一种基于薄膜铌酸锂的波长-模式混合复用/解复用器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于薄膜铌酸锂的波长

【技术实现步骤摘要】
一种基于薄膜铌酸锂的波长
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模式混合复用/解复用器


[0001]本专利技术属于集成光子学
，涉及一种基于薄膜铌酸锂的波长
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模式混合复用/解复用器。

技术介绍

[0002]铌酸锂拥有出色的电光、声光和光学非线性效应，是光通信领域非常重要的材料。近年来，随着铌酸锂成膜工艺的发展，研究人员通过从体铌酸锂晶体中剥离一层铌酸锂薄膜并将其键合到绝缘体衬底上，成功制造了一种绝缘体上薄膜铌酸锂（简称“薄膜铌酸锂”）的集成光子材料平台。薄膜铌酸锂既保留了铌酸锂优异的材料属性，又通过波导芯层和包层的高折射率差提供了紧凑的波导尺寸，方便了光子器件的片上集成。目前已经有大量基于薄膜铌酸锂的集成光子器件被报道，其中代表性的工作是哈佛大学的研究团队提出的具有CMOS兼容的驱动电压的电光调制器（“Integrated lithium niobate electro
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optic modulatorsoperating at CMOS
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compatible voltages,”Nature 562(7725), 101
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104(2018)），随后美国HyperLight公司的研究人员又通过改进“行波电极”的设计将薄膜铌酸锂电光调制器的带宽提升至100 GHz（“Breaking voltage
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bandwidth limits in integratedlithium niobate modulators using micro
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structuredelectrodes,
”ꢀ
Optica 8(3), 357
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363(2021)），这些工作极大地推动了薄膜铌酸锂集成光子器件的发展。
[0003]光学复用/解复用器是一种重要的集成光子器件，它可以为光互连的通信容量提供成倍的增长空间，从而有效地缓解数据增长对调制器性能造成的压力。正因如此，光学复用/解复用器已经在其他集成光子材料平台中得到了广泛的研究，电光调制器与光学复用/解复用器的单片集成也是实现高速、大容量、低成本的集成光子电路的基础架构。得益于薄膜铌酸锂电光调制器的高速、大带宽等特性，在该平台上实现光学复用/解复用显得更具有吸引力。
[0004]目前也有一些基于薄膜铌酸锂的光学复用/解复用器的工作报道。这些工作大多基于光的单一物理维度（如波长），利用载波与载波之间互不干扰的特性达到扩展信道数和通信容量的目的。然而，受限于成本、物理机制、工艺难度等因素，单一物理维度下复用与解复用的信道数仍然有限。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种利用来自多个物理维度的信号作为载波的基于薄膜铌酸锂的波长
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模式混合复用/解复用器，实现波长信道和模式信道的混合复用。
[0006]为此，本专利技术采用如下技术方案：一种基于薄膜铌酸锂的波长
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模式混合复用/解复用器，包括两个光耦组和一个模式复用/解复用器，每个光耦组均由依次相连的四个光辅耦合器构成，每个光耦组中位于两端的光辅耦合器分别与模式复用/解复用器相连；模式复用/解复用器包括依次相连的三个定向耦合器，每个定向耦合器均包括平行设置的多模波导和单模波导，三根多模波导的宽度不同，三根多模波导通过波导过渡锥依次相连，第一个
定向耦合器中的单模波导和第二个定向耦合器中的单模波导与一个光耦组中位于两端的光辅耦合器分别相连，第三个定向耦合器中多模波导的另一端和单模波导分别与另一个光耦组中位于两端的光辅耦合器相连。
[0007]本专利技术混合复用/解复用器中的波导是一种氮化硅负载的薄膜铌酸锂波导，通过在薄膜铌酸锂表面沉积一层氮化硅薄膜，对氮化硅层进行光刻、刻蚀等工艺形成氮化硅
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铌酸锂脊型波导。该波导具有以下优势：一、与铌酸锂相比，氮化硅拥有相似但较低的折射率，因此大部分模场仍将分布在铌酸锂层中，这有利于直接利用铌酸锂优异的材料属性实现电光调制器等有源器件；二、与铌酸锂相比，氮化硅拥有类似的宽光学透明窗口，这有利于一些波长转换和非线性过程的实现；三、与铌酸锂相比，氮化硅拥有更成熟且商业化的制造工艺，这有利于实现基于光学微结构（如亚波长光栅）的无源器件和大规模的波导集成。
[0008]本专利技术波长
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模式混合复用/解复用器采用两段式级联结构，即先复用波长信号，再复用模式信号。波长复用采用的基础结构单元为光栅辅助的反向耦合器（Grating assisted contra
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directional coupler, GACDC，简称为光辅耦合器），该结构可以实现单波段、平顶、低损耗的波长耦合。与谐振腔式的结构（如微环谐振器）相比，光辅耦合器不受自由频谱范围的限制，可以在固定的波长范围内复用更多的波长信道。此外，光辅耦合器拥有多项结构参数，如波导宽度、光栅宽度、光栅周期及占空比，这些结构参数的变化都对器件的耦合波长有调谐作用，为设计提供了灵活性。通过级联多个光辅耦合器即可构成波分复用/解复用器。模式复用采用的基础结构单元为定向耦合器（Directionalcoupler, DC），该结构可以实现低损耗、大带宽、可扩展的光学模式耦合。保持单模波导的宽度不变，改变多模波导的宽度使光学模式满足不同的相位匹配条件，即可改变耦合的模式阶数。通过级联多个定向耦合器即可构成模式复用/解复用器。
[0009]本专利技术复用/解复用器是混合复用，即利用来自多个物理维度的信号作为载波。由于光不同的物理维度之间也是独立且互不干扰的，因此可以在同一链路中传输更多的信道且性能不受影响。与薄膜铌酸锂电光调制器阵列的单片集成有望构建高速、大容量、低成本的集成光子电路，扩展光互连的通信容量。
附图说明
[0010]图1本专利技术混合复用/解复用器的示意图。
[0011]图2是本专利技术混合复用/解复用器中光辅耦合器的示意图。
[0012]图3是本专利技术混合复用/解复用器中模式复用/解复用器的示意图。
[0013]图4是本专利技术混合复用/解复用器中氮化硅负载的薄膜铌酸锂波导的示意图。
[0014]图中：1.第一光辅耦合器，2.第二光辅耦合器，3.第三光辅耦合器，4.第四光辅耦合器，5.第五光辅耦合器，6.第六光辅耦合器，7.第七光辅耦合器，8.第八光辅耦合器，9.第一定向耦合器，10.第二定向耦合器，11.第三定向耦合器，12.第一光辅耦合器直波导，13.光辅耦合器光栅波导，14.第一光栅波导过渡锥，15.第二光栅波导过渡锥，16.第一弯曲波导，17.第二弯曲波导，18.第一单模波导，19.第一多模波导，20.第三弯曲波导，21.第一波导过渡锥，22.第二单模波导，23.第二多模波导，24.第三单模波导，25.第四弯曲波导，26.第二波导过渡锥，27.第四单模波导，28.第五单模波导，29.第三多模波导，30.第三波导过渡锥，31.第五弯曲波导，32.第六单模波导，33.第七单模波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于薄膜铌酸锂的波长
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模式混合复用/解复用器，其特征在于，包括两个光耦组和一个模式复用/解复用器，每个光耦组均由依次相连的四个光辅耦合器构成，每个光耦组中位于两端的光辅耦合器分别与模式复用/解复用器相连；模式复用/解复用器包括依次相连的三个定向耦合器，每个定向耦合器均包括平行设置的多模波导和单模波导，三根多模波导的宽度不同，三根多模波导通过波导过渡锥依次相连，第一个定向耦合器中的单模波导和第二个定向耦合器中的单模波导与一个光耦组中位于两端的光辅耦合器分别相连，第三个定向耦合器中多模波导的另一端和单模波导分别与另一个光耦组中位于两端的光辅耦合器相连。2.如权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的波长
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模式混合复用/解复用器，其特征在于，两个光耦组中的一个光耦组由依次相连的第一光辅耦合器（1）、第二光辅耦合器（2）、第三光辅耦合器（3）和第四光辅耦合器（4）组成；另一个光耦组由依次相连的第五光辅耦合器（5）、第六光辅耦合器（6）、第七光辅耦合器（7）和第八光辅耦合器（8）组成；第一光辅耦合器（1）、第四光辅耦合器（4）、第五光辅耦合器（5）和第八光辅耦合器（8）分别与模式复用/解复用器相连；第一光辅耦合器（1）和第五光辅耦合器（5）相对设置；八个光辅耦合器的结构完全相同。3.如权利要求2所述的基于薄膜铌酸锂的波长
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模式混合复用/解复用器，其特征在于，所述第一光辅耦合器（1）包括平行设置的第一光辅耦合器直波导（12）和光辅耦合器光栅波导（13），光辅耦合器光栅波导（13）的一端通过第一光栅波导过渡锥（14）与第一弯曲波导（16）相连，第一光栅波导过渡锥（14）尺寸较小端与光辅耦合器光栅波导（13）相连，光辅耦合器光栅波导（13）的另一端通过第二光栅波导过渡锥（15）与第二弯曲波导（17）相连，第二光栅波导过渡锥（15）尺寸较小端与光辅耦合器光栅波导（13）相连；同一光耦组内所有光辅耦合器中的光辅耦合器直波导依次相连；同一光耦组内位于两端的光辅耦合器中光辅耦合器直波导的另一端分别与模式复用/解复用器相连。4.如权利要求3所述的基于薄膜铌酸锂的波长
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模式混合复用/解复用器，其特征在于，所述模式复用/解复用器包括依次相连的第一定向耦合器（9）、第二定向耦合器（10）和第三定向耦合器（11）；第一定向耦合器（9）包括平行设置的第一单模波导（18）和第一多模波导（19），第一单模波导（18）背离第二定向耦合器（10）的一端为自由端，第一单模波导（18）朝向第二定向耦合器（10）...

【专利技术属性】
技术研发人员：田永辉，韩旭，蒋永恒，肖恢芙，袁明瑞，郝沁汾，
申请(专利权)人：无锡芯光互连技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：