一種非對稱馬赫澤德幹涉儀及其設計方法
2023-04-30 01:33:41 2
專利名稱：一種非對稱馬赫澤德幹涉儀及其設計方法
技術領域：
本發明涉及光通訊系統中的光交叉互聯、光信號處理技術領域，特別是一種非對稱馬赫澤德幹涉儀及其設計方法。
背景技術：
隨著光通信技術的飛速發展，光開關及調製器件在整個通信系統中所起的作用越來越大。它們不僅僅被當作單獨的器件，用來實現對光信號的處理、調製，同時又是光交叉互聯(OXC)和光上下路復用(OADM)等子系統中的重要構件。
馬赫澤德幹涉儀(MZI)結構在光開關及調製器的設計製作中有著越來越廣泛的應用。這種結構由輸入輸出波導、兩個3dB耦合器(一個光分束器和一個光合束器)以及兩個光相位調製臂等幾部分構成。其基本工作原理為入射光首先被分束器分成強度相同的兩束，兩束光分別在兩個調製臂中傳輸一段距離之後，被合束器再次合為一束輸出。通過改變其中一個調製臂的折射率，可以在兩個調製臂中引入一定的光程差，這樣兩束光在通過調製臂後，兩者之間的相位差可以通過這種折射率調製機制進行調節，而兩束光的相位差決定了兩者經過合束器幹涉疊加之後的光場分布。因此通過改變其中一個調製臂的折射率，就可以實現光的功率調製或開關功能。常見的折射率調節機制包括材料的熱光效應、電光效應以及自由載流子的等離子色散效應等。
光分束器和合束器可以由多模幹涉耦合器(包括中心輸入、配對輸入、普通輸入三種)、定向耦合器、Y分支器等結構來實現。通常的MZI都具有完全對稱的結構，不僅分束器與合束器結構對稱，而且兩個調製臂的結構參數也完全相同。通過引入某種折射率調製機制(熱光效應、電光效應以及自由載流子的等離子色散效應等)，可以在調製臂中實現一定的光場相位偏移。在傳統MZI中，為完成一個調製周期(輸出光強實現在最大和最小之間的轉換或輸出光從一個埠轉換到另一個埠)，需要在一個調製臂上引入π相位偏移，而另外一個調製臂一直處於閒置狀態。也就是說，只有一個調製臂對輸出光場的變化有貢獻。
發明內容
本發明的目的在於提供一種非對稱馬赫澤德幹涉儀(MZI)結構及其設計方法，其特徵在於通過在MZI中引入兩個結構、材料參數不完全一致的調製臂，改變兩調製臂中光場之間的相位關係，通過調節兩臂的截面尺寸、長度、折射率分布等參數，可在兩臂之間引入一定的光程差。光程差的大小可以通過3D-BPM或FDTD等數值模擬方法確定。這樣完成一個調製周期需要兩個調製臂的共同貢獻，而在單個調製臂上需要引入的相位偏移小於傳統對稱結構中的π相移(最優設計時單臂上所需相移為π/2)。更小的相位偏移對應著更快的調製速率，因此這種非對稱MZI結構有助於提高器件的開關/調製速率。
本發明一種非對稱馬赫澤德幹涉儀(MZI)，所包含兩個調製臂的結構、材料參數非完全一致，由於兩者的非一致使得兩臂之間存在光程差。
所述非對稱馬赫澤德幹涉儀可以由矽、鍺矽合金、二氧化矽、鈮酸鋰、聚合物、III-V族化合物半導體等多種材料來實現。
所述非對稱馬赫澤德幹涉儀中兩個調製臂的長度、截面形狀、截面尺寸、折射率分布等結構、材料參數中至少有一項不一致，並且這種差異能夠在兩臂之間引入光程差。
所述非對稱馬赫澤德幹涉儀可為「一進一出」的結構，用於製作光調製器，也可為「二進二出」結構，用於2×2光開關場合。
所述非對稱馬赫澤德幹涉儀中的3dB耦合器可由多模幹涉耦合器(包括中心輸入、配對輸入、普通輸入三種情況)、定向耦合器、Y分支器等多種結構來實現。
所述非對稱馬赫澤德幹涉儀中的兩個調製臂在工作過程中的折射率調製以及相應的光場相位調製可以利用材料的電光效應、熱光效應、載流子等離子色散效應等多種調製方式來實現。
所述非對稱馬赫澤德幹涉儀在調製過程中，需要兩個調製臂的共同參與才能完成一個調製周期，而在此過程中單個調製臂上需要引入的相位偏移由未調製時兩臂的相位差決定。一般情況下單個臂上需要的相移小於π，在最優設計時單個臂上需要的相移為π/2。
本發明所述的結構是指非對稱馬赫澤德幹涉儀整個結構。所指的材料是指非對稱馬赫澤德幹涉儀整個材料。
本發明一種用於設計非對稱調製臂馬赫澤德幹涉儀的方法，該方法包括如下步驟(1)運用常規方法確定馬赫澤德幹涉儀中輸入、輸出波導以及兩個3dB耦合器的結構參數；(2)運用3D-BPM或FDTD等數值模擬的方法求出兩個結構參數非完全一致的調製臂中分別的光場等效折射率；(3)將(2)中得到的兩臂的光場等效折射率分別乘以兩臂各自的長度即可得到兩臂的光程，進而求得兩臂之間的光程差。
(4)反覆調節其中一個或兩個調製臂的相關結構參數，並重複(2)和(3)，可使得兩臂之間的光程差逐漸逼近設計值。
(5)將結構參數均已確定的輸入、輸出波導，兩個3dB耦合器，以及兩個調製臂有機的組合在一起，即完成整個器件的設計。
為進一步說明本發明的內容及特點，以下結合附圖及實施例對本發明作一詳細的描述，其中圖1為基於非對稱調製臂MZI結構的光調製器結構示意2為脊型波導的截面示意3為具有脊型截面的調製臂結構示意圖具體實施方式
圖1為本發明一個實施例的光調製器結構示意圖，具體結構為一個調製臂非對稱的「一進一出」MZI。其中兩個3dB耦合器(分束器2和合束器5)由中心輸入的多模幹涉耦合器充當。兩個調製臂3和4長度相同，但3的寬度比4略大。根據導波光學理論，波導越寬，模場的傳播常數越大，在一定長度下波導的光程也越大，因此寬度的差異可以在兩臂間引入一定的光程差。本實施例中，波導器件是通過SOI材料來實現。
圖2為波導的截面示意圖。在襯底矽9上方依次為夾層二氧化矽10和頂層矽11，脊型波導通過幹法刻蝕的方法來製備，刻蝕後生長二氧化矽層12作為波導的上包層，上包層12外面為空氣13。
本實施例中的MZI採用矽中自由載流子的等離子色散效應來實現折射率調製，其調製結構如圖3所示。圖中p+區14位於脊型調製臂的頂端，n+區15位於脊型調製臂的兩側平板區域。這兩個區域都需通過光刻、離子注入來定義。這樣在調製臂中就形成了一個p+-i-n+調製結構。在二氧化矽包層12上開引線孔並製作金屬電極16後，就可以對圖3所示結構進行電調製。根據等離子色散效應，矽材料的折射率隨載流子濃度的增大而減小。因此當p+-i-n+結構正偏時，大量載流子將從脊型頂部注入調製臂，通過調節調製功率的大小，可以調節波導中的載流子濃度，從而實現折射率調製以及光場的相位調製。
圖1所示結構中輸入輸出波導以及兩個3dB耦合器的結構參數可以由傳統理論及數值模擬方法來確定，調製臂3和4的寬度和長度由下列步驟確定I.根據脊型波導的單模條件確定刻蝕深度和調製臂3的寬度II.通過3D-BPM方法求出光場在調製臂3中的傳播常數III.逐漸減小波導寬度，通過3D-BPM方法求出光場在一系列寬度不同的波導中的傳播常數IV.由III得到的一系列光場傳播常數與II中調製臂3的光場傳播常數相比較，求出III中波導與調製臂之間實現λ/4光程差所需要的波導長度(λ為光波在材料中的波長)V.根據IV中計算結果，選擇合適的寬度、長度作為調製臂4的寬度和兩個調製臂的共同長度將由以上步驟確定的兩調製臂與已確定結構參數的輸入輸出波導、分束器、合束器組合起來，即完成了整個器件的設計。然後製作光刻掩模板，利用與製作傳統MZI相同的工藝即可將器件製作出來。
本實施例中光調製器的工作過程為當光從波導1輸入時，分束器2將輸入光分成功率相等且相位相同的兩束，並分別被調製臂3、4所收集，3a處的光場與4a處光場的相位差為0。在未調製時，由於調製臂3的光程比調製臂4長λ/4，因此兩束光經過在調製臂中傳輸後，4b處的光場相位將比3b處的光場相位滯後π/2。這樣一來，若要通過光合束器5實現兩束光在輸出波導6中的幹涉相長，就需要通過等離子色散效應，使調製臂3的光程減小λ/4(對調製臂3引入π/2的相位偏移)，從而使得3b、4b處的兩個光場的相位相等，二者幹涉相長，這樣光波從波導6的輸出強度達到最大。類似的，當對調製臂4進行調製，通過等離子色散效應使其光程減小λ/4(對調製臂4引入π/2的相位偏移)時，3b、4b處的兩個光場的相位差為π，二者幹涉相消，波導6中的輸出光強達到最小。
由以上的分析可知，通過調節調製臂3或調製臂4上的調製功率的大小，即可實現輸出光強從最大到最小的變化，從而實現光場強度的調製。而且完成整個調製周期需要兩個調製臂的共同參與，而在單個調製臂上只需引入π/2的相移，小於傳統對稱MZI結構中所需的π相移。所需相移越小，意味著所需載流子的變化越小，載流子的產生與複合也越快。因此，相對於基於傳統對稱MZI結構的光調製器，這種非對稱光調製器的調製速率將有顯著提高。
權利要求
1.一種非對稱馬赫澤德幹涉儀，其特徵在於，所包含兩個調製臂的結構、材料參數非完全一致，由於兩者的非一致使得兩臂之間存在光程差。
2.根據權利要求1所述的非對稱馬赫澤德幹涉儀，其特徵在於，所述結構可以由矽、鍺矽合金、二氧化矽、鈮酸鋰、聚合物、III-V族化合物半導體材料來實現。
3.根據權利要求1所述的非對稱馬赫澤德幹涉儀，其特徵在於，所述結構中兩個調製臂的長度、截面形狀、截面尺寸、折射率分布結構、材料參數中至少有一項不一致，並且這種差異能夠在兩臂之間引入光程差。
4.根據權利要求1所述的非對稱馬赫澤德幹涉儀，其特徵在於，所述結構可為「一進一出」的結構，用於製作光調製器，也可為「二進二出」結構，用於2×2光開關場合。
5.根據權利要求1所述的非對稱馬赫澤德幹涉儀，其特徵在於，所述結構中的3dB耦合器可由多模幹涉耦合器、定向耦合器、Y分支器等多種結構來實現。
6.根據權利要求1所述的非對稱馬赫澤德幹涉儀，其特徵在於，所述結構中的兩個調製臂在工作過程中的折射率調製以及相應的光場相位調製可以利用材料的電光效應、熱光效應、載流子等離子色散效應等多種調製方式來實現。
7.根據權利要求1所述的非對稱馬赫澤德幹涉儀，其特徵在於，所述結構在調製過程中，需要兩個調製臂的共同參與才能完成一個調製周期，而在此過程中單個調製臂上需要引入的相位偏移由未調製時兩臂的相位差決定。一般情況下單個臂上需要的相移小於π，在最優設計時單個臂上需要的相移為π/2。
8.一種用於設計非對稱調製臂馬赫澤德幹涉儀的方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟(1)運用常規方法確定馬赫澤德幹涉儀中輸入、輸出波導以及兩個3dB耦合器的結構參數；(2)運用3D-BPM或FDTD數值模擬的方法求出兩個結構參數非完全一致的調製臂中分別的光場等效折射率；(3)將(2)中得到的兩臂的光場等效折射率分別乘以兩臂各自的長度即可得到兩臂的光程，進而求得兩臂之間的光程差；(4)反覆調節其中一個或兩個調製臂的相關結構參數，並重複(2)和(3)，可使得兩臂之間的光程差逐漸逼近設計值；(5)將結構參數均已確定的輸入、輸出波導，兩個3dB耦合器，以及兩個調製臂有機的組合在一起，即完成整個器件的設計。
全文摘要
本發明涉及光通訊系統中的光交叉互聯、光信號處理技術領域，特別是一種非對稱馬赫澤德幹涉儀及其設計方法。該結構所包含兩個調製臂的結構參數非完全一致，由於兩者的非一致使得兩臂之間存在光程差。通過調節兩臂的截面尺寸、長度、折射率分布等參數，可在兩臂之間引入一定的光程差。光程差的大小可以通過3D－BPM或FDTD等數值模擬方法確定。運用這一非對稱馬赫澤德幹涉結構製作光開關/調製器時，在一個調製周期中，單個調製臂上需要引入的相位偏移小於傳統結構中的π相移(在最優設計時為π/2)，因而能顯著提高器件響應速度。
文檔編號G02B6/12GK101055336SQ20061001165
公開日2007年10月17日 申請日期2006年4月13日 優先權日2006年4月13日
發明者孫飛, 餘金中, 陳少武 申請人:中國科學院半導體研究所