[发明专利]一种硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器

说明书

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器。

背景技术

近年来，片上光互连的关键技术—光子集成回路(PhotonicIntegratedCircuits,PICs)的研究取得了长足的进步。PICs能够有效突破分立元件的功能局限，将不同功能的光子器件在同一衬底材料上单片集成,使芯片的处理功能和运行速度大幅提高，功耗大大降低，尺寸大大缩小，可极大改善芯片的成品率和可靠性。在构建PICs的过程中，硅半导体材料显示出诸多的优势，其中最突出的优势是可采用成熟的标准CMOS工艺，以实现硅光子器件的低成本、批量化生产，并可实现硅光子器件与硅微电子器件的单片混合集成，从而研制出大规模甚至超大规模的PICs。在利用光子器件构建大容量、高带宽、高速率及低成本片上光互连时，各类复用技术，如波分复用，偏振复用，空分复用等，是其中的关键所在。为应对即将到来的超大容量、超高带宽、高速片上光互连的需求，考虑同时采用多种复用技术以实现片上混合复用传输势在必行。

最近，两种新颖的波导结构—槽波导和混合等离子体波导分别于2004年和2008年由康奈尔大学MichalLipson教授课题组和加州大学伯克利分校张翔教授课题组相继提出，受到了研究人员的广泛关注。其中槽波导是由两个近靠的高折射率分布差的硅基纳米线构成，中间形成纳米槽，根据电磁场的边值关系，在垂直于高折射率差分布的分界面上，电场分量将出现不连续性并在低折射率槽中明显增强。混合等离子体波导是在普通介质波导的外部引入了金属层并通过一层薄的低折射率材料将它们分开，这种波导结构使得它所能承载的光信号模式介于普通介质波导和金属等离子体波导之间，因而同时具有介质波导的低损耗特性和等离子体波导的强模场限制能力。目前利用这两种波导设计和制造的诸多光子器件已被报道，如：全光调制器、光开关、耦合器、分束器、传感器等。此外，这两种波导具有明显优于普通硅基纳米线的强偏振相关性，使得模式的耦合也具有偏振选择性，同时结合微环谐振器，可以实现片上波长与偏振的混合复用传输。而其中最为关键的是混合复用器和解复用器的研究，因此设计出高性能、结构紧凑的硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器，进而实现片上混合复用传输显得十分重要。目前还没有能够实现片上混合复用传输的设备。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种能够实现片上混合复用传输的硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器。

技术方案：一种硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器，包括衬底，在所衬底上设有多个输入波导、多个输出波导、总线波导、多个槽式微环和多个混合等离子体微环；在输入端，每个输入波导分别通过一个槽式微环或混合等离子体微环将输入信号复用至总线波导进行混合复用传输；在输出端，总线波导中混合复用后传输的信号分别经一个槽式微环或混合等离子体微环解复用至每个输出波导；输入端与输出端的槽式微环的数量相同，输入端与输出端的混合等离子体微环的数量相同。

进一步的，所述的槽式微环包括两个近靠的纳米环；所述的混合等离子体微环包括由下而上依次为介质环、低折射率填充环和金属覆盖环。

进一步，所述总线波导为单个总线波导。

进一步，所述槽式微环中两个纳米环之间的间距为80nm～120nm。这样的结构的偏振相关性和波长选择性更强。

进一步，所述混合等离子体微环中的介质环为硅材料制成的，介质环的厚度为220nm；低折射率填充环为二氧化硅或氮化硅材料制成的，低折射率填充环的厚度为20nm～50nm；金属覆盖环为银、铝或者铜材料制成的，金属覆盖环的厚度为100nm～200nm。采用这样的结构在总线波导中传输的多波长、多偏振态信号在传输过程中相互之间的串扰较低，与不同微环的交叉耦合也比较弱。

进一步，所述槽式微环的外半径为3.0μm～3.5μm，混合等离子体微环的外半径为2.0μm～2.3μm。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、波长与偏振混合复用的效率高、交叉耦合和串扰低。相对于普通基于硅纳米线设计的微环谐振器，本发明通过使用具有更强偏振相关性和波长选择性的槽式和混合等离子体波导设计的微环谐振器，可以实现高效的混合复用和解复用的功能，使得在总线波导中能同时传输多波长和多偏振态的混合信号，能极大地提高现有片上光互连的传输容量、带宽及速率。此外，基于强的偏振相关性，不同通道间的交叉耦合和串扰也将有效降低。