一种基于光栅辅助反向耦合的硅基波长解复用器件的制作方法

1.本发明涉及硅基光电子芯片领域，尤其涉及一种基于光栅辅助反向耦合的硅基波长解复用器件。


背景技术：

2.光波分复用技术其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将这些组合在一起的不同波长的信号分开，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。波分复用技术对网络的扩容升级，发展宽带业务，挖掘光纤带宽能力，实现超高速通信等均具有十分重要的意义。
3.在光互连系统的接收端，将同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的解复用器是其中的关键部件，其性能的优劣对系统的传输质量具有决定性作用。常用的片上集成解复用器主要有阵列波导光栅、级联mzi和微环型解复用器等，其中，阵列波导光栅具有设计方便、低的制作成本、性能优异、集成度非常高的优点，但它的环境敏感性较高，工作环境中的温度、湿度等都会对材料的折射率造成影响，且其可使用的通道数量有限；级联mzi相比于阵列波导光栅和阶梯型光栅，光谱非常平坦，并且插损较小，但是其所占用的芯片面积较大；微环型解复用器体积非常小，但是其对环境温度非常敏感，因此通常都需要通过热调来调节中心波长。


技术实现要素：

4.为了克服传统片上集成解复用器面临的挑战，本发明提出一种基于光栅辅助反向耦合的硅基波长解复用器件。
5.本发明采用的技术方案是：一种基于光栅辅助反向耦合的硅基波长解复用器件，包括n个依次串联的分波组件，相邻的分波组件之间通过波导宽度与高度相等的条形硅波导进行连接；前n-1个分波组件中每个分波组件由硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导和反向耦合波导构成，最后1个分波组件为一个直条形硅波导；所述前n-1个分波组件能够实现单个波长与其他波长的分离，并从反向耦合波导输出，前n-1个分波组件具有不同的波长；所述复用器件整体被包裹在二氧化硅包层中。
6.进一步，所述硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导提供反向耦合的微扰传播常数，硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导包括条形直硅波导ⅰ，条形直硅波导ⅰ的侧面嵌入一个凸出的条形直硅波导ⅱ，条形直硅波导ⅰ的两端长出所述条形直硅波导ⅱ；条形直硅波导ⅱ的侧面沿其长度方向嵌入周期性排列的条形二氧化硅结构，条形直硅波导ⅱ的外表面与条形二氧化硅结构的外表面齐平；
7.所述硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导整体的高度为h且处处相等，硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导整体的波导宽度非处处相等；
8.将条形直硅波导ⅰ长出条形直硅波导ⅱ的两端分别称为硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导的输入端、输出端，所述硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导的输入端、输出端
的宽度均为w1；
9.将条形直硅波导ⅰ嵌有直硅波导ⅱ和条形二氧化硅结构的整个区域称为硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导的布拉格光栅区域，所述布拉格光栅区域中具有硅-二氧化硅复合的部分，即嵌有条形二氧化硅结构的部分，其中硅部分的宽度为w2，二氧化硅部分的宽度为w3，且w2小于w1，w2与w3的和大于w1；所述布拉格光栅区域中不具有硅-二氧化硅复合的部分，即不嵌有条形二氧化硅结构的部分，硅部分的宽度为w4，且w4等于w2与w3的和；所述布拉格光栅区域在不同的波长的分波组件中，其光栅周期不相同，其宽度w1、w2、w3和w4都相同。
10.进一步，所述反向耦合波导进行单个波长的反向耦合输出，反向耦合波导的宽度为w0，反向耦合波导与硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导最大间距为w5；所述的布拉格光栅区域在不同的分波组件中，w0与w5皆不变，且其高度为h，与所述硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导的高度相等。
11.本发明的工作原理为：光栅辅助反向耦合是指借助于光栅微扰，使得原本由于相位失配而不能产生耦合的正反两个方向波导模式，重新满足相位匹配条件，从而实现两个波导模式之间耦合的结构。通过改变布拉格光栅的周期长度，进而改变了光栅矢量，从而所设计的波段可以满足波矢匹配条件得到反向耦合输出。
12.本发明的有益效果是：(1)可部署较多通道数。传统的阵列波导光栅的原理为经过不同长度波导延迟的光在可视为平板波导的罗兰圆中的进行干涉，实现不同波长的解复用，相邻延迟波导的长度差需严格满足光栅方程要求，但由于延迟波导宽度的具有加工误差，以及波导厚度的实际加工的不均匀性，这些都将导致通道中心波长的漂移，因此通道数过多会引入较大的中心波长误差。本发明借助于光栅产生的微扰传输常数，基于相位匹配条件，针对设计波长进行进行反向耦合与输出，从而实现多通道解复用。本发明无需借助不同相位延迟的干涉效应，可以在器件下游不断增加新的分波组件，实现较多通道数的解复用。
13.(2)可在版图中灵活部署，具有结构紧凑、易集成的特点。传统的级联mzi阵列解复用器由多个不同分光比的定向耦合器，以及不同长度的延迟线构成，由于基于定向耦合器中光的干涉效应，器件中的每一级内的两个臂的路径要遵循严格的相位差的分布，并且与前后两级的相对位置是固定的，在版图上的排布的灵活性较小，当版图面积有限时会占用较大面积。本发明由于每一级的分波与前后级的次序可以改变，而且在所述硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导保证相连的情况下，内部具有光栅的部分可以灵活分配在版图各处，因此本发明具有可在版图中灵活部署，具有结构紧凑、易集成的特点。
附图说明
14.图1是本发明的俯视图。
15.图2是本发明其中一段硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导的不同剖面示意图。
16.图3是本发明的工作流程示意图。
17.图4是本发明的仿真结果图。
18.附图标记说明：1、第一波长分波组件；2、第二波长分波组件；3、第三波长分波组件；4、第四波长分波组件；5、第五波长分波组件；6、第六波长分波组件。
具体实施方式
19.下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.参照图1的示意，一种基于光栅辅助反向耦合的硅基波长解复用器件，所述器件由六个分波组件构成，分别是第一波长分波组件1、第二波长分波组件2、第三波长分波组件3、第四波长分波组件4、第五波长分波组件5和第六波长分波组件6、每个所述波长分波组件皆由波导宽度与高度相等的条形硅波导进行连接，实现单个波长与其他波长的分离，并从反向耦合波导输出，在所有所述波长分波组件中，第一波长分波组件1、第二波长分波组件2、第三波长分波组件3、第四波长分波组件4和第五波长分波组件5由硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导和反向耦合波导构成，第六波长分波组件6为一个直条形硅波导，所述解复用器件整个结构被包裹在二氧化硅包层中。
23.参照图2的示意，所述硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导用于提供反向耦合的微扰传播常数，其组成方式为条形直硅波导中嵌入一个突出的条形直硅波导，再嵌入条形周期性二氧化硅结构，整体上，所述硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导的高度为h，且处处相等，其波导宽度非处处相等，从剖面1可以看出，在输入输出端，所述布拉格光栅波导呈现为宽度为w1的条形直硅波导，从剖面2可以看出，在所述布拉格光栅区域具有硅-二氧化硅复合的部分，所述布拉格光栅波导呈现为硅部分宽度为w2，二氧化硅部分宽度为w3，且w2小于w1，w2与w3的和大于w1，从剖面3可以看出，在所述布拉格光栅区域不具有硅-二氧化硅复合的部分，所述布拉格光栅波导呈现为硅部分宽度为w4，且w4等于w2与w3的和，所述的布拉格光栅在不同的分波组件中，其光栅周期不相同，但是其宽度w1、w2、w3和w4都相同。从剖面1、剖面2和剖面3可以看出，所述分波组件中的反向耦合波导用于单个波长的反向耦合输出，其宽度为w0，与硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导的最大间距为w5，在同一光栅博导中，所述的布拉格光栅在不同的分波组件中，w0与w5皆不变，且其高度为h，与所述硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导相等。
24.参照图3的示意，所述的布拉格光栅在不同的分波组件中，w0与w5皆不变，且其高度为h，与所述硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导相等。每经过一级波长分波组件，相应的设计波段就会从该级硅-二氧化硅复合的布拉格光栅波导对应的反向耦合波导中反向耦合
至对应的输出端口，未经过反向耦合的波段会沿着该级分波组件与下一级分波组件之间连接的条形波导传输至下一级波长分波组件，如此循环直至条形波导中只有一个波段。例如，在所述解复用器的入口处有六个波长的光同时输入，第一波长、第二波长、第三波长、第四波长、第五波长和第六波长分别对应图中的λ1、λ2、λ3、λ4、λ5和λ6。在第一波长分波组件1中，其所设计的耦合出的第一波长从反向耦合波导输出，第二波长、第三波长、第四波长、第五波长和第六波长沿第一波长分波组件1和第二波长分波组件2之间连接的条形波导传输至第二波长分波组件2，进行第二波长的耦合输出，如此循环直至条形波导中只有第六波长。每个分波组件之间的相对次序可以调换，且每个分波组件的相对位置的排布方式较为多样可以是图中的蛇形排布，或者一字形排布等。
25.为了验证本发明在实际应用中的效果，通过以下仿真实验进行说明：
26.本实验采用时域有限差分法进行计算分析，仿真实验中用到的关键参数包括：所述输入光为c波段的te模，所设计每级分波组件的w0为600nm，w1为400nm、w2为350nm、w3为100nm、w4为450、w5为200nm、h为250nm，并且二氧化硅的长度为157.25nm。第一波长分波组件1的光栅周期为307nm，后面的分波组件逐次增加1.5nm的周期长度，第二波长分波组件2的光栅周期为308.5nm，第三波长分波组件3的光栅周期为310nm，以此类推。图4为一种基于光栅辅助反向耦合的硅基波长解复用器件的仿真结果图。从图中可以看出，不同波段的光经过反向耦合，实现了六通道的波长解复用功能，具有较低的损耗和串扰。
27.综上，本发明提供的一种基于光栅辅助反向耦合的硅基波长解复用器件借助于光栅产生的微扰传输常数，基于相位匹配条件，针对设计波长进行反向耦合与输出，从而实现多通道解复用。相较于阵列波导光栅，本发明具有较强的可拓展性，其通道的数目可以根据使用要求不断地叠加，因此具有易拓展、结构紧凑和易集成等特点。
28.本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。