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一种 硅基片上 波长与偏振混合复用/解复用器

阅读：1023发布：2020-08-23

专利汇可以提供一种硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器，包括衬底，在所衬底上设有多个输入波导、多个输出波导、总线波导、多个槽式微环和多个混合等离子体微环；在输入端，每个输入波导分别通过一个槽式微环或混合等离子体微环将输入信号复用至总线波导进行混合复用传输；在输出端，总线波导中混合复用后传输的信号分别经一个槽式微环或混合等离子体微环解复用至每个输出波导；输入端与输出端的槽式微环的数量相同，输入端与输出端的混合等离子体微环的数量相同。本发明提供的混合复用/解复用器具有传输效率高、交叉耦合和串扰低、结构紧凑、制造难度低、所构成的传输系统可扩展性高等优点。，下面是一种硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器，包括衬底，其特征在于：在所衬底上设有多个输入波导、多个输出波导、总线波导、多个槽式微环和多个混合等离子体微环；在输入端，每个输入波导分别通过一个槽式微环或混合等离子体微环将输入信号复用至总线波导进行混合复用传输；在输出端，总线波导中混合复用后传输的信号分别经一个槽式微环或混合等离子体微环解复用至每个输出波导；输入端与输出端的槽式微环的数量相同，输入端与输出端的混合等离子体微环的数量相同。
2.根据权利要求1所述的硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器，其特征在于：所述的槽式微环包括两个近靠的纳米环；所述的混合等离子体微环包括由下而上的介质环、低折射率填充环和金属覆盖环。
3.根据权利要求1所述的硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器，其特征在于：所述总线波导为单个总线波导。
4.根据权利要求2所述的硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器，其特征在于：所述槽式微环中两个纳米环之间的间距为80nm～120nm。
5.根据权利要求2所述的硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器，其特征在于：所述混合等离子体微环中的介质环为硅材料制成的，介质环的厚度为220nm；低折射率填充环为二氧化硅或氮化硅材料制成的，低折射率填充环的厚度为20nm～50nm；金属覆盖环为银、铝或者铜材料制成的，金属覆盖环的厚度为100nm～200nm。
6.根据权利要求1所述的硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器，其特征在于：
所述槽式微环的外半径为3.0μm～3.5μm，混合等离子体微环的外半径为2.0μm～
2.3μm。

说明书全文

一种硅基片上 波长与偏振混合复用/解复用器

技术领域

[0001] 本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器。

背景技术

[0002] 近年来，片上光互连的关键技术—光子集成回路(Photonic Integrated Circuits,PICs)的研究取得了长足的进步。PICs能够有效突破分立元件的功能局限，将不同功能的光子器件在同一衬底材料上单片集成,使芯片的处理功能和运行速度大幅提高，功耗大大降低，尺寸大大缩小，可极大改善芯片的成品率和可靠性。在构建PICs的过程中，硅半导体材料显示出诸多的优势，其中最突出的优势是可采用成熟的标准CMOS工艺，以实现硅光子器件的低成本、批量化生产，并可实现硅光子器件与硅微电子器件的单片混合集成，从而研制出大规模甚至超大规模的PICs。在利用光子器件构建大容量、高带宽、高速率及低成本片上光互连时，各类复用技术，如波分复用，偏振复用，空分复用等，是其中的关键所在。为应对即将到来的超大容量、超高带宽、高速片上光互连的需求，考虑同时采用多种复用技术以实现片上混合复用传输势在必行。

[0003] 最近，两种新颖的波导结构—槽波导和混合等离子体波导分别于2004年和2008年由康奈尔大学Michal Lipson教授课题组和加州大学伯克利分校张翔教授课题组相继提出，受到了研究人员的广泛关注。其中槽波导是由两个近靠的高折射率分布差的硅基纳米线构成，中间形成纳米槽，根据电磁场的边值关系，在垂直于高折射率差分布的分界面上，电场分量将出现不连续性并在低折射率槽中明显增强。混合等离子体波导是在普通介质波导的外部引入了金属层并通过一层薄的低折射率材料将它们分开，这种波导结构使得它所能承载的光信号模式介于普通介质波导和金属等离子体波导之间，因而同时具有介质波导的低损耗特性和等离子体波导的强模场限制能力。目前利用这两种波导设计和制造的诸多光子器件已被报道，如：全光调制器、光开关、耦合器、分束器、传感器等。此外，这两种波导具有明显优于普通硅基纳米线的强偏振相关性，使得模式的耦合也具有偏振选择性，同时结合微环谐振器，可以实现片上波长与偏振的混合复用传输。而其中最为关键的是混合复用器和解复用器的研究，因此设计出高性能、结构紧凑的硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器，进而实现片上混合复用传输显得十分重要。目前还没有能够实现片上混合复用传输的设备。

发明内容

[0004] 发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种能够实现片上混合复用传输的硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器。

[0005] 技术方案：一种硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器，包括衬底，在所衬底上设有多个输入波导、多个输出波导、总线波导、多个槽式微环和多个混合等离子体微环；在输入端，每个输入波导分别通过一个槽式微环或混合等离子体微环将输入信号复用至总线波导进行混合复用传输；在输出端，总线波导中混合复用后传输的信号分别经一个槽式微环或混合等离子体微环解复用至每个输出波导；输入端与输出端的槽式微环的数量相同，输入端与输出端的混合等离子体微环的数量相同。

[0006] 进一步的，所述的槽式微环包括两个近靠的纳米环；所述的混合等离子体微环包括由下而上依次为介质环、低折射率填充环和金属覆盖环。

[0007] 进一步，所述总线波导为单个总线波导。

[0008] 进一步，所述槽式微环中两个纳米环之间的间距为80nm～120nm。这样的结构的偏振相关性和波长选择性更强。

[0009] 进一步，所述混合等离子体微环中的介质环为硅材料制成的，介质环的厚度为220nm；低折射率填充环为二氧化硅或氮化硅材料制成的，低折射率填充环的厚度为20nm～50nm；金属覆盖环为银、铝或者铜材料制成的，金属覆盖环的厚度为100nm～200nm。采用这样的结构在总线波导中传输的多波长、多偏振态信号在传输过程中相互之间的串扰较低，与不同微环的交叉耦合也比较弱。

[0010] 进一步，所述槽式微环的外半径为3.0μm～3.5μm，混合等离子体微环的外半径为2.0μm～2.3μm。

[0011] 有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

[0012] 1、波长与偏振混合复用的效率高、交叉耦合和串扰低。相对于普通基于硅纳米线设计的微环谐振器，本发明通过使用具有更强偏振相关性和波长选择性的槽式和混合等离子体波导设计的微环谐振器，可以实现高效的混合复用和解复用的功能，使得在总线波导中能同时传输多波长和多偏振态的混合信号，能极大地提高现有片上光互连的传输容量、带宽及速率。此外，基于强的偏振相关性，不同通道间的交叉耦合和串扰也将有效降低。

[0013] 2、波长的调节、转换和对准方便。基于硅材料较大的热光系数，可通过电极加热的方式调节或补偿因器件制造过程的尺寸误差所带来的谐振波长漂移，从而将谐振波长与总线中波分复用的通道波长进行精确对准，提高器件的整体工作性能。

[0014] 3、传输系统的可扩展性高。本发明技术方案中每一个槽式微环或混合等离子体微环都对应一路波长和偏振信号，通过适当增加微环谐振器的数量即可实现系统的升级和扩容，因此可扩展性明显优于现有的复用传输方式。

[0015] 4、设计灵活、使用方便。本发明中的混合复用器和解复用器的工作原理相似，复用器是将多波长和多偏振态的输入信号复用至总线波导进行混合复用传输，解复用器是将总线波导中的复用信号按不同的波长和偏振态分别输出到不同的输出端口，进行后续光信号的处理；此外本发明的复用/解复用器的结构对称，输入和输出端口在实际使用中可颠倒使用，而不影响器件的性能，进一步提升了器件设计和使用的灵活性和便捷性。

[0016] 5、结构紧凑、加工制造成本低廉。本发明采用具有高折射率差的绝缘体上硅材料制作上述器件，使得器件的整体封装尺寸较小，便于与其它器件进一步集成构建高性能、多功能的用于片上光互连的大规模光集成回路。同时该器件的制造完全兼容于现有成熟的标准CMOS工艺，利于实现器件的低成本批量化生产。基于这些有益效果和优势，该器件在集成光子学特别是硅基光子学领域有着潜在的应用价值。附图说明

[0017] 图1为本发明的结构示意图；

[0018] 图2为本发明中硅基槽式微环谐振器的横截面图；

[0019] 图3为本发明中硅基混合等离子体微环谐振器的横截面图；

[0020] 图4为本发明中输入、输出波导及总线波导结构横电模的主分量模场分布图；

[0021] 图5为本发明中输入、输出波导及总线波导结构横磁模的主分量模场分布图；

[0022] 图6为本发明中槽式微环结构横电模的主分量模场分布图；

[0023] 图7为本发明中槽式微环结构横磁模的主分量模场分布图；

[0024] 图8为本发明中混合等离子体微环结构横电模的主分量模场分布图；

[0025] 图9为本发明中混合等离子体微环结构横电模的主分量模场分布图；

[0026] 图10为本发明中混合等离子体微环谐振器在解复用部分的直通输出端口的传输率与工作波长的变化关系；

[0027] 图11为本发明中混合等离子体微环谐振器在解复用部分的下路输出端口的传输率与工作波长的变化关系。

[0028] 图中：输入波导1、2、3、4、输出波导5、6、7、8、总线波导9、槽式微环谐振器10、11、16、17、混合等离子体微环谐振器12、13、14、15、构成槽式微环谐振器的两个近靠的纳米环
101、102、构成混合等离子体微环谐振器的介质环121、低折射率填充环122、金属覆盖环
123、衬底18、包层19。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

[0030] 如图1、图2和图3所示，一种硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器，包括衬底18和包层19，在衬底18上设有四个输入波导1、2、3、4、四个输出波导5、6、7、8、单个总线波导9、四个槽式微环10、11、16、17和四个混合等离子体微环12、13、14、15；在输入端，四个输入波导1、2、3、4分别通过两个槽式微环10、11和两个混合等离子体微环12、13将多波长和多偏振态的输入信号复用至总线波导9进行混合复用传输；在输出端，通过两个混合等离子体微环14、15和两个槽式微环16、17将总线波导9中的混合复用信号分别解复用至四个输出波导8、7、6、5进行输出。其中，输入波导、输出波导、槽式微环和混合等离子体微环的数量可以根据需求进行增加，其中，入端与输出端的槽式微环的数量需相同，输入端与输出端的混合等离子体微环的数量需相同。通过增加相应的输入波导、输出波导、槽式微环和混合等离子体微环的数量可以提高单个总线波导的传输容量。其中，输入波导、输出波导和总线波导均为硅纳米线波导。

[0031] 其中，四个槽式微环10、11、16、17是由两个近靠的纳米环101、102构成；其中，纳米环101、102之间的间距为80nm～120nm，槽式微环的外半径为3.0m～3.5m。四个混合等离子体微环12、13、14、15结构由下而上依次为介质环121、低折射率填充环122和金属覆盖环123；其中，介质环为硅材料制成的，介质环的厚度为220nm；低折射率填充环为二氧化硅或氮化硅材料制成的，低折射率填充环的厚度为20nm～50nm；金属覆盖环为银、铝或者铜材料制成的，金属覆盖环的厚度为100nm～200nm，，混合等离子体微环的外半径为2.0m～2.3m。

[0032] 在输入端，输入信号中的横电模和横磁模分别通过混合等离子体微环12、13和槽式微环10、11复用至总线波导9；在输出端，总线波导9中的横电模和横磁模也分别通过混合等离子体微环14、15和槽式微环16、17解复用至各输出波导。

[0033] 光信号在本实施例提供的混合复用/解复用器中的传输的过程为：包含多波长横电模(下文简称为TE)的入射光信号从输入波导3、4进入，包含多波长横磁模(下文简称为TM)的入射光信号从输入波导1、2进入，接着TE和TM模输入信号分别通过混合等离子体微环谐振器12、13和槽式微环谐振器10、11谐振耦合进总线波导9进行混合复用传输。由于混合等离子体微环的TE模与其两侧的输入波导和总线波导的TE模相似，因此输入的TE模可以高效的耦合进微环并借助混合等离子体微环的谐振特性在其谐振波长处上路到总线波导9进行复用传输；但输入的TM模因其模式与混合等离子体微环的TM模相差较大，固不能通过该混合等离子体微环耦合至总线波导9。为此，输入的TM模需要通过槽式微环谐振器10、11谐振耦合至总线波导9，因为槽式微环的TM模是与其两侧的硅纳米线波导的TM模相类似的，易于实现谐振耦合。在解复用端，总线波导9中的多波长和多偏振态混合复用信号分别通过解复用的混合等离子体微环谐振器14、15和槽式微环谐振器16、17输出相应波长的TE和TM模信号至输出波导8、7和6、5。通过这种方式可以在单根总线波导中实现多波长和多偏振态的混合复用传输，能有效提高传输系统的容量、带宽和速率，同时也可降低片上传输系统的尺寸、功耗、复杂性及制造成本，将是片上光互连发展的趋势。

[0034] 对于上述混合复用/解复用器件采用与现有CMOS工艺兼容的材料进行设计和制造，首先在硅衬底上氧化一层厚度约为3μm的掩埋二氧化硅层，接着通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)一层厚度约为220nm的硅，或者直接在商业硅片上进行实际器件的制作。利用电子束光刻将器件的图案直接写到涂有光刻胶的硅片上，接着进行反应离子刻蚀(RIE)，将光刻胶中的图案进一步写到硅片中并清洗硅片多次以去除多余的光刻胶。由于混合等离子体微环在垂直方向上波导结构不同，因此单次光刻过程无法制造出整个器件，需要多步光刻或者套刻，从而依次形成混合等离子体微环的低折射率填充环(如：二氧化硅)和金属覆盖环(如铜、铝、银等)，最后在器件的外部覆盖一层二氧化硅保护层，其中薄膜的生长采用PECVD、刻蚀采用RIE、器件表面的平坦化采用化学机械抛光(CMP)。

[0035] 如图4，图5所示，横电模主要分布于波导的芯层，并在水平方向上的芯包分界面处出现跃变(跃变与电磁场的边值有关)；横磁模受波导的限制性略低于横电模，主要由于波导的厚度小于波导的宽度，此外在垂直方向上的芯包分界面处也出现了跃变。如图6,图7所示，其中横电模被极大的限制在两近靠的纳米线所构成的纳米槽中，模式出现了较大的变化，能够实现亚微米甚至纳米量级的光场聚焦和约束能力；横磁模则与相应的输入、输出波导差异不大，因此在槽式微环谐振器中，根据耦合模及谐振耦合理论，只有输入的横磁模才能与槽式微环产生高效的耦合，并在谐振波长处进行上/下路输出。如图8、图9所示，横电模主要分布于底部的介质波导，受顶部金属覆盖层的影响较小，使得它与输入、输出波导的横电模非常相似，因此在混合等离子体微环谐振器中，输入的横电模能够与混合等离子体微环产生高效的耦合，并在谐振波长处进行输出；而横磁模因受到顶部金属覆盖层及低折射率填充层的影响，其模场能量集中分布于低折射率的填充层，与相应的输入、输出介质波导差异较大，因此无法通过波导耦合实现两者模场的转换。基于这两种特殊结构波导强烈的偏振选择性，只有输入的横电模(横磁模)才能通过混合等离子体微环(槽式微环)谐振耦合至总线波导进行混合复用传输，或从总线波导将复用信号解复用至各输出波导，从而可以有效降低不同通道间的交叉耦合和串扰，所获得的器件性能优于使用普通纳米线构成的微环结构。

[0036] 如图10,图11所示，TE模产生了明显的谐振现象，而TM模因波导模式差异较大未能产生有效的谐振耦合。在图示计算波长范围内(1.5μm～1.6μm)，TE模出现了三个谐振波长，其中一个恰好位于光通信的最佳工作窗口，即1550nm波长处，此外相应的自由频谱范围也较大，接近40nm。对于TE模的谐振波长λC，根据相位关系，需要满足以下关系式：

[0037]

[0038] 式(1)中L为混合等离子体微环的周长，neff为其模式的有效折射率，m为一个任意正整数，如果对于某一固定的谐振波长，m越大，相应的微环尺寸也要很大。此外对于解复用器中的槽式微环谐振器也有类似的传输率与工作波长的变化关系，区别在于只有TM模才能产生明显的谐振耦合现象，TE模因模式不匹配将不能产生有效的耦合，相应的在下路端口将谐振输出TM模。在输入端的复用器中混合等离子体微环谐振器和槽式微环谐振器分别用以复用TE和TM模至总线波导，它们的传输率与工作波长的变化关系也具有类似的谐振特性。对于硅基片上波长与偏振混合复用传输系统来说，输入端的复用器和输出端的解复用器它们的功能是相反的，但是具体器件的设计是类似或者相同的，只因光信号在其中的传输方向不同，进而产生了不同的传输效果。另外，基于强烈的偏振相关性，在总线波导中传输的多波长、多偏振态信号在传输过程中相互之间的串扰较低，与不同微环的交叉耦合也比较弱，因此，所获得的系统传输效率较高，若合理添加相应微环谐振器的数量，传输容量将进一步增加，这将为光互连系统日后的升级和扩容提供方便，极大的显示出本发明所提供技术的优越性。

[0039] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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