[發(fā)明專利]一種基于SOI材料制備的馬赫-曾德爾干涉儀型可調(diào)分?jǐn)?shù)階光場(chǎng)微分器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110543228.5
• 申請(qǐng)日: 2021-05-19
• 公開（公告）號(hào): CN113253537B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡國(guó)華;孫耀輝;汪冬宇;鄧春雨;孫彧;惲斌峰;崔一平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G02F1/225
• 分類號(hào): G02F1/225;G02F1/21
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

本發(fā)明公開了一種基于SOI材料制備的馬赫?曾德爾干涉儀型可調(diào)分?jǐn)?shù)階光場(chǎng)微分器，包括基于SOI材料制備的2×2定向耦合器、兩根長(zhǎng)度不等的干涉臂以及2×1的多模干涉耦合器(MMI)，另外包括在定向耦合器耦合區(qū)域上方的熱電極。其中定向耦合器將受調(diào)制的輸入光按一定比例分成兩束，長(zhǎng)度不等的干涉臂使輸入光在干涉臂的出口處形成π的相位差，之后經(jīng)MMI形成相消干涉，完成對(duì)輸入光的微分操作。所述的熱電極加載電信號(hào)，通過改變定向耦合器輸出端的分光比，以實(shí)現(xiàn)輸入光在工作波長(zhǎng)處的干涉強(qiáng)度變化，從而使得微分器微分階數(shù)的調(diào)整。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種基于SOI材料制備的馬赫-曾德爾干涉儀型可調(diào)分?jǐn)?shù)階光場(chǎng)微分器。

背景技術(shù)

由于制程限制，電子芯片的發(fā)展速度逐漸放緩，晶體管的集成數(shù)量增長(zhǎng)減慢，而功耗、噪聲、串?dāng)_等問題愈加明顯。而比起電信號(hào)處理，光信號(hào)處理帶寬大、傳輸速度快、抗電磁干擾且復(fù)用方式豐富，且全光處理可以匹配光纖傳輸速率，從而提高了數(shù)據(jù)處理速率，并有效降低了先前信號(hào)處理“光-電-光”的轉(zhuǎn)換成本與維護(hù)費(fèi)用。

SOI(Silicon on Insulator，絕緣體上的硅)受益于硅與二氧化硅間大的折射率差，使得光信號(hào)可以很好地限制于硅中，且硅具有和聚合物同量級(jí)的熱光系數(shù)，很適宜做波導(dǎo)材料。SOI還具有彎曲損耗小、制作工藝成熟、制造成本低廉、可與CMOS工藝兼容等優(yōu)勢(shì)，有利于將波導(dǎo)器件微型化、用于大規(guī)模集成。

為了實(shí)現(xiàn)全光處理，需要設(shè)計(jì)針對(duì)于光學(xué)的基本計(jì)算模塊，如光學(xué)時(shí)域積分器、光學(xué)時(shí)域微分器、光學(xué)傅里葉變換器等。其中，光學(xué)時(shí)域微分器作為光計(jì)算的元器件之一，可以用于光計(jì)算、脈沖編碼、脈沖整形等，結(jié)合其他器件還可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的計(jì)算。在SOI上加輔助熱電極，可改變波導(dǎo)的溫度，進(jìn)而改變波導(dǎo)內(nèi)模式的有效折射率，實(shí)現(xiàn)光振幅、相位的改變，是可調(diào)階數(shù)微分器的重要的調(diào)制方式之一。

為了實(shí)現(xiàn)片上集成，基于硅基微環(huán)諧振腔(micro-ring resonator,MRR)、硅基布拉格光柵、硅基光子晶體諧振腔、硅基馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnderinterferometer,MZI)和自耦合波導(dǎo)(self-coupled optical-waveguide,SCOW)的光學(xué)時(shí)域微分器方案被相繼提出。比較常見的是MRR型和MZI型。MRR型微分器的集成度高，微分結(jié)果準(zhǔn)確，但工作帶寬較小，難以應(yīng)對(duì)高速的信號(hào)處理；MZI型微分器工作原理簡(jiǎn)單，工作帶寬相對(duì)較大，但集成度相對(duì)較低。

對(duì)于可調(diào)的MZI型微分器，其原理是改變上下干涉臂的分光比，以實(shí)現(xiàn)最后干涉深度的變化及相位變化。一般方案是通過在一個(gè)臂中引入額外的損耗，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)臂的出射光強(qiáng)度不同，這導(dǎo)致了較大的能量浪費(fèi)。且引入損耗必然基于波導(dǎo)折射率的改變，這將導(dǎo)致微分器工作波長(zhǎng)有較大偏移，需要每次調(diào)整輸入光的載波頻率，影響其實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)于可調(diào)階數(shù)的MZI型光學(xué)時(shí)域微分器，本發(fā)明公開了一種基于SOI材料制備的馬赫-曾德爾干涉儀型可調(diào)分?jǐn)?shù)階光場(chǎng)微分器，提供了一種簡(jiǎn)單有效的MZI型光學(xué)微分器方案，相較于現(xiàn)有的MZI型光學(xué)微分器，減少了輸入信號(hào)的無謂浪費(fèi)，且工作波長(zhǎng)穩(wěn)定，兼有較大的工作帶寬以適應(yīng)高速的信息處理。

為達(dá)到所述目標(biāo)，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于SOI材料制備的馬赫-曾德爾干涉儀型可調(diào)分?jǐn)?shù)階光場(chǎng)微分器，包括SiO₂包層，所述SiO₂包層內(nèi)部設(shè)有水平設(shè)置的波導(dǎo)層，所述的波導(dǎo)層由Si材料制備；

所述波導(dǎo)層包括：一個(gè)定向耦合器、兩根長(zhǎng)度不等的干涉臂和一個(gè)多模干涉耦合器，所述定向耦合器、干涉臂和多模干涉耦合器依次級(jí)聯(lián)構(gòu)成馬赫-曾德爾干涉儀；