CN113253537B - 一种基于soi材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SOI材料制备的马赫‑曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器，包括基于SOI材料制备的2×2定向耦合器、两根长度不等的干涉臂以及2×1的多模干涉耦合器(MMI)，另外包括在定向耦合器耦合区域上方的热电极。其中定向耦合器将受调制的输入光按一定比例分成两束，长度不等的干涉臂使输入光在干涉臂的出口处形成π的相位差，之后经MMI形成相消干涉，完成对输入光的微分操作。所述的热电极加载电信号，通过改变定向耦合器输出端的分光比，以实现输入光在工作波长处的干涉强度变化，从而使得微分器微分阶数的调整。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及到一种基于SOI材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器。
背景技术
由于制程限制，电子芯片的发展速度逐渐放缓，晶体管的集成数量增长减慢，而功耗、噪声、串扰等问题愈加明显。而比起电信号处理，光信号处理带宽大、传输速度快、抗电磁干扰且复用方式丰富，且全光处理可以匹配光纤传输速率，从而提高了数据处理速率，并有效降低了先前信号处理“光-电-光”的转换成本与维护费用。
SOI(Silicon on Insulator，绝缘体上的硅)受益于硅与二氧化硅间大的折射率差，使得光信号可以很好地限制于硅中，且硅具有和聚合物同量级的热光系数，很适宜做波导材料。SOI还具有弯曲损耗小、制作工艺成熟、制造成本低廉、可与CMOS工艺兼容等优势，有利于将波导器件微型化、用于大规模集成。
为了实现全光处理，需要设计针对于光学的基本计算模块，如光学时域积分器、光学时域微分器、光学傅里叶变换器等。其中，光学时域微分器作为光计算的元器件之一，可以用于光计算、脉冲编码、脉冲整形等，结合其他器件还可以实现更加复杂的计算。在SOI上加辅助热电极，可改变波导的温度，进而改变波导内模式的有效折射率，实现光振幅、相位的改变，是可调阶数微分器的重要的调制方式之一。
为了实现片上集成，基于硅基微环谐振腔(micro-ring resonator,MRR)、硅基布拉格光栅、硅基光子晶体谐振腔、硅基马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnderinterferometer,MZI)和自耦合波导(self-coupled optical-waveguide,SCOW)的光学时域微分器方案被相继提出。比较常见的是MRR型和MZI型。MRR型微分器的集成度高，微分结果准确，但工作带宽较小，难以应对高速的信号处理；MZI型微分器工作原理简单，工作带宽相对较大，但集成度相对较低。
对于可调的MZI型微分器，其原理是改变上下干涉臂的分光比，以实现最后干涉深度的变化及相位变化。一般方案是通过在一个臂中引入额外的损耗，以实现两个臂的出射光强度不同，这导致了较大的能量浪费。且引入损耗必然基于波导折射率的改变，这将导致微分器工作波长有较大偏移，需要每次调整输入光的载波频率，影响其实用性。
发明内容
针对于可调阶数的MZI型光学时域微分器，本发明公开了一种基于SOI材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器，提供了一种简单有效的MZI型光学微分器方案，相较于现有的MZI型光学微分器，减少了输入信号的无谓浪费，且工作波长稳定，兼有较大的工作带宽以适应高速的信息处理。
为达到所述目标，本发明的技术方案如下：
一种基于SOI材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器，包括SiO2包层，所述SiO2包层内部设有水平设置的波导层，所述的波导层由Si材料制备；
所述波导层包括：一个定向耦合器、两根长度不等的干涉臂和一个多模干涉耦合器，所述定向耦合器、干涉臂和多模干涉耦合器依次级联构成马赫-曾德尔干涉仪；
所述定向耦合器输入端的上端口Input A为微分器的输入端，多模干涉耦合器的输出端口Output为微分器的输出端；在所述定向耦合器耦合区域正上方设有热电极，其宽度覆盖整个耦合区域及周围部分区域；所述热电极与定向耦合器中间有SiO2作为缓冲层。
进一步的，所述定向耦合器包括两个输入直波导、四个弯曲波导、两个耦合直波导以及从脊型波导向条形波导过渡的过渡波导，所述的两个耦合直波导构成有间距的耦合区C1。进一步的，所述定向耦合器的耦合间距依据调制系统的调制效率进行调整，若调制系统对于波导折射率调制水平较低，即可实现的折射率变化范围较小，则缩小定向耦合器的耦合间距以提高分光比对于折射率变化的灵敏度。
进一步的，所述干涉臂为条形波导，包括八个半径15μm的四分之一环波导，以及用于调节光程差的干涉臂直波导。
进一步的，所述两根干涉臂的长度差由对于微分器的工作波长的需求决定，即确定了微分器的工作波长之后，设计两根干涉臂的长度差使得在工作波长处的光经干涉臂后实现反相。
进一步的，所述多模干涉耦合器包括三个直波导、三个用于减小传播损耗的Taper型波导以及多模干涉腔。
进一步的，所述定向耦合器的输出端上臂与干涉臂的输入端上臂通过过渡波导相连，所述定向耦合器的输出端下臂与干涉臂的输入端下臂通过过渡波导相连；所述干涉臂的输出端上臂与多模干涉耦合器的输入端上臂通过Taper型波导相连，所述干涉臂的输出端下臂与多模干涉耦合器的输入端下臂通过Taper型波导相连。
进一步的，所述波导层厚度为220nm，所述定向耦合器为脊型波导，刻蚀深度为150nm；所述干涉臂及多模干涉耦合器为条形波导，波导截面尺寸为500nm×220nm。
进一步的，在所述热电极两端施加变化电压以实现定向耦合器部分输出的光功率的比例变化，以调整微分器最终输出的微分阶数。
进一步的，在无调制条件下，从定向耦合器输出的透过端口port A与耦合端口port B的工作波长处的光功率比应小于1:1，以保证无调制条件下微分阶数小于1。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种基于SOI材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器，通过定向耦合器对输入光进行分光，接着经两根不同长度的波导传输，两束光将具有π的相位差。然后两束反相的光将在多模干涉耦合器(MMI)中在载波频率周围形成相消干涉，其中载波处消光比最大，完成对输入光场的微分操作。通过对定向耦合器的调制，将使得两端口的分光比发生改变，从而实现微分阶数的调整。
本发明相比于常见的基于MZI的可调微分器，没有造成占用面积的扩大，但保证了工作波长的稳定以减小额外引入波长变换的成本，且减少了输入光能量的浪费。相比于基于MRR的可调微分器，该方案可处理的信号带宽大，可处理高速输入的信息。
并且，本发明制作工艺可与CMOS相兼容，其具有响应速度快、传输损耗低、功耗小的潜在特性和优点。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为本发明的波导俯视结构示意图；(a)整体波导模型图；(b)定向耦合器部分；(c)干涉臂部分；(d)多模干涉耦合器部分。
图3为本发明热电极部分截面示意图。
图4为本发明无外加功率时输出端口的频谱(以从Input A入射为例)；(a)幅频响应曲线；(b)相频响应曲线。
图5为本发明整数阶微分(1阶)及高阶微分(大于1阶，小于2阶)微分结果频谱图；(a)幅频响应曲线；(b)相频响应曲线。
图6为本发明三种微分阶数的微分结果时域表现。
图7为本发明外加功率与波导温度变化关系图。
1、定向耦合器；2、干涉臂；3、多模干涉耦合器；4、热电极；5、SiO2包层；
1-1、输入直波导；1-2、弯曲波导；1-3、耦合直波导；1-4、过渡波导；2-1、四分之一环波导；2-2、干涉臂直波导；3-1、直波导；3-2、Taper型波导；3-3、多模干涉腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”“后”“左”“右”“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1和图2(a)所示，本发明设计了一种基于SOI材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型的可调分数阶光场微分器，其波导层为内嵌在SiO2包层(5)里的Si波导，所述波导层厚度为220nm；
主要组成包括：定向耦合器1、两根不等长的波导干涉臂2以及一个多模干涉耦合器3。
如图2(b)所示，定向耦合器1为脊型波导制程，刻蚀深度150nm，包括：两个输入直波导1-1、四个弯曲波导1-2、两个耦合直波导1-3以及从脊型波导向条形波导过渡的过渡波导1-4。所述的两个耦合直波导1-3构成有间距的耦合区C1，定向耦合器1的输入端口(即微分器的输入端口)为Input A、Input B，实际工作只使用其中一个端口。所述定向耦合器1的耦合间距依据调制系统的调制效率进行调整，若调制系统对于波导折射率调制水平较低，即可实现的折射率变化范围较小，则缩小定向耦合器1的耦合间距以提高分光比对于折射率变化的灵敏度。
如图2(c)所示，干涉臂2为条形波导制程，包括：八个半径15μm的四分之一环波导2-1(图中为简洁仅标示1个)，以及用于调节光程差的干涉臂直波导2-2。所述两根干涉臂2的长度差由对于微分器的工作波长的需求决定，即确定了微分器的工作波长之后，设计两根干涉臂2的长度差使得在工作波长处的光经干涉臂2后实现反相。
如图2(d)所示，多模干涉耦合器3为条形波导制程，包括三个直波导3-1、三个用于减小传播损耗的Taper型波导3-2以及多模干涉腔3-3。所述干涉臂2及多模干涉耦合器3为条形波导，波导截面尺寸为500nm×220nm。
如图1所示，定向耦合器1耦合区正上方为方形TiN热电极4，通过在热电极4两端施加电压改变电极温度以实现定向耦合器1部分输出的光功率的比例变化，以调整微分器最终输出的微分阶数。在无调制条件下，从定向耦合器输出的透过端口port A与耦合端口port B的工作波长处的光功率比应小于1:1，以保证无调制条件下微分阶数小于1。热电极4部分的截面图如图3所示，波导层与热电极4之间为SiO2包层(缓冲层)5。
本发明结构的微分器原理是：对于马赫-曾德尔干涉仪，两束反相的光将会相消干涉，在频谱上会出现在近似线性的幅频响应曲线，并在载波处到达最低点，相频响应上将在载波频率处有π相位的跳变，与理想的微分器的传输函数相合，因此可以实现一阶微分功能；对于分数阶微分器，更加注重相位响应的准确性，幅频响应不需要完全一致，因此通过调整马赫-曾德尔干涉仪两束光的强度差即可实现分数阶微分器的相位响应。
本发明结构下，携带信号的输入光从Input A进入定向耦合器1，经过耦合区C1进行分光，在未加调制的情况下耦合能量与通过能量的比值应大于1，以实现小于1阶的微分计算，两束光通过干涉臂2后将反相，之后在多模干涉耦合器3中进行相消干涉，完成低阶微分计算，从Output输出。通过给热电极4两端施加电压，可改变热电极4的温度，从而改变定向耦合器1耦合区的温度，即改变了波导的有效折射率，使定向耦合器1的分光比变化(耦合能量与通过能量之比逐渐变小)，可增大微分器的耦合阶数，实现光学微分器的可调功能。
为了验证本发明能够实现该功能，特列举验证例进行说明。
本验证例是所采用的时域有限差分法进行计算分析，仿真计算中用到的主要参数有：条形波导截面宽度500nm、高度220nm；脊型波导刻蚀深度150nm；硅和二氧化硅的热光系数分别为1.84×10-4和1×10-5；对于定向耦合器1，耦合直波导1-3长度6.5μm，耦合间距200nm，弯曲波导1-2左右端口中心的x向距离为10μm、y向距离为2μm，脊型波导向条形波导过渡区10μm；干涉臂直波导2-2长123.32μm；MMI的Taper型波导3-2长10μm，多模干涉腔3-3长59μm，宽8μm。
以光从Input A射入为例，计算得到输出端口幅频、相频曲线分别如图4(a)、(b)所示。根据设计，微分器的工作波长为1553.56nm。可以看出，微分器在1553.56nm处实现了微分处理，且微分阶数小于1，工作带宽在1.3nm左右。通过施加调制，微分器的频率响应发生相应的改变，如图5(a)、(b)所示，其中实线为1阶微分结果，虚线为高阶微分结果，可以说明可调微分器的功能。
本发明的时域特性如图6所示，其中深色实线为低阶微分结果，浅色实线为1阶微分结果，虚线为高阶微分结果，同样验证了所述微分器的功能性及其可调性。
图7为不同功耗下对应的波导温度改变量，可以看出，消耗电功率对应的波导温度改变量近似为正比关系，比例系数约为3.05K/mW，近似线性的共振峰偏移，可以更好的用于微分阶数的控制。
综上，本发明提供的基于SOI材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器，可直接对光信号实现不同微分阶数的微分计算处理，其工作带宽大，工作波长稳定，对输入信号能量的浪费少，可更好地加入全光处理。同时还具有制作简单、可与CMOS相兼容、功耗低的潜在特性和优点。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (8)
1.一种基于SOI材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器，包括SiO2包层（5），其特征在于：所述SiO2包层（5）内部设有水平设置的波导层，所述的波导层由Si材料制备；
所述波导层包括：一个定向耦合器（1）、两根长度不等的干涉臂（2）和一个多模干涉耦合器（3），所述定向耦合器（1）、干涉臂（2）和多模干涉耦合器（3）依次级联构成马赫-曾德尔干涉仪；
所述定向耦合器（1）输入端的上端口Input A为微分器的输入端，多模干涉耦合器（3）的输出端口Output为微分器的输出端；在所述定向耦合器（1）耦合区域正上方设有热电极（4），其宽度覆盖整个耦合区域及周围部分区域；所述热电极（4）与定向耦合器（1）中间有SiO2作为缓冲层（5）；
在所述热电极（4）两端施加变化电压以实现定向耦合器（1）部分输出的光功率的比例变化，以调整微分器最终输出的微分阶数；
在无调制条件下，从定向耦合器（1）输出的透过端口port A与耦合端口port B的工作波长处的光功率比应小于1:1，以保证无调制条件下微分阶数小于1。
2.根据权利要求1所述的基于SOI材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器，其特征在于：所述定向耦合器（1）包括两个输入直波导（1-1）、四个弯曲波导（1-2）、两个耦合直波导（1-3）以及从脊型波导向条形波导过渡的过渡波导（1-4），所述的两个耦合直波导（1-3）构成有间距的耦合区C1。
3.根据权利要求2所述的基于SOI材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器，其特征在于：所述定向耦合器（1）的耦合间距依据调制系统的调制效率进行调整，若调制系统对于波导折射率调制水平较低，即可实现的折射率变化范围较小，则缩小定向耦合器（1）的耦合间距以提高分光比对于折射率变化的灵敏度。
4.根据权利要求1所述的基于SOI材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器，其特征在于：所述干涉臂（2）为条形波导，包括八个半径15μm的四分之一环波导（2-1），以及用于调节光程差的干涉臂直波导（2-2）。
5.根据权利要求1所述的基于SOI材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器，其特征在于：所述两根干涉臂（2）的长度差由对于微分器的工作波长的需求决定，即确定了微分器的工作波长之后，设计两根干涉臂（2）的长度差使得在工作波长处的光经干涉臂（2）后实现反相。
6.根据权利要求1所述的基于SOI材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器，其特征在于：所述多模干涉耦合器（3）包括三个直波导（3-1）、三个用于减小传播损耗的Taper型波导（3-2）以及多模干涉腔（3-3）。
7.根据权利要求2或6所述的基于SOI材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器，其特征在于：所述定向耦合器（1）的输出端上臂与干涉臂（2）的输入端上臂通过过渡波导（1-4）相连，所述定向耦合器（1）的输出端下臂与干涉臂（2）的输入端下臂通过过渡波导（1-4）相连；所述干涉臂（2）的输出端上臂与多模干涉耦合器（3）的输入端上臂通过Taper型波导（3-2）相连，所述干涉臂（2）的输出端下臂与多模干涉耦合器（3）的输入端下臂通过Taper型波导（3-2）相连。
8.根据权利要求1所述的基于SOI材料制备的马赫-曾德尔干涉仪型可调分数阶光场微分器，其特征在于：所述波导层厚度为220nm，所述定向耦合器（1）为脊型波导，刻蚀深度为150nm；所述干涉臂（2）及多模干涉耦合器（3）为条形波导，波导截面尺寸为500nm×220nm。
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