CN219657906U - 一种环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器。本实用新型包括输入光波导、输出光波导、多模干涉波导、阵列反射波导；输入光波导、输出光波导位于多模干涉波导左侧且通过锥形波导与多模干涉波导输入端连接；多模干涉波导右侧部分为阵列反射波导，阵列反射波导包括锥形波导、直波导和环形反射器；阵列反射波导中多模干涉波导输出端通过锥型波导分别连接等间距、不同长度的直波导，每条直波导连接一个相同设计的环形反射器。本实用新型利用多模干涉波导自映像增强点分光比均匀的特性，大幅减少传统AWG对阵列波导数目的需求，同时解决其阵列反射波导中光强不一致的问题，并且减少了器件尺寸，利于片上集成。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器，属于半导体波导通信器件技术领域。
背景技术
光网络已经得到了广泛的应用，但目前的光网络中各个组成部分都是不同的材料体系，使得目前的网络系统中各个器件难以集成，其成本居高不下，体积庞大，难以维护。基于目前的光网络状况，为了减小器件的成本和器件的尺寸，硅基光子器件得到了大幅度的发展。由于硅材料折射率较大，基于硅材料的硅光子通信器件具有较致密的结构；而且硅光子通信器件的工艺与现有CMOS工艺完全兼容，能够在硅基上实现硅光子通信器件与集成电路的片上集成，不但有效降低器件的成本，而且能够减小器件的尺寸并提高器件的可靠性。光通信系统因其在满足日益增长的带宽需求方面的潜力而引起了广泛的关注。除了固有的超高带宽外,光通信还提供了波分复用(WDM)，通过在单个光波导中复用不同频率/波长的信号来增加通道容量。硅基集成光学技术已被证明是一种主要的方法，通过在平面衬底上的小型化光学元件和电路来满足光通信要求。
目前报道用于波分复用的基于绝缘体上硅(SOI)的光子原件，有级联马赫曾德尔干涉仪(MZIs)，阵列波导光栅(AWG),和微环谐振器等。但这些结构都有各自的不足，影响器件的最终性能。
基于环形谐振器(MRR)的波分复用器由于其器件尺寸小而具有研究前景。其工作原理是利用谐振波长实现解复用，需要级联不同半径的微环，由于受工艺制造的误差影响，其稳定的波长间隔较难控制，在没有主动元件(如加热器)的情况下是很难达到一个良好的性能要求，但在对微环进行热调谐时，则会增加器件的功耗；基于级联MZI的波分复用器是通过臂长差实现波分复用，其缺点是需要实现多通道的波分复用时，随着级联次数的增加，芯片尺寸也会成倍的增加。
基于AWG的波分复用器由于其简单的设计方法和紧凑性更有吸引力，特别是在硅衬底上。AWG被公认为是极窄信道间距(DWDM)下复用数百个信道的唯一解决方案。传统的AWG结构使用基于自由传播区域(FPRs)的波前划分的功率分配器。这些功率分配器的缺点是:插入损耗高，功率分配器不均匀，制造要求严格，器件尺寸大。多模干涉(MMI)耦合器通常以其波长无关和稳定制造性能以及均匀的分光比而闻名。因此，用基于MMI的功率分配器取代FPR功率分配器在设备占地面积、输出之间均匀的功率分布和更少的波导阵列方面非常受欢迎。
本实用新型提出的环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器能够有效弥补现存基于环形谐振器的波分复用器和基于AWG的波分复用器所产生的缺陷，能够得到性能优良的波分复用器。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器。该多模干涉波导的波分复用器具有低光损耗、损耗均匀性高、低串扰的优点。
本实用新型技术方案是：一种环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器，包括输入光波导1、输出光波导、多模干涉波导6、阵列反射波导；输入光波导1、输出光波导位于多模干涉波导6左侧且通过锥形波导7与多模干涉波导6输入端连接；多模干涉波导6右侧部分为阵列反射波导，阵列反射波导包括锥形波导7、直波导8和环形反射器；阵列反射波导中多模干涉波导6输出端通过锥型波导7分别连接等间距、不同长度的直波导8，每条直波导8连接一个相同设计的环形反射器，环形反射器由一个1×2光波导分束器/合束器9和一段弯曲光波导10构成。
作为本实用新型的进一步方案，所述多模干涉波导6用于作为波分复用器的自由传输衍射区，阵列反射波导中的锥形波导7放置在多模干涉波导6自映像增强点的位置，自映像增强点为等间距分布，使光信号能以等相位，等光强进入阵列反射波导中。
作为本实用新型的进一步方案，所述阵列反射波导中的模场是基于多模干涉波导的自映像原理产生的，多模干涉波导6产生N个自映像增强点，其中N与阵列反射波导的数目相同，多模干涉波导替换波分复用器中的两个罗兰圆部分减小了器件整体尺寸。由公式
可以得到输出光波导的间距Δx，N为输出光波导数目，dg为阵列反射波导的间距，Δλ为1550nm附近的信道间距，ng为阵列反射波导的群折射率，neff-slab为条形波导的折射率，λ0为中心波长，LFPR为多模干涉波导的长度，neff-waveguide.为脊型波导的有效折射率。
作为本实用新型的进一步方案，所述阵列反射波导通过锥形波导7与多模干涉波导6右端相连接，输出光波导等间距分布在多模干涉波导6左侧。
作为本实用新型的进一步方案，相邻阵列反射波导中与环形反射器相连接的直波导长度差ΔL相同。使得相邻直波导中的光信号具有固定的相位差，使得再次进入多模干涉波导时发生衍射效应，实现分波功能。长度差的计算公式为
λ0为中心波长，Δλ为1550nm附近的信道间距，N为阵列反射波导的数目，ng为阵列反射波导的群折射率。
作为本实用新型的进一步方案，若干形状、尺寸相同的环形反射器排列组成阵列环形反射器。环形反射器可以把直波导中的光信号等振幅，等相位，沿传播方向相反地再次返回到直波导中。
作为本实用新型的进一步方案，所述1×2光波导分束器/合束器9结构为Y分支结构。采用Y分支结构能够将输入的光信号均分输入弯曲波导中，再将返回的光信号合束达到折叠反射的效果。
作为本实用新型的进一步方案，所述多模干涉波导6采用锥形波导7与输入输出波导相连接，锥形波导7采用SIN波导或Si波导；输入输出波导采用脊形波导或条形波导。
本实用新型的工作原理是：基于多模干涉耦合器的原理，一束含多个波长的光信号从输入光波导1通过锥形波导7进入多模干涉波导6，在多模干涉波导6中发生各阶模的干涉而形成自映像效应，阵列反射波导放置在多模干涉区的自映像增强点位置，光信号以等相位，等强度地分别耦合进入阵列反射波导，等相位的光信号经过不同直波导8长度的阵列反射波导传输后来到1×2光波导分束器/合束器9处，均匀分为两束光波进入到弯曲光波导10中，传输相同长度后又经过1×2光波导分束器/合束器9合束进入直波导8中，阵列反射波导中的长度差使得相邻波导中的光信号具有固定的相位差，之后等相位差的光信号通过锥形波导7进入到多模干涉波导6中发生衍射效应，不同波长的光信号聚焦在多模干涉波导6的不同位置，经输出光波导的每个输出端口输出，实现解复用功能。
采用SOI晶片，基于本实用新型的器件结构与CMOS制作工艺，可以制备本实用新型提出的一种环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器。主要集成工艺流程如下：
步骤一：首先对SOI晶圆进行表面预处理：结构包含硅核心层厚度220nm、二氧化硅掩埋层厚度为2μm的SOI晶圆，使用比例1：100的氢氟酸溶液冲洗10s，除去表面的自然氧化层后使用去离子水清洗10分钟，然后使用浓硫酸加双氧水的SPM溶液清洗硅基表面的有机物与金属杂质，再次使用去离子水清洗10分钟，最后烘烤去除水分。
步骤二：采用PECVD工艺，在硅片表面沉积50nm厚度的二氧化硅，作为刻蚀硅波导时的硬掩模，然后进行光刻胶的涂布。将掩模版和SOI晶圆精确对准后进行曝光，将掩模版上设计的波分复用器图案转移至光刻胶上。
步骤三：去除残留光刻胶并进行清洗，对硅基晶圆的顶层硅进行刻蚀工艺，使用CF4气体进行刻蚀，从而将光刻胶上曝光的图形转移到薄膜材料上，形成所设计的器件结构。
步骤四：为保证器件稳定工作，使用PECVD进行介质薄膜SiO2的沉积，沉积厚度为3μm。使用化学机械平坦化CMP工艺，形成光滑的表面之后进行清洗处理，完成器件的制作。
本实用新型采用多模干涉波导代替普通AWG的罗兰圆结构，输入光场通过多模干涉耦合区后，在输出端产生n个自映像增强点，从而等功率地通过锥形波导结构，较少损耗地进入阵列反射波导，阵列反射波导的等长度差设计使得相邻阵列反射波导中的光信号具有相等的相位差，等相位差的信号从环形反射器重新进入多模干涉波导，不同波长的信号从不同的波导输出完成分波。多模干涉波导可以将光信号等分、均匀地耦合到阵列反射波导，从而解决其阵列反射波导中光强不一致的问题，并且在此结构中采用半径合适的弯曲光波导结构，其光损耗极其微小。以硅基光波导为例，截面为220nm(高)×500nm(宽)的弯曲光波导，当其半径大于2微米时光循环一周的光损耗小于0.01dB，同时，弯曲光波导对波长不敏感，通信波长中的任何波长在其中的光损耗和弯曲损耗可以完全忽略。本实用新型中的1×2光波导分束器/合束器，使用Y分支结构，其带宽完全满足阵列波导光栅的设计要求，且该结构的光损耗极小。同时，环形反射器对工艺要求较低，能够容易实现结构中各个环形反射器的一致性。因此，本实用新型中提出的环形反射器具有低光损耗和宽带宽的特点，多模干涉波导的波分复用器能够实现较小的片上尺寸、较低的损耗和优良的串扰指标。
本实用新型的有益效果是：本实用新型采用多模干涉波导代替阵列波导光栅中聚焦平板波导，基于自映像原理平均分配功率进入阵列波导中，可以避免罗兰圆结构功率分配不均匀的缺陷，从而降低串扰和器件的插入损耗；同时，对阵列波导的数目需求很小，避免了传统AWG阵列波导之间光信号耦合产生的旁瓣问题；此外，环形反射器的引入可以使一个多模干涉波导同时起到两个传统AWG聚焦平板波导的作用，使器件的尺寸减小一半。因此该多模干涉波导的波分复用器具有低损耗、低相邻通道串扰的性能表现，且与传统AWG相比，对旁瓣有较好的抑制效果，本实用新型的设计结构可以降低工艺要求，容易获得一致性的器件结构。
附图说明
图1是本实用新型结构示意图；
图2是本实用新型多模干涉波导部分结构示意图；
图3是本实用新型阵列反射波导部分结构示意图；
图4是本实用新型的仿真结果图。
图1-图4中各标号：1-输入光波导，2-输出光波导Ⅰ，3-输出光波导Ⅱ，4-输出光波导III，5-输出光波导Ⅳ，6-多模干涉波导，7-锥形波导，8-直波导，9-1×2光波导分束器/合束器，10-弯曲光波导。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。
实施例1：如图1-图4所示，一种环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器，包括输入光波导1、输出光波导、多模干涉波导6、阵列反射波导；输入光波导1、输出光波导位于多模干涉波导6左侧且通过锥形波导7与多模干涉波导6输入端连接；多模干涉波导6右侧部分为阵列反射波导，阵列反射波导包括锥形波导7、直波导8和环形反射器；阵列反射波导中多模干涉波导6输出端通过锥型波导7分别连接等间距、不同长度的直波导8，每条直波导8连接一个相同设计的环形反射器，环形反射器由一个1×2光波导分束器/合束器9和一段弯曲光波导10构成。
所述多模干涉波导6用于作为波分复用器的自由传输衍射区。所述阵列反射波导中的模场是基于多模干涉波导的自映像原理产生的，多模干涉波导6产生N个自映像增强点，其中N与阵列反射波导的数目相同，阵列反射波导中的锥形波导7放置在多模干涉波导6自映像增强点的位置，自映像增强点为等间距分布。所述阵列反射波导通过锥形波导7与多模干涉波导6右端相连接，输出光波导等间距分布在多模干涉波导6左侧。相邻阵列反射波导中与环形反射器相连接的直波导长度差ΔL相同。若干形状、尺寸相同的环形反射器排列组成阵列环形反射器。所述1×2光波导分束器/合束器9结构为Y分支结构。所述多模干涉波导6采用锥形波导7与输入输出波导相连接，锥形波导7采用SIN波导或Si波导；输入输出波导采用脊形波导或条形波导。
主要集成工艺流程如下：
步骤一：首先对SOI晶圆进行表面预处理：结构包含硅核心层厚度220nm、二氧化硅掩埋层厚度为2μm的SOI晶圆，使用比例1：100的氢氟酸溶液冲洗10s，除去表面的自然氧化层后使用去离子水清洗10分钟，然后使用浓硫酸加双氧水的SPM溶液清洗硅基表面的有机物与金属杂质，再次使用去离子水清洗10分钟，最后烘烤去除水分。
步骤二：采用PECVD工艺，在硅片表面沉积50nm厚度的二氧化硅，作为刻蚀硅波导时的硬掩模，然后进行光刻胶的涂布。将掩模版和SOI晶圆精确对准后进行曝光，将掩模版上设计的波分复用器图案转移至光刻胶上。
步骤三：去除残留光刻胶并进行清洗，对硅基晶圆的顶层硅进行刻蚀工艺，使用CF4气体进行刻蚀，从而将光刻胶上曝光的图形转移到薄膜材料上，形成所设计的器件结构。
步骤四：为保证器件稳定工作，使用PECVD进行介质薄膜SiO2的沉积，沉积厚度为3μm。使用化学机械平坦化CMP工艺，形成光滑的表面之后进行清洗处理，完成器件的制作。
该多模干涉波导的波分复用器采用220nm的顶层硅SOI晶片，埋氧层厚度为2μm。直波导8的截面尺寸为500nm×220nm，多模干涉波导6的尺寸为79μm×6μm，相邻直波导长度差ΔL为175.66μm，弯曲光波导10最小半径为3μm，相邻两个输出光波导的最小中心间距为1.58μm，阵列反射波导数目为5，如图1所示的多模干涉波导6右边的5个阵列反射波导，输出光波导数目为4，如图1所示的输出光波导Ⅰ2、输出光波导Ⅱ3、输出光波导III4、输出光波导Ⅳ5。仿真得到的光谱图如图4所示，从结果可以看出：本实用新型提出的该多模干涉波导的波分复用器具有良好的分波性能，插入损耗为1.5dB，通道损耗不均匀性为0.97dB，通道间隔为0.8nm，相邻通道串扰最低为14.86dB。
实施例2
本实施例区别于实施例1中的1x4通道波分复用器，在实施例2中采用1x5通道设计，环形反射器使用Si3N4波导，通过层间耦合的方式与Si阵列直波导相耦合，其他结构与实施例1相同。该多模干涉波导的波分复用器,包括输入光波导1、输出光波导、多模干涉波导6、阵列反射波导。输入光波导1、输出光波导位于多模干涉波导6左侧且通过锥形波导7与多模干涉波导6输入端连接；多模干涉波导6右侧部分为阵列反射波导，其由锥形波导7、直波导8和环形反射器构成。阵列反射波导中多模干涉波导6输出端通过锥型波导7分别连接等间距、不同长度的直波导8，每条直波导8通过层间耦合的方式连接一个相同设计的环形反射器，环形反射器由1x2光波导分束器/合束器9和弯曲波导10构成。
主要集成工艺流程如下：步骤一：首先对SOI晶圆进行表面预处理：结构包含硅核心层厚度220nm、二氧化硅掩埋层厚度为2μm的SOI晶圆，使用比例1：100的氢氟酸溶液冲洗10s，除去表面的自然氧化层后使用去离子水清洗10分钟，然后使用浓硫酸加双氧水的SPM溶液清洗硅基表面的有机物与金属杂质，再次使用去离子水清洗10分钟，最后烘烤去除水分。
步骤二：采用PECVD工艺，在硅片表面沉积50nm厚度的二氧化硅，作为刻蚀硅波导时的硬掩模，然后进行光刻胶的涂布。将掩模版和SOI晶圆精确对准后进行曝光，将掩模版上设计的波分复用器图案转移至光刻胶上。
步骤三：去除残留光刻胶并进行清洗，对硅基晶圆的顶层硅进行刻蚀工艺，使用CF4气体进行刻蚀，从而将光刻胶上曝光的图形转移到薄膜材料上，形成所设计的器件结构。
步骤四：再使用PECVD进行介质薄膜SiO2的沉积，对所得二氧化硅层表面进行化学抛光，得到平滑的表面，然后进行清洗；利用LPCVD技术沉积硅层，进行抛光，然后进行光刻，光刻包括甩胶、曝光、显影、烘干，再刻蚀，最后去胶清洗，得到环形反射器结构。
步骤五：为保证器件稳定工作，使用PECVD进行介质薄膜SiO2的沉积，沉积厚度为3μm。使用化学机械平坦化CMP工艺，形成光滑的表面之后进行清洗处理,得到最终结构。
其中若干大小、形状相同的所述环形反射器组成阵列环形反射器；所述1×2光波导分束器/合束器9的两输出端光波导的截面与对应连接的弯曲光波导10截面相同，截面为条形形状；1×2光波导分束器/合束器9结构为Y分支结构；输出光波导数目为5，等间距分布在多模干涉波导6左侧；阵列反射波导由锥形波导7、直波导8和环形反射器组成，相邻直波导8长度差ΔL相同。波分复用器采用220nm的顶层硅SOI晶片，埋氧层厚度为2μm。多模干涉波导6尺寸为84μm×9μm，相邻直波导8长度差ΔL为190.88μm，弯曲光波导10最小半径为3μm，相邻直波导8最小间距为1.5μm，直波导8数目为6，输出光波导数目为5，输出光波导间距为1.5μm，设计通道间隔为3.2nm。
上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器，其特征在于：包括输入光波导(1)、输出光波导、多模干涉波导(6)、阵列反射波导；输入光波导(1)、输出光波导位于多模干涉波导(6)左侧且通过锥形波导(7)与多模干涉波导(6)输入端连接；多模干涉波导(6)右侧部分为阵列反射波导，阵列反射波导包括锥形波导(7)、直波导(8)和环形反射器；阵列反射波导中多模干涉波导(6)输出端通过锥型波导(7)分别连接等间距、不同长度的直波导(8)，每条直波导(8)连接一个相同设计的环形反射器，环形反射器由一个1×2光波导分束器/合束器(9)和一段弯曲光波导(10)构成。
2.根据权利要求1所述的环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器，其特征在于：所述多模干涉波导(6)用于作为波分复用器的自由传输衍射区。
3.根据权利要求1所述的环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器，其特征在于：所述阵列反射波导中的模场是基于多模干涉波导的自映像原理产生的，多模干涉波导(6)产生N个自映像增强点，其中N与阵列反射波导的数目相同，阵列反射波导中的锥形波导(7)放置在多模干涉波导(6)自映像增强点的位置，自映像增强点为等间距分布。
4.根据权利要求1所述的环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器，其特征在于：所述阵列反射波导通过锥形波导(7)与多模干涉波导(6)右端相连接，输出光波导等间距分布在多模干涉波导(6)左侧。
5.根据权利要求1所述的环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器，其特征在于：相邻阵列反射波导中与环形反射器相连接的直波导长度差ΔL相同。
6.根据权利要求1所述的环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器，其特征在于：若干形状、尺寸相同的环形反射器排列组成阵列环形反射器。
7.根据权利要求1所述的环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器，其特征在于：所述1×2光波导分束器/合束器(9)结构为Y分支结构。
8.根据权利要求1所述的环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器，其特征在于：所述多模干涉波导(6)采用锥形波导(7)与输入输出波导相连接，锥形波导(7)采用SIN波导或Si波导；输入输出波导采用脊形波导或条形波导。
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| CN202321378062.7U CN219657906U (zh) | 2023-06-01 | 2023-06-01 | 一种环形反射器辅助多模干涉波导的波分复用器 |
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2023
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