一种基于色散补偿的超宽带集成非互易光学器件

技术领域

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种基于色散补偿的超宽带集成非互易光学器件。

背景技术

非互易光学器件如光隔离器、光环行器等是光电子信息系统的核心组成部分。光隔离器通常被用来阻挡系统链路的反射光以保证激光器长时间稳定地工作，其工作带宽需要覆盖激光波长。然而，分立的光隔离器尺寸大、成本高、难以与激光器、探测器等光学元件耦合。

在现有的集成非互易光学器件的研究中，通过时空调制与光学非线性技术实现的片上光学非互易通常仅能够达到单频点的光学隔离，而通过磁光效应实现的片上光学非互易性具有相对较宽的工作带宽。然而这样的器件依旧存在两个显著的问题。第一，器件的中心波长随温度的变化会产生严重漂移，导致器件性能在所要求波段急剧恶化，影响系统的稳定工作。第二，对于片上波分复用系统而言，需对多路不同波长的反射光进行有效隔离，此时工作带宽有限的集成非互易光学器件将难以满足要求。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为了发展超宽带集成非互易光学器件，本发明提供了一种基于色散补偿的超宽带集成非互易光学器件。采用色散补偿技术令集成非互易光学器件达到超宽带的工作效果，其原理是利用特定的集成光波导结构对器件相位随波长的变化关系加以补偿，使其在超宽带范围内处于同一工作状态，从而避免了因工作环境温度变化而引起的中心波长处器件性能恶化以及无法实现多波长工作等问题。

该基于色散补偿的超宽带集成非互易光学器件由硅基集成磁光隔离器(或环行器)以及色散补偿结构组成，其中色散补偿结构是使器件获得超宽带工作特性的核心结构。

所述硅基集成磁光隔离器(或环行器)包括硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构以及硅基集成的磁光波导，硅基集成光波导作为基本的光传输单元。

对于硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构而言：该结构的两个干涉臂借助180°的弯曲波导对传输进行转向处理，使得转向后的波导是朝相反方向传输的。硅基集成磁光波导则分别设计在硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构双臂的正反传输方向上，使得光波在其中一臂的硅基集成磁光波导中的传输是正向的，而在另一臂中则是反向的。硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构的双臂的互易相位差由色散补偿结构提供，为π/2的奇数倍；并通过设计硅基集成磁光波导的长度，使得该结构的双臂的非互易相位差为π/2。马赫-曾德尔干涉结构的分光与合光部分分别由两个集成3dB耦合器构成；作为硅基集成磁光隔离器，在硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构的四个端口中，将同一端面的两个端口中任意一个端口作为硅基集成磁光隔离器的输入端口，并将另一个端口挂起；在另一端面中，将与输入端口传输相隔离的端口挂起，剩下的一个端口作为硅基集成磁光隔离器的输出端口。

所述色散补偿结构共计两组，分别集成在硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构的两个干涉臂中。每一组色散结构分别由不同尺寸的硅基集成波导构成，通过设计每组硅基集成波导的长度和宽度，以使得该两组色散补偿结构间的传输相位差在所设计的器件中心波长处为π/2的奇数倍；该两组色散补偿结构间的群时延传输差值在所设计的器件中心波长处为硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构中对应的两个干涉臂中硅基集成的磁光波导间群时延传输差值的相反数。

该硅基集成磁光隔离器(或环形器)工作时，硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构的两个干涉臂间的总相位差在所设计的中心波长处分别达到0与π，其分别对应正向传输与反向隔离的工作状态。当光波波长偏离中心波长时，由硅基集成磁光波导产生的非互易相位差因硅基集成磁光波导的色散特性偏离所设计的π/2，此时由色散补偿结构产生的互易相位差则会以与硅基集成磁光波导相同的色散特性偏离所设计的π/2的奇数倍。因此硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构的两个干涉臂间的总相位差得以保持不变，从而实现了超宽带传输的工作特性。

进一步的，所述硅基集成磁光波导进行尺寸设计，使得磁光材料的色散与波导模式的色散相互抵消，从而获得超宽带的反向高隔离状态，以提高反向传输的超宽带特性。

进一步的，所述色散补偿结构中引入锥形渐变波导结构，以消除不同宽度的波导传输界面间的结构散射损耗，以降低器件插损。

本发明提出的基于色散补偿的超宽带集成非互易光学器件，大大提高了集成非互易光学器件的工作带宽，有效规避了因工作环境温度变化而引起的器件中心波长性能恶化问题。同时超宽带集成非互易光学器件可实现与多路不同波长的激光器的兼容工作，避免了在各波长激光器后分别串联非互易光学器件的问题。并提供了进一步改善反向隔离带宽，提高整体器件性能的更优的技术方案，对降低器件的插入损耗、提高器件的工作带宽及降低集成光学系统的体积、重量、成本等具有重要意义。

附图说明

图1为实施例的整体结构示意图；

图2为实施例的色散补偿示意图及其相位与群时延的补偿设计；

图3为实施例超宽带硅基集成磁光隔离器的正反向传输相位差随波长的变化示意图；

图4为实施例超宽带硅基集成磁光隔离器的传输谱线示意图。

具体实施方式

如背景技术部分中所述，由于常规的非互易光学器件的中心波长随温度的变化会产生严重漂移，导致器件性能在所要求波段急剧恶化，影响系统的稳定工作。同时，对于片上波分复用系统而言，需对多路不同波长的反射光进行有效隔离，此时工作带宽有限的隔离器将难以满足要求。

本发明提出的基于色散补偿的超宽带集成非互易光学器件，可以显著提高器件的工作带宽，降低集成光学系统的体积、重量以及成本。本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：在常规的集成非互易光学器件中引入色散补偿结构以补偿相位随波长的变化，发明中所采用的硅基集成磁光隔离器以及色散补偿结构由光刻刻蚀加工硅基集成光波导结构以及沉积磁光材料制备而得。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步阐述。

一种基于色散补偿的超宽带集成非互易光学器件，制备方法如下：

步骤1、设计互易与非互易移相关系，设计色散补偿结构与硅基集成磁光波导间的群时延关系，使器件的传输相位随波长无明显变化，实现超宽带的工作特性。

步骤2、光刻及刻蚀半导体(包含但不限于硅、氮化硅及氧化硅材料)基板，获得单模集成光波导及马赫-曾德尔干涉结构，用以结合互易与非互易移相对输出的信号进行相位调控。

步骤3、通过溅射等方法生长一层低折射率包层将整个器件包覆。并作为沉积磁光材料的阻挡层(包含但不限于氧化硅材料)。

步骤4、在设计的磁光波导上表面位置通过二次光刻得到沉积磁光材料的窗口，窗口宽度大于光波导宽度。在水平垂直于磁光波导的外加强磁场下，磁光材料可以使波导中的TM偏振模式产生非互易移相。在硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构中，磁光波导的长度应使正反向传输光的非互易相位之差为π/2。

步骤5、在窗口处生长(包含但不限于脉冲激光沉积技术和晶圆键合技术)磁光材料(包含但不限于铈元素掺杂的钇铁石榴石)。

本实施例的结构如图1所示，其中色散补偿结构分别集成在硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构的两个干涉臂中。

硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构的两个干涉臂间的总相位差在所设计的中心波长处分别达到0与π，其分别对应正向传输与反向隔离的工作状态。当光波波长偏离中心波长时，由硅基集成磁光波导产生的非互易相位差以硅基集成磁光波导的色散特性偏离所设计的π/2，由色散补偿结构产生的互易相位差则会以与硅基集成磁光波导相同的色散特性偏离所设计的π/2的奇数倍。因此硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构的两个干涉臂间的总相位差得以保持不变，从而实现了超宽带传输的工作特性。

本实施例的色散补偿示意图及其相位与群时延的补偿设计如图2(a)所示，单组色散补偿结构由一段宽度为1μm的宽波导和一段较窄的波导连续相接组成，其中较窄的波导宽度的变化范围为500-1000nm。作为硅波导而言，波导厚度均为220nm。其外部由氧化硅(SiO

本实施例的基于色散补偿的超宽带集成磁光隔离器的正反向传输相位差随波长的变化如图3所示。仿真计算时，第一组色散补偿结构为长9.79μm、宽1μm的波导与长10.21μm、宽500nm的波导的组合；第二组色散补偿结构为长0.1μm、宽1μm的波导与长19.9μm、宽625nm的波导的组合。仿真计算中同时考虑了磁光材料的旋光值在1500-1600nm内随波长的变化。

本实施例的超宽带硅基集成磁光隔离器的传输谱线如图4所示。可见该器件在1500-1600nm波长的超宽带范围内均能取得较好的正向传输特性，其中插入损耗约为3dB。在反向传输方向上，器件取得了最小22dB的隔离度。

至此，实施例验证了本发明基于色散补偿的超宽带集成非互易光学器件，并在1500-1600nm波长范围内达到了高于22dB的隔离度和3dB的插入损耗，实现了超宽带的集成非互易光学器件。