解复用器。
八个调制器的结构完全相同，以图2所示的第一调制器1为例进行说明。
第一调制器1，包括第一光栅耦合器1-1、第一基模直波导1-2和跑道形的微环谐振器，微环谐振器由第一弯曲波导1-3、第二基模直波导1-4、第二弯曲波导1-6和第三基模直波导1-7依次相连构成，第一基模直波导1-2与第一弯曲波导1-3耦合，第二基模直波导1-4上套装有矩形的高频电极1-5，微环谐振器内设有热极1-8，热极1-8与第三基模直波导1-7平行设置。第一基模直波导1-2的输入端朝向第一光栅耦合器1-1，第一基模直波导1-2的输出端与第一波长复用器9的输入端相连。
光信号从第一光栅耦合器1-1输入后耦合到第一基模直波导1-2中进行传输，当满足谐振条件时，第一基模直波导1-2中的光信号会被耦合至第一弯曲波导1-3中进而在微环谐振器中传输，外部设备产生的高频电学信号加在高频电极1-5上，由于铌酸锂材料具有电光特性，可以通过调节电压大小调节MRR中的波导的折射率，从而调节MRR的谐振波长，最终实现光信号的变化。热极1-8用于调节不同MRR型调制器的工作波长，从而控制MRR调制器的工作波长。八个MRR调制器的工作波长分为两组：第一调制器1、第三调制器3，第五调制器5和第七调制器7的工作波长为λ0。第二调制器2、第四调制器4、第六调制器6和第八调制器8的工作波长为λ1。调制后的光信号从第一基模直波导1-2输出并进入波长复用器中。
八个波长复用器的结构除了光栅周期外其他参数都相同，以图3所示的第一波长复用器9为例进行说明。
第一波长复用器9，包括第一多模波导9-5以及依次相连的第三弯曲波导9-1、第四弯曲波导9-2和第四基模直波导9-3，第一多模波导9-5的一端与第一布拉格光栅9-4的一端相连，第四基模直波导9-3与第一多模波导9-5耦合。第三弯曲波导9-1、第四弯曲波导9-2和第四基模直波导9-3组成第一波长复用器9的信号输入端。第三弯曲波导9-1的另一端与第一基模直波导1-2的输出端相连。第一布拉格光栅9-4的另一端与第二波长复用器10中第一多模波导的一端相连。
第二波长复用器10中的第二布拉格光栅的另一端和第四波长复用器12中的第四布拉格光栅的另一端均与第一偏振旋转分束器17的输入端相连接；第六波长复用器14中的第六布拉格光栅的另一端和第八波长复用器16中的第八布拉格光栅的另一端均与第二偏振旋转分束器18的输入端相连接。
由于第四基模直波导9-3基模折射率与第一多模波导9-5中的一阶模式折射率匹配，当调制后的光信号从第一波长复用器9的信号输入端输入时就会耦合成第一多模波导9-5中的一阶模式信号并进入第一布拉格光栅9-4中。根据布拉格光栅的反射条件：布拉格光栅里面的两种布洛赫模式的折射率（n 1和n 2）之和等于反射波长（λ）除以光栅周期（Λ），即n 1+n 2=λ/Λ，通过适当的设计使得输入的一阶模式的光信号的折射率与反射的基模光信号的折射率满足布拉格光栅的反射条件时，就可以实现中心波长为λ0的基模光信号从多模波导反射输出。反射后的波长λ0的基模光信号由于不满足第二波长复用器10中第二布拉格光栅的工作波长，因此可以直接通过该第二布拉格光栅并进入第一偏振旋转分束器17的输入2端口。图4展示的是不同光栅周期下反射布拉格光栅的传输光谱图，可以通过设计光栅的周期实现不同的反射波长，进而实现工作波长为λ0和λ1调制后的光信号进入偏振旋转分束器中。第一波长复用器9、第三波长复用器11、第五波长复用器13和第七波长复用器15的工作波长为λ0，第二波长复用器10、第四波长复用器12、第六波长复用器14和第八波长复用器16的工作波长为λ1。
两个偏振旋转分束器的结构参数完全相同，以图5所示的第一偏振旋转分束器17为例进行说明。
第一偏振旋转分束器17包括依次相连的第五基模直波导17-1、第五弯曲波导17-2、第六弯曲波导17-3和第七基模直波导17-4；第五基模直波导17-1、第五弯曲波导17-2、第六弯曲波导17-3和第七基模直波导17-4组成偏振旋转分束器的输入1端口；
第一偏振旋转分束器17还包括依次相连的第八基模直波导17-5、第一锥形波导17-6、第二多模波导17-7、第二锥形波导17-8、第三多模波导17-9、第三锥形波导17-10和第九基模直波导17-11；第八基模直波导17-5为第一偏振旋转分束器17的输入2端口。
第七基模直波导17-4与第二多模波导17-7耦合。第五基模直波导17-1的另一端与第四波长复用器12中第四布拉格光栅的另一端相连，第八基模直波导17-5的另一端与第二波长复用器10中第二布拉格光栅的另一端相连。
第二偏振旋转分束器18中第五基模直波导的另一端与第八波长复用器16中第四布拉格光栅的另一端相连，第二偏振旋转分束器18中第八基模直波导的另一端与第六波长复用器14中第二布拉格光栅的另一端相连。
当TE0模式光信号从输入1端口输入时，由于满足折射率匹配条件将会被耦合成第二多模波导17-7中的TE1模式，随后通过第二锥形波导17-8进入第三多模波导17-9中进行模式杂化，即TE1模式演化成TM0模式。最后TM0模式通过第三锥形波导17-10进入到第九基模直波导17-11中输出。当TE0模式光信号从输入2端口输入时，由于不满足折射率匹配条件，直接以TE0模式的形式从第九基模直波导17-11输出。偏振旋转分束器的具体工作原理可见文献（“Mode and Polarization-Division Multiplexing Based onSilicon NitrideLoaded LithiumNiobate on Insulator Platform”Laser Photonics Rev.16(1),2100529 (2022)）。
如图6所示，本发明多维复用调制一体光子集成回路中的光栅锥形波导19，包括依次连接的第十基模直波导19-1、亚波长波导光栅锥形波导19-2和第四多模波导19-3。第十基模直波导19-1与第九基模直波导17-11相连，第四多模波导19-3与复用/解复用器20相连。
光栅锥形波导19主要用于抑制2.1μm处的模式杂化，防止输入的TM0信号变为TE1信号，避免造成串扰。用三维时域有限差分（3D-FDTD）法对光栅锥形波导19和图7所示的现有技术中的锥形波导进行TM0模式传输性能仿真。图8为本发明中光栅锥形波导19的TM0模式信号传输性能仿真图，图9为现有技术中锥形波导的TM0模式信号传输性能仿真图。可以看出，利用亚波长波导光栅锥形波导进行波导宽度过渡可以很好地降低器件中的模式串扰（现有技术中锥形波导的模式串扰为-11.3 dB，而本发明中使用的光栅锥形波导19的模式串扰为-18.5dB），从而提升了器件的整体性能。
如图10，本发明多维复用调制一体光子集成回路中的复用/解复用器20。复用/解复用器20为复用调制双偏振一阶模式复用/解复用器。包括依次相连的第七弯曲波导20-1和第一梯形波导20-2，第七弯曲波导20-1的宽度与第一梯形波导20-2中宽度较宽底的宽度相同，第七弯曲波导20-1与第一梯形波导20-2中宽度较宽的底相连，第一梯形波导20-2的截面形状为直角梯形。
第七弯曲波导20-1与第二偏振旋转分束器18中的第七基模直波导相连。第七弯曲波导20-1和第一梯形波导20-2组成一阶模式复用/解复用的输出端口。
复用/解复用器20还包括依次相连的第五多模波导20-3、第二梯形波导20-4和第六多模波导20-5；第五多模波导20-3与第四多模波导19-3相连。第二梯形波导20-4的截面形状为直角梯形，第二梯形波导20-4中宽度较小的底与第五多模波导20-3相连，第二梯形波导20-4中宽度较小底的宽度与第五多模波导20-3的宽度相同；第二梯形波导20-4中宽度较宽的底与第六多模波导20-5相连，第二梯形波导20-4中宽度较宽底的宽度与第六多模波导20-5的宽度相同。
第一梯形波导20-2与第二梯形波导20-4耦合，第一梯形波导20-2的直角腰与第二梯形波导20-4的直角腰相邻。
当TE0模式和TM0模式的光信号从第七弯曲波导20-1输入时，由于满足模式折射率匹配条件，将会被耦合为多模波导中的TE1模式和TM1模式并在第六多模波导20-5中进行传输。双偏振一阶模式复用/解复用器仿真的传输损耗图和串扰图，如图11和图12所示。图11为TE0模式输入到第七弯曲波导20-1端口时在第六多模波导20-5末端探测到的不同模式的传输损耗图，可以看出，TE0模式经过模式复用/解复用器20基本都耦合成了TE1模式，其模间串扰低于-19.1 dB，损耗低于0.4 dB。图12为TM0模式输入到第七弯曲波导20-1端口时在第六多模波导20-5末端探测到的不同模式的传输损耗图，可以看出TM0模式经过模式复用/解复用器20基本都耦合成了TM1模式，其模间串扰低于-17.0 dB，损耗低于0.5 dB。可以看出，本发明该多维复用调制一体光子集成回路具有优异的一阶模式复用性能。
如图13所示，本发明多维复用调制一体光子集成回路中的波导。包括自上而下依次设置的波导包层21、铌酸锂平板层23、二氧化硅掩埋层24和硅衬底层25，铌酸锂平板层23上设有氮化硅负载层22，氮化硅负载层22位于波导包层21内。该波导结构采用氮化硅加载的薄膜铌酸锂波导，在刻蚀时，只需刻蚀氮化硅层，铌酸锂层不进行刻蚀。刻蚀的氮化硅层与铌酸锂层一起构成复合波导。
由于铌酸锂材料和氮化硅材料相比于二氧化硅以及空气而言具有较高的折射率，因此光可以很好的被限制在氮化硅-铌酸锂波导中。该波导的制备方法详见文献（“Lowloss CMOS-compatible silicon nitride photonics utilizing reactive sputteredthin films,”Opt. Express 27(26), 37795-37805 (2019)）。
本发明多维复用调制一体光子集成回路包括八个微环谐振器（MRR）型调制器、八个波长复用器以及一个波长-模式-偏振混合复用/解复用器。每个MRR型调制器分别放在复用/解复用器的八个输入波导处，用于调制输入光信号。八根输入波导分别连接至基于反射式布拉格波导光栅的粗波分复用器（CWDM）用于进行波长复用。八个CWDM分为两组，一组反射中心波长为λ1，另一组反射中心波长为λ2。经过CWDM器件的八路信号随后通过偏振旋转分束器（PSR），实现其中四路变成横磁模式（TM0），另外四路维持横电模式（TE0）。通过PSR0的四路信号经过由亚波长波导光栅构成的锥形波导后进入多模波导中的相应的信道。通过PSR1的四路信号会在一阶复用/解复用器耦合成一阶模式，其中TE0模式会被耦合成TE1模式，TM0模式会被耦合成TM1模式，随后进入多模波导中的相应的信道，从而实现了双波长、双模式、双偏振的八路信道在一根多模波导中的复用解复用。
八个MRR型调制器通过给热极加热的方式实现工作波长的控制。
本发明多维复用调制一体光子集成回路利用第一偏振旋转分束器17将通过波长复用器后的调制信号输入至多模波导中λ0-TE0、λ1-TE0、λ0-TM0、λ1-TM0信道中，利用第二偏振旋转分束器18以及相连接的双偏振一阶模式复用/解复用器20实现将通过波长复用器后的调制信号输入至多模波导中λ0-TE1、λ1-TE1、λ0-TM1、λ1-TM1信道中从而实现八路信号的同时复用。
本发明多维复用调制一体光子集成回路可以实现多波长、多模式、多偏振的调制光信号的同时复用，从而大大提高多模波导中信道数目以及数据容量。此外该光子集成回路还具有一定的可拓展性，可以实现更多的信道数目从而实现更大的数据通信容量。
Claims (7)
1.一种基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路，其特征在于，包括八个MRR型调制器、八个波长复用器、两个偏振旋转分束器以及一个双偏振一阶模式复用/解复用器；八个波长复用器中的两个波长复用器和八个MRR型调制器中的两个MRR型调制器组成一个组合，共为四个组合，两个组合分别通过波导与一个偏振旋转分束器相连，该一个偏振旋转分束器通过亚波长波导的光栅锥形波导与双偏振一阶模式的复用/解复用器相连，另外两个组合分别通过另外的波导与另一个偏振旋转分束器相连，另一个偏振旋转分束器与双偏振一阶模式的复用/解复用器相连；
同一组合中：一个MRR型调制器的输出端与一个波长复用器的输入端相连，另一个MRR型调制器的输出端与另一个波长复用器的输入端相连，一个波长复用器的多模直通端为自由端，该一个波长复用器的输出端与另一个波长复用器的多模直通端相连，该另一个波长复用器的输出端通过波导与偏振旋转分束器相连；
所有的波长复用器均为基于反射布拉格光栅波长复用器。
2.如权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路，其特征在于，所有输出端与多模直通端为自由端的波长复用器输入端相连的MRR型调制器的工作波长相同，其余所有MRR型调制器的工作波长相同，且该两个工作波长不同。
3.如权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路，其特征在于，所有MRR型调制器的结构完全相同，所有波长复用器的的结构除了光栅周期外其他参数都相同；每个组合中MRR型调制器和波长复用器的连接形式也完全相同；
四个组合中的：
第一个组合包括第一调制器（1）、第二调制器（2）、第一波长复用器（9）和第二波长复用器（10），第一调制器（1）输出端与第一波长复用器（9）输入端相连，第二调制器（2）输出端与第二波长复用器（10）输入端相连，第一波长复用器（9）输出端与第二波长复用器（10）多模直通端相连；
第二个组合包括第三调制器（3）、第四调制器（4）、第三波长复用器（11）和第四波长复用器（12），第三调制器（3）输出端与第三波长复用器（11）输入端相连，第四调制器（4）输出端与第四波长复用器（12）输入端相连，第三波长复用器（11）输出端与第四波长复用器（12）多模直通端相连；
第二波长复用器（10）的输出端和第四波长复用器（12）的输出端均与第一偏振旋转分束器（17）的输入端相连；
第三个组合包括第五调制器（5）、第六调制器（6）、第五波长复用器（13）和第六波长复用器（14），第五调制器（5）输出端与第五波长复用器（13）输入端相连，第六调制器（6）输出端与第六波长复用器（14）输入端相连，第五波长复用器（13）输出端与第六波长复用器（14）多模直通端相连；
第四个组合包括第七调制器（7）、第八调制器（8）、第七波长复用器（15）和第八波长复用器（16），第七调制器（7）输出端与第七波长复用器（15）输入端相连，第八调制器（8）输出端与第八波长复用器（16）输入端相连，第七波长复用器（15）输出端与第八波长复用器（16）多模直通端相连；
第六波长复用器（14）输出端和第八基波长复用器（16）输出端均与第二偏振旋转分束器（18）输入端相连。
4.如权利要求3所述的基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路，其特征在于，所述的第一波长复用器（9）包括第一多模波导（9-5）以及依次相连的第三弯曲波导（9-1）、第四弯曲波导（9-2）和第四基模直波导（9-3），第一多模波导（9-5）的一端与第一布拉格光栅（9-4）的一端相连，第四基模直波导（9-3）与第一多模波导（9-5）耦合；第三弯曲波导（9-1）的另一端与第一基模直波导（1-2）的输出端相连；第一布拉格光栅（9-4）的另一端与第二波长复用器（10）中第一多模波导的一端相连；
第二波长复用器（10）中的第二布拉格光栅的另一端和第四波长复用器（12）中的第四布拉格光栅的另一端均与第一偏振旋转分束器（17）的输入端相连接；第六波长复用器（14）中的第六布拉格光栅的另一端和第八波长复用器（16）中的第八布拉格光栅的另一端均与第二偏振旋转分束器（18）的输入端相连接。
5.如权利要求4所述的基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路，其特征在于，第一偏振旋转分束器（17）和第二偏振旋转分束器（18）的结构参数完全相同，第一偏振旋转分束器（17）包括依次相连的第五基模直波导（17-1）、第五弯曲波导（17-2）、第六弯曲波导（17-3）和第七基模直波导（17-4）；
第一偏振旋转分束器（17）还包括依次相连的第八基模直波导（17-5）、第一锥形波导（17-6）、第二多模波导（17-7）、第二锥形波导（17-8）、第三多模波导（17-9）、第三锥形波导（17-10）和第九基模直波导（17-11）；第七基模直波导（17-4）与第二多模波导（17-7）耦合；第九基模直波导（17-11）与光栅锥形波导（19）相连；
第一偏振旋转分束器（17）中第五基模直波导（17-1）的另一端与第四波长复用器（12）中第四布拉格光栅的另一端相连，第一偏振旋转分束器（17）中第八基模直波导（17-5）的另一端与第二波长复用器（10）中第二布拉格光栅的另一端相连；
第二偏振旋转分束器（18）中第五基模直波导的另一端与第八波长复用器（16）中第四布拉格光栅的另一端相连，第二偏振旋转分束器（18）中第八基模直波导的另一端与第六波长复用器（14）中第二布拉格光栅的另一端相连。
6.如权利要求5所述的基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路，其特征在于，光栅锥形波导（19）包括依次连接的第十基模直波导（19-1）、亚波长波导光栅锥形波导（19-2）和第四多模波导（19-3）；第十基模直波导（19-1）与第九基模直波导（17-11）相连，第四多模波导（19-3）与复用/解复用器（20）相连。
7.如权利要求6所述的基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路，其特征在于，复用/解复用器（20）包括依次相连的第七弯曲波导（20-1）和第一梯形波导（20-2），第七弯曲波导（20-1）的宽度与第一梯形波导（20-2）中宽度较宽底的宽度相同，第七弯曲波导（20-1）与第一梯形波导（20-2）中宽度较宽的底相连，第一梯形波导（20-2）的截面形状为直角梯形；
第七弯曲波导（20-1）与第二偏振旋转分束器（18）中的第七基模直波导相连；
复用/解复用器（20）还包括依次相连的第五多模波导（20-3）、第二梯形波导（20-4）和第六多模波导（20-5）；第五多模波导（20-3）与第四多模波导（19-3）相连；
第二梯形波导（20-4）的截面形状为直角梯形，第二梯形波导（20-4）中宽度较小的底与第五多模波导（20-3）相连，第二梯形波导（20-4）中宽度较小底的宽度与第五多模波导（20-3）的宽度相同；第二梯形波导（20-4）中宽度较宽的底与第六多模波导（20-5）相连，第二梯形波导（20-4）中宽度较宽底的宽度与第六多模波导（20-5）的宽度相同；第一梯形波导（20-2）与第二梯形波导（20-4）耦合，第一梯形波导（20-2）的直角腰与第二梯形波导（20-4）的直角腰相邻。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310612771.5A CN116560004A (zh) | 2023-05-29 | 2023-05-29 | 一种基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310612771.5A CN116560004A (zh) | 2023-05-29 | 2023-05-29 | 一种基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116560004A true CN116560004A (zh) | 2023-08-08 |
Family
ID=87489764
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310612771.5A Pending CN116560004A (zh) | 2023-05-29 | 2023-05-29 | 一种基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116560004A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117492135A (zh) * | 2023-12-29 | 2024-02-02 | 之江实验室 | 一种基于布拉格光栅的多模微环调制器及其调制方法 |
-
2023
- 2023-05-29 CN CN202310612771.5A patent/CN116560004A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117492135A (zh) * | 2023-12-29 | 2024-02-02 | 之江实验室 | 一种基于布拉格光栅的多模微环调制器及其调制方法 |
| CN117492135B (zh) * | 2023-12-29 | 2024-05-03 | 之江实验室 | 一种基于布拉格光栅的多模微环调制器及其调制方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110012368A (zh) | 一种兼容波分复用信号的硅基集成化片上多模光交换系统 | |
| WO2016134323A1 (en) | Integrated polarization splitter and rotator | |
| CN103091782B (zh) | 一种带有偏振控制的阵列波导光栅模块 | |
| KR100995754B1 (ko) | 조정가능한 광 분산 보상기들 | |
| JPWO2010038861A1 (ja) | 結合系マルチコアファイバ、結合モード合分波器、マルチコアファイバ伝送システム、およびマルチコアファイバ伝送方法 | |
| CN104238023B (zh) | 一种偏振无关的微环光交换方法及系统 | |
| CN116560004A (zh) | 一种基于薄膜铌酸锂的多维复用调制一体光子集成回路 | |
| CN108833016B (zh) | 一种单片集成的波分复用单纤双向数据传输模块 | |
| Guo et al. | WDM-MDM silicon-based optical switching for data center networks | |
| CN104918145A (zh) | 单片集成式多波长偏振复用/解复用器 | |
| CN110850524A (zh) | 一种实现片上多波长复用的系统 | |
| Yamazaki et al. | Integrated 100-Gb/s PDM-QPSK modulator using a hybrid assembly technique with silica-based PLCs and LiNbO 3 phase modulators | |
| CN105227260B (zh) | 微环谐振腔谐振器型的双偏振多波长的相干探测接收器 | |
| CN104317000B (zh) | 模块化可扩展的波长和空间全光路由器 | |
| Yu et al. | A 32-channel c-band hybrid wavelength/polarization division (de) multiplexer on silicon | |
| CN102841406B (zh) | 一种光学交错滤波设备 | |
| CN110989102A (zh) | 基于vcsel阵列混合集成和光纤垂直封装的硅基wdm光发送装置 | |
| Lee et al. | Design and simulation of fabrication-error-tolerant triplexer based on cascaded Mach–Zehnder inteferometers | |
| CN104297853B (zh) | 模块化的波长和空间全光路由器 | |
| CN112859240B (zh) | 一种基于马赫增德尔干涉仪的可重构模式转换器 | |
| US6834141B1 (en) | Wide pass-band interferometric optical device utilizing an optical ring-resonator | |
| Chen | Silicon photonic integrated circuits for WDM technology and optical switch | |
| CN104317137A (zh) | 模块化可扩展的n2×n2波长和空间全光路由器 | |
| Ikeda et al. | 5.5%-Δ-PLC/Silicon photonics hybrid wavelength MUX/DEMUX-and-switch device | |
| Matsui et al. | A Polarization Splitter and Rotator and an Optical Demultiplexer for a Polarization-Diverse Silicon Photonic Receiver |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |