一种硅基耦合波导的可调光延时线及调控光延时方法与流程

本发明属于硅基光子学领域，具体涉及一种硅基耦合波导的可调光延时线及光延时方法。

背景技术：

硅基光子器件是近年来的研究热点，而光信号的延时是时域光信号处理中的基本功能。光子不能被存储，因此光缓存实现的方法是使光信号在导光介质中延时一段时间。“光缓存”可以从两方面着手：一是减慢光的传播速度；另一方面是延长光传输路径。目前提出的全光缓存器两大类：一类是慢光型全光缓存器；另一类是光纤延迟线或光纤环型全光缓存器。而eit技术是利用量子相干效应消除电磁波传播过程中的介质影响,实验系统复杂,成本昂贵,且在室温下难以实现。基于以上我们采用光延时线进行光缓存，提供一种多环跑道型结构能够使输入的光信号产生更高延时精度的延时量，同时减少输入光的损耗，增大带宽同时实现多级不同延时时间的调控功能。

技术实现要素：

有鉴于此，针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种硅基耦合波导的可调光延时线，实现体积微小、低损耗、宽的工作带宽的可调控光延时线。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种硅基耦合波导的可调光延时线，包括跑道型硅波导结构，该所述跑道型硅波导结构具有输入端和至少一个输出端，该跑道型波导结构还包括平行设置的第一主道和第二主道，分别设置在所述第一主道和第二主道两侧的第一弯道和第二弯道，以及多个设置在所述第一主道和第二主道之间的弯曲耦合波导，其中，所述第一主道和第二主道包括多个宽度不同的波导且相邻的波导宽度相差1级，所述第一弯道两端连接在第一主道和第二主道上，所述第二弯道一端连接在所述第二主道上，另一端设置在能将光信号耦合传输至所述第一主道内的位置处，所述多个弯曲耦合波导的位置使得传输于所述第一主道和第二主道内的光信号能够被耦合至对应的弯曲耦合波导内并传输。

优选的，所述第一主道和第二主道上的多个不同宽度的波导沿着光信号传输方向先逐级增加，再逐级减小，其中，所述第一主道从输入端沿着光信号传输方向依次排序设置波导模式为te0、te1、te2、te3及te4再由te4到te3到te2到te1到te0的波导，所述第二主道从第一弯道沿着光信号传输方向依次排序连接波导模式为te0、te1、te2、及te3再由te3到te2到te1到te0的波导。

优选的，所述多个弯曲耦合波导的数量为6个，该6个弯曲耦合波导都是以te0模式传输光信号，每个所述弯曲耦合波导与第一主道和第二主道上的各自一个波导发生耦合。

优选的，所述每个弯曲耦合波导的耦合端与所述第一主道和第二主道之间的间距在耦合作用范围内。

优选的，所述每个弯曲耦合波导的耦合端长度满足光信号在两靠近波导间发生耦合的耦合长度公式。

优选的，所述弯曲耦合波导和所述第一主道和第二主道上的各个波导中具有不同色散曲线的te波模式，且色散曲线在相位匹配的波长节点处相交。

优选的，所述跑道型硅波导结构制作在soi衬底上，且该跑道型硅波导结构中的各个波导均为脊型波导。

优选的，还包括至少1个输出端，所述输出端上设有相变开关，所述相变开关在电压激发下将所在波导上的光信号导出。

优选的，所述输出端为4个，对应所述4个输出端设有4个相变开关，所述4个相变开关的位置满足光在所述可调光延时线上分别跑满1圈、2圈、3圈和4圈的位置。

根据本发明的目的还提出了一种调控光延时方法，所述跑道型硅波导结构中由光信号先从所述输入端以te0模式经过所述第一主道、第一弯道、第二主道、第二弯道，接着由所述第二弯道将所述te0模式的光信号耦合至第一主道靠近该第二弯道的te1模式波导中，完成从te0模式到te1模式的跳变，接着进行下一圈传输，由te1跳变成te2并回到第一主道，重复上述过程直至该光信号被跳变成te4，或者被所述任一输出端导出为止。

与现有技术相比较，本发明技术方案的有益效果是：

(1)耦合波导光延时线基于soi衬底制作，使其具有性能稳定的特点；

(2)在结构紧凑的前提下仍能使输出的带宽更大，更有利于集成化；

(3)损耗仅为2.96db，延时时间达到58.8ps，整体尺寸约0.006mm²；

(4)利用相变材料gst可以实现延时时间的调控。

附图说明

图1是本发明的跑道型硅波导结构示意图。

图2是te0、te4波导耦合示意图。

图3是可调功能结构示意图。

图4是跑道型硅波导的部分剖面图。

具体实施方式

为了便于理解，下面先对本发明的技术原理进行说明。请参见图2和图3，图2是基于耦合波原理的两个不同波导之间的光信号跳转示意图。如图所示，耦合波原理是能量从一个波导传输到另一个波导。在连续的波导中，不同模式下的光信号，比如从te0模式到te4模式之间，能量从波导一个部分传输到另一个部分，一种模式的能量转化成另一种模式能量。而在两根具有不同色散曲线的光波导，且色散曲线在相位匹配的波长节点处相交，即模场匹配和有效折射率相同同时满足时，靠近时才能进行耦合。图2右上部分的坐标图为te0模式耦合到te4模式的示意图，lc为耦合长度可由公式(1)计算得到。图2左下部分，为对应于右上部分中te0模式与te4模式耦合的不同的波导模式，其波导宽度和有效折射率都不同，耦合条件为模场匹配和有效折射率相同。比如当弯曲耦合波导靠近主段波导至大约500nm时，通过耦合波原理，在两条平行相邻、各种参数相同，而且几乎无损耗的耦合波导中，若相位匹配，两光场光功率往复交替，能量交换达99.9％。耦合长度由公式(1)

其中δn＝n1-n2，n1、n2为两根耦合硅波导的有效折射率。

请再参见图3，图3是基于上述原理设计的光信号跳转的两根不同波导之间的传输示意图。如图所示，波导11为te0模式波导，波导131为te1模式波导，波导16为te0模式波导。波导11输入一个te0模式的波导时，假设经过波导131传输到波导16中，则波导16如果满足与波导131的耦合条件，那么波导16中传输的te0模式的光信号会耦合到波导131中成为一个te1模式的光信号传输下去。此时如果在波导131上设置一个开关，让te1模式的光经过时打开开关，将光信号导出，就完成了一个光信号的延时循环。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述，但不以此限制本发明的保护范围。

请参见图1，图1是本发明光延时线的结构示意图。如图所示，该光延时线包括一个跑道型硅波导结构，具有输入端11和至少一个输出端12，该跑道型波导结构还包括平行设置的第一主道13和第二主道14，分别设置在所述第一主道13和第二主道14两侧的第一弯道15和第二弯道16，以及多个设置在所述第一主道13和第二主道14之间的弯曲耦合波导17。

其中，所述第一主道13和第二主道14包括多个宽度不同的波导且相邻的波导宽度相差1级，并且这些不同宽度的波导沿着光信号传输方向先逐级增加，再逐级减小。如图示中，第一主道13包括131、132、133、134四种波导，每种波导的级数相差1级，波导131为te1模式，波导132为te2模式，波导133为te3模式，波导134为te4模式，输入端11输入的波导模式为te0，因此从输入端11沿着光信号传输方向依次排序设置波导的模式为te0、te1、te2、te3及te4再由te4到te3到te2到te1到te0的波导。所述第二主道14包括141、142、143三种波导，波导141为te1模式，波导142为te2模式，波导143为te3模式，由于第一弯道15输入的是te0模式，因此从第一弯道15沿着光信号传输方向依次排序连接波导模式为te0、te1、te2、及te3再由te3到te2到te1到te0的波导。

所述第一弯道15两端连接在第一主道13和第二主道14上，所述第二弯道16一端连接在所述第二主道14上，另一端设置在能将光信号耦合传输至所述第一主道13内的位置处，第一弯道15和第二弯道16传输的都是te0模式的光信号。

所述多个弯曲耦合波导17的位置使得传输于所述第一主道13和第二主道14内的光信号能够被耦合至对应的弯曲耦合波导内并传输。如图示的实施方式中，这些弯曲耦合波导17的数量为6个，该6个弯曲耦合波导17都是以te0模式传输光信号，每个所述弯曲耦合波导17与第一主道13和第二主道14上的各自一个波导发生耦合。比如在第一主道13右侧的波导132和第二主道右侧的波导142之间，通过弯曲耦合波导17可以实现光信号的跳跃传输。这种跳跃传输基于耦合波原理，当所述每个弯曲耦合波导17的耦合端与所述第一主道13和第二主道14之间的间距在耦合作用范围内，且所述每个弯曲耦合波导17的耦合端长度满足光信号在两靠近波导间发生耦合的耦合长度公式。

进一步的，所述弯曲耦合波导17和所述第一主道13和第二主道14上的各个波导中具有不同色散曲线的te波模式，且色散曲线在相位匹配的波长节点处相交。如此设置，就可以让光信号在该跑道型硅波导结构中进行跳跃循环，直到被输出端12的开关导出为止。

请再参见图1，在整个光延时线上，设有至少一个输出端12，所述输出端12上设有相变开关(ge2sb2te5；gst)进行调控，所述相变开关在电压激发下将所在波导上的光信号导出，这样使在跑道型波导中行进一圈的光信号不再继续向前传输而是在此处与靠近的输出波导进行耦合以对应当前波导的模式输出。如图中所示的示例中，总共设有4个输出端和对应的4个相变开关，其中第一相变开关121设置在第二弯道16上，第二相变开关122设置在波导141上，第三相变开关123设置在波导142上，第四相变开关124设置在第一主道13的波导134上，这4个相变开关的位置满足光在延时线上分别跑满1圈、2圈、3圈和4圈的位置，如果光跑一圈延时是30ps，那四级延时就总共产生了0ps、30ps、60ps、90ps和120ps五级动态可调的控制。

请参见图4，图4是跑道型硅波导结构的部分剖面图，如图所示，该跑道型硅波导包括soi衬底21、多个波导22，氧化硅包层23和相变材料层24，其中硅波导22制作在soi衬底21上，且该跑道型硅波导结构中的各个波导22均为脊型波导。氧化硅包层包封该多个硅波导22，使其固定在衬底上。相变材料层24用于改变波导22的传输性质，使波导22的光信号导出，实现图1中的各个输出端的功能。该相变材料层24包括设置在氧化硅包层上的一层金薄膜，以及在金薄膜上覆盖的一层gst相变材料，由于其在非晶态和晶态下光学常数的差异，对应于等离子体处在不同的电压中，使等离子体的共振频率发生变化，吸收谱、反射谱和透射谱的峰值波长皆发生频移，进而导致在不同的相态下器件的透射率发生改变。利用电脉冲诱发薄膜发生相变从而达到类似光开关的功能，这样使在跑道型波导中行进一圈的光信号不再继续向前传输而是在此处与临近的输出波导再通过靠近耦合进入到输出波导中使光信号输出。

利用上述光延时线实现调控光延时时，在跑道型硅波导结构中由光信号先从所述输入端11以te0模式经过所述第一主道13、第一弯道15、第二主道14、第二弯道16，接着由所述第二弯道16将所述te0模式的光信号耦合至第一主道13靠近该第二弯道的te1模式波导131中，完成从te0模式到te1模式的跳变，接着进行下一圈传输，由te1跳变成te2并回到第一主道，重复上述过程直至该光信号被跳变成te4，此时由加载在te4模式波导134上的输出端12输出，当然在具体应用中，也可以选择任一输出端导出。

综上所述，本发明提出了一种硅基耦合波导的可调光延时线，包括在soi衬底上表面设置的跑道型si波导结构、输入和输出波导以及延时调控部分。由两根波导通过耦合波原理进行耦合后光信号可在跑道型结构中持续传输,从而产生光延时的效果。并利用相变材料gst的特性实现光延时时间的调控。本发明在结构紧凑的前提下仍能使输出的带宽较大，更有利于集成化且损耗很小。