专利名称：反射型可调光延迟线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光通信，具体是通过在传统传输型光学延迟线一端加入反射结构形成反射型可调光延迟线，该器件可以在不增加延迟单元结构的前提下，提高光信号延迟量和带宽的乘积。
背景技术：
可调光延迟线在数据缓存、信号处理以及相阵雷达等方面有着广泛的应用和相当重要的研究意义。数据缓存是光通信网络中的一个关键模块，它可以避免信道网络冲突问题，提高网络节点的吞吐量，从而降低丢包率。由于目前光学存储结构尚未实现，上述的数据缓存功能均是依靠可调光延迟线完成。在信号处理方面，可调光延迟线能够实现高效可重构光学信号处理，在许多微波光子信号处理系统中(如光学模数转换器)也是相当重要的光学模块。在相阵雷达中，由于光控相位阵列天线的相位与频率有关，不同的光谱分量指向不同的方向，引起信号衰减，利用可调光延迟线能有效地克服该问题。近年来，集成光子学的研究在国内外取得了引人注目的成就。由于它采用传统的半导体加工工艺，具有易于加工且成本较低的优势。集成光子学研究的主要器件包括调制器、探测器、可调延迟线、可调滤波器等，其中可调光延迟 线由于有上述广泛的应用而成为一个研究热点，方案的多样化也使得其具有很大的发展潜力。实现可调光延迟线的方案有很多，主要包括光学谐振腔、啁啾光栅以及光子晶体等。如 Jaime Cardenas 等人在 OPTICS EXPRESS (Vol. 18，No. 25)上发表的论文^Wide-bandwidth continuously tunable optical delayline using silicon microringresonators”中提出一种通过娃基微环级联稱合的结构实现光延迟,通过热光调制实现了IOGHz 带宽光脉冲 135ps 的可调延迟量。Qing Li 等人在 PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS(Vol. 24，No. 15)上发表的 “Low-loss microdisk-based delay lines for narrowbandoptical filters”中提出利用微盘谐振腔来做延迟线,利用三阶模式实现百皮秒量级的延迟。另外，Ivano Giuntoni 等人 2009 年在 OPTICS EXPRESS (Vol. 17，No. 21)上发表的论文“Tunable Bragg reflectors on si I icon-on-1nsulator ribwaveguides，，中提出在娃基上改变光栅的周期实现啁啾光栅，加热后硅的折射率发生改变，使得光信号的反射位置发生改变，实现可调光延迟。Toshihiko Baba等人在NATURE PHOTONICS (Vol.1, No. 2)上发表的论文“Slow light inphotonic crystals”中提到利用光子晶体禁带边缘的高群折射率特性来产生慢光，实现可调延迟。综合已报道的方法，可调延迟线虽然可以通过许多结构来实现，但也存在一些问题。上述的各种结构均为谐振结构，光信号延迟的性能受限于谐振结构本身固有的延迟-带宽积，通常采用级联的方式增加延迟量和带宽，这种方案增加了器件的体积，而且由于加工工艺误差，谐振频率无法精确控制，需要后期进行逐一调节，级联个数越多，所需的调节模块越多，增加了系统的复杂度和功耗。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种反射型可调光延迟线，通过复用光延迟结构，提高了其利用率，使得延迟带宽积增加了一倍。在利用热光效应或者等离子色散效应等进行延迟调节时，由于光学延迟结构有复用的效果，需要调节的光学延迟结构比常规延迟线减少一半，因此也较大幅地减小了延迟调节功耗。为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下一种反射型可调光延迟线，其特点在于，由光延迟结构和光反射结构构成，输入的光信号由所述的光延迟结构的输入端输入，经光延迟后输入所述的光反射结构经反射后，返回所述的光延迟结构，再一次经所述的光延迟结构光延迟后从所述的光延迟结构的输入端输出延时后的光信号。所述的光延迟结构为单个微环谐振腔、微盘谐振腔、光栅、光子晶体、或者由多个所述的微环谐振腔、微盘谐振腔、光栅、光子晶体级联构成。所述的光学反射结构由微谐振腔、光子晶体、光栅或萨格纳克环构成。所述的光学延迟结构所产生的延时可以通过热光效应、电光效应、等离子色散效应等进行调节。热光效应是通过调节温度改变材料的折射率；电光效应是物质的折射率因外加电场而发生变化；等离子色散效应一般是对物质进行掺杂后，通过外加电场使得载流子移动，从而改变折射率。只要通过上述三种方式改变了器件的折射率，即可使某个波长的光通过光学延迟线后的时延发生改变。具体地，对于硅、石英或氮化硅等材料加工的集成光子器件，可以通过在器 件上层引入金属热电极实现调节功能；对于硅基集成光子器件还可以在光学延迟结构波导内或两侧通过离子注入进行P型或者η型的掺杂，形成P-η结、p-1-n结、p-1-p结、n-1-n结等。当采用p_i_p或者n-1_n结构时,本征i区相当于一个电阻，当在p-1-p或者n-1-n结上加电后，电阻产生热量，本征区温度升高，热光效应导致硅波导的折射率改变，从而达到调节效果。当采用P-1-n结构时，当加正向电压时，载流子注入到本征i区，载流子浓度增加，等离子色散效应导致硅波导的折射率减小。当采用p-n结或者交趾p-n结时，需要在波导内分别进行轻掺杂和重掺杂，形成耗尽层，加载正向电压可注入载流子，减小波导折射率，而加载反向电压可增加耗尽层宽度，增大波导折射率。本发明的原理是光信号首先经过光学延迟结构，时域上产生延迟；通过反射结构光信号原路返回；再次通过光学延迟结构，增加光信号的延迟量；最终在输入端输出延迟后的光信号。通过调节光学延迟结构的相位或者耦合变化，可以实现光信号延迟量的连续可调。与现有技术相比，本发明缓减了可调光延迟线受限于延迟-带宽积而需要多级级联的问题，通过反射使光学延迟结构复用，实现高带宽光信号延迟量的大范围连续可调。
图1为本发明反射型可调光延迟线集成器件的结构示意图。图2为本发明用于光延迟结构中的微环光学谐振腔器件示意图。图3为本发明用于光延迟结构中的微盘光学谐振腔器件示意图。图4为本发明用于光延迟结构和反射结构中的光子晶体器件示意图。图5为本发明用于光延迟结构和反射结构中的光栅器件示意图。
图6为本发明用于光反射结构的微谐振腔反射结构示意图。图7为本发明用于光反射结构中的萨格纳克反射结构示意图。图8为本发明实施例1反射型微盘光延迟线示意图，其反射结构使用的是光子晶体器件。图9为本发明实施例2反射型微盘光延迟线示意图，其反射结构使用的是微环谐振腔器件。图10为本发明实施例3反射型光栅延迟线示意图，其反射结构使用的是光子晶体器件。图11为本发明实施例4反射型光子晶体延迟线示意图，其反射结构使用的是光子晶体器件。图12为本发明实施例5反射型边耦合级联微环(SCISSOR)可调光延迟线结构示意图，其反射结构使用的是萨格纳克反射镜器件。图13为本发明实施例6反射型边耦合级联微环(SCISSOR)可调光延迟线集成器件没有加电压时的延迟谱线。图14为反射型边耦合级联微环(SCISSOR)可调光延迟线结构示意图。图15所示为本发明实施例反射型边耦合级联微环(SCISSOR)可调光延迟线集成器件没有加电压时的延迟谱线
图16所示为本发明实施例交趾p-n结反射型单环可调光延迟线集成器件在不同调节电压下的延迟谱线。
图17所示为本发明实施例交趾p-n结反射型单环可调光延迟线集成器件在不同调节电压下的延迟谱线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。本发明提出了一种反射型可调延迟线，该延迟线是由光延迟结构和反射结构共同构成的集成光学器件。当电压加载到电极上时，由于热光效应或者等离子色散效应使得材料折射率发生变化，从而改变延迟特性，通过控制外加电压即可控制延迟量。图1为本发明反射型可调光延迟线集成器件结构示意图。如图1所示，本发明主要由光延迟结构和反射结构组成。光信号输入后先经过一次光延迟结构，经反射结构后再次经过光延迟结构，最后输出延迟后的光信号。本发明反射型可调光延迟线中的光延迟结构可以由以下几种器件实现微环光学谐振腔、微盘光学谐振腔、光子晶体和光栅，分别对应于图2、图3、图4和图5。所述的光延迟结构可以是上述单个器件组成，也可以是多个器件级联的方式组成，一般采用同种类器件级联。图6所示为多个微环光学谐振腔级联的示意图，图7为多个微盘光学谐振腔级联的示意图。本发明反射型可调光延迟线中的反射结构可以由以下几种结构实现微谐振腔、光子晶体、光栅和萨格纳克反射结构等。如前述，光子晶体与光栅结构如图4、图5所示(用于延迟和反射功能的光子晶体和光栅器件的具体结构参数不一样)。所述的微谐振腔反射结构如图8所示，由一个马赫-曾德干涉器和微谐振腔结构组成。所述的萨格纳克反射结构为利用萨格纳克效应实现的反射结构，如图9所示，它通过1X2耦合器将输入光分为两束相干光在同一个环路中沿相反方向传输一周后会合，然后在1X2稱合器中产生干涉,通过控制1X2耦合器的耦合系数即可控制萨格纳克反射结构的反射率。本发明中，利用光学波导可将不同的光延迟结构与不同的反射结构相连接，形成多种反射型光延迟线。下面给出其中几种具体的实施例。图10为本发明实施例反射型微盘光延迟线示意图，其反射结构使用的是光子晶体器件。图11为本发明实施例反射型微盘光延迟线示意图，其反射结构使用的是微环谐振腔器件。图12为本发明实施例反射型光栅延迟线示意图，其反射结构使用的是光子晶体器件。图13为本发明实施例反射型光子晶体延迟线示意图，其反射结构使用的是光子晶体器件。图14为反射型边耦合级联微环(SCISSOR)可调光延迟线结构示意图，其反射结构使用的是萨格纳克反射镜器件。其中，微环谐振腔使用的是跑道形结构，萨格纳克反射结构中的3dB耦合器使用的是多模干涉耦合器。微环谐振腔内通过离子注入进行P型或者η型的掺杂,形成p-1-p结，p-1-n结，p-n结，交趾p-n结等。图15所示为本发明实施例反射型边耦合级联微环(SCISSOR)可调光延迟线集成器件没有加电压时的延迟谱线，其中有13个级联微环，从图中可以看出，在光通信常用载波波长1550nm附近的最大延迟约为90ps，工作带宽大约170GHz。由于工艺误差导致微环的谐振不匹配，与理论设计相比较，工作带宽增加，最大延迟减小。图16所示为本发明实施例交趾p-n结反射型单环可调光延迟线集成器件在不同调节电压下的延迟谱线。从图中可以看出，该器件的最大延迟量约40ps,带宽约6GHz。当反向电压为3V时，谐振峰发生红移，谐振波长变化一个半高宽(3GHz)。图17所示为本发明实施例反射型边耦合级联微环(SCISSOR)可调光延迟线集成器件的脉冲传输测试结果。实施例 中输入光脉冲速率为lOGbit/s，由图可以看出，波长1532. 5nm与1530. 5nm的输入光信号延迟量差达到150ps左右。实施例本实施例中，采用交趾p-n的电调节结构，在绝缘体上硅(Silicon-On-1nsulator, SOI)上利用标准CMOS工艺加工反射型微环可调光延迟线。波导宽度为500nm，高度为220nm，平板厚度为60nm。边耦合级联微环(SCISSOR)结构中的跑道型微环的半径为10 μ m，耦合区长度为16 μ m，波导与微环的耦合间隙是0. 25 μ m，此设计可保证器件工作在过耦合区域。萨格纳克反射结构中采用的是3dB多模干涉耦合器，其设计尺寸为5 μ m宽、23. 5 μ m长。p-1-p热调节结构中P型重掺杂区所使用的掺杂浓度为I X 102°/cm3。交趾p-n电调节结构使用的重掺杂浓度与热调节结构相同，轻掺杂浓度为IX 1015/cm3，电阻率约l(Tl50hm-cm.如图15和图17所示，利用13个级联微环形成的反射型微环可调延迟线的最大延迟为150ps，带宽为170GHz。交趾p_n结反射型单环可调光延迟线的最大延迟量约40ps，带宽约6GHz，当加反向电压为3V时，谐振波长变化3GHz，如图16所示。上述工艺加工过程与传统的半导体工艺相兼容，易于加工，通过设计掺杂区以及电极，可以使本发明中的反射型可调光纤延迟线集成器件完成光延迟的动态可调。
权利要求
1.一种反射型可调光延迟线，其特征在于，包括光延迟结构和光反射结构串联构成，输入的光信号由所述的光延迟结构的输入端输入经光延迟后输入所述的光反射结构经反射后，再返回所述的光延迟结构，再一次经所述的光延迟结构光延迟后从所述的光延迟结构的输入端输出延时后的光信号。
2.根据权利要求1所述的反射型可调光延迟线，其特征在于，所述的光延迟结构为单个微环谐振腔、微盘谐振腔、光栅、光子晶体、或者由多个所述的微环谐振腔、微盘谐振腔、光栅、光子晶体级联构成。
3.根据权利要求1所述的反射型可调光延迟线器件，其特征在于，所述的光学反射结构由微谐振腔、光子晶体、光栅或萨格纳克环构成。
全文摘要
一种反射型可调光延迟线，包括光延迟结构和光反射结构串联构成，输入的光信号由所述的光延迟结构的输入端输入经光延迟后输入所述的光反射结构经反射后，再返回所述的光延迟结构，再一次经所述的光延迟结构光延迟后从所述的光延迟结构的输入端输出延时后的光信号。本发明通过调节光学延迟结构的相位或者耦合变化，实现光信号延迟量的连续可调，具有结构简单、体积小、带宽高的优点，在利用热光效应或者等离子色散效应进行延迟调节时，由于每个光学延迟结构有复用的效果，因此也较大幅度的减小了延迟调节功耗。
文档编号G02F1/01GK103064199SQ201210529198
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者谢静雅, 周林杰, 孙晓萌, 邹志, 陈建平, 陆梁军 申请人:上海交通大学