一種硅基非互易器件結(jié)構(gòu)與電控非互易實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種集成光學(xué)器件，特別設(shè)及一種可調(diào)控的娃基片上光學(xué)隔離器。
【背景技術(shù)】
[0002] 娃基光子學(xué)是光電子領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它采用能夠與CMOS工藝相兼容的絕 緣襯底上娃（SiliconHDn-Insulator，SOI)技術(shù)，重點(diǎn)研究光在娃基波導(dǎo)和各種諧振結(jié) 構(gòu)中的傳輸規(guī)律和信號(hào)處理，希望將計(jì)算機(jī)間的光互聯(lián)設(shè)備、光通信和光網(wǎng)絡(luò)中的器件 集成在單個(gè)娃片上，最終實(shí)現(xiàn)片上光網(wǎng)絡(luò)（networkonchip,N0C)，從而使集成光學(xué)回路 (Photonicintegratedcircuits，PIC)像集成電路一樣，能夠很好的提供未來(lái)信息傳輸和 信息處理中的光模塊資源。
[0003] 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，雖然在娃基平臺(tái)上能夠?qū)崿F(xiàn)光禪合器、光濾波器和偏振轉(zhuǎn) 換器等基本的無(wú)源器件和光調(diào)制器、電光開(kāi)關(guān)等有源器件，但是在娃基集成器件的機(jī)理層 面也存在一些影響未來(lái)應(yīng)用的基礎(chǔ)問(wèn)題，導(dǎo)致像光隔離器和光環(huán)形器等需要利用光學(xué)非互 易性的器件很難在娃基巧片上實(shí)現(xiàn)。盡管可W依靠磁光材料中的旋光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光學(xué)非互易 傳輸，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)隔離器等器件。但是，在娃基片上實(shí)現(xiàn)磁光材料的集成卻非常困難。
[0004] 目前，實(shí)現(xiàn)娃基片上光隔離器有兩種方法。一種方法是2009年由斯坦福大學(xué)的研 究人員提出的，他們利用折射率空時(shí)調(diào)制產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)光柵中"光子帶間躍遷"的光學(xué)非互易 實(shí)現(xiàn)原理1，來(lái)構(gòu)成片上光學(xué)隔離器，其研究成果發(fā)表在na化rephotonics上，該是一種在 全娃基巧片上制作光隔離器的新原理，隨后，該研究組提出了胞1和微環(huán)實(shí)現(xiàn)非互易的兩 種新結(jié)構(gòu) 2氣該機(jī)理引起了娃基光子技術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，2012年，康奈爾大學(xué)ELipson 教授研究組在實(shí)驗(yàn)中觀察到了電驅(qū)動(dòng)下娃基胞1結(jié)構(gòu)器件的非互易特性4,在正反兩個(gè)方向 上產(chǎn)生了 3地的透射譜線差別。另一種方法，是基于普度大學(xué)的娃光子研究團(tuán)隊(duì)提出的利 用非線性光學(xué)產(chǎn)生娃基片上非互易特性的新思路展開(kāi)的 5入2012年，該團(tuán)隊(duì)利用微環(huán)諧振 器的非線性效應(yīng)成功制作出了光隔離器，測(cè)量得到大約27地的正反向傳輸差別，成果發(fā)表 在美國(guó)科學(xué)雜志上 5。該些方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)娃基片上光學(xué)隔離器，但是它們有如下缺點(diǎn)：
[0005] 1，"光子帶間躍遷"的光學(xué)非互易性實(shí)現(xiàn)方法，需要構(gòu)成動(dòng)態(tài)光柵，因此需要具有 能夠產(chǎn)生較大非互易相移特性的方法，即從左向右和從右向左的相移差要足夠大，才有可 能依靠此相移差構(gòu)成光學(xué)隔離器。圖1是2012年，康奈爾大學(xué)M.Lipson教授研究組利用 他們?cè)谕藁庹{(diào)制器研究領(lǐng)域的長(zhǎng)期積累，制作出的器件結(jié)構(gòu)I9。通過(guò)采用不同類(lèi)型的滲 雜（pn-噸結(jié)和np-pn結(jié)）形成電可調(diào)諧的光柵，實(shí)現(xiàn)了較大的折射率電調(diào)制波數(shù)，從而在 實(shí)驗(yàn)上制作了能夠在型結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)光隔離的電驅(qū)動(dòng)器件。但是，由于此種方法采用了 型結(jié)構(gòu)，需要較大的兩個(gè)方向的相移差才能夠產(chǎn)生明顯的光學(xué)隔離效果。圖2是康奈 爾大學(xué)M.Lipson教授研究組在圖1中的結(jié)構(gòu)下，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的器件非互易特性。如果從左 到右和從右到左兩個(gè)方向的透射譜線一樣，則比值為1，兩個(gè)方向的譜線有差別，則比值在 0-1之間。在電極所加功率為15地mW下，并沒(méi)有很明顯的透射譜線差別，而電極所加功率 在18. 3-25地m時(shí)，透射譜線差別將會(huì)最大達(dá)到3地。
[0006] 2,利用非線性光學(xué)產(chǎn)生娃基片上非互易特性的方法，需要較高的光學(xué)非線性，而 較高的光學(xué)非線性需要較高的光功率，而隨著光功率的降低，光學(xué)非互易性將會(huì)消失，因 此依靠高光功率的光隔離器在實(shí)際應(yīng)用中既難W控制，又不便于使用，難W大規(guī)模商用。
[0007] 參考文獻(xiàn)：
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[001 引 6.LiFan，LeoT.Varghese，JianWang，YiXuan，AndrewM.Weiner，andMinghao Qi，"Siliconopticaldiodewith40dBnonreciprocaltransmission，"Opt.Lett.38， 1259(2013).

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0014] 針對(duì)【背景技術(shù)】中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠電可調(diào)諧的娃基片 上光學(xué)隔離器，該器件便于集成在未來(lái)的娃基集成巧片上。
[0015] 基本思路
[0016] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的娃基片上光隔離器的基本原理W2009年斯坦福大學(xué)研究人員提出 的"光子帶間躍遷"理論為基礎(chǔ)，即利用折射率空時(shí)調(diào)制產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)光柵中的光學(xué)非互易性 實(shí)現(xiàn)娃基片上光隔離器。但是，為了增強(qiáng)非互易性的效果，本發(fā)明采用了新的結(jié)構(gòu)。如圖3 所示，該結(jié)構(gòu)為帶反射單元的雙模光濾波器，具有增強(qiáng)波導(dǎo)中非互易特性的作用。而當(dāng)前的 現(xiàn)有技術(shù)中，無(wú)論是Mach-Zehnder干設(shè)結(jié)構(gòu)還是微環(huán)結(jié)構(gòu)，在波導(dǎo)上加一定的電壓，所產(chǎn) 生的非互易相位常數(shù)還是很弱的，即兩個(gè)方向的相位常數(shù)之差很小，如果產(chǎn)生明顯的非互 易透射譜線，必須采用很長(zhǎng)的波導(dǎo)，而長(zhǎng)波導(dǎo)則容易存在兩個(gè)方向上相位變化的隨機(jī)性問(wèn) 題，最終仍然難W實(shí)現(xiàn)光波的非互易傳輸。
[0017] 基本結(jié)構(gòu)
[0018] 在本發(fā)明中，圖3所示的結(jié)構(gòu)是可W將微弱的非互易相位差變?yōu)檩^大的非互易透 射譜線，進(jìn)而可W實(shí)現(xiàn)片上光學(xué)隔離器，圖4是圖3的光路結(jié)構(gòu)圖。在圖4中，規(guī)定逆時(shí)針 為正向，為圖中紅色箭頭所示方向，順時(shí)針為反向，為圖中藍(lán)色箭頭所示方向。在圖3中，紅 色波導(dǎo)部分為所加電極，正向傳輸和反向傳輸時(shí)，由于存在相移的非互易性，即正向相移和 反向相移不同，因此，紅色波導(dǎo)為相位非互易波導(dǎo)。
[0019] 1，圖3所示結(jié)構(gòu)包括如下部分；
[0020]娃基直波導(dǎo)（10)，適于連接光學(xué)輸入和輸出端口，并和第一 2X2禪合器連接；
[0021] 第一 2X2禪合器（20)，適于完成光信號(hào)的雙向禪合，光波從1和2端口到3和4 端口禪合，或者從3和4端口到1和2端口禪合；
[0022] 娃基第一環(huán)形波導(dǎo)（30)，適于雙向傳輸光信號(hào)，并和第一 2X2禪合器一起構(gòu)成雙 向傳輸?shù)沫h(huán)形諧振腔；
[0023] 第二2X2禪合器（40)，適于完成光信號(hào)的雙向禪合，光波從1和2端口到3和4 端口禪合，或者從3和4端口到1和2端口禪合；
[0024] 娃基第二環(huán)形波導(dǎo)巧0)，適于雙向傳輸光信號(hào)，并和第二2X2禪合器一起構(gòu)成雙 向反射和透射單元，用來(lái)在第一 2X2禪合器和娃基第一環(huán)形波導(dǎo)構(gòu)成的環(huán)形諧振腔中提 供反射和透射的功能；
[0025] 調(diào)制電極化0)，適于形成動(dòng)態(tài)光柵，在娃基第一環(huán)形波導(dǎo)中產(chǎn)生弱的非互易相 移；
[0026] 熱電極（70)，適于改變整個(gè)諧振結(jié)構(gòu)的諧振波長(zhǎng)，完成信號(hào)光所在波長(zhǎng)和諧振波 長(zhǎng)的匹配。
[0027] 2,圖6所示結(jié)構(gòu)包括如下部分；
[002引娃基直波導(dǎo)（110)，適于連接光學(xué)輸入和輸出端口，并和第一 2X2禪合器連接；
[0029] 第一 2X2禪合器（120)，適于完成光信號(hào)的雙向禪合，光波從1和2端口到3和4 端口禪合，或者從3和4端口到1和2端口禪合；
[0030]娃基第一環(huán)形波導(dǎo)（130)，適于雙向傳輸光信號(hào)，并和第一 2X2禪合器一起構(gòu)成 雙向傳輸?shù)沫h(huán)形諧振腔；
[0031] 第二2X2禪合器（140)，適于完成光信號(hào)的雙向禪合，光波從1和2端口到3和4 端口禪合，或者從3和4端口到1和2端口禪合；
[0032]娃基第二環(huán)形波導(dǎo)（160)，適于雙向傳輸光信號(hào)，并和第二2X2禪合器一起構(gòu)成 雙向反射和透射單元，用來(lái)在第一 2X2禪合器、娃基第一環(huán)形波導(dǎo)、第S2X2禪合器和娃 基第=環(huán)形波導(dǎo)構(gòu)成的環(huán)形諧振腔中提供反射和透射的功能；
[0033] 第S2X2禪合器（150)，適于完成光信號(hào)的雙向禪合，光波從1和2端口到3和4 端口禪合，或者從3和4端口到1和2端口禪合；
[0034]娃基第S環(huán)形波導(dǎo)（170)，適于雙向傳輸光信號(hào)，并和第S2X2禪合器一起構(gòu)成 雙向傳輸?shù)沫h(huán)形諧振腔；
[0035] 調(diào)制電極（180)，適于形成動(dòng)態(tài)光柵，在娃基第=環(huán)形波導(dǎo)中產(chǎn)生弱的非互易相 移；
[0036]熱電極（190)，適于改變整個(gè)諧振結(jié)構(gòu)的諧振波長(zhǎng)，完成信號(hào)光所在波長(zhǎng)