基于可调光栅型微环的三维集成光功分/波分器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于可调光栅型微环的三维集成光功分/波分器，属于集成光子器件领域。
【背景技术】
[0002]光功分器是连接光线路终端和光网络单元的核心之一。其制作技术主要有两种:熔融拉锥型光纤功分器和平面波导(PLC)型光功分器。PLC型光功分器利用半导体工艺制备，具有结构紧凑，可批量制作，稳定性高等优点。其中基于硅上二氧化硅(SOS)工艺的PLC型光功分器是首先被应用于光通信、传感系统的PLC器件；并且具有热稳定、低非线性、高带宽、集成度高、成本低等特点。
[0003]光波分器也是连接光线路终端和光网络单元的核心之一。现有的基于微环的波分器多为一环一路，即一个微环分出一个波长，然后用多个隔开的微环分出不同的波长，由于是在一条直输入波导上并联这么多微环，所以器件往往比较长，使得成本增加。现有的可调PLC型波分器的输出特性往往是固定的，且边模抑制能力不强，使得输出特性不是很好。
[0004]在光通信中，波分器和功分器往往一起使用，但是现有的功分器和波分器都是各自作为一个独立的器件工作的，导致器件整体体积增大，成本增加。同时，现有的波分器的消光比等特性不是很理想。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种基于可调光栅型微环的三维集成光功分/波分器，可以实现输出特性优良、边模抑制能力强、消光比高、功率平均分配、调制功率低、高度集成且可靠性高。
[0006]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
本发明提供一种基于可调光栅型微环的三维集成光功分/波分器，包括硅衬底、生长在硅衬底上方的缓冲层、生长在缓冲层上方的波导层、生长在波导层外表面的覆盖层；波导层分为上中下三层，其中，上层包括第一至第三输出波导，中层包括输入波导、微环谐振器，下层包括第四至第六输出波导；第一至第六输出波导分为三组，分别为第一和第四输出波导、第二和第五输出波导、第三和第六输出波导；微环谐振器上刻蚀有四个光栅结构，输入波导以及三组输出波导分别位于每两个光栅结构之间，且每组输出波导中的两个输出波导关于微环谐振器上下对称；通过微环谐振器在中层实现滤波，每组对称的输出波导与微环谐振器通过倏逝场耦合实现功分。
[0007]作为本发明的进一步优化方案，缓冲层为二氧化硅缓冲层。
[0008]作为本发明的进一步优化方案，在光栅结构的上方设置一层压电材料，在压电材料的上方设置附属电极，构成可调光栅。
[0009]作为本发明的进一步优化方案，上述压电材料为聚偏氟乙烯薄膜。
[0010]作为本发明的进一步优化方案，每组对称的输出波导传输同一种波长且功率相同。
[0011]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
1)本发明同时具有功分和波分功能:利用微环谐振原理，在一层平面波导上实现滤波，再通过倏逝波耦合，在滤波层、滤波层上方的波导层和滤波层下方的波导层三层中的波导上实现功分，即采用结构的对称性使得一种波长能够分出光功率相同的两路；
2)本发明噪声降低、输出特性提高:将光栅结构融合到微环谐振器中，利用光栅结构的特性可以改善普通微环的滤波特性，因为光栅能够将不需要的波长反射回输入波导，进而抑制噪声，提高消光比，改善输出特性；
3)本发明集成度高、结构紧凑、成本低:将功分器和波分器的功能集中在一起，同时采用了立体集成结构，即将输入波导和微环谐振腔放在同一平面上作为滤波层，滤波层上下方的两个波导层中的输出波导与滤波层中的微环谐振腔通过倏逝场耦合，实现三层波导传输信号，成倍增加了输出波导的数量，增大了空间的利用率，使得一个微环谐振腔能实现六路输出，大大减小了器件长度，节省了材料，降低了成本；
4)本发明调节方法简便高效:利用压电材料的逆压电特性来改变光栅参数，由于逆压电效应，压电材料会产生体积膨胀，对其周围材料产生应力作用，一方面，由于材料的折射率与施加在材料上的力有关，该应力会改变光栅材料的折射率；另一方面，压电材料体积膨胀会压缩光栅高度；光栅材料折射率和光栅高度是决定光栅特性的两个重要参数，改变这两个参数就可以改变光栅反射波长，抑制不同波长噪声。
【附图说明】
[0012]图1是本发明实施例的结构示意图。
[0013]图2是本发明实施例的光栅结构局部放大图。
[0014]图3是本发明实施例的右视图。
[0015]图4是本发明实施例的左视图。
[0016]图5是本发明实施例的俯视图。
[0017]其中，1-微环谐振器；2_输入波导；3_第一输出波导；4_第二输出波导；5_第三输出波导；6_第四输出波导；7_第五输出波导；8_第六输出波导；9_光栅结构；10_压电材料；11-附属电极；12_覆盖层；13_波导层的上层；14_波导层的中层；15_波导层的下层；16-缓冲层；17-娃衬底。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
本发明提供一种基于可调光栅型微环的三维集成光功分/波分器，如图1、3、4和5所示，包括硅衬底、生长在硅衬底上方的缓冲层、生长在缓冲层上方的波导层、生长在波导层外表面的覆盖层。
[0019]波导层分为上中下三层，其中，上层包括第一至第三输出波导，中层包括输入波导、微环谐振器，下层包括第四至第六输出波导。第一、第四输出波导关于微环谐振器上下对称，第二、第五输出波导关于微环谐振器上下对称，第三、第六输出波导关于微环谐振器上下对称。微环谐振器上刻蚀有四个光栅结构，输入波导以及三组对称的输出波导分别位于每两个光栅结构之间。
[0020]第一至第六输出波导与微环谐振器之间的垂直距离均为I μπι，第一至第六输出波导、微环谐振器的横截面积均为3X3 μπι，微环谐振器的直径为15 μπι。
[0021]如图2所示，在光栅结构的上方设置一层压电材料，在压电材料的上方设置附属电极，构成可调光栅。
[0022]本发明同时拥有波分器和功分器两种器件的功能，缩小了器件体积，降低成本，同时光栅结构的引进则使得噪声和消光比降低，输出特性提高。采用对称结构设置输出波导，使得一种波长能够分成功率相同的两路；利用微环谐振器的原理进行滤波，同时将光栅结构融合到微环谐振器中，利用光栅结构的特性改善微环谐振器的滤波特性，因为光栅能够将不需要的波长反射回输入波导，进而抑制噪声，提高消光比，改善输出特性。
[0023]光信号通过输入波导输入，经过微环谐振器親合，由第一至第六输出波导输出不同波长，其中，第一、第四传输同一种波长，且功率相同；第二、第五输出波导传输同一种波长，且功率相同；第三、第六输出波导传输同一种波长，且功率相同。本发明实现三层波导传输信号，成倍增加了输出波导的数量，增大了空间的利用率，使得一个微环能实现六路输出，大大减小了器件长度，节省了材料，降低了成本。
[0024]进一步地，本发明利用压电材料的逆压电特性来改变光栅参数，如光栅的高度、折射率等，实现可调型光栅结构。其具体原理如下:将压电材料(实施例中采用聚偏氟乙烯薄膜，PVDF)置于光栅的正上方，通过压电材料上方设置的电极来改变压电材料上的电压。由于逆压电效应，该材料会产生体积膨胀，对其周围材料产生应力作用，一方面，由于材料的折射率与施加在材料上的力有关，该应力会改变光栅材料的折射率；另一方面，压电材料体积膨胀会压缩光栅高度。光栅材料折射率和光栅高度是决定光栅特性的两个重要参数，改变这两个参数就可以改变光栅反射波长，抑制不同波长噪声。
[0025]以上所述，仅为本发明中的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1.基于可调光栅型微环的三维集成光功分/波分器，其特征在于，包括硅衬底、生长在硅衬底上方的缓冲层、生长在缓冲层上方的波导层、生长在波导层外表面的覆盖层； 波导层分为上中下三层，其中，上层包括第一至第三输出波导，中层包括输入波导、微环谐振器，下层包括第四至第六输出波导；第一至第六输出波导分为三组，分别为第一和第四输出波导、第二和第五输出波导、第三和第六输出波导；微环谐振器上刻蚀有四个光栅结构，输入波导以及三组输出波导分别位于每两个光栅结构之间，且每组输出波导中的两个输出波导关于微环谐振器上下对称；通过微环谐振器在中层实现滤波，每组对称的输出波导与微环谐振器通过倏逝场耦合实现功分。
2.根据权利要求1所述的基于可调光栅型微环的三维集成光功分/波分器，其特征在于，缓冲层为二氧化硅缓冲层。
3.根据权利要求1所述的基于可调光栅型微环的三维集成光功分/波分器，其特征在于，在光栅结构的上方设置一层压电材料，在压电材料的上方设置附属电极，构成可调光栅。
4.根据权利要求3所述的基于可调光栅型微环的三维集成光功分/波分器，其特征在于，压电材料为聚偏氟乙烯薄膜。
5.根据权利要求3所述的基于可调光栅型微环的三维集成光功分/波分器，其特征在于，每组输出波导传输同一种波长且功率相同。
【专利摘要】本发明公开了一种基于可调光栅型微环的三维集成光功分/波分器，包括硅衬底、四层二氧化硅缓冲层、三层波导、可调光栅型微环谐振器、覆盖层以及压电材料，压电材料位于光栅上方，波导包括一根输入波导，六根输出波导，关于微环上下对称的两根输出波导传输同一种波长，且功率相同，三组输出波导共传输三种波长。本发明能够同时实现波分和功分功能，且可通过调节压电材料改变光栅参数，进而提高输出特性。
【IPC分类】G02B6-125, G02B6-293
【公开号】CN104865639
【申请号】CN201510224339
【发明人】孙小菡, 吕涛, 蒋卫锋, 田勇, 崔晗, 李元
【申请人】东南大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月6日