一种硅基电光调制与模分复用集成器件制造技术

本发明专利技术公开了一种硅基电光调制与模分复用集成器件，包括模分复用模块，所述的模分复用模块包括非对称设置的单模纳米线波导和多模纳米线波导和模分复用模块；对应的还包括两组电光调制模块，所述的单模纳米线波导和所述的多模纳米线波导一端与所述的电光调制模块连接，另一端汇聚于耦合区；所述的电光调制模块由纳米线波导、WM型谐振腔、平行设置的第一光子晶体波导和第二光子晶体波导组成，其中所述第一光子晶体波导的一端与所述的纳米线波导相连，另一端与所述单模纳米线波导或所述多模纳米线波导相连，所述的WM型谐振腔对应于所述第二光子晶体波导的中间位置设置。本发明专利技术提高系统集成度、对提升光通信网络容量具有重要价值。价值。价值。

【技术实现步骤摘要】
一种硅基电光调制与模分复用集成器件


[0001]本专利技术属于光通信器件领域，具体涉及一种硅基电光调制与模分复用集成器件。

技术介绍

[0002]随着高速光通信器件的封装尺寸越来越小，性能要求越来越高，传统的相互分离的光电元器件已经很难适应现代光通信的需求，目前光电子器件正在朝着高度集成的小型化方向发展。由于人们对现代光通信技术有着小体积、高容量、大带宽和集成化的需求，在同一芯片上实现光电集成是最佳的途径，而硅光子技术利用其低功耗、高速率以及与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺兼容的特性，也使光子器件与电子器件的集成成为可能。
[0003]光子晶体具有独特的带隙和慢光特性，能够制作出性能优良的电光调制器。例如，采用PIN电学结构的光子晶体谐振腔型低功耗、快速电光调制器，它可以实现高品质因数与小尺寸的设计目标，但是，此类电光调制器所需要的调制电压最低为3V，这无法适应未来光通信系统的性能要求，而采用PN结电学结构的电光调制器一般来说可以实现较低的调制电压。此外，WM型光子晶体谐振腔的本征品质因数高达6.1
×
〖10〗^4，相比于该指标在〖10〗^3量级的L3型谐振腔更高。近年来，片上波导型模分复用器也得到了广泛的研究，主要有多模干涉、绝热耦合、非对称Y结、非对称定向耦合(Asymmetry Directional Coupler，ADC)和反向耦合光栅(Grating
‑
Assisted Contra
‑
Directional Coupler，GACC)等实现方法。其中，非对称定向耦合型的模分复用器具备结构简易、便于进行多模式扩展等优势，但器件的尺寸也会随着模式的扩展而增大。尽管相关领域的专家和学者们对基于光子晶体的电光调制器和基于硅材料的模分复用器的研究越来越深入，但这些研究仅仅着眼于单独器件的功能，并不能实现对这两种器件的一体集成。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术提出一种硅基电光调制与模分复用集成器件。
[0005]实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种硅基电光调制与模分复用集成器件，包括模分复用模块，所述的模分复用模块包括非对称设置的单模纳米线波导和多模纳米线波导和模分复用模块；对应的还包括两组电光调制模块，所述的单模纳米线波导和所述的多模纳米线波导一端与所述的电光调制模块连接，另一端汇聚于耦合区；
[0007]所述的电光调制模块由纳米线波导、WM型谐振腔、平行设置的第一光子晶体波导和第二光子晶体波导组成，其中所述第一光子晶体波导的一端与所述的纳米线波导相连，另一端与所述单模纳米线波导或所述多模纳米线波导相连，所述的WM型谐振腔对应于所述第二光子晶体波导的中间位置设置。
[0008]作为本专利技术的进一步改进，所述的第一光子晶体波导与所述纳米线波导和所述模分复用模块的连接处采用的是锥形渐变结构。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，所述锥形渐变结构中的空气孔的孔径由内而外以固定的尺寸按等差数列逐级减小直至零。
[0010]具体的，锥形尺寸设计：将锥形结构的空气孔半径r
′
n
表示为且n≤c+1，其中r为空气孔的半径，c为锥形结构其中一侧空气孔的个数；n为锥形结构其中一侧空气孔的编号。以图4为例，此时c＝7，r
′8＝0.14μm，所以第一个空气孔(n＝1)的半径为 r
′1＝0μm；第二个空气孔(n＝2)的半径为r
′2＝0.02μm；以此类推，直到n＝c+1＝8时，即最后一个空气孔与原光子晶体平板的空气孔半径相等。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述单模纳米线波导和所述的多模纳米线波导选用具有相同有效折射率的波导，在所述耦合区，两者之间的耦合长度和波导间距的确认以获取最高的耦合效率为目的。
[0012]单模纳米线波导宽度和多模纳米线波导宽度的确定过程：利用仿真软件Lumerical FDTD模块的模式求解器，能够求出对应光源波长下不同宽度的硅基纳米线波导所对应的传输模式，以及各模式所对应的有效折射率。以光源波长1500nm
‑
1600nm为例，图5给出了波导宽度从0.5μm到1.3μm变化时TE0和TE1模式所对应有效折射率的数值。由曲线图可以得出，当单模波导宽度w1＝0.6μm、多模波导宽度w2＝1.20768μm时，TE0和TE1的有效折射率均为2.392757。此时，满足模式匹配(即有效折射率相等)的条件。
[0013]对应于耦合长度和波导间距的确定过程为，将探测器置于模分复用模块的输出端口5 处，设置合适的波导间距g，调节波导耦合长度L，使耦合效率η达到最高。在 1500nm
‑
1600nm光源波长下，不同波导间距g对应的耦合长度L与耦合效率η的关系如图6 所示。当波导间距g＝0.05μm，耦合长度L＝22μm，波导w1中TE0模式耦合到波导w2中的效率最高，达到η＝0.9735。其余情况下，光波的耦合效率都无法达到该水平。综上分析，选取波导间距g＝0.05μm，耦合长度L＝22μm。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述的第一光子晶体波导和第二光子晶体波导设置于光子晶体平板中，所述的第一光子晶体波导和所述的第二光子晶体波导与所述的光子晶体平板厚度相同；且所述的第一光子晶体波导、所述的第二光子晶体波导以及所述光子晶体平板中的晶格常数和空气孔半径相同
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述的WM型谐振腔为在所述的光子晶体平板上，在第二光子晶体波导附近通过对空气孔位置移动获得。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，还包括通过调节所述的空气孔半径调节所述WM型谐振腔的谐振中心波长。
[0017]例如在晶格常数不变时，减小空气孔半径，谐振腔的中心波长向右偏移；增大空气孔半径，谐振腔的中心波长向左偏移。在本专利技术所选取的晶格常数a＝0.419μm，空气孔半径r＝0.14μm的条件下，所设计的集成器件为了获得较优的透射率，选择其中 1550nm
‑
1560nm波段。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，第一光子晶体波导和第二光子晶体波导的宽度是通过公式算得的。
[0019]本专利技术的有益效果：本专利技术提出了光电子器件，通过将电光调制模块与模分复用模块进行一体集成，在两者的连接处采用锥形渐变结构，不仅使得光电子器件结构紧凑，实
现小体积和集成化的发展需求；且能够降低传输损耗，性能优良。对于将光电子器件应用于高速大容量光通信系统，提高系统集成度、提升光通信网络容量具有重要价值。
附图说明
[0020]图1为本专利技术提出的硅基电光调制与模分复用集成器件结构图；
[0021]图2(a)为“断”状态下光束从端口1输入后的稳态场分布图，图2(b)为“通”状态下光束从端口1输入后的稳态场分布图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基电光调制与模分复用集成器件，其特征在于：包括模分复用模块，所述的模分复用模块包括非对称设置的单模纳米线波导和多模纳米线波导和模分复用模块；对应的还包括两组电光调制模块，所述的单模纳米线波导和所述的多模纳米线波导一端与所述的电光调制模块连接，另一端汇聚于耦合区；所述的电光调制模块由纳米线波导、WM型谐振腔、平行设置的第一光子晶体波导和第二光子晶体波导组成，其中所述第一光子晶体波导的一端与所述的纳米线波导相连，另一端与所述单模纳米线波导或所述多模纳米线波导相连，所述的WM型谐振腔对应于所述第二光子晶体波导的中间位置设置。2.根据权利要求1所述的一种硅基电光调制与模分复用集成器件，其特征在于：所述的第一光子晶体波导与所述纳米线波导和所述模分复用模块的连接处采用的是锥形渐变结构。3.根据权利要求2所述的一种硅基电光调制与模分复用集成器件，其特征在于：所述锥形渐变结构中的空气孔的孔径由内而外以固定的尺寸按等差数列逐级减小直至零，其中，最内侧的空气孔的孔径与原光子晶体平板的空气孔半径相等，所采用的递减尺寸为r/c，式中，r为最内侧空气孔的孔径，n为锥形渐变结构中沿其中一条锥形线...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹤鸣，项彤，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：