CN214256319U - 一种基于硅基氮化硅波导的90度光混频器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，包括：衬底；二氧化硅层，位于衬底上；氮化硅波导层，位于二氧化硅层上；二氧化硅包层，包覆于氮化硅波导层上；其中，氮化硅波导层配置为包括信号光输入波导、本振光输入波导、多模干涉区及四个输出波导；信号光输入波导与多模干涉区耦合，用于接收信号光，多模干涉区激励出各阶模式，使信号光和本振光发生混频，形成输入光场的四个复制点，并分别引出至四个输出波导。本实用新型基于硅基氮化硅波导及多模干涉耦合器实现了低损耗、低相位偏差、高光学带宽的2×4型90度光混频器。
Description
技术领域
本实用新型属于光通信领域，特别是涉及一种基于硅基氮化硅波导的90度光混频器。
背景技术
随着1.55μm波段光通信系统技术的日趋成熟以及标准单模光纤(SMF)容量的限制性，寻找更多的波段已成为下一代大容量光网络的研究热点。与传统的实心光纤相比，中空光子带隙光纤(HC-PBGF)具有超低的非线性和较低的延迟，因此非常有前途。最近，基于HC-PBGF 光纤的2μm波段WDM光通信系统已被证明具有广泛的应用前景。同时，在2μm已波段经开发出一些关键组件，包括高速调制器和光电探测器等，它们提供了在该频段进行集成的可能性，使得2μm波段的传输实验变得可行。
为了在2μm波段获得更高的容量，须应用诸如QPSK的高阶调制格式。QPSK是一种在相干传输系统中最大化频谱效率有效方法。90度光混频器用作QPSK调制信号的解调器，是相干接收机系统中的必备组件之一。因此研制出结构简单、低附加损耗、低相位偏差的90度光混频器对实现2μm波段的相干接收机系统有重要的推动作用。之前有团队基于InP的稀释波导设计了在2μm波段内的90°光混频器，但其具有尺寸大，损耗高，相位偏差大的缺点。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于硅基氮化硅波导的 90度光混频器，用于解决现有技术中混频器尺寸大、损耗高及相位偏差大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，所述混频器包括：衬底；二氧化硅层，位于所述衬底上；氮化硅波导层，位于所述二氧化硅层上；二氧化硅包层，包覆于所述氮化硅波导层上；其中，所述氮化硅波导层配置为包括信号光输入波导、本振光输入波导、多模干涉区及四个输出波导；所述信号光输入波导与多模干涉区耦合，用于接收信号光，所述多模干涉区激励出各阶模式，使信号光和本振光发生混频，形成输入光场的四个复制点，并分别引出至所述四个输出波导。
可选地，信号光输入波导及本振光输入波导分别包括：输入单模直波导；输入宽度渐变波导，连接于所述输入单模直波导与所述多模干涉区，用于将所述输入单模直波导中的光更多地耦合进入多模干涉区。
可选地，所述输入宽度渐变波导为锥形绝热传输波导。
可选地，所述四个输出波导分别包括：输出宽度渐变波导，连接于所述多模干涉区及输出单模直波导，用于在输出端引出输出光到输出单模直波导；输出单模直波导，连接于所述输出宽度渐变波导，用于将输出光以单模形式传输。
可选地，所述输出宽度渐变波导为锥形绝热传输波导。
可选地，带有相位信息的信号光与本振光在多模干涉区中进行混频，由于MMI的自映像效应，在特定的干涉长度出现4个干涉位置，由四个输出波导相连，通过输出位置可以探测到四个携带不同相位的光，相对相位分别为0度、90度、270度和180度。
可选地，所述多模干涉区长度为：
其中，Lπ是两个最低阶模的拍长，β0和β1是多模干涉区基模和一阶模的传播常数。
可选地，所述多模干涉区的宽度介于15.9～16.1微米，所述多模干涉区的长度介于 214～220微米。
可选地，所述二氧化硅层的厚度介于2～3微米，所述氮化硅波导层的厚度介于0.3～0.5 微米。
可选地，所述基于硅基氮化硅波导的90度光混频器在2μm波段的损耗小于1dB。
可选地，所述基于硅基氮化硅波导的90度光混频器在2μm波段的相位偏差小于5度。
如上所述，本实用新型的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，具有以下有益效果：
本实用新型提供了一种低损耗、低相位偏差、高光学带宽的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，本实用新型采用的氮化硅材料具有中等折射率对比度和低传输损耗的优点，同时多模干涉耦合器(MMI)可以通过较为简单的结构实现90度光学混频功能，本实用新型基于硅基氮化硅波导及多模干涉耦合器实现了低损耗、低相位偏差、高光学宽带的2×4型90度光混频器。本实用新型的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器在2μm波段的损耗小于1dB，最低可达到0.2dB以下，在2μm波段的相位偏差小于5度，最低可达到2度以下。
附图说明
图1～图2显示为本实用新型实施例的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器的结构示意图，其中，图2显示为图1中A-A’处的截面结构示意图。
图3显示为本实施例的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器的光强分布图。
图4～图6显示为本实施例的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器在不同长度以及宽度下的附加损耗曲线，当长度为217μm时，对应的器件宽度分别为15.9μm、16.0μm和16.1μm；当宽度为16μm时，对应的器件长度为214μm和220μm。
图7～图9显示为本实施例的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器的不平衡度和相位偏差曲线。
元件标号说明
10 信号光输入波导
101 输入单模直波导
102 输入宽度渐变波导
20 本振光输入波导
30 多模干涉区
40 第一输出波导
401 输出宽度渐变波导
402 输出单模直波导
50 第二输出波导
60 第三输出波导
70 第四输出波导
801 衬底
802 二氧化硅层
803 氮化硅波导层
804 二氧化硅包层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
氮化硅由于波导损耗低、透明窗口大等优势得到了快速发展，已广泛用于非线性光学、光学生物传感和微波光子学。这使得开发2μm的基于硅基氮化硅波导的器件非常有前途且有吸引力。目前还没有报道过在2μm波段的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器。
如图1～图2所示，其中，图2显示为图1中A-A’处的截面结构示意图，本实施例提供一种基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，所述混频器包括衬底801、二氧化硅层802、氮化硅波导层803、及二氧化硅包层804，如图2所示。
所述衬底801可以为硅衬底。在本实施例中，所述衬底801为硅衬底。
所述二氧化硅层802位于所述衬底801上，所述二氧化硅层802可以通过如等离子增强化学气相沉积工艺(PECVD)、低压化学气相沉积工艺(LPCVD)等形成。所述二氧化硅层802的厚度介于2～3微米，在本实施例中，所述二氧化硅层802的厚度为3微米。
所述氮化硅波导层803位于所述二氧化硅层802上。所述氮化硅波导层803可以通过如等离子增强化学气相沉积工艺(PECVD)沉积后，依据器件所需的光波导图形，通过光刻工艺及刻蚀工艺形成。所述氮化硅波导层803的厚度介于0.3～0.5微米，在本实施例中，所述氮化硅波导的厚度为0.4微米。图3显示为本实施例的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器的光强分布图，由图3可见，光强几乎被限制于氮化硅波导层803中，所述氮化硅波导具有损耗低、透明窗口大等优点。
所述二氧化硅包层804包覆于所述氮化硅波导层803上。所述二氧化硅层802可以通过如等离子增强化学气相沉积工艺(PECVD)、低压化学气相沉积工艺(LPCVD)等形成。所述二氧化硅包层804的厚度可以为1微米～3微米。
如图1所示，通过光刻工艺及刻蚀工艺，所述氮化硅波导层803配置为包括信号光输入波导10、本振光输入波导20、多模干涉区30及四个输出波导；所述信号光输入波导10与多模干涉区30耦合，用于接收信号光，所述多模干涉区30激励出各阶模式，使信号光和本振光发生混频，形成输入光场的四个复制点，并分别引出至所述四个输出波导。
如图1所示，信号光输入波导10及本振光输入波导20分别包括：输入单模直波导101；输入宽度渐变波导102，连接于所述输入单模直波导101与所述多模干涉区30，用于将所述输入单模直波导101中的光更多地耦合进入多模干涉区30。在本实施例中，所述输入宽度渐变波导102为锥形绝热传输波导，以进一步降低混频器的损耗。
如图1所示，所述四个输出波导分别包括：输出宽度渐变波导401，连接于所述多模干涉区30及输出单模直波导402，用于在输出端引出输出光到输出单模直波导402；输出单模直波导402，连接于所述输出宽度渐变波导401，用于将输出光以单模形式传输。在本实施例中，所述输出宽度渐变波导401为锥形绝热传输波导，以进一步降低混频器的损耗。
如图1所示，在本实施例中，带有相位信息的信号光与本振光在多模干涉区30中进行混频，由于MMI的自映像效应，在特定的干涉长度出现4个干涉位置，由四个输出波导相连，通过输出位置可以探测到四个携带不同相位的光，相对相位分别为0度、90度、270度和180 度。例如，在本实施例中，所述四个输出波导包括输出相对相位0度的第一输出波导40、输出相对相位90度的第二输出波导50、输出相对相位270度的第三输出波导60及输出相对相位180度的第四输出波导70。
所述多模干涉区30长度为：
其中，Lπ是两个最低阶模的拍长，β0和β1是多模干涉区基模和一阶模的传播常数。
基于以上设计，本实施例可以通过优化MMI的宽、长，以及输入波导的锥形绝热传输，实现在2μm处的低损耗、低相位偏差、宽带宽的90度光混频器。在本实施例中，所述多模干涉区30的宽度介于15.9～16.1微米，所述多模干涉区30的长度介于214～220微米。
图4～图6显示为本实施例的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器在不同长度以及宽度下的附加损耗曲线，当长度为217μm时，对应的器件宽度分别为15.9μm、16.0μm和16.1μm；当宽度为16μm时，对应的器件长度为214μm和220μm。由图4～图6可见，本实施例的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器在2μm波段的损耗小于1dB，最低可达到0.2dB以下。
图7～图9显示为本实施例的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器的不平衡度和相位偏差曲线，由图7～图9可见，所述基于硅基氮化硅波导的90度光混频器在2μm波段的相位偏差小于5度，最低可达到2度以下。
如上所述，本实用新型的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，具有以下有益效果：
本实用新型提供了一种低损耗、低相位偏差、高光学带宽的基于氮化硅材料的90度光混频器，本实用新型采用的氮化硅材料具有中等折射率对比度和低传输损耗的优点，同时多模干涉耦合器(MMI)可以通过较为简单的结构实现90度光学混频功能，本实用新型基于硅基氮化硅波导及多模干涉耦合器实现了低损耗、低相位偏差、高光学带宽的2×4型90度光混频器。本实用新型的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器在2μm波段的损耗小于1dB，最低可达到0.2dB以下，在2μm波段的相位偏差小于5度，最低可达到2度以下。
所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，其特征在于，所述混频器包括：
衬底；
二氧化硅层，位于所述衬底上；
氮化硅波导层，位于所述二氧化硅层上；
二氧化硅包层，包覆于所述氮化硅波导层上；
其中，所述氮化硅波导层配置为包括信号光输入波导、本振光输入波导、多模干涉区及四个输出波导；所述信号光输入波导与多模干涉区耦合，用于接收信号光，所述多模干涉区激励出各阶模式，使信号光和本振光发生混频，形成输入光场的四个复制点，并分别引出至所述四个输出波导。
2.根据权利要求1所述的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，其特征在于：信号光输入波导及本振光输入波导分别包括：
输入单模直波导；
输入宽度渐变波导，连接于所述输入单模直波导与所述多模干涉区，用于将所述输入单模直波导中的光更多地耦合进入多模干涉区。
3.根据权利要求2所述的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，其特征在于：所述输入宽度渐变波导为锥形绝热传输波导。
4.根据权利要求1所述的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，其特征在于：所述四个输出波导分别包括：
输出宽度渐变波导，连接于所述多模干涉区及输出单模直波导，用于在输出端引出输出光到输出单模直波导；
输出单模直波导，连接于所述输出宽度渐变波导，用于将输出光以单模形式传输。
5.根据权利要求4所述的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，其特征在于：所述输出宽度渐变波导为锥形绝热传输波导。
6.根据权利要求1所述的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，其特征在于：带有相位信息的信号光与本振光在多模干涉区中进行混频，由于MMI的自映像效应，在特定的干涉长度出现4个干涉位置，由四个输出波导相连，通过输出位置可以探测到四个携带不同相位的光，相对相位分别为0度、90度、270度和180度。
7.根据权利要求1所述的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，其特征在于，所述多模干涉区长度为：
其中，Lπ是两个最低阶模的拍长，β0和β1是多模干涉区基模和一阶模的传播常数。
8.根据权利要求1所述的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，其特征在于：所述多模干涉区的宽度介于15.9～16.1微米，所述多模干涉区的长度介于214～220微米。
9.根据权利要求1所述的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，其特征在于：所述二氧化硅层的厚度介于2～3微米，所述氮化硅波导层的厚度介于0.3～0.5微米。
10.根据权利要求1所述的基于硅基氮化硅波导的90度光混频器，其特征在于：所述基于硅基氮化硅波导的90度光混频器在2μm波段的损耗小于1dB，所述基于硅基氮化硅波导的90度光混频器在2μm波段的相位偏差小于5度。
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