CN1645173A - 玻璃有源波导耦合微环形谐振腔及其动态控制装置 - Google Patents

Abstract

一种玻璃有源波导耦合微环形谐振腔及其动态控制装置，其玻璃有源波导耦合微环形谐振腔由无源直波导模块和有源环波导模块通过键合连接组成，该无源直波导模块是由一定厚度H、宽度W和长度L的玻璃基质和厚度为h_g1宽度为w_g1并沿该玻璃基质长度方向布置的直波导构成；所述的有源环波导模块由掺有激活稀土离子的玻璃基质及其内部的具有厚度为h_g2、宽度为w_g2、曲率半径为R_g的有源环波导构成。该玻璃有源波导耦合微环形谐振腔的动态控制装置包括：一泵浦激光器与波分复用器的一输入端口相连，另一输入端口为信号光输入端口，该波分复用器的输出端与直波导相连。本发明具有制作方便、尺寸小、损耗低、自由光谱范围宽和临界耦合容易控制的特点。

Description

玻璃有源波导耦合微环形谐振腔及其动态控制装置

技术领域

本发明涉及集成光学，特别是一种玻璃有源波导耦合微环形谐振腔及其动态控制装置。

技术背景

近几年，波导耦合微环形谐振腔器件(Waveguide-CoupledMicro-Ring Resonator，WCMRR)因其在光通信系统中的广阔应用前景和紧凑的结构而倍受研究人员的重视。它可以用来构建多种不同功能的集成光子回路，如利用其良好的滤波性能，可以用于构成密集波分复用滤波器、光学梳状滤波器和光分插复用器等高性能滤波器件；利用其具有的临界耦合(Critical Coupling)特性，可以构成若干动态可调谐集成光子器件，如光开关、调制器、动态可配置光分插复用器(ROADM)和动态色散补偿器等。因而，WCMRR器件被认为是构筑未来超大规模集成光路的基本模块。在先技术(1)D.Rafizadeh，J.P.Zgang，et al.，Waveguide-coupled AlGaAs/GaAs microcavity ring and diskresonators with high finesse and 21.6nm free spectral range，Opt.Lett.，1997，22(16)，1244-1246. (2)B.E.Little，et al.，Microring resonator channel dropping filters，IEEE J.L.T.，1997，15(6)，998-1005. (3)Shuicgi Suzuki，Yutaka Hatakeyama，Precise control of wavelength channel spacing of microringresonator add-drop filter array，J.Lightwave Technol.，2002，20(4)，745-750.中，欧洲、日本和美国的几家研究机构已在AlGaAs-GaAs系半导体化合物、SiO₂和聚合物等材料上实现了WCMRR滤波器原型器件；在先技术[4]C.K.Madsen，Integrated waveguideallpass filter tunable dispersion compensators，OFC2002，TuT1，131-132.中，利用临界耦合特性，朗讯公司的贝尔实验室采用控制耦合系数的方法，在SiO₂材料上实现了波导动态色散补偿器原型器件[5]。由于所有在先技术在不同衬底材料1上制成的WCMRR器件如图1所示，其组成的基本单元：直波导1和曲率半径为R的环波导2都是无源的，这样不可避免地存在三大缺陷：

(1)环波导2固有的高弯曲损耗和散射损耗极大地限制了器件的尺寸大小，即波导曲率半径R较大，使得器件的自由光谱范围较小，不能覆盖整个C波段；

(2)器件的插入损耗大；

(3)虽然可通过控制波导1、2之间耦合系数的方法来实现临界耦合以达到器件动态可调谐的性能，但采用的技术手段很复杂，不利于器件实用化。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有WCMRR器件存在的缺陷，提供一种玻璃有源波导耦合微环形谐振腔及其动态控制装置。该器件具有制作方便、尺寸小、损耗低、自由光谱范围宽和临界耦合容易控制的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种玻璃有源波导耦合微环形谐振腔，其特征在于它由无源直波导模块和有源环波导模块通过键合连接组成，该无源直波导模块是由一定厚度H、宽度W和长度L的玻璃基质和厚度为h_g1宽度为w_g1并沿该玻璃基质长度方向布置的直波导构成；所述的有源环波导模块由掺有激活稀土离子的玻璃基质及其内部的具有厚度为h_g2、宽度为w_g2、曲率半径为R_g的有源环波导构成。

所述的键合连接是无源直波导模块和有源环波导模块沿平面方向键合连接，或无源直波导模块和有源环波导模块沿垂直方向键合连接。

所述的无源直波导模块的玻璃基质和直波导是由二氧化硅玻璃，或高分子薄膜，或无机-有机混合薄膜材料构成。

所述的无源直波导模块的制作工艺为化学气相沉积工艺，或溶胶-凝胶工艺。

所述的有源环波导模块的玻璃基质和有源环波导是由掺入铒，或镱，或铒和镱的磷酸盐或硅酸盐玻璃构成。

所述的有源环波导模块的制作工艺是离子交换法，或离子注入法，或溅射法。

所述的耦合连接工艺采用芯片健合工艺、或胶合工艺。

所述的无源直波导模块中的直波导和有源环波导模块中的有源环波导的横截面为矩形、圆形，或其它形状。

本发明玻璃有源波导耦合微环形谐振腔的动态控制装置，其构成：一泵浦激光器与波分复用器的一输入端口相连，该波分复用器的输出端与直波导相连，该波分复用器的另一输入端口为信号光输入端口。

本发明的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔及其动态控制装置具有以下优点：

本发明将有源玻璃材料应用于波导耦合微环形谐振腔，克服了现有波导耦合微环形谐振腔器件存在的缺陷，是一种高性能、低成本的波导耦合微环形谐振腔(WCMRR)器件和一种简便的动态控制其临界耦合特性的装置。

利用有源玻璃材料的高增益特性对波导耦合微环形谐振腔WCMRR器件固有的高弯曲损耗和散射损耗进行补偿，克服了器件的插入损耗大的问题；

由于损耗的降低，使环形谐振腔的半径可以大大减小，不但减小了器件的尺寸，而且能够大大增加器件的自由光谱范围；

采用动态调节波导耦合微环形谐振腔内增益系数(损耗系数)来控制临界耦合的方法，方法简便，制作简单，容易实现。

总之，本发明的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔器件具有制作方便、尺寸小、损耗低、自由光谱范围宽的优势，和临界耦合容易控制的特点。

附图说明

图1：在先技术的波导耦合微环形谐振腔结构示意图

图2：本发明实施例1沿平面方向键合连接的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔结构示意图

图3：本发明实施例2沿垂直方向键合连接的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔结构示意图

图4：本发明玻璃有源波导耦合微环形谐振腔的动态控制装置的光路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图2和图3，图2是本发明实施例1沿平面方向键合连接的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔结构示意图，图3：本发明实施例2沿垂直方向键合连接的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔结构示意图，由图可见，本发明玻璃有源波导耦合微环形谐振腔，由无源直波导模块4和有源环波导模块7通过键合连接组成，该无源直波导模块4是由一定厚度H、宽度W和长度L的玻璃基质5和厚度为h_g1宽度为w_g1并沿该玻璃基质5长度方向布置的直波导6构成；所述的有源环波导模块7由掺有激活稀土离子的玻璃基质8及其内部的具有厚度为h_g2、宽度为w_g2、曲率半径为R_g的有源环波导9构成。

所述的键合连接有两种方式，即无源直波导模块4和有源环波导模块7沿平面方向键合连接，即实施例1，如图2所示，或无源直波导模块4和有源环波导模块7沿垂直方向键合连接，即实施例2，如图3所示。

所述的无源直波导模块4的玻璃基质5和直波导6是由二氧化硅玻璃，或高分子薄膜，或无机-有机混合薄膜材料构成。

所述的无源直波导模块4的制作工艺为化学气相沉积工艺，或溶胶-凝胶工艺。

所述的有源环波导模块7的玻璃基质8和有源环波导9是由掺入铒，或镱，或铒和镱的磷酸盐或硅酸盐玻璃构成。

本发明玻璃有源波导耦合微环形谐振腔的动态控制装置的构成是：一泵浦激光器10与波分复用器13的一输入端口11相连，该波分复用器13的输出端与直波导6相连，该波分复用器13的另一输入端口12为信号光输入端口，如图4所示。

临界耦合效应是波导耦合微环形谐振腔的一个重要特性，当环形腔满足谐振条件时，其透射特性由公式1表示，

${\left|b_1\right|}^2=\frac{{(\mathrm{\α}-|t\left|\right)}^2}{{(1-\mathrm{\α}|t\left|\right)}^2}---\left(1\right)$

其中b1为器件输出，α为环波导9的损耗系数(增益系数)，t为直波导6和环波导9之间的耦合系数。当α＝|t|时，谐振腔处于临界耦合状态，器件输出功率|b₁|²＝0，而且当α＞|t|时，输出功率|b₁|²急剧增加，所以通过调整环形谐振腔内部损耗系数(增益系数)或耦合系数t，可以实现光的开关功能或调制功能。

在先技术[4]中，是采用控制耦合系数t的方式来控制临界耦合状态，实现器件的动态调谐功能。由于直接控制耦合系数不易实现，他们采用一个非平衡马赫曾德干涉仪结构来实现耦合系数的控制，结构复杂，制作工艺难度高。在本发明中，采用玻璃有源材料构成有源环波导，利用调节波导耦合微环形谐振腔内增益系数(损耗系数)的方法来控制临界耦合状态。如图4所示，泵浦激光器10发出泵浦光通过波分复用器13的一个输入端口11输入并输出至无源直波导模块4的直波导6中，并通过直波导6和有源环波导模块7的有源环波导9的耦合作用进入有源环波导9中进行泵浦，信号光则由波分复用器13的另一个输入端口12输入并输出至无源直波导模块4的直波导6中，通过直波导6和有源环波导模块7的有源环波导9的耦合作用进入有源环波导9中，通过改变泵浦激光器10的输出功率，有源环波导9的增益系数(损耗系数)就随之改变，从而控制信号光的临界耦合状态，使信号光实现开关等动态调谐功能。

本发明的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔不但能够通过动态调节波导耦合微环形谐振腔内增益系数(损耗系数)来控制临界耦合，实现信号光的开关等动态调谐功能，而且可以利用有源玻璃材料的高增益特性对波导耦合微环形谐振腔WCMRR器件固有的高弯曲损耗和散射损耗进行补偿，降低器件的插入损耗，同时可以使环形谐振腔的半径可以大大减小，大大增加器件的自由光谱范围，提高器件的应用范围和实用性。

本发明的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔，所述的无源直波导模块4和有源环波导模块7的耦合连接工艺，可以采用芯片健合工艺，胶合工艺，或其他已知工艺。所述的无源直波导模块4，其玻璃基质5和直波导6可以是由二氧化硅玻璃或高分子薄膜，或无机-有机混合薄膜材料构成。所述的无源直波导模块4的制作工艺，可以采用化学气相沉积工艺或溶胶-凝胶工艺，或其他已知工艺。所述有源环波导模块7，其玻璃基质8和有源环波导9是由掺入镧系元素的磷酸盐或硅酸盐玻璃构成。所述的镧系元素可以是铒或镱，也可以是铒和镱。所述的有源环波导模块7的制作工艺，可以采用离子交换法或离子注入法或溅射法，或其他已知工艺。所述的无源直波导模块4中的直波导6和有源环波导模块7中的有源环波导9，其横截面可以为矩形、圆形或其他形状。

Claims (9)

1、一种玻璃有源波导耦合微环形谐振腔，其特征在于它由无源直波导模块(4)和有源环波导模块(7)通过键合连接组成，该无源直波导模块(4)是由一定厚度H、宽度W和长度L的玻璃基质(5)和厚度为h_g1宽度为w_g1并沿该玻璃基质(5)长度方向布置的直波导(6)构成；所述的有源环波导模块(7)由掺有激活稀土离子的玻璃基质(8)及其内部的具有厚度为h_g2、宽度为w_g2、曲率半径为R_g的有源环波导9构成。

2、根据权利要求1所述的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔，其特征在于所述的键合连接是无源直波导模块(4)和有源环波导模块(7)沿平面方向键合连接，或无源直波导模块(4)和有源环波导模块(7)沿垂直方向键合连接。

3、根据权利要求1所述的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔，其特征在于所述的无源直波导模块(4)的玻璃基质(5)和直波导(6)是由二氧化硅玻璃，或高分子薄膜，或无机-有机混合薄膜材料构成。

4、根据权利要求3所述的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔，其特征在于所述的无源直波导模块(4)的制作工艺为化学气相沉积工艺，或溶胶-凝胶工艺。

5、根据权利要求1所述的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔，其特征在于所述的有源环波导模块(7)的玻璃基质(8)和有源环波导(9)是由掺入铒，或镱，或铒和镱的磷酸盐或硅酸盐玻璃构成。

6、根据权利要求5所述的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔，其特征在于所述的有源环波导模块(7)的制作工艺是离子交换法，或离子注入法，或溅射法。

7、根据权利要求1所述的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔，其特征在于所述的耦合连接工艺采用芯片健合工艺、或胶合工艺。

8、根据权利要求1所述的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔，其特征在于所述的无源直波导模块(4)中的直波导(6)和有源环波导模块(7)中的有源环波导(9)的横截面为矩形、圆形。

9、动态控制权利要求1所述的玻璃有源波导耦合微环形谐振腔的临界耦合的装置，其特征是该装置的构成：一泵浦激光器(10)与波分复用器(13)的一输入端口(11)相连，该波分复用器(13)的输出端与直波导(6)相连，该波分复用器(13)的另一输入端口(12)为信号光输入端口。

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