CN206833029U - 延迟线干涉仪的多路分用设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种偏振自补偿延迟线干涉仪的多路分用设备。所述设备包括：第一波导臂，设置在输入耦合器和输出耦合器之间；第二波导臂，设置在所述输入耦合器和所述输出耦合器之间，其中，所述第二波导臂至少与所述第一波导臂相差第一长度，以引起具有在指定光带的一个或多个信道频率处针对横电偏振模式和横磁偏振模式对齐的一个或多个通带峰值的干涉输出光谱；第二长度的双折射波导部分，插入到所述第二波导臂内，以引起在所述指定光带的一个或多个可替换的信道频率处针对横电偏振模式和横磁偏振模式对齐的一个或多个通带峰值的相移。本实用新型具有偏振自补偿的有益效果。

Description

延迟线干涉仪的多路分用设备
技术领域
本实用新型涉及光学通信技术，具体地，本实用新型提供一种在选择频率处具有偏振补偿的基于硅光子波导的延迟线干涉仪。
背景技术
通过现有单模光纤进行40-Gbit/s以及然后100-Gbit/s数据速率的密集波分复用(DWDM)光传输是下一代光纤通信网络的发展目标。到目前为止，大的难题一直是使通信信号减慢的光纤损伤，例如，色散。对于小于 100km的距离和1300nm的传输波长，都可以达到10Gb/s，但是除此之外，失真和衰减会带来损失。对用于每个符号传输两比特或更多比特的调制方法提出了许多方法，使得可以实现更高的通信速率。Mach-Zehnder调制器可以处理更高的数据速率，但需要与宽输出电压摆幅差分的驱动器。除了用于数据传输的光调制之外，光信号的光复用器(MUX)和解复用器 (DEMUX)是基于硅光子学的光网络的基本构件。
实用新型内容
本实用新型提供了一种偏振自补偿延迟线干涉仪的多路分用设备，所述设备包括：第一波导臂，设置在输入耦合器和输出耦合器之间；第二波导臂，设置在所述输入耦合器和所述输出耦合器之间，其中，所述第二波导臂至少与所述第一波导臂相差第一长度，以引起具有在指定光带的一个或多个信道频率处针对横电TE偏振模式和横磁TM偏振模式对齐的一个或多个通带峰值的干涉输出光谱，其中，具有对齐的横电/横磁偏振模式两者的所述一个或多个通带峰值中的每个通带峰值被多路分用至所述输出耦合器的相应端口；第二长度的双折射波导部分，插入到所述第二波导臂内，以引起在所述指定光带的一个或多个可替换的信道频率处针对横电偏振模式和横磁偏振模式对齐的一个或多个通带峰值的相移，所述第二长度选自通过预定的增量从0逐步增大为最大值的一组固定值，使得能够包括在所述指定光带中具有对齐的横电和横磁偏振模式的所有信道。
其中，所述第一波导臂和所述第二波导臂包括具有在相同SOI衬底内形成的相同高度并且由二氧化硅隔离的一个或多个平面波导部分。
其中，所述第一波导臂包括选自硅、氮化硅以及与二氧化硅混合的氮化硅的材料。
其中，所述第二波导臂包括硅、氮化硅以及与二氧化硅混合的氮化硅的相同材料或可替换的选择。
其中，所述双折射波导部分包括选自硅和氮化硅的材料。
其中，所述双折射波导部分包括与所述第二波导臂的所述平面波导部分相同的高度，但是包括比所述第二波导臂更宽的波导宽度，以用于提供超过横电偏振模式和横磁偏振模式的长度延迟的额外相移，所述额外相移以逐步的方式调谐，使得能够形成相同类型的但是覆盖DWDM/CWDM带的一个或多个可替换的信道的多个多路分用设备。
其中，进一步包括宽度自适应锥形物，用于将所述双折射波导部分耦接至所述第二波导臂的所述平面波导部分。
其中，第三长度被选为与由在所述双折射波导部分的横电偏振模式分组指数与横磁偏振模式分组指数之间的差值确定的相移2π对应的最大值。
其中，逐步增大的所述一组固定值限定用于确定第二长度的步进器标线字段，以允许通过针对横电偏振模式和横磁偏振模式对齐的一个或多个通带峰值的至少一个相移到达所述指定光带的每个信道频率。
其中，进一步包括在所述第一波导臂或所述第二波导臂的至少部分截面上的加热器，用于局部改变温度，以引入额外相位延迟，以确保针对横电偏振模式和横磁偏振模式对齐的一个或多个通带峰值与所述指定光带的一个或多个对应的信道频率精确对准。
附图说明
图1A和1B是常规延迟线干涉仪(DLI)装置和具有不同TE-TM偏振偏移的相应DLI通带的示意图；
图2是根据本实用新型实施例的基于双折射波导的增加长度的偏振补偿DLI装置的示意图；
图3是示出根据本实用新型实施例的对齐的TE-TM峰值频率随着在一个臂部中的双折射波导的额外长度移动的DLI通带的简化图；
图4示出了根据本实用新型实施例的步进器标线图的示例，该步进器标线图具有分别增加的双折射波导的多个不同长度，用于制造具有对齐的 TE/TM通带峰值频率以覆盖整个光谱带的所有信道的一组DLI装置；以及
图5是示出根据本实用新型实施例的用于分别制造一组DLI装置的方法的流程图，该组DLI装置具有在一个或多个频率处的偏振补偿，以覆盖在整个C波段中的所有信道。
具体实施方式
本实用新型涉及光学通信技术。更具体地，本实用新型提供一种在选择频率处具有偏振补偿的基于硅光子波导的延迟线干涉仪(DLI)。仅举例而言，本实用新型公开了一种通过增加双折射波导材料的适当长度而具有一个或多个偏振补偿通带波长的DLI装置，并且提供了一种制造具有偏振补偿波长信道的DLI装置的方法，这些信道覆盖了整个C波段，用于高速DWDM光学通信，尽管其他应用也是可能的。
在现代电气互连系统中，高速串行链路已经代替了并联数据总线，并且串行链路速度因CMOS技术的演进而快速增长。根据摩尔定律，互联网带宽每两年就几乎翻倍。但是摩尔定律在今后十年将结束。标准CMOS 硅晶体管在大约5nm时停止增大(stop scaling)。并且，因生产规模而增大的互联网带宽进入稳定时期。但是互联网和移动应用继续需要大量带宽来传输照片、视频、音乐以及其他多媒体文件。本公开描述了越过摩尔定律提高通信带宽的技术和方法。
在一个实施方式中，本实用新型提供了一种偏振自补偿延迟线干涉仪的设备。该设备包括：第一波导臂，其设置在输入耦合器和输出耦合器之间。此外，该设备包括第二波导臂，其设置在所述输入耦合器和所述输出耦合器之间。所述第二波导臂至少与所述第一波导臂相差第一长度，以引起具有在指定光带的一个或多个信道频率处针对TE(横电)偏振模式和TM(横磁)偏振模式对齐的一个或多个通带峰值的干涉输出光谱。而且，该设备包括第二长度的双折射波导部分，其插入在所述第二波导臂内，以引起在所述指定光带的一个或多个可替换的信道频率处针对TE模式和 TM模式对齐的一个或多个通带峰值的相移。第二长度选自通过预定的增量从0逐步增大为最大值的一组固定值。
图1A和1B是常规延迟线干涉仪(DLI)装置和具有不同TE-TM偏振偏移的相应DLI通带的示意图。如图1A所示，延迟线干涉仪(DLI) 装置100被示意性地描绘为设置在两个多模干涉(MMI)耦合器131和 132之间的两个波导臂A和B。这两个波导臂A和B具有至少一个长度差ΔL或可能由具有相应分组指数NA和NB的不同材料制成。相应地，分别穿过DLI装置的两个波导臂的两个光波的时间延迟差等于反向自由光谱范围(FSR)：
其中c是光速。等式(1)表明DLI装置的干涉光谱是跨宽光谱带的周期性的多个最大通带，其中，在两个最接近的峰值频率之间的间隔被限定为FSR(即，干涉光谱的周期)。另一方面，如图1B所示，大部分波导材料具有双折射效应，使得TE偏振模式的分组指数不同于TM偏振模式的分组指数，导致TE偏振模式和TM偏振模式具有不同的FSR值。这导致在不同的频率处在TE模式通带101和相应的TM模式通带102之间的变化的偏移。
例如，对于由氮化硅材料(其是具有相应分组指数(TE模式NTE～1.97 以及TM模式NTM～1.89)的双折射材料)制成的具有长度差ΔL～1555 μm的一对波导臂A和B，为TE模式通带101提供～98GHz的FSR101并且为TM模式通带102提供～102GHz的FSR102。在FSR中的4GHz偏移导致TE模式和TM模式的大部分峰值频率偏离相互队列，除了在整个光谱带中的一个或两个通带峰值。通过至少改变长度差ΔL，TE模式通带可以在一个或多个不同频率处与TM模式通带对齐。
在另一个示例中，波导臂A和臂B都由硅材料制成，该硅材料的偏振相关指数变化比氮化硅材料温度敏感约2倍。或者，波导臂A和臂部B 可以由不同的材料制成。可选地，臂部A由氮化硅制成，臂部B由硅制成，反之亦然。可选地，波导臂A和臂部B可以由与氧化硅(SiON)混合的氮化硅制成，其中，氧化硅的重量百分比可以从0％变成99％，以针对不同的应用产生不同的偏振相关分组指数。
通常，DLI装置100的每个通带峰值可以设置为在宽光谱带(例如， C波段(波长范围1531nm至1570nm))中的密集波分复用(DWDM)ITU 网格(grid)的信道。对于具有ITU网格的DWDM应用，DLI装置的FSR 被配置为通常是100GHz、或50GHz、或25GHz、或12.5GHz的信道间隔的两倍，或者可替换地极小至5GHz或甚至2.5GHz。对于粗波分复用 (CWDM)应用，信道间隔可以是200GHz或更高。上面定义的自由光谱范围FSR等于在指定频率网格(frequencygrid)(例如，在DWDM中的 50GHz ITU网格或在整个C波段中的CWDM中的200GHz网格)中两个最近信道之间的信道间隔的两倍。为了确保在C带中的特定信道被TE/TM 偏振补偿，必须适当地选择在这两个双折射波导臂之间的长度差，以在特定的信道频率处将TE模式通带峰值与对应的TM模式通带峰值对齐。
图2是根据本实用新型的实施例的基于双折射波导的增加长度的偏振补偿DLI装置的示意图。该图仅是示例，不应不适当地限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变化、替换以及修改。如图所示，增加长度Lb的双折射波导220，以形成DLI装置200的波导臂B'。所增加的长度Lb在DLI装置200的通带中有助于TE偏振模式和TM偏振模式之间的额外的相位偏移，使得在宽光谱带(例如，C波段)中将对齐的TE/TM 通带峰值频率移动为不同的值。
在一个实施例中，在DLI装置200的臂部B'中增加的双折射波导220 基本上由DLI装置100的原始臂B的相同双折射材料制成。在另一个实施例中，增加的双折射波导220是平面波导部分，该平面波导部分具有与 DLI装置200的臂部B'相同的高度，在本文中，双折射波导220的增加的长度单独有助于用于移动对齐的TE/TM通带峰值频率的相位偏移变化。在另一实施例中，在DLI装置200的臂部B'中增加的双折射波导220具有与原始波导部分相比不同的宽度，并且通过宽度自适应锥状物(未明确示出)彼此耦合。在某些实施例中，增加的双折射波导220的不同宽度还有助于用于移动对齐的TE/TM通带峰值频率的相位偏移变化，虽然与长度贡献相比，宽度对相移的贡献通常不太有效并且更难控制。在又一个实施例中，在DLI装置200的臂部B'中增加的双折射波导220由与DLI装置 100的原始波导臂B的双折射材料不同的双折射材料制成。
图3是示出根据本实用新型的实施例的DLI通带的简化图，该DLI 通带具有随着在一个臂部中双折射波导的额外长度移动的对齐的TE-TM 峰值频率。该图仅是示例，不应不适当地限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变化、替换以及修改。如图所示，第一DLI装置的干涉光谱B1与对齐的TE/TM通带峰值频率f1(对应于在第一DLI装置的一个臂部中的双折射波导的增加长度Lb1)相关联。参考图2，提供了具有双折射波导的增加长度的一个波导臂的简化图。另外，对于第二DLI 装置，增加双折射波导的长度Lb2，使得改变TE/TM模式的相位偏移，以使得TE/TM通带峰值频率在干涉光谱B2中在频率f2处对齐。进一步，由于双折射波导的增加的长度Lb3，所以第三DLI装置对应于在干涉光谱 B3中对齐的(lined-up)TE/TM通带峰值频率f3，并且由于双折射波导的增加的长度Lb4，所以第四DLI装置对应于在干涉光谱B4中对齐的TE/TM 通带峰值频率的f4。图3仅示出了对齐的通带峰值频率f1、f2、f3和f4 的几个示例，这些频率沿着频率轴以大约2×FSR从一个移动到另一个，尽管对齐的TE/TM峰值频率可以根据由双折射波导的至少增加的长度Lb的适当选择的值引起的相位偏移而移动任何频率间隔。
图4示出了根据本实用新型实施例的步进器标线图的示例，该步进器标线图具有分别增加的双折射波导的多个不同长度，用于制造具有对齐的 TE/TM通带峰值频率以覆盖整个光谱带的所有信道的一组DLI装置。该图仅是示例，不应不适当地限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变化、替换以及修改。如前所述，通过改变一个臂部的一个双折射波导相对于另一个的长度，可以调节TE/TM模式通带峰值，以在不同频率处对齐。在一个示例中，具有两个波导臂的DLI装置由氮化硅材料制成，该材料是双折射材料，对于整个C波段频率的光波的TE模式和TM 模式分别具有略微不同的分组指数NTE～1.97和NTM～1.89。双折射效应引起DLI装置的多个最大干涉光谱的TE模式周期FSRTE相对于TM模式周期FSRTM的偏移。该偏移导致大部分TE通带峰值偏离相应的TM通带峰值，而仅具有一个或几个对齐的TE/TM峰值，例如，在干涉光谱B1的f1 处。
由于通过增加双折射波导(例如，在图2中所示的波导220)的Lb长度，TE/TM偏移随着一个波导臂的长度增加而增加，所以最初对齐的 TE/TM通带峰值不再彼此对齐，例如在f1处，而在更高频率(例如，具有f2>f1，如图3所示)处的一个或多个其它TE/TM通带峰值可以根据由增加的长度Lb的值引起的特定相位变化而对齐。可选地，双折射波导是氮化硅平面波导。或者，双折射波导是硅平面波导。根据在增加的波导中使用的材料及其双折射效应，可以适当地定义步进器标线图的总范围和步长，以提供足够数量的Lb长度，用于在整个操作光谱带内实现对指定网格的每个信道的偏振补偿。
参考图4，步进器标线图可以限定为通过预定的增量从0增大为最大值的一组逐步增加的值。理论上，选择步进器标线图的最大值，以对于延迟线干涉仪的干涉光谱引起2π的总相移。确定第一非零值(等于步进器标线图的增量值)，以促使对齐的TE/TM通带峰值从至少一个信道最小移动到相同指定的网格的最近信道。因此，通过从用于氮化硅波导的增加的长度Lb的步进器标线图中选择所有值，可以通过将所选择的Lb长度的氮化硅波导加入到基本DLI装置(100)的一个臂部中来形成一组新的DLI 装置(200)，以允许宽光谱带的指定网格的每个信道通过对齐的TE/TM 通带峰至少对准一次。以这种方式，在整个光谱带中的设计网格的每个信道可以被配置为用于这组新DLI装置(200)中的至少一个的偏振补偿信道。
例如，由于增加的氮化硅波导220的长度Lb增加到50μm，所以具有氮化硅波导的DLI装置200的相位变化可以大于2π，以促使对齐的TE/TM 通带峰值频率跨整个C波段从一个信道移动到另一个信道。换言之，增加的长度Lb可以仅仅被限制在0～50μm的范围内，以在一组DLI装置(200) 中引出所有需要的相位变化，从而导致对齐的TE/TM通带峰值频率的不同偏移。这组DLI装置(200)中的每一个被配置为利用在一个或多个频率处对齐或偏振自补偿的TE/TM通带峰值来操作。在特定的实施例中，在对齐的TE/TM通带峰值可能不落入在指定网格中的精确信道频率内的情况下，可以将加热器增加到DLI装置的两个波导臂中的一个中，以提供更精细的移动，以使偏振补偿频率与指定光带的精确信道频率对准。可选地，第一加热器可安装在第一波导臂(臂部A)的部分截面上，用于通过热效应来调谐用于信道对准的频率。
参考图4，可以选择具有在4×4标线图中设置的从0μm至45μm的不同长度Lb的多个双折射氮化硅波导。在本实施例中，根据4×4标线图，长度Lb每一步长增加3μm，用于利用相应的TE/TM偏振补偿工作频率一个接一个地制作一组DLI装置。在另一个特定的实施例中，根据n×n 标线图，长度Lb每一步长增加kμm，以便利用相应的TE/TM偏振补偿工作频率一个接一个地制作一组DLI装置，其中，k是从0到3μm的数字，n是表示标线字段的大小(size)的整数，其取决于每个单独的信道对这组DLI装置中的至少一个的TE/TM偏振自补偿的频带范围。或者，第二加热器可以直接安装在双折射波导的增加的长度Lb上，用于提供TE 或TM模式峰值频率的额外热调谐。由于硅材料具有比氮化硅材料高2倍热敏感性的偏振相关分组指数，所以第二加热器设置在长度为Lb1的基于硅的双折射波导上，可以比同一加热器设置在长度为Lb2的基于氮化硅的双折射波导上更有效地调谐TE模式峰值频率。因此，可以使用更小值的长度Lb1来实现与更大值的长度Lb2相同的调谐效果，这有效地减小了标线图的大小并提高了生产效率。
在可替换的实施例中，可以通过调整波导宽度，而不是仅通过提高所增加的双折射波导的长度Lb，来引入相移。根据材料特性，通过改变在不同频率处的波导宽度所获得的相移值可以不同，并且相对于宽度值具有非线性关系。因此，限定用于选择增加的双折射波导的不同步进器长度的标线图，比基于不同波导宽度限定标线图相对更容易，虽然可以以不同的方式来进行。当然，具有其他替换、变化和修改。
图5是示出根据本实用新型实施例的用于分别制造一组DLI装置的方法的流程图，该组DLI装置具有在一个或多个频率处的偏振补偿，以覆盖在整个C波段中的所有信道。该图仅是示例，不应不适当地限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变化、替换以及修改。如图所示，方法500包括提供具有第一臂和第二臂的基本延迟线干涉仪的步骤510。例如，该延迟线干涉仪可以是如图1A和图1B所示的DLI装置100。在特定的实施例中，基本DLI装置具有固有双折射效应，使得操作干涉光谱的大部分TE模式通带峰值偏离对应的TM模式通带峰峰值，除了在跨宽操作频带(例如，C波段)的某些频率处的几个对齐的TE/TM峰值以外。
在一个实施例中，方法500还包括将双折射波导移相器加入到基本 DLI装置的第二臂中的步骤520。增加的双折射波导移相器可以是合并到 DLI装置的波导臂内的波导的长度。例如，增加的双折射波导移相器是具有TE模式和TM模式的不同分组指数的双折射波导220的长度Lb，如图 2所示，以形成修改的DLI装置，例如，图2的DLI装置200。因此，对于TE模式和对于TM模式，增加的双折射波导移相器造成不同的相移， LbNTE和LbNTM，导致在频率轴上的那些对齐的TE/TM通带峰值偏移。
在该实施例中，方法500还包括步骤530，其基于波导材料和宽度(假设矩形形状和与DLI装置的第二臂的波导相同的固定高度)以及特定的操作频带限定各种长度的双折射波导移相器的步进器标线图。在特定的实施例中，步骤530包括确定对应于2π相移的整个周期的标线图中的最大长度值。这提供了足够范围的标线图，以实现对齐的TE/TM通带峰值的所有必要移动，这是因为DLI干涉光谱包括具有FSR周期的多个通带。另外，步骤530包括确定在整个步进器标线图上的长度变化的步长，使得在整组DLI装置中的对齐的TE/TM通带峰值的移动将覆盖在特定的操作频带的频率网格中的每个单独信道，其中，利用选自标线图的双折射波导的增加的各种长度来制造所述DLI装置。例如，如图4所示，对于氮化硅波导，选择3μm的步长，选择0.7μm波导宽度用于在C波段中操作。
最后，该方法500包括通过增加分别从所限定的标线图中选择的一组不同长度的双折射波导来形成一组DLI装置的步骤540。只要正确地限定了步进器标线图，这组DLI装置中的每个就能够在一个或多个频率上实现具有对齐的TE/TM通带峰值的偏振补偿。在特定的实施例中，形成每个DLI装置包括向一个波导臂增加加热器，以微调通带频率，以确保这些频率与指定操作频带(例如，C波段)的特定频率网格对准。在另一个特定的实施例中，当适当地确定总的标线字段的大小时，整组DLI装置(均具有在特定频率网格中对准的一个或多个偏振补偿通带信道)可以偏振补偿指定的操作频带的所有信道。这对于制造基于硅光子平台的全光谱偏振独立的MUX/DEMUX模块非常有益。

Claims (10)

1.一种偏振自补偿延迟线干涉仪的多路分用设备，其特征在于，所述设备包括：
第一波导臂，设置在输入耦合器和输出耦合器之间；
第二波导臂，设置在所述输入耦合器和所述输出耦合器之间，其中，所述第二波导臂至少与所述第一波导臂相差第一长度，以引起具有在指定光带的一个或多个信道频率处针对横电偏振模式和横磁偏振模式对齐的一个或多个通带峰值的干涉输出光谱，其中，具有对齐的横电/横磁偏振模式两者的所述一个或多个通带峰值中的每个通带峰值被多路分用至所述输出耦合器的相应端口；
第二长度的双折射波导部分，插入到所述第二波导臂内，以引起在所述指定光带的一个或多个可替换的信道频率处针对横电偏振模式和横磁偏振模式对齐的一个或多个通带峰值的相移，所述第二长度选自通过预定的增量从0逐步增大为最大值的一组固定值，使得能够包括在所述指定光带中具有对齐的横电和横磁偏振模式的所有信道。
2.根据权利要求1所述的多路分用设备，其特征在于，所述第一波导臂和所述第二波导臂包括具有在相同SOI衬底内形成的相同高度并且由二氧化硅隔离的一个或多个平面波导部分。
3.根据权利要求1所述的多路分用设备，其特征在于，所述第一波导臂包括选自硅、氮化硅以及与二氧化硅混合的氮化硅的材料。
4.根据权利要求3所述的多路分用设备，其特征在于，所述第二波导臂包括硅、氮化硅以及与二氧化硅混合的氮化硅的相同材料或可替换的选择。
5.根据权利要求1所述的多路分用设备，其特征在于，所述双折射波导部分包括选自硅和氮化硅的材料。
6.根据权利要求2所述的多路分用设备，其特征在于，所述双折射波导部分包括与所述第二波导臂的所述平面波导部分相同的高度，但是包括比所述第二波导臂更宽的波导宽度，以用于提供超过横电偏振模式和横磁偏振模式的长度延迟的额外相移，所述额外相移以逐步的方式调谐，使得能够形成相同类型的但是覆盖DWDM/CWDM带的一个或多个可替换的信道的多个多路分用设备。
7.根据权利要求6所述的多路分用设备，其特征在于，进一步包括宽度自适应锥形物，用于将所述双折射波导部分耦接至所述第二波导臂的所述平面波导部分。
8.根据权利要求1所述的多路分用设备，其特征在于，第三长度被选为与由在所述双折射波导部分的横电偏振模式分组指数与横磁偏振模式分组指数之间的差值确定的相移2π对应的最大值。
9.根据权利要求1所述的多路分用设备，其特征在于，逐步增大的所述一组固定值限定用于确定第二长度的步进器标线字段，以允许通过针对横电偏振模式和横磁偏振模式对齐的一个或多个通带峰值的至少一个相移到达所述指定光带的每个信道频率。
10.根据权利要求1所述的多路分用设备，其特征在于，进一步包括在所述第一波导臂或所述第二波导臂的至少部分截面上的加热器，用于局部改变温度，以引入额外相位延迟，以确保针对横电偏振模式和横磁偏振模式对齐的一个或多个通带峰值与所述指定光带的一个或多个对应的信道频率精确对准。
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