CN117214995A - 一种基于各向异性材料的相位控制波导结构及其波分复用器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于各向异性材料的相位控制波导结构及其波分复用器结构，将波分复用器件的相位控制波导部分沿着特殊角度进行对称设计。基于此方法，本发明还公开了在各向异性材料上实现波分复用器件的阵列波导光栅以及级联马赫‑曾德尔干涉仪结构。这种设计方法和结构可以有效地避免各向异性材料的双折射效应给波分复用器件设计带来的困难及对其相位精准控制造成的负面影响。
Description
技术领域
本发明涉及光子集成器件领域，具体地说，是一种基于各向异性材料的相位控制波导结构及其波分复用器结构。
背景技术
近年来，全球通信数据流量呈指数型增长，因此通信技术得到了前所未有的提升。其中，光通信技术由于具有通信容量大、抗干扰能力强、建设成本低等优势成为了现代通信中最主要的传输方式。在光通信系统中，相比于其它复用技术，波分复用(WDM)技术凭借着可以在同一根光纤中同时传输多路独立信号，极大地扩展了通信带宽。
阵列波导光栅是在片上实现波分复用技术的主要器件之一，具有稳定性强、分辨率高以及信道数大等综合优势。其主要结构包括输入端自由传播区、阵列波导、输出端自由传播区等。
级联MZI同样是波分复用技术的主要器件之一，相比于阵列波导光栅，其具有制备简单、占片面积小以及插入损耗低等优势。其主要结构包括了输入波导、3dB定向耦合器、相位控制波导以及输出波导等。
薄膜铌酸锂(TFLN)作为一种新兴的光子集成芯片材料，不仅具有低损耗、透光光谱宽的优势，而且还具有卓越的的电光效应、较大的非线性光学系数以及稳定的化学性质。此外，相比于传统体铌酸锂材料，薄膜铌酸锂由于具有更高的折射率对比度，能够显著减小器件尺寸。
薄膜铌酸锂晶圆可分为X-cut、Y-cut和Z-cut。其中X-cut和Z-cut最为常见。为了能够利用铌酸锂晶体的最大电光系数r33，在X-cut晶圆上波导传输模式选择横电(TE)模，Z-cut晶圆上波导传输模式选择横磁(TM)模。相比于TM模，TE模与电场具有更高的重叠积分，因此X-cut铌酸锂薄膜具有更优异的电光性能。
在设计阵列波导光栅时，阵列波导路径之间需要保证光程差恒定，不可避免地存在不同角度的弯曲波导以及不同方向的直波导。而在X-cut薄膜铌酸锂上折射率与波导方向有关，导致设计难度增加，同时对器件制作工艺有较高要求，目前世界上尚未在X-cut薄膜铌酸锂上实现阵列波导光栅的设计。
在设计级联MZI时，各单级MZI需要保证上下两臂的光程差为某一定值。同理在X-cut薄膜铌酸锂上，相位控制波导的设计也要考虑不同方向上的波导折射率的变化。目前较为普遍的设计是采用特殊的结构设计使得上下两臂弯曲波导结构相抵消，光程差仅由直波导的长度差和折射率差来决定。该方法设计的级联MZI往往尺寸较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于各向异性材料的相位控制波导结构及其波分复用器结构，其主要思路是将波分复用器件的相位控制波导部分沿着特殊角度进行对称设计，避免各向异性材料的双折射效应给波分复用器件设计带来的困难及对其相位精准控制造成的负面影响。特别集中在基于各向异性材料的波分复用器件。
实现本发明目的的技术解决方案为：将波分复用器件中相位控制波导部分以沿与各向异性材料表面两晶轴均呈45°或135°夹角的轴线称轴布置。具体表现为：在阵列波导光栅中，输入自由传播区、阵列波导、输出自由传播区等结构关于该45°或135°轴线对称；在级联MZI中，各个单级MZI部分关于该45°或135°轴线对称。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明公开了一种相位控制波导结构，相位控制波导结构包括对称设置的两侧波导单元，波导单元包括相连的直波导和弯曲波导，相位控制波导结构包括直波导A、弯曲波导A、弯曲波导B、直波导B依次相连，直波导A、弯曲波导A、弯曲波导B、直波导B沿与各向异性材料表面两晶轴均呈45°或135°夹角的轴线对称布置。
作为进一步地改进，本发明所述的直波导A和直波导B的长度相等，弯曲波导A和弯曲波导B的弯曲半径和弯曲角度相等。
作为进一步地改进，本发明所述的相位控制波导结构的截面包含由下至上的埋氧层、波导层和二氧化硅上包层,各向异性材料为X-cut薄膜铌酸锂。
作为进一步地改进，本发明所述的弯曲波导半径大于等于50微米，波导层为脊形波导或条形波导。
本发明还公开了一种基于各向异性材料的包括相位控制波导结构的基于阵列波导光栅的波分复用器结构，结构包括依次连接的输入波导、输入端自由传播区、输入端锥形波导、阵列波导、输出端锥形波导、输出端自由传播区和输出波导。
作为进一步地改进，本发明所述的输入端自由传播区与输出端自由传播区、输入端锥形波导与输出端锥形波导、阵列波导本身关于与各向异性材料表面两晶轴均呈45°或135°夹角的轴线对称布置。
作为进一步地改进，本发明所述的输入端锥形波导和输出端锥形波导用于减小模式间的耦合损耗，输入波导和输出波导分别用于光信号的输入和输出。
本发明还公开了一种基于各向异性材料的包括相位控制波导结构的基于级联马赫-曾德尔干涉仪的波分复用器结构，结构是由单级MZI单元通过3dB定向耦合器连接构成的二叉树结构，单级MZI单元包括相位控制波导结构的上臂和下臂，上臂和下臂均关于与各向异性材料面两晶轴均呈45°或135°夹角的轴线对称布置。
作为进一步地改进，本发明所述的结构包括输入波导、单级MZI单元、连接各单级MZI单元的用于合束和分束的3dB定向耦合器以及输出波导。
作为进一步地改进，本发明所述的各单级MZI单元均包括分束后形成的两个干涉臂即上臂和下臂，且上臂与下臂具有长度差。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)在各向异性材料上设计出基于阵列波导光栅结构的波分复用器，克服了双折射效应给相位精准控制带来的困难。
2)优化了在各向异性材料上设计级联MZI的方法，使得相位控制波导更加高效紧凑。
3)本发明以各向异性材料X-cut薄膜铌酸锂为例，设计了波分复用器件，相较于传统材料硅，具有透光光谱宽、损耗低等优势，同时还具有优异的非线性特性和电光特性，具有实现更丰富功能的潜力。
附图说明
图1为设计方法原理暨相位控制波导布置示意图；
1是直波导A、2为弯曲波导A、3为弯曲波导B、4为直波导B，该结构关于与Y和Z两晶轴均呈45°或135°夹角的轴线对称；
图2为本发明所述的在各向异性材料上基于阵列波导光栅结构的波分复用器俯视示意图；
5是输入波导，6是输入端自由传播区，7是输入端锥形波导，8是阵列波导，9是输出端锥形波导，10是输出端自由传播区，11是输出波导；其中，当各向异性材料为X-cut薄膜铌酸锂时，Z方向为其Z晶轴方向；
图3为本发明所述的在各向异性材料上基于级联MZI结构的波分复用器俯视图；
12是上臂，13是下臂，14是输入波导，15是3dB定向耦合器，16是输出波导；其中，当各向异性材料为X-cut薄膜铌酸锂时，Z方向为其Z晶轴方向；
图4为本发明所述当各向异性材料为X-cut薄膜铌酸锂时的波导截面结构示意图；
17是二氧化硅上包层，18是波导层，19是埋氧层；其中，X方向为薄膜铌酸锂X晶轴方向。
具体实施方式
本发明提供一种相位控制波导结构及其波分复用器结构，是一种在各向异性材料上实现波分复用器件的设计方法和结构，包括相位控制波导结构、基于阵列波导光栅的波分复用器结构和基于级联马赫-曾德尔干涉仪的波分复用器结构，并以X-cut薄膜铌酸锂这一各向异性材料为例进行具体说明。各项异性材料还可以是钛酸钡材料。
如图1所示为本发明中相位控制波导部分路径的示意图，相位控制波导结构包括对称设置的两侧波导单元，波导单元包括相连的直波导和弯曲波导，由直波导A1、直波导B4和弯曲波导A2、弯曲波导B3组成，四波导依次相连。该结构关于与Y晶轴和Z晶轴夹角均为45°的轴线对称，即直波导A1、直波导B4两直波导的长度相等，曲波导A2、弯曲波导B3两弯曲波导的弯曲半径和弯曲角度也相等。直波导A1、弯曲波导A2、弯曲波导B3、直波导B4沿与各向异性材料表面两晶轴均呈45°或135°夹角的轴线对称布置。直波导A1和直波导B4的长度相等，弯曲波导A2和弯曲波导B3的弯曲半径和弯曲角度相等。
如图2所示为一种基于X-cut薄膜铌酸锂的基于阵列波导光栅结构的波分复用器的俯视图，是一种包括相位控制波导结构的基于阵列波导光栅的波分复用器结构。其中阵列波导路径与图1相同，也是由直波导和弯曲波导组成。结构包括依次连接的输入波导5、输入端自由传播区6、输入端锥形波导7、阵列波导8、输出端锥形波导9、输出端自由传播区10和输出波导11。其中输入端自由传播区6本身、输出端自由传播区10本身、输入端锥形波导7与输出端锥形波导9、阵列波导8本身关于与Y晶轴和Z晶轴夹角均为45°的轴线对称。输入端锥形波导7和输出端锥形波导9用于减小模式间的耦合损耗。输入波导5和输出波导11分别用于光信号的输入和输出。
如图3所示为一种基于X-cut薄膜铌酸锂的基于级联MZI结构的波分复用器的俯视图，是一种包括相位控制波导结构的基于级联马赫-曾德尔干涉仪的波分复用器结构，其中相位控制波导路径与图1相同，也是由直波导和弯曲波导构成。结构是由单级MZI单元通过3dB定向耦合器15连接构成的二叉树结构，单级MZI单元包括相位控制波导结构的上臂12和下臂13，上臂12和下臂13均关于与各向异性材料面两晶轴均呈45°或135°夹角的轴线对称布置。
其中各级MZI的相位控制波导结构关于与Y晶轴和Z晶轴夹角均为135°的轴线对称，单级MZI上臂12和单级MZI下臂13用于产生的光程差。3dB定向耦合器15用于MZI的分光和合束。输入波导14和输出波导16分别用于光信号的输入和输出。
结构包括输入波导14、单级MZI单元、连接各单级MZI单元的用于合束和分束的3dB定向耦合器15以及输出波导16。各单级MZI单元均包括分束后形成的两个干涉臂即上臂12和下臂13，且上臂12与下臂13具有长度差。
如图4所示，相位控制波导结构的截面包含由下至上的埋氧层19、波导层18和二氧化硅上包层17,各向异性材料为X-cut薄膜铌酸锂。弯曲波导半径大于等于50微米，波导层为脊形波导或条形波导。在阵列波导光栅以及级联MZI中，波导层18的折射率比二氧化硅上包层17和埋氧层19的折射率都大，光场被限制在波导层19中并稳定传输。
为了降低弯曲损耗以及避免模式杂化，图2、3中弯曲波导弯曲半径不小于50微米。
图4中薄膜铌酸锂波导横截面结构为脊形波导或条形波导。
阵列波导8使用时，多波长光信号由光纤通过输入波导5进入输入端自由传播区6后发生衍射，光能量呈高斯型分布进入各阵列波导8入口处的输入端锥形波导7中。阵列波导8经过设计，相邻波导的光程差恒定。经阵列波导8输出的多路光信号在进入输出端自由传播区10时，不同波长的光信号会因为相位差的不同，在输出端自由传播区10中干涉叠加后聚焦到不同位置，由输出波导11导出，实现不同波长的分光。
级联MZI使用时，多波长光信号由光纤通过输入波导14输入，通过3dB定向耦合器15后，光被分成等强度的两束相干光。这两束光在MZI的两个干涉臂中传输，因为单级MZI中上臂12和下臂13的长度不同，所以产生了一定的光程差，在3dB定向耦合器15中进行叠加干涉，特定波长的光在相应端口干涉增强，通过不同的输出波导16输出，从而实现不同波长的分光。此外，通过级联多个MZI结构能够优化滤波曲线，而二叉树结构能够复用更多波长的光。
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。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本文阐述设计方法和波分复用器件结构，并以X-cut薄膜铌酸锂材料为例。
实施例1
本发明实施例提供一种基于X-cut薄膜铌酸锂新型阵列波导光栅的波分复用器结构设计。如图2、4所示，该器件依次包括图2中输入波导5、输入端自由传播区6、阵列波导入口处输入端锥形波导7、阵列波导8、输出端锥形波导9、输出端自由传播区10、输出波导11。以上波导结构的截面为图4所示，包含薄膜铌酸锂波导层19和二氧化硅上包层17以及埋氧层19。
为了让不同波长的光在对应的输出波导处形成干涉叠加，需要通过设计使得相邻阵列波导之间产生等相位差。
X-cut铌酸锂薄膜材料具有双折射效应，波导的有效折射率以及群折射率均与波导方向有关(与Z晶轴夹角有关)。而阵列波导包含了各个方向的直波导、弯曲波导以及锥形波导等，因此要保证相邻阵列波导等相位差具有较大的设计难度。
根据有限元仿真软件的仿真结果，基于X-cut薄膜铌酸锂的直波导、锥形波导以及平板波导的有效折射率以及群折射率均满足关系式(其中θ为波导方向与Z晶轴的夹角)：
n＝nx cos2θ+ny sin2θ
基于此关系式，本发明实施例中将相位控制波导部分以45°或135°轴线为对称轴进行设计。下面以图1为例解释其原理：直波导A1、直波导B4关于45°轴线对称，S为直波导长度，此时直波导A1、直波导B4的光程分别为：
L1＝(nx cos2θ+ny sin2θ)×S
L4＝(nx cos2(90°-θ)+ny sin2(90°-θ))×S
两者相加之后为：
L1+L4＝(nx+ny)×S
可以看出相加之后的光程与直波导路径无关，仅与长度有关。
同理弯曲波导2、3的光程通过积分计算为：
其中R是波导弯曲半径，θ是波导弯曲角度，两者相加之后为：
L2+L3＝(nx+ny)×Rθ
可以看出相加之后的光程与弯曲波导路径无关，仅与弯曲波导半径和弯曲角度有关。
以上结论可以推广到平板波导、锥形波导等结构中，即：当波导结构沿着45°或135°轴线对称时，不管每一条波导的路径如何，只要保证波导路径的总长度差恒定，相邻阵列波导的光程差就能保持恒定。这种设计方法巧妙地避免了双折射的影响，将各向异性的器件设计转换为各向同性的设计。
在保证相邻阵列波导间光程差恒定为ΔL的情况下，某一波长的光在对应输出波导位置上可以形成干涉主极大：
I＝I0+I1ejΔL+I2ej2ΔL+…+InejnΔL
若各阵列波导中能量相等(仅举例)，则可以得到干涉主极大如下式
在像面不同位置放置输出波导得到不同波长的光，从而实现波分复用功能。
实施例2
本发明实施例提供一种基于X-cut薄膜铌酸锂级联MZI的波分复用器结构设计。如图3、4所示，该器件依次包括图3中单级MZI的上臂12和下臂13，以及输入波导14、3dB定向耦合器15、输出波导16。以上波导结构的截面为图4所示，包含薄膜铌酸锂波导层19和二氧化硅上包层17以及埋氧层19。
如图1所述，当波导路径沿着45°或135°轴线对称时，波导光程与波导路径无关，仅与波导长度和等效折射率有关。基于此结论，实施例2给出的级联MZI中的每组相位控制波导均沿着135°轴线对称，根据设计的光程差值来设计相位控制波导长度。相比于传统MZI结构，此时相位控制波导可以按照任意的路径进行设计，可以一定程度上使得结构更加高效紧凑。
光经由图4中3dB定向耦合器被分成等强度的两束相干光，两路光相差π/2，经过相位控制波导后下臂13相比于上臂12又滞后βΔL，经过第二个3dB定向耦合器后下臂13又滞后上臂π/2，根据干涉增强的原理，上臂12和下臂13输出光信号的波长分别满足：
βΔL＝2kπ
βΔL＝(2k+1)π
因此，基于单级MZI结构，可以简单实现不同波长的分光。
而单级MZI型滤波器的通带特性是正弦型的，有效带宽过窄，不能满足实际应用中的需求。为了实现器件的平顶化光谱分布，实际应用中，一般采用级联MZI的结构。同时为了复用和解复用更多波长的光信号，可以引入二叉树结构，如图3所示，可以实现4个通道的复用和解复用。
以上所述并非是对本发明的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于各向异性材料的相位控制波导结构，其特征在于，所述的相位控制波导结构包括对称设置的两侧波导单元，所述的波导单元包括相连的直波导和弯曲波导，所述的相位控制波导结构包括直波导A、弯曲波导A、弯曲波导B、直波导B依次相连，所述的直波导A、弯曲波导A、弯曲波导B、直波导B沿与各向异性材料表面两晶轴均呈45°或135°夹角的轴线对称布置。
2.根据权利要求1所述的相位控制波导结构，其特征在于，所述的直波导A和直波导B的长度相等，所述的弯曲波导A和弯曲波导B的弯曲半径和弯曲角度相等。
3.根据权利要求1或2所述的相位控制波导结构，其特征在于，所述的相位控制波导结构的截面包含由下至上的埋氧层、波导层和二氧化硅上包层,所述的各向异性材料为X-cut薄膜铌酸锂。
4.根据权利要求3所述的相位控制波导结构，其特征在于，所述的弯曲波导半径大于等于50微米，所述的波导层为脊形波导或条形波导。
5.一种基于各向异性材料的包括相位控制波导结构的基于阵列波导光栅的波分复用器结构，其特征在于，所述的结构包括依次连接的输入波导、输入端自由传播区、输入端锥形波导、阵列波导、输出端锥形波导、输出端自由传播区和输出波导。
6.根据权利要求4所述的包括相位控制波导结构的基于阵列波导光栅的波分复用器结构，其特征在于，所述的输入端自由传播区与输出端自由传播区、输入端锥形波导与输出端锥形波导、阵列波导本身关于与各向异性材料表面两晶轴均呈45°或135°夹角的轴线对称布置。
7.根据权利要求5所述的包括相位控制波导结构的基于阵列波导光栅的波分复用器结构，其特征在于，所述的输入端锥形波导和输出端锥形波导用于减小模式间的耦合损耗，输入波导和输出波导分别用于光信号的输入和输出。
8.一种基于各向异性材料的包括相位控制波导结构的基于级联马赫-曾德尔干涉仪的波分复用器结构，其特征在于，结构是由单级MZI单元通过3dB定向耦合器连接构成的二叉树结构，所述的单级MZI单元包括相位控制波导结构的上臂和下臂，所述的上臂和下臂均关于与各向异性材料表面两晶轴均呈45°或135°夹角的轴线对称布置。
9.根据权利要求7所述的包括相位控制波导结构的基于级联马赫-曾德尔干涉仪的波分复用器结构，其特征在于，所述的结构包括输入波导、单级MZI单元、连接各单级MZI单元的用于合束和分束的3dB定向耦合器以及输出波导。
10.根据权利要求8所述的包括相位控制波导结构的基于级联马赫-曾德尔干涉仪的波分复用器结构，其特征在于，各单级MZI单元均包括分束后形成的两个干涉臂即上臂和下臂，且所述的上臂与下臂具有长度差。
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