级连硅基波导光隔离器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种双频娃基光隔离器，适用于光纤通信及集成光路系统，尤其设及 一种能够在两个频率及其附近频率实现光信号单向传播的娃基光隔离器。
【背景技术】
[0002] 光隔离器是一种在光学传播介质(器件）中允许光信号单向传输的无源光器件，在 光纤通信系统和大规模集成光路中阻止反射光信号的传播。目前常见的光隔离器的工作原 理主要基于法拉第旋转的非互易性和非线性效应。但是法拉第旋转效应的光隔离器不适宜 大规模集成，而非线性效应光隔离器对传播的光信号强度有额外要求。最近，通过对波导进 行含时微扰W实现光信号单向传播的解决方案得到业界关注，但是该方法仅对特定频率光 信号具有高隔离率。为解决运些问题，在含时微扰解决方法的基础上，本发明提出了一种与 现有CMOS工艺相容的娃基线性双频光隔离器。
【发明内容】
[0003] 本发明提供一种级连娃基波导光隔离器，能够在两个不同频率及其附近频率实现 光信号的单向传播的娃基光路光隔离器在波导中所实施的含时微扰和频率滤波结构能实 现两个频率的光信号隔离，在波导中设置两个串行的含时微扰及滤波结构，实现双频率的 光信号隔离，可W利用波导色散关系中两个不同能带的不平行部分选择两个频率，W实现 双频率的独立隔离，即在信号隔离过程中不发生相互作用。
[0004] 所述含时微扰调制结构用于将沿所述波导正向传播的特定频率的光信号禪合成 沿所述波导正向传播的另一目标频率的光信号，所述特定频率滤波结构用于吸收沿所述波 导正向传播的目标频率光信号。所述微扰结构及滤波结构，均不对反方向传播的特定频率 光信号产生作用。
[0005] 较佳地，所述波导为娃基波导。
[0006] 较佳地，所述含时微扰调制结构实施于所述波导的方法为：
[0007] 在娃基波导中进行渗杂，造成折射率的起伏，然后对渗杂后的波导通电，造成折射 率的时间变化。
[000引较佳地，所述含时微扰调制结构的调制函数的形式为，
[0009]
[0010]其中满足q = k广k2和Ω = ω 2-ω 1，ω 1为所述特定频率光信号的频率，ω 2为所述目 标频率信号的频率，kl、k2分别为所述特定频率光信号、目标频率信号的波数。d为平板波导 宽度。S(x)为调制强度。
[0011]较佳地，所述特定频率滤波结构由色散材料构成，所述色散材料对所述特定频率 fo的光信号具有吸收作用。所述色散材料对所述特定频率的光信号具有吸收作用。其介电 常数符合lorentzian susceptibility模型，表达为：
[0012]
[0013] 其中：ω表示所述入射光信号的角频率，f表示所述入射光信号的频率，σ表示所述 色散材料对频率为fo的光信号的共振吸收强度，Τ表示所述色散材料对频率为fo的光信号 的共振吸收宽度，εοο表示入射光频率为无穷大极限下的介电常数。
[0014] 较佳地，借助于波导能带(色散关系）的不平行部分，选择隔离器操作的两个频率。 使得两个频率在非互易传播实现过程中，相互不发生干扰。
[0015] 本发明所提出的光隔离器设计方案中，隔离器尺度在微米量级，适合于大规模集 成且不对信号强度有任何要求。
[0016] 当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到W上所述的所有优点。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明实施例提供的娃基波导结构示意图；
[0018] 图2为本发明实施例提供的娃基波导中ΤΕ光传播模式色散关系及微扰禪合态示意 图；
[0019] 图3为本发明实施例提供的微扰调制结构示意图；
[0020] 图4为本发明实施例提供的娃基光隔离器结构示意图；
[0021] 图5为本发明实施例正传播方向的FDTD数值模拟场分布示意图；
[0022] 图6为本发明实施例反传播方向的FDTD数值模拟场分布示意图。 具体实施例
[0023] 本发明提供一种级连娃基波导光隔离器，能够在两个不同频率及其附近频率实现 光信号的单向传播的娃基光路光隔离器。其中，在波导中所实施的针对单频率的含时微扰 和频率滤波结构实现单个频率及其附近频率的光信号隔离。在波导中设置两个串行的含时 微扰及滤波结构，实现双频率及其附近频率的光信号隔离。
[0024] 所述含时微扰调制结构用于将沿所述波导正向传播的特定频率的光信号禪合成 沿所述波导正向传播的一目标频率的光信号，不对反方向传播的特定频率光信号产生作 用。
[0025] 其中所述含时微扰调制结构实施于所述波导的方法为：
[0026] 在所述的波导中进行渗杂，造成折射率的起伏，然后对渗杂后的波导通电，造成折 射率的时间变化。
[0027] 所述上微扰调制结构的调制函数为：
[002引
[0029]其中满足q = lu-k2和Ω = ω2-ωι，ω功所述特定频率光信号的频率，《2为所述目 标频率信号的频率，kl、k2分别为所述特定频率光信号、目标频率信号的波数。d为平板波导 宽度。S(x)为调制强度。
[0030] 在图1所示的娃基波导中存在TE光信号的两个传播能带（色散关系）。选取TE模第 一个模式的频率和波数为（ω i、ki)，TE模第二个模式的频率和波数为（ω 2、k2)，TE模第Ξ个 模式的频率和波数为（W3、k3)，由图2可知。在波导设置微扰，选取q = ki-k3，Q = c〇3-〇i，将 模式1调制到模式3。此时，由于能带的不平行，模式2不发生模式转换。在此模式转换后，使 用频率滤波器将模式3的信号吸收。然后再实施微扰，选取q = k2-k3, Ω = ?3-02,将模式2 转换到模式3,再使用频率滤波器进行吸收。从而使得模式1和模式2信号在由左向右的传播 过程中被完全吸收。当模式1和模式2光信号由右向左传播过程中，不会受到微扰调制作用， 从而不改变频率。可W实现由右向左传播。
[0031] 图4为波导中设置两个串行的含时微扰及滤波结构的示意图。滤波区域材料为一 般色散材料，对频率为f日的光（模式3)具有吸收效应。其介电常数符合lorentzian susceptibility 模型，表达为：
[0032]
[0033] 其中：ω表示所述入射光信号的角频率，f表示所述入射光信号的频率，σ表示所述 色散材料对频率为fo的光信号的共振吸收强度，Τ表示所述色散材料对频率为fo的光信号 的共振吸收宽度，εοο表示入射光频率为无穷大极限下的介电常数。
[0034] W上描述中所选取的模式都是可W变化的。本发明提供的双频娃基光隔离器并不 是针对固定的两个特定模式光进行禪合、隔离，可W针对不同的波导能带结构（色散关系） 选取不同的模式。本发明的贡献不仅限于能够在两个频率及其附近频率实现光隔离的微扰 吸收串行结构，还包括利用带结构不平行部分进行频率(模式)选择的选择方法。
[0035] 实施例1:
[0036] 取定归一化长度a=lym，波导宽度取为d = 0.22a。模式1的频率和波数分别取定 为：c〇i = 0.67(23ic/a)，ki = 1.92(2Va);模式2的频率和波数分别取定为：c〇2 = 0.5(23ic/ 曰）也=1.31(231/日）；模式3的频率和波数分别选取为：〇2 = 0.8(2恥/日），1? = 1.01(231/曰）。 调制强度S(x) = l，波导由娃材料构成，介电常数取为12.25。两个调制区的长度分别为1。1 = 5.74a和1。2 = 6.63a，该长度为模式完全转化长度。
[0037] 当频率为ω 1 = 0.67(2恥/曰)和ω 2 = 0.5(2恥/曰）的模式1和模式2光信号自左向右 传播时，调制1区域将模式1与模式3进行禪合，光信号由模式1转化为模式3。再由滤波1区域 将模式3信号吸收。该过程中，没有受到影响的模式2信号经过调制2区域，被转换到模式3， 再由滤波2区域进行吸收。图5为信号由左向右传播情况下的光场分布的FDTD数值模拟结 果。当模式1信号与模式2信号反向传播时，不受到调制与滤波结构的影响。图6给出光信号 反向传播时的光场分布的FDTD数值模拟结果。
[0038] W上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽 叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的【具体实施方式】。显然，根据本说明书的内容， 可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述运些实施例，是为了更好地解释本发明 的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅 受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
【主权项】
1. 一种级连硅基波导光隔离器，其特征在于，在波导中所实施的含时微扰和频率滤波 结构能实现两个频率的光信号隔离，在波导中设置两个串行的含时微扰及滤波结构，实现 双频率的光信号隔离，可以利用波导色散关系中两个不同能带的不平行部分选择两个频 率，以实现双频率的独立隔离，即在信号隔离过程中不发生相互作用。2. 如权利要求1所述的级连硅基波导光隔离器，其特征在于，所述波导为硅基波导。3. 如权利要求1所述的级连硅基波导光隔离器，其特征在于，所述含时微扰调制结构实 施于所述波导的方法为:在硅基波导中有两段掺杂区域，造成折射率的起伏，然后对两段掺 杂波导通电，造成折射率的时间变化。 所述含时微扰调制结构的调制函数的形式为，其中满足q = k2-ki和Ω = ω 2_ ω 1，ω 1为所述特定频率光彳g号的频率，ω 2为所述目标频 率信号的频率，lu、k2分别为所述特定频率光信号、目标频率信号的波数。d为平板波导宽度。 S(x)为调制强度。4. 如权利要求1所述的级连硅基波导光隔离器，其特征在于，所述频率滤波结构由色散 材料构成，所述色散材料对所述特定频率的光信号具有吸收作用。其介电常数复合 lorentzian susceptibility模型，表达为：其中：ω表示所述入射光信号的角频率，f表示所述入射光信号的频率，〇表示所述色散 材料对频率为的光信号的共振吸收强度，γ表示所述色散材料对频率为的光信号的共 振吸收宽度，ε〇〇表示入射光频率为无穷大极限下的介电常数。5. 如权利要求1所述的级连硅基波导光隔离器，借助于波导能带色散关系的不平行部 分，能够隔离的两个频率在非互易传播实现过程中，相互不发生干扰。
【专利摘要】本发明能够提供一种级连硅基波导光隔离器，其中，在波导中所实施的两级含时微扰和两级滤波结构可以实现两个频率的光信号隔离。通过利用波导色散关系中两个不同能带的不平行部分选择频率，以实现双频率的独立隔离，即在信号隔离过程中不发生相互作用。所述含时微扰调制结构用于将沿所述波导正向传播的两个特定频率的光信号分别耦合成沿所述波导正向传播的另外两个目标频率的光信号，所述特定的先后串行的频率滤波结构用于吸收沿所述波导正向传播的两个目标频率光信号。所述微扰结构及滤波结构，均不对反方向传播的两个特定频率光信号产生作用。本发明提供的光隔离器尺度在微米量级，适合于大规模集成且不对信号强度有任何要求。
【IPC分类】G02B6/27
【公开号】CN105629388
【申请号】CN201610019142
【发明人】刘烨, 赖思南, 姜淳
【申请人】上海交通大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年1月13日