級連硅基波導光隔離器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設及一種雙頻娃基光隔離器，適用于光纖通信及集成光路系統(tǒng)，尤其設及 一種能夠在兩個頻率及其附近頻率實現(xiàn)光信號單向傳播的娃基光隔離器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光隔離器是一種在光學傳播介質(zhì)(器件）中允許光信號單向傳輸?shù)臒o源光器件，在 光纖通信系統(tǒng)和大規(guī)模集成光路中阻止反射光信號的傳播。目前常見的光隔離器的工作原 理主要基于法拉第旋轉(zhuǎn)的非互易性和非線性效應。但是法拉第旋轉(zhuǎn)效應的光隔離器不適宜 大規(guī)模集成，而非線性效應光隔離器對傳播的光信號強度有額外要求。最近，通過對波導進 行含時微擾W實現(xiàn)光信號單向傳播的解決方案得到業(yè)界關(guān)注，但是該方法僅對特定頻率光 信號具有高隔離率。為解決運些問題，在含時微擾解決方法的基礎上，本發(fā)明提出了一種與 現(xiàn)有CMOS工藝相容的娃基線性雙頻光隔離器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供一種級連娃基波導光隔離器，能夠在兩個不同頻率及其附近頻率實現(xiàn) 光信號的單向傳播的娃基光路光隔離器在波導中所實施的含時微擾和頻率濾波結(jié)構(gòu)能實 現(xiàn)兩個頻率的光信號隔離，在波導中設置兩個串行的含時微擾及濾波結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)雙頻率的 光信號隔離，可W利用波導色散關(guān)系中兩個不同能帶的不平行部分選擇兩個頻率，W實現(xiàn) 雙頻率的獨立隔離，即在信號隔離過程中不發(fā)生相互作用。
[0004] 所述含時微擾調(diào)制結(jié)構(gòu)用于將沿所述波導正向傳播的特定頻率的光信號禪合成 沿所述波導正向傳播的另一目標頻率的光信號，所述特定頻率濾波結(jié)構(gòu)用于吸收沿所述波 導正向傳播的目標頻率光信號。所述微擾結(jié)構(gòu)及濾波結(jié)構(gòu)，均不對反方向傳播的特定頻率 光信號產(chǎn)生作用。
[0005] 較佳地，所述波導為娃基波導。
[0006] 較佳地，所述含時微擾調(diào)制結(jié)構(gòu)實施于所述波導的方法為：
[0007] 在娃基波導中進行滲雜，造成折射率的起伏，然后對滲雜后的波導通電，造成折射 率的時間變化。
[000引較佳地，所述含時微擾調(diào)制結(jié)構(gòu)的調(diào)制函數(shù)的形式為，
[0009]
[0010]其中滿足q = k廣k2和Ω = ω 2-ω 1，ω 1為所述特定頻率光信號的頻率，ω 2為所述目 標頻率信號的頻率，kl、k2分別為所述特定頻率光信號、目標頻率信號的波數(shù)。d為平板波導 寬度。S(x)為調(diào)制強度。
[0011]較佳地，所述特定頻率濾波結(jié)構(gòu)由色散材料構(gòu)成，所述色散材料對所述特定頻率 fo的光信號具有吸收作用。所述色散材料對所述特定頻率的光信號具有吸收作用。其介電 常數(shù)符合lorentzian susceptibility模型，表達為：
[0012]
[0013] 其中：ω表示所述入射光信號的角頻率，f表示所述入射光信號的頻率，σ表示所述 色散材料對頻率為fo的光信號的共振吸收強度，Τ表示所述色散材料對頻率為fo的光信號 的共振吸收寬度，εοο表示入射光頻率為無窮大極限下的介電常數(shù)。
[0014] 較佳地，借助于波導能帶(色散關(guān)系）的不平行部分，選擇隔離器操作的兩個頻率。 使得兩個頻率在非互易傳播實現(xiàn)過程中，相互不發(fā)生干擾。
[0015] 本發(fā)明所提出的光隔離器設計方案中，隔離器尺度在微米量級，適合于大規(guī)模集 成且不對信號強度有任何要求。
[0016] 當然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達到W上所述的所有優(yōu)點。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明實施例提供的娃基波導結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明實施例提供的娃基波導中ΤΕ光傳播模式色散關(guān)系及微擾禪合態(tài)示意 圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明實施例提供的微擾調(diào)制結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖4為本發(fā)明實施例提供的娃基光隔離器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖5為本發(fā)明實施例正傳播方向的FDTD數(shù)值模擬場分布示意圖；
[0022] 圖6為本發(fā)明實施例反傳播方向的FDTD數(shù)值模擬場分布示意圖。 具體實施例
[0023] 本發(fā)明提供一種級連娃基波導光隔離器，能夠在兩個不同頻率及其附近頻率實現(xiàn) 光信號的單向傳播的娃基光路光隔離器。其中，在波導中所實施的針對單頻率的含時微擾 和頻率濾波結(jié)構(gòu)實現(xiàn)單個頻率及其附近頻率的光信號隔離。在波導中設置兩個串行的含時 微擾及濾波結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)雙頻率及其附近頻率的光信號隔離。
[0024] 所述含時微擾調(diào)制結(jié)構(gòu)用于將沿所述波導正向傳播的特定頻率的光信號禪合成 沿所述波導正向傳播的一目標頻率的光信號，不對反方向傳播的特定頻率光信號產(chǎn)生作 用。
[0025] 其中所述含時微擾調(diào)制結(jié)構(gòu)實施于所述波導的方法為：
[0026] 在所述的波導中進行滲雜，造成折射率的起伏，然后對滲雜后的波導通電，造成折 射率的時間變化。
[0027] 所述上微擾調(diào)制結(jié)構(gòu)的調(diào)制函數(shù)為：
[002引
[0029]其中滿足q = lu-k2和Ω = ω2-ωι，ω功所述特定頻率光信號的頻率，《2為所述目 標頻率信號的頻率，kl、k2分別為所述特定頻率光信號、目標頻率信號的波數(shù)。d為平板波導 寬度。S(x)為調(diào)制強度。
[0030] 在圖1所示的娃基波導中存在TE光信號的兩個傳播能帶（色散關(guān)系）。選取TE模第 一個模式的頻率和波數(shù)為（ω i、ki)，TE模第二個模式的頻率和波數(shù)為（ω 2、k2)，TE模第Ξ個 模式的頻率和波數(shù)為（W3、k3)，由圖2可知。在波導設置微擾，選取q = ki-k3，Q = c〇3-〇i，將 模式1調(diào)制到模式3。此時，由于能帶的不平行，模式2不發(fā)生模式轉(zhuǎn)換。在此模式轉(zhuǎn)換后，使 用頻率濾波器將模式3的信號吸收。然后再實施微擾，選取q = k2-k3, Ω = ?3-02,將模式2 轉(zhuǎn)換到模式3,再使用頻率濾波器進行吸收。從而使得模式1和模式2信號在由左向右的傳播 過程中被完全吸收。當模式1和模式2光信號由右向左傳播過程中，不會受到微擾調(diào)制作用， 從而不改變頻率?？蒞實現(xiàn)由右向左傳播。
[0031] 圖4為波導中設置兩個串行的含時微擾及濾波結(jié)構(gòu)的示意圖。濾波區(qū)域材料為一 般色散材料，對頻率為f日的光（模式3)具有吸收效應。其介電常數(shù)符合lorentzian susceptibility 模型，表達為：
[0032]
[0033] 其中：ω表示所述入射光信號的角頻率，f表示所述入射光信號的頻率，σ表示所述 色散材料對頻率為fo的光信號的共振吸收強度，Τ表示所述色散材料對頻率為fo的光信號 的共振吸收寬度，εοο表示入射光頻率為無窮大極限下的介電常數(shù)。
[0034] W上描述中所選取的模式都是可W變化的。本發(fā)明提供的雙頻娃基光隔離器并不 是針對固定的兩個特定模式光進行禪合、隔離，可W針對不同的波導能帶結(jié)構(gòu)（色散關(guān)系） 選取不同的模式。本發(fā)明的貢獻不僅限于能夠在兩個頻率及其附近頻率實現(xiàn)光隔離的微擾 吸收串行結(jié)構(gòu)，還包括利用帶結(jié)構(gòu)不平行部分進行頻率(模式)選擇的選擇方法。
[0035] 實施例1:
[0036] 取定歸一化長度a=lym，波導寬度取為d = 0.22a。模式1的頻率和波數(shù)分別取定 為：c〇i = 0.67(23ic/a)，ki = 1.92(2Va);模式2的頻率和波數(shù)分別取定為：c〇2 = 0.5(23ic/ 曰）也=1.31(231/日）；模式3的頻率和波數(shù)分別選取為：〇2 = 0.8(2恥/日），1? = 1.01(231/曰）。 調(diào)制強度S(x) = l，波導由娃材料構(gòu)成，介電常數(shù)取為12.25。兩個調(diào)制區(qū)的長度分別為1。1 = 5.74a和1。2 = 6.63a，該長度為模式完全轉(zhuǎn)化長度。
[0037] 當頻率為ω 1 = 0.67(2恥/曰)和ω 2 = 0.5(2恥/曰）的模式1和模式2光信號自左向右 傳播時，調(diào)制1區(qū)域?qū)⒛Ｊ?與模式3進行禪合，光信號由模式1轉(zhuǎn)化為模式3。再由濾波1區(qū)域 將模式3信號吸收。該過程中，沒有受到影響的模式2信號經(jīng)過調(diào)制2區(qū)域，被轉(zhuǎn)換到模式3， 再由濾波2區(qū)域進行吸收。圖5為信號由左向右傳播情況下的光場分布的FDTD數(shù)值模擬結(jié) 果。當模式1信號與模式2信號反向傳播時，不受到調(diào)制與濾波結(jié)構(gòu)的影響。圖6給出光信號 反向傳播時的光場分布的FDTD數(shù)值模擬結(jié)果。
[0038] W上公開的本發(fā)明優(yōu)選實施例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實施例并沒有詳盡 敘述所有的細節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的【具體實施方式】。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容， 可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述運些實施例，是為了更好地解釋本發(fā)明 的原理和實際應用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地理解和利用本發(fā)明。本發(fā)明僅 受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。
【主權(quán)項】
1. 一種級連硅基波導光隔離器，其特征在于，在波導中所實施的含時微擾和頻率濾波 結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)兩個頻率的光信號隔離，在波導中設置兩個串行的含時微擾及濾波結(jié)構(gòu)，實現(xiàn) 雙頻率的光信號隔離，可以利用波導色散關(guān)系中兩個不同能帶的不平行部分選擇兩個頻 率，以實現(xiàn)雙頻率的獨立隔離，即在信號隔離過程中不發(fā)生相互作用。2. 如權(quán)利要求1所述的級連硅基波導光隔離器，其特征在于，所述波導為硅基波導。3. 如權(quán)利要求1所述的級連硅基波導光隔離器，其特征在于，所述含時微擾調(diào)制結(jié)構(gòu)實 施于所述波導的方法為:在硅基波導中有兩段摻雜區(qū)域，造成折射率的起伏，然后對兩段摻 雜波導通電，造成折射率的時間變化。 所述含時微擾調(diào)制結(jié)構(gòu)的調(diào)制函數(shù)的形式為，其中滿足q = k2-ki和Ω = ω 2_ ω 1，ω 1為所述特定頻率光彳g號的頻率，ω 2為所述目標頻 率信號的頻率，lu、k2分別為所述特定頻率光信號、目標頻率信號的波數(shù)。d為平板波導寬度。 S(x)為調(diào)制強度。4. 如權(quán)利要求1所述的級連硅基波導光隔離器，其特征在于，所述頻率濾波結(jié)構(gòu)由色散 材料構(gòu)成，所述色散材料對所述特定頻率的光信號具有吸收作用。其介電常數(shù)復合 lorentzian susceptibility模型，表達為：其中：ω表示所述入射光信號的角頻率，f表示所述入射光信號的頻率，〇表示所述色散 材料對頻率為的光信號的共振吸收強度，γ表示所述色散材料對頻率為的光信號的共 振吸收寬度，ε〇〇表示入射光頻率為無窮大極限下的介電常數(shù)。5. 如權(quán)利要求1所述的級連硅基波導光隔離器，借助于波導能帶色散關(guān)系的不平行部 分，能夠隔離的兩個頻率在非互易傳播實現(xiàn)過程中，相互不發(fā)生干擾。
【專利摘要】本發(fā)明能夠提供一種級連硅基波導光隔離器，其中，在波導中所實施的兩級含時微擾和兩級濾波結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)兩個頻率的光信號隔離。通過利用波導色散關(guān)系中兩個不同能帶的不平行部分選擇頻率，以實現(xiàn)雙頻率的獨立隔離，即在信號隔離過程中不發(fā)生相互作用。所述含時微擾調(diào)制結(jié)構(gòu)用于將沿所述波導正向傳播的兩個特定頻率的光信號分別耦合成沿所述波導正向傳播的另外兩個目標頻率的光信號，所述特定的先后串行的頻率濾波結(jié)構(gòu)用于吸收沿所述波導正向傳播的兩個目標頻率光信號。所述微擾結(jié)構(gòu)及濾波結(jié)構(gòu)，均不對反方向傳播的兩個特定頻率光信號產(chǎn)生作用。本發(fā)明提供的光隔離器尺度在微米量級，適合于大規(guī)模集成且不對信號強度有任何要求。
【IPC分類】G02B6/27
【公開號】CN105629388
【申請?zhí)枴緾N201610019142
【發(fā)明人】劉燁, 賴思南, 姜淳
【申請人】上海交通大學
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年1月13日