一种硅基非互易器件结构与电控非互易实现方法技术

本发明专利技术公开了一种硅基非互易器件结构与电控非互易实现方法。本发明专利技术的实施方式提供了一种可集成的硅基器件结构，以及通过电控和热调谐的方法实现硅基片上非互易传输的过程。具体地，本发明专利技术的实施方式提供了用于光网络的器件和控制方法，通过在电极上施加电压，在某段光波导中产生弱的非互易相移或者幅度，从而在本发明专利技术提供的波导结构中产生较为明显的幅度非互易性。本发明专利技术所述器件可以利用现有的CMOS工艺完成硅基片上集成，可以和其它光子器件一起集成在硅片上。利用本发明专利技术，可以在未来的光网络中的某个节点完成硅基片上光学隔离功能，从而有效地提高光网络的灵活性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及一种集成光学器件，特别设及一种可调控的娃基片上光学隔离器。
技术介绍
娃基光子学是光电子领域的一项关键技术，它采用能够与CMOS工艺相兼容的绝 缘衬底上娃（SiliconHDn-Insulator，SOI)技术，重点研究光在娃基波导和各种谐振结 构中的传输规律和信号处理，希望将计算机间的光互联设备、光通信和光网络中的器件 集成在单个娃片上，最终实现片上光网络（networkonchip,N0C)，从而使集成光学回路 (Photonicintegratedcircuits，PIC)像集成电路一样，能够很好的提供未来信息传输和 信息处理中的光模块资源。 经过一段时间的发展，虽然在娃基平台上能够实现光禪合器、光滤波器和偏振转 换器等基本的无源器件和光调制器、电光开关等有源器件，但是在娃基集成器件的机理层 面也存在一些影响未来应用的基础问题，导致像光隔离器和光环形器等需要利用光学非互 易性的器件很难在娃基巧片上实现。尽管可W依靠磁光材料中的旋光效应实现光学非互易 传输，从而实现光学隔离器等器件。但是，在娃基片上实现磁光材料的集成却非常困难。 目前，实现娃基片上光隔离器有两种方法。一种方法是2009年由斯坦福大学的研 究人员提出的，他们利用折射率空时调制产生的动态光栅中"光子带间跃迁"的光学非互易 实现原理1，来构成片上光学隔离器，其研究成果发表在na化rephotonics上，该是一种在 全娃基巧片上制作光隔离器的新原理，随后，该研究组提出了胞1和微环实现非互易的两 种新结构 2气该机理引起了娃基光子
的广泛关注，2012年，康奈尔大学ELipson 教授研究组在实验中观察到了电驱动下娃基胞1结构器件的非互易特性4,在正反两个方向 上产生了 3地的透射谱线差别。另一种方法，是基于普度大学的娃光子研究团队提出的利 用非线性光学产生娃基片上非互易特性的新思路展开的 5入2012年，该团队利用微环谐振 器的非线性效应成功制作出了光隔离器，测量得到大约27地的正反向传输差别，成果发表 在美国科学杂志上 5。该些方法虽然能够实现娃基片上光学隔离器，但是它们有如下缺点： 1，"光子带间跃迁"的光学非互易性实现方法，需要构成动态光栅，因此需要具有 能够产生较大非互易相移特性的方法，即从左向右和从右向左的相移差要足够大，才有可 能依靠此相移差构成光学隔离器。图1是2012年，康奈尔大学M.Lipson教授研究组利用 他们在娃基光调制器研究领域的长期积累，制作出的器件结构I9。通过采用不同类型的渗 杂（pn-吨结和np-pn结）形成电可调谐的光栅，实现了较大的折射率电调制波数，从而在 实验上制作了能够在型结构中实现光隔离的电驱动器件。但是，由于此种方法采用了 型结构，需要较大的两个方向的相移差才能够产生明显的光学隔离效果。图2是康奈 尔大学M.Lipson教授研究组在图1中的结构下，实验中测得的器件非互易特性。如果从左 到右和从右到左两个方向的透射谱线一样，则比值为1，两个方向的谱线有差别，则比值在 0-1之间。在电极所加功率为15地mW下，并没有很明显的透射谱线差别，而电极所加功率 在18. 3-25地m时，透射谱线差别将会最大达到3地。 2,利用非线性光学产生娃基片上非互易特性的方法，需要较高的光学非线性，而 较高的光学非线性需要较高的光功率，而随着光功率的降低，光学非互易性将会消失，因 此依靠高光功率的光隔离器在实际应用中既难W控制，又不便于使用，难W大规模商用。 参考文献： 1.Z.YuandS.Fan，"Completeopticalisolationcreatedbyindirect interbandphotonictransitions，"Nat.Photonics3,91(2009). 2.Z.YuandS.Fan/^Opticalisolationbasedonnonreciprocalphaseshift inducedbyinterbandphotonictransitions，"Appl.Phys.Lett. 94,171116 (2009). 3.Z.YuandS.Fan，"Opticalresonancescreatedbyphotonic transitions, "Appl.Phys.Lett. 96,011108 (2010). 4.H.Lira,Z.F.Yu,S.H.Fan,andM.Lipson，B"Electricallydriven nonreciprocityinducedbyinterbandphotonictransitiononasilicon chip,"化ys.Rev.Lett. 109,033901 (2012). 5.L.Fan,J.Wang,L.T.Var曲ese，H.化en，B.Niu，Y.Xuan，A.M.Weiner,andM.Qi， "Anall-siliconpassiveopticaldiode, "Science,335 (6067) ;447_450 (2012).[001 引 6.LiFan，LeoT.Varghese，JianWang，YiXuan，AndrewM.Weiner，andMinghao Qi，"Siliconopticaldiodewith40dBnonreciprocaltransmission，"Opt.Lett.38， 1259(2013).
技术实现思路
： 针对
技术介绍
中存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种能够电可调谐的娃基片 上光学隔离器，该器件便于集成在未来的娃基集成巧片上。 基本思路 本专利技术实现的娃基片上光隔离器的基本原理W2009年斯坦福大学研究人员提出 的"光子带间跃迁"理论为基础，即利用折射率空时调制产生的动态光栅中的光学非互易性 实现娃基片上光隔离器。但是，为了增强非互易性的效果，本专利技术采用了新的结构。如图3 所示，该结构为带反射单元的双模光滤波器，具有增强波导中非互易特性的作用。而当前的 现有技术中，无论是Mach-Zehnder干设结构还是微环结构，在波导上加一定的电压，所产 生的非互易相位常数还是很弱的，即两个方向的相位常数之差很小，如果产生明显的非互 易透射谱线，必须采用很长的波导，而长波导则容易存在两个方向上相位变化的随机性问 题，最终仍然难W实现光波的非互易传输。 基本结构 在本专利技术中，图3所示的结构是可W将微弱的非互易相位差变为较大的非互易透 射谱线，进而可W实现片上光学隔离器，图4是图3的光路结构图。在图4中，规定逆时针 为正向，为图中红色箭头所示方向，顺时针为反向，为图中藍色箭头所示方向。在图3中，红 色波导部分为所加电极，正向传输和反向传输时，由于存在相移的非互易性，即正向相移和 反向相移不同，因此，红色波导为相位非互易波导。 1，图3所示结构包括如下部分；娃基直波导（10)，适于连接光学输入和输出端口，并和第一 2X2禪合器连接； 第一 2X2禪合器（20)，适于完成光信号的双向禪合，光波从1和2端口到3和4 端口禪合，或者从3和4端口到1和2端口禪合； 娃基第一环形波导（30)，适于双向传输光信号，并和第一 2X2禪合器一起构成双 向传输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波导结构，包括：硅基直波导，适于连接光学输入和输出端口，并和第一2×2耦合器连接；第一2×2耦合器，适于完成光信号的双向耦合；硅基第一环形波导，适于双向传输光信号，并和第一2×2耦合器一起构成双向传输的环形谐振腔；第二2×2耦合器，适于完成光信号的双向耦合；硅基第二环形波导，适于双向传输光信号，并和第二2×2耦合器一起构成双向反射和透射单元，用来在第一2×2耦合器和硅基第一环形波导构成的环形谐振腔中提供反射和透射的功能；调制电极，适于形成动态光栅，在硅基第一环形波导中产生弱的非互易相移；热电极，适于改变整个谐振结构的谐振波长，完成信号光所在波长和谐振波长的匹配。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：桂林，
申请(专利权)人：桂林，
类型：发明
国别省市：上海;31