專利名稱:反射型可調(diào)光延遲線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種光通信,具體是通過在傳統(tǒng)傳輸型光學(xué)延遲線一端加入反射結(jié)構(gòu)形成反射型可調(diào)光延遲線,該器件可以在不增加延遲單元結(jié)構(gòu)的前提下,提高光信號(hào)延遲量和帶寬的乘積。
背景技術(shù):
可調(diào)光延遲線在數(shù)據(jù)緩存、信號(hào)處理以及相陣?yán)走_(dá)等方面有著廣泛的應(yīng)用和相當(dāng)重要的研究意義。數(shù)據(jù)緩存是光通信網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)關(guān)鍵模塊,它可以避免信道網(wǎng)絡(luò)沖突問題,提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的吞吐量,從而降低丟包率。由于目前光學(xué)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)尚未實(shí)現(xiàn),上述的數(shù)據(jù)緩存功能均是依靠可調(diào)光延遲線完成。在信號(hào)處理方面,可調(diào)光延遲線能夠?qū)崿F(xiàn)高效可重構(gòu)光學(xué)信號(hào)處理,在許多微波光子信號(hào)處理系統(tǒng)中(如光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器)也是相當(dāng)重要的光學(xué)模塊。在相陣?yán)走_(dá)中,由于光控相位陣列天線的相位與頻率有關(guān),不同的光譜分量指向不同的方向,引起信號(hào)衰減,利用可調(diào)光延遲線能有效地克服該問題。近年來,集成光子學(xué)的研究在國內(nèi)外取得了引人注目的成就。由于它采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工工藝,具有易于加工且成本較低的優(yōu)勢(shì)。集成光子學(xué)研究的主要器件包括調(diào)制器、探測(cè)器、可調(diào)延遲線、可調(diào)濾波器等,其中可調(diào)光延遲 線由于有上述廣泛的應(yīng)用而成為一個(gè)研究熱點(diǎn),方案的多樣化也使得其具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?shí)現(xiàn)可調(diào)光延遲線的方案有很多,主要包括光學(xué)諧振腔、啁啾光柵以及光子晶體等。如 Jaime Cardenas 等人在 OPTICS EXPRESS (Vol. 18,No. 25)上發(fā)表的論文^Wide-bandwidth continuously tunable optical delayline using silicon microringresonators”中提出一種通過娃基微環(huán)級(jí)聯(lián)稱合的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光延遲,通過熱光調(diào)制實(shí)現(xiàn)了IOGHz 帶寬光脈沖 135ps 的可調(diào)延遲量。Qing Li 等人在 PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS(Vol. 24,No. 15)上發(fā)表的 “Low-loss microdisk-based delay lines for narrowbandoptical filters”中提出利用微盤諧振腔來做延遲線,利用三階模式實(shí)現(xiàn)百皮秒量級(jí)的延遲。另外,Ivano Giuntoni 等人 2009 年在 OPTICS EXPRESS (Vol. 17,No. 21)上發(fā)表的論文“Tunable Bragg reflectors on si I icon-on-1nsulator ribwaveguides,,中提出在娃基上改變光柵的周期實(shí)現(xiàn)啁啾光柵,加熱后硅的折射率發(fā)生改變,使得光信號(hào)的反射位置發(fā)生改變,實(shí)現(xiàn)可調(diào)光延遲。Toshihiko Baba等人在NATURE PHOTONICS (Vol.1, No. 2)上發(fā)表的論文“Slow light inphotonic crystals”中提到利用光子晶體禁帶邊緣的高群折射率特性來產(chǎn)生慢光,實(shí)現(xiàn)可調(diào)延遲。綜合已報(bào)道的方法,可調(diào)延遲線雖然可以通過許多結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),但也存在一些問題。上述的各種結(jié)構(gòu)均為諧振結(jié)構(gòu),光信號(hào)延遲的性能受限于諧振結(jié)構(gòu)本身固有的延遲-帶寬積,通常采用級(jí)聯(lián)的方式增加延遲量和帶寬,這種方案增加了器件的體積,而且由于加工工藝誤差,諧振頻率無法精確控制,需要后期進(jìn)行逐一調(diào)節(jié),級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)越多,所需的調(diào)節(jié)模塊越多,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和功耗。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種反射型可調(diào)光延遲線,通過復(fù)用光延遲結(jié)構(gòu),提高了其利用率,使得延遲帶寬積增加了一倍。在利用熱光效應(yīng)或者等離子色散效應(yīng)等進(jìn)行延遲調(diào)節(jié)時(shí),由于光學(xué)延遲結(jié)構(gòu)有復(fù)用的效果,需要調(diào)節(jié)的光學(xué)延遲結(jié)構(gòu)比常規(guī)延遲線減少一半,因此也較大幅地減小了延遲調(diào)節(jié)功耗。為達(dá)到上述目的,本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種反射型可調(diào)光延遲線,其特點(diǎn)在于,由光延遲結(jié)構(gòu)和光反射結(jié)構(gòu)構(gòu)成,輸入的光信號(hào)由所述的光延遲結(jié)構(gòu)的輸入端輸入,經(jīng)光延遲后輸入所述的光反射結(jié)構(gòu)經(jīng)反射后,返回所述的光延遲結(jié)構(gòu),再一次經(jīng)所述的光延遲結(jié)構(gòu)光延遲后從所述的光延遲結(jié)構(gòu)的輸入端輸出延時(shí)后的光信號(hào)。所述的光延遲結(jié)構(gòu)為單個(gè)微環(huán)諧振腔、微盤諧振腔、光柵、光子晶體、或者由多個(gè)所述的微環(huán)諧振腔、微盤諧振腔、光柵、光子晶體級(jí)聯(lián)構(gòu)成。所述的光學(xué)反射結(jié)構(gòu)由微諧振腔、光子晶體、光柵或薩格納克環(huán)構(gòu)成。所述的光學(xué)延遲結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的延時(shí)可以通過熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)、等離子色散效應(yīng)等進(jìn)行調(diào)節(jié)。熱光效應(yīng)是通過調(diào)節(jié)溫度改變材料的折射率;電光效應(yīng)是物質(zhì)的折射率因外加電場而發(fā)生變化;等離子色散效應(yīng)一般是對(duì)物質(zhì)進(jìn)行摻雜后,通過外加電場使得載流子移動(dòng),從而改變折射率。只要通過上述三種方式改變了器件的折射率,即可使某個(gè)波長的光通過光學(xué)延遲線后的時(shí)延發(fā)生改變。具體地,對(duì)于硅、石英或氮化硅等材料加工的集成光子器件,可以通過在器 件上層引入金屬熱電極實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能;對(duì)于硅基集成光子器件還可以在光學(xué)延遲結(jié)構(gòu)波導(dǎo)內(nèi)或兩側(cè)通過離子注入進(jìn)行P型或者η型的摻雜,形成P-η結(jié)、p-1-n結(jié)、p-1-p結(jié)、n-1-n結(jié)等。當(dāng)采用p_i_p或者n-1_n結(jié)構(gòu)時(shí),本征i區(qū)相當(dāng)于一個(gè)電阻,當(dāng)在p-1-p或者n-1-n結(jié)上加電后,電阻產(chǎn)生熱量,本征區(qū)溫度升高,熱光效應(yīng)導(dǎo)致硅波導(dǎo)的折射率改變,從而達(dá)到調(diào)節(jié)效果。當(dāng)采用P-1-n結(jié)構(gòu)時(shí),當(dāng)加正向電壓時(shí),載流子注入到本征i區(qū),載流子濃度增加,等離子色散效應(yīng)導(dǎo)致硅波導(dǎo)的折射率減小。當(dāng)采用p-n結(jié)或者交趾p-n結(jié)時(shí),需要在波導(dǎo)內(nèi)分別進(jìn)行輕摻雜和重?fù)诫s,形成耗盡層,加載正向電壓可注入載流子,減小波導(dǎo)折射率,而加載反向電壓可增加耗盡層寬度,增大波導(dǎo)折射率。本發(fā)明的原理是光信號(hào)首先經(jīng)過光學(xué)延遲結(jié)構(gòu),時(shí)域上產(chǎn)生延遲;通過反射結(jié)構(gòu)光信號(hào)原路返回;再次通過光學(xué)延遲結(jié)構(gòu),增加光信號(hào)的延遲量;最終在輸入端輸出延遲后的光信號(hào)。通過調(diào)節(jié)光學(xué)延遲結(jié)構(gòu)的相位或者耦合變化,可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)延遲量的連續(xù)可調(diào)。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明緩減了可調(diào)光延遲線受限于延遲-帶寬積而需要多級(jí)級(jí)聯(lián)的問題,通過反射使光學(xué)延遲結(jié)構(gòu)復(fù)用,實(shí)現(xiàn)高帶寬光信號(hào)延遲量的大范圍連續(xù)可調(diào)。
圖1為本發(fā)明反射型可調(diào)光延遲線集成器件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明用于光延遲結(jié)構(gòu)中的微環(huán)光學(xué)諧振腔器件示意圖。圖3為本發(fā)明用于光延遲結(jié)構(gòu)中的微盤光學(xué)諧振腔器件示意圖。圖4為本發(fā)明用于光延遲結(jié)構(gòu)和反射結(jié)構(gòu)中的光子晶體器件示意圖。圖5為本發(fā)明用于光延遲結(jié)構(gòu)和反射結(jié)構(gòu)中的光柵器件示意圖。
圖6為本發(fā)明用于光反射結(jié)構(gòu)的微諧振腔反射結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本發(fā)明用于光反射結(jié)構(gòu)中的薩格納克反射結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為本發(fā)明實(shí)施例1反射型微盤光延遲線示意圖,其反射結(jié)構(gòu)使用的是光子晶體器件。圖9為本發(fā)明實(shí)施例2反射型微盤光延遲線示意圖,其反射結(jié)構(gòu)使用的是微環(huán)諧振腔器件。圖10為本發(fā)明實(shí)施例3反射型光柵延遲線示意圖,其反射結(jié)構(gòu)使用的是光子晶體器件。圖11為本發(fā)明實(shí)施例4反射型光子晶體延遲線示意圖,其反射結(jié)構(gòu)使用的是光子晶體器件。圖12為本發(fā)明實(shí)施例5反射型邊耦合級(jí)聯(lián)微環(huán)(SCISSOR)可調(diào)光延遲線結(jié)構(gòu)示意圖,其反射結(jié)構(gòu)使用的是薩格納克反射鏡器件。圖13為本發(fā)明實(shí)施例6反射型邊耦合級(jí)聯(lián)微環(huán)(SCISSOR)可調(diào)光延遲線集成器件沒有加電壓時(shí)的延遲譜線。圖14為反射型邊耦合級(jí)聯(lián)微環(huán)(SCISSOR)可調(diào)光延遲線結(jié)構(gòu)示意圖。圖15所示為本發(fā)明實(shí)施例反射型邊耦合級(jí)聯(lián)微環(huán)(SCISSOR)可調(diào)光延遲線集成器件沒有加電壓時(shí)的延遲譜線
圖16所示為本發(fā)明實(shí)施例交趾p-n結(jié)反射型單環(huán)可調(diào)光延遲線集成器件在不同調(diào)節(jié)電壓下的延遲譜線。
圖17所示為本發(fā)明實(shí)施例交趾p-n結(jié)反射型單環(huán)可調(diào)光延遲線集成器件在不同調(diào)節(jié)電壓下的延遲譜線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述,但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明提出了一種反射型可調(diào)延遲線,該延遲線是由光延遲結(jié)構(gòu)和反射結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成的集成光學(xué)器件。當(dāng)電壓加載到電極上時(shí),由于熱光效應(yīng)或者等離子色散效應(yīng)使得材料折射率發(fā)生變化,從而改變延遲特性,通過控制外加電壓即可控制延遲量。圖1為本發(fā)明反射型可調(diào)光延遲線集成器件結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示,本發(fā)明主要由光延遲結(jié)構(gòu)和反射結(jié)構(gòu)組成。光信號(hào)輸入后先經(jīng)過一次光延遲結(jié)構(gòu),經(jīng)反射結(jié)構(gòu)后再次經(jīng)過光延遲結(jié)構(gòu),最后輸出延遲后的光信號(hào)。本發(fā)明反射型可調(diào)光延遲線中的光延遲結(jié)構(gòu)可以由以下幾種器件實(shí)現(xiàn)微環(huán)光學(xué)諧振腔、微盤光學(xué)諧振腔、光子晶體和光柵,分別對(duì)應(yīng)于圖2、圖3、圖4和圖5。所述的光延遲結(jié)構(gòu)可以是上述單個(gè)器件組成,也可以是多個(gè)器件級(jí)聯(lián)的方式組成,一般采用同種類器件級(jí)聯(lián)。圖6所示為多個(gè)微環(huán)光學(xué)諧振腔級(jí)聯(lián)的示意圖,圖7為多個(gè)微盤光學(xué)諧振腔級(jí)聯(lián)的示意圖。本發(fā)明反射型可調(diào)光延遲線中的反射結(jié)構(gòu)可以由以下幾種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微諧振腔、光子晶體、光柵和薩格納克反射結(jié)構(gòu)等。如前述,光子晶體與光柵結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示(用于延遲和反射功能的光子晶體和光柵器件的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)不一樣)。所述的微諧振腔反射結(jié)構(gòu)如圖8所示,由一個(gè)馬赫-曾德干涉器和微諧振腔結(jié)構(gòu)組成。所述的薩格納克反射結(jié)構(gòu)為利用薩格納克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的反射結(jié)構(gòu),如圖9所示,它通過1X2耦合器將輸入光分為兩束相干光在同一個(gè)環(huán)路中沿相反方向傳輸一周后會(huì)合,然后在1X2稱合器中產(chǎn)生干涉,通過控制1X2耦合器的耦合系數(shù)即可控制薩格納克反射結(jié)構(gòu)的反射率。本發(fā)明中,利用光學(xué)波導(dǎo)可將不同的光延遲結(jié)構(gòu)與不同的反射結(jié)構(gòu)相連接,形成多種反射型光延遲線。下面給出其中幾種具體的實(shí)施例。圖10為本發(fā)明實(shí)施例反射型微盤光延遲線示意圖,其反射結(jié)構(gòu)使用的是光子晶體器件。圖11為本發(fā)明實(shí)施例反射型微盤光延遲線示意圖,其反射結(jié)構(gòu)使用的是微環(huán)諧振腔器件。圖12為本發(fā)明實(shí)施例反射型光柵延遲線示意圖,其反射結(jié)構(gòu)使用的是光子晶體器件。圖13為本發(fā)明實(shí)施例反射型光子晶體延遲線示意圖,其反射結(jié)構(gòu)使用的是光子晶體器件。圖14為反射型邊耦合級(jí)聯(lián)微環(huán)(SCISSOR)可調(diào)光延遲線結(jié)構(gòu)示意圖,其反射結(jié)構(gòu)使用的是薩格納克反射鏡器件。其中,微環(huán)諧振腔使用的是跑道形結(jié)構(gòu),薩格納克反射結(jié)構(gòu)中的3dB耦合器使用的是多模干涉耦合器。微環(huán)諧振腔內(nèi)通過離子注入進(jìn)行P型或者η型的摻雜,形成p-1-p結(jié),p-1-n結(jié),p-n結(jié),交趾p-n結(jié)等。圖15所示為本發(fā)明實(shí)施例反射型邊耦合級(jí)聯(lián)微環(huán)(SCISSOR)可調(diào)光延遲線集成器件沒有加電壓時(shí)的延遲譜線,其中有13個(gè)級(jí)聯(lián)微環(huán),從圖中可以看出,在光通信常用載波波長1550nm附近的最大延遲約為90ps,工作帶寬大約170GHz。由于工藝誤差導(dǎo)致微環(huán)的諧振不匹配,與理論設(shè)計(jì)相比較,工作帶寬增加,最大延遲減小。圖16所示為本發(fā)明實(shí)施例交趾p-n結(jié)反射型單環(huán)可調(diào)光延遲線集成器件在不同調(diào)節(jié)電壓下的延遲譜線。從圖中可以看出,該器件的最大延遲量約40ps,帶寬約6GHz。當(dāng)反向電壓為3V時(shí),諧振峰發(fā)生紅移,諧振波長變化一個(gè)半高寬(3GHz)。圖17所示為本發(fā)明實(shí)施例反射型邊耦合級(jí)聯(lián)微環(huán)(SCISSOR)可調(diào)光延遲線集成器件的脈沖傳輸測(cè)試結(jié)果。實(shí)施例 中輸入光脈沖速率為lOGbit/s,由圖可以看出,波長1532. 5nm與1530. 5nm的輸入光信號(hào)延遲量差達(dá)到150ps左右。實(shí)施例本實(shí)施例中,采用交趾p-n的電調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu),在絕緣體上硅(Silicon-On-1nsulator, SOI)上利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝加工反射型微環(huán)可調(diào)光延遲線。波導(dǎo)寬度為500nm,高度為220nm,平板厚度為60nm。邊耦合級(jí)聯(lián)微環(huán)(SCISSOR)結(jié)構(gòu)中的跑道型微環(huán)的半徑為10 μ m,耦合區(qū)長度為16 μ m,波導(dǎo)與微環(huán)的耦合間隙是0. 25 μ m,此設(shè)計(jì)可保證器件工作在過耦合區(qū)域。薩格納克反射結(jié)構(gòu)中采用的是3dB多模干涉耦合器,其設(shè)計(jì)尺寸為5 μ m寬、23. 5 μ m長。p-1-p熱調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中P型重?fù)诫s區(qū)所使用的摻雜濃度為I X 102°/cm3。交趾p-n電調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)使用的重?fù)诫s濃度與熱調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)相同,輕摻雜濃度為IX 1015/cm3,電阻率約l(Tl50hm-cm.如圖15和圖17所示,利用13個(gè)級(jí)聯(lián)微環(huán)形成的反射型微環(huán)可調(diào)延遲線的最大延遲為150ps,帶寬為170GHz。交趾p_n結(jié)反射型單環(huán)可調(diào)光延遲線的最大延遲量約40ps,帶寬約6GHz,當(dāng)加反向電壓為3V時(shí),諧振波長變化3GHz,如圖16所示。上述工藝加工過程與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝相兼容,易于加工,通過設(shè)計(jì)摻雜區(qū)以及電極,可以使本發(fā)明中的反射型可調(diào)光纖延遲線集成器件完成光延遲的動(dòng)態(tài)可調(diào)。
權(quán)利要求
1.一種反射型可調(diào)光延遲線,其特征在于,包括光延遲結(jié)構(gòu)和光反射結(jié)構(gòu)串聯(lián)構(gòu)成,輸入的光信號(hào)由所述的光延遲結(jié)構(gòu)的輸入端輸入經(jīng)光延遲后輸入所述的光反射結(jié)構(gòu)經(jīng)反射后,再返回所述的光延遲結(jié)構(gòu),再一次經(jīng)所述的光延遲結(jié)構(gòu)光延遲后從所述的光延遲結(jié)構(gòu)的輸入端輸出延時(shí)后的光信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型可調(diào)光延遲線,其特征在于,所述的光延遲結(jié)構(gòu)為單個(gè)微環(huán)諧振腔、微盤諧振腔、光柵、光子晶體、或者由多個(gè)所述的微環(huán)諧振腔、微盤諧振腔、光柵、光子晶體級(jí)聯(lián)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型可調(diào)光延遲線器件,其特征在于,所述的光學(xué)反射結(jié)構(gòu)由微諧振腔、光子晶體、光柵或薩格納克環(huán)構(gòu)成。
全文摘要
一種反射型可調(diào)光延遲線,包括光延遲結(jié)構(gòu)和光反射結(jié)構(gòu)串聯(lián)構(gòu)成,輸入的光信號(hào)由所述的光延遲結(jié)構(gòu)的輸入端輸入經(jīng)光延遲后輸入所述的光反射結(jié)構(gòu)經(jīng)反射后,再返回所述的光延遲結(jié)構(gòu),再一次經(jīng)所述的光延遲結(jié)構(gòu)光延遲后從所述的光延遲結(jié)構(gòu)的輸入端輸出延時(shí)后的光信號(hào)。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)光學(xué)延遲結(jié)構(gòu)的相位或者耦合變化,實(shí)現(xiàn)光信號(hào)延遲量的連續(xù)可調(diào),具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、帶寬高的優(yōu)點(diǎn),在利用熱光效應(yīng)或者等離子色散效應(yīng)進(jìn)行延遲調(diào)節(jié)時(shí),由于每個(gè)光學(xué)延遲結(jié)構(gòu)有復(fù)用的效果,因此也較大幅度的減小了延遲調(diào)節(jié)功耗。
文檔編號(hào)G02F1/01GK103064199SQ201210529198
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者謝靜雅, 周林杰, 孫曉萌, 鄒志, 陳建平, 陸梁軍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)