專利名稱：一種非對稱馬赫澤德干涉儀及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通訊系統(tǒng)中的光交叉互聯(lián)、光信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種非對稱馬赫澤德干涉儀及其設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
隨著光通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光開關(guān)及調(diào)制器件在整個通信系統(tǒng)中所起的作用越來越大。它們不僅僅被當(dāng)作單獨的器件，用來實現(xiàn)對光信號的處理、調(diào)制，同時又是光交叉互聯(lián)(OXC)和光上下路復(fù)用(OADM)等子系統(tǒng)中的重要構(gòu)件。
馬赫澤德干涉儀(MZI)結(jié)構(gòu)在光開關(guān)及調(diào)制器的設(shè)計制作中有著越來越廣泛的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)由輸入輸出波導(dǎo)、兩個3dB耦合器(一個光分束器和一個光合束器)以及兩個光相位調(diào)制臂等幾部分構(gòu)成。其基本工作原理為入射光首先被分束器分成強(qiáng)度相同的兩束，兩束光分別在兩個調(diào)制臂中傳輸一段距離之后，被合束器再次合為一束輸出。通過改變其中一個調(diào)制臂的折射率，可以在兩個調(diào)制臂中引入一定的光程差，這樣兩束光在通過調(diào)制臂后，兩者之間的相位差可以通過這種折射率調(diào)制機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié)，而兩束光的相位差決定了兩者經(jīng)過合束器干涉疊加之后的光場分布。因此通過改變其中一個調(diào)制臂的折射率，就可以實現(xiàn)光的功率調(diào)制或開關(guān)功能。常見的折射率調(diào)節(jié)機(jī)制包括材料的熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)以及自由載流子的等離子色散效應(yīng)等。
光分束器和合束器可以由多模干涉耦合器(包括中心輸入、配對輸入、普通輸入三種)、定向耦合器、Y分支器等結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。通常的MZI都具有完全對稱的結(jié)構(gòu)，不僅分束器與合束器結(jié)構(gòu)對稱，而且兩個調(diào)制臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)也完全相同。通過引入某種折射率調(diào)制機(jī)制(熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)以及自由載流子的等離子色散效應(yīng)等)，可以在調(diào)制臂中實現(xiàn)一定的光場相位偏移。在傳統(tǒng)MZI中，為完成一個調(diào)制周期(輸出光強(qiáng)實現(xiàn)在最大和最小之間的轉(zhuǎn)換或輸出光從一個端口轉(zhuǎn)換到另一個端口)，需要在一個調(diào)制臂上引入π相位偏移，而另外一個調(diào)制臂一直處于閑置狀態(tài)。也就是說，只有一個調(diào)制臂對輸出光場的變化有貢獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種非對稱馬赫澤德干涉儀(MZI)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法，其特征在于通過在MZI中引入兩個結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)不完全一致的調(diào)制臂，改變兩調(diào)制臂中光場之間的相位關(guān)系，通過調(diào)節(jié)兩臂的截面尺寸、長度、折射率分布等參數(shù)，可在兩臂之間引入一定的光程差。光程差的大小可以通過3D-BPM或FDTD等數(shù)值模擬方法確定。這樣完成一個調(diào)制周期需要兩個調(diào)制臂的共同貢獻(xiàn)，而在單個調(diào)制臂上需要引入的相位偏移小于傳統(tǒng)對稱結(jié)構(gòu)中的π相移(最優(yōu)設(shè)計時單臂上所需相移為π/2)。更小的相位偏移對應(yīng)著更快的調(diào)制速率，因此這種非對稱MZI結(jié)構(gòu)有助于提高器件的開關(guān)/調(diào)制速率。
本發(fā)明一種非對稱馬赫澤德干涉儀(MZI)，所包含兩個調(diào)制臂的結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)非完全一致，由于兩者的非一致使得兩臂之間存在光程差。
所述非對稱馬赫澤德干涉儀可以由硅、鍺硅合金、二氧化硅、鈮酸鋰、聚合物、III-V族化合物半導(dǎo)體等多種材料來實現(xiàn)。
所述非對稱馬赫澤德干涉儀中兩個調(diào)制臂的長度、截面形狀、截面尺寸、折射率分布等結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)中至少有一項不一致，并且這種差異能夠在兩臂之間引入光程差。
所述非對稱馬赫澤德干涉儀可為“一進(jìn)一出”的結(jié)構(gòu)，用于制作光調(diào)制器，也可為“二進(jìn)二出”結(jié)構(gòu)，用于2×2光開關(guān)場合。
所述非對稱馬赫澤德干涉儀中的3dB耦合器可由多模干涉耦合器(包括中心輸入、配對輸入、普通輸入三種情況)、定向耦合器、Y分支器等多種結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。
所述非對稱馬赫澤德干涉儀中的兩個調(diào)制臂在工作過程中的折射率調(diào)制以及相應(yīng)的光場相位調(diào)制可以利用材料的電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、載流子等離子色散效應(yīng)等多種調(diào)制方式來實現(xiàn)。
所述非對稱馬赫澤德干涉儀在調(diào)制過程中，需要兩個調(diào)制臂的共同參與才能完成一個調(diào)制周期，而在此過程中單個調(diào)制臂上需要引入的相位偏移由未調(diào)制時兩臂的相位差決定。一般情況下單個臂上需要的相移小于π，在最優(yōu)設(shè)計時單個臂上需要的相移為π/2。
本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)是指非對稱馬赫澤德干涉儀整個結(jié)構(gòu)。所指的材料是指非對稱馬赫澤德干涉儀整個材料。
本發(fā)明一種用于設(shè)計非對稱調(diào)制臂馬赫澤德干涉儀的方法，該方法包括如下步驟(1)運用常規(guī)方法確定馬赫澤德干涉儀中輸入、輸出波導(dǎo)以及兩個3dB耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)；(2)運用3D-BPM或FDTD等數(shù)值模擬的方法求出兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)非完全一致的調(diào)制臂中分別的光場等效折射率；(3)將(2)中得到的兩臂的光場等效折射率分別乘以兩臂各自的長度即可得到兩臂的光程，進(jìn)而求得兩臂之間的光程差。
(4)反復(fù)調(diào)節(jié)其中一個或兩個調(diào)制臂的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并重復(fù)(2)和(3)，可使得兩臂之間的光程差逐漸逼近設(shè)計值。
(5)將結(jié)構(gòu)參數(shù)均已確定的輸入、輸出波導(dǎo)，兩個3dB耦合器，以及兩個調(diào)制臂有機(jī)的組合在一起，即完成整個器件的設(shè)計。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容及特點，以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作一詳細(xì)的描述，其中圖1為基于非對稱調(diào)制臂MZI結(jié)構(gòu)的光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意2為脊型波導(dǎo)的截面示意3為具有脊型截面的調(diào)制臂結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式
圖1為本發(fā)明一個實施例的光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖，具體結(jié)構(gòu)為一個調(diào)制臂非對稱的“一進(jìn)一出”MZI。其中兩個3dB耦合器(分束器2和合束器5)由中心輸入的多模干涉耦合器充當(dāng)。兩個調(diào)制臂3和4長度相同，但3的寬度比4略大。根據(jù)導(dǎo)波光學(xué)理論，波導(dǎo)越寬，模場的傳播常數(shù)越大，在一定長度下波導(dǎo)的光程也越大，因此寬度的差異可以在兩臂間引入一定的光程差。本實施例中，波導(dǎo)器件是通過SOI材料來實現(xiàn)。
圖2為波導(dǎo)的截面示意圖。在襯底硅9上方依次為夾層二氧化硅10和頂層硅11，脊型波導(dǎo)通過干法刻蝕的方法來制備，刻蝕后生長二氧化硅層12作為波導(dǎo)的上包層，上包層12外面為空氣13。
本實施例中的MZI采用硅中自由載流子的等離子色散效應(yīng)來實現(xiàn)折射率調(diào)制，其調(diào)制結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中p+區(qū)14位于脊型調(diào)制臂的頂端，n+區(qū)15位于脊型調(diào)制臂的兩側(cè)平板區(qū)域。這兩個區(qū)域都需通過光刻、離子注入來定義。這樣在調(diào)制臂中就形成了一個p+-i-n+調(diào)制結(jié)構(gòu)。在二氧化硅包層12上開引線孔并制作金屬電極16后，就可以對圖3所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行電調(diào)制。根據(jù)等離子色散效應(yīng)，硅材料的折射率隨載流子濃度的增大而減小。因此當(dāng)p+-i-n+結(jié)構(gòu)正偏時，大量載流子將從脊型頂部注入調(diào)制臂，通過調(diào)節(jié)調(diào)制功率的大小，可以調(diào)節(jié)波導(dǎo)中的載流子濃度，從而實現(xiàn)折射率調(diào)制以及光場的相位調(diào)制。
圖1所示結(jié)構(gòu)中輸入輸出波導(dǎo)以及兩個3dB耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以由傳統(tǒng)理論及數(shù)值模擬方法來確定，調(diào)制臂3和4的寬度和長度由下列步驟確定I.根據(jù)脊型波導(dǎo)的單模條件確定刻蝕深度和調(diào)制臂3的寬度II.通過3D-BPM方法求出光場在調(diào)制臂3中的傳播常數(shù)III.逐漸減小波導(dǎo)寬度，通過3D-BPM方法求出光場在一系列寬度不同的波導(dǎo)中的傳播常數(shù)IV.由III得到的一系列光場傳播常數(shù)與II中調(diào)制臂3的光場傳播常數(shù)相比較，求出III中波導(dǎo)與調(diào)制臂之間實現(xiàn)λ/4光程差所需要的波導(dǎo)長度(λ為光波在材料中的波長)V.根據(jù)IV中計算結(jié)果，選擇合適的寬度、長度作為調(diào)制臂4的寬度和兩個調(diào)制臂的共同長度將由以上步驟確定的兩調(diào)制臂與已確定結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入輸出波導(dǎo)、分束器、合束器組合起來，即完成了整個器件的設(shè)計。然后制作光刻掩模板，利用與制作傳統(tǒng)MZI相同的工藝即可將器件制作出來。
本實施例中光調(diào)制器的工作過程為當(dāng)光從波導(dǎo)1輸入時，分束器2將輸入光分成功率相等且相位相同的兩束，并分別被調(diào)制臂3、4所收集，3a處的光場與4a處光場的相位差為0。在未調(diào)制時，由于調(diào)制臂3的光程比調(diào)制臂4長λ/4，因此兩束光經(jīng)過在調(diào)制臂中傳輸后，4b處的光場相位將比3b處的光場相位滯后π/2。這樣一來，若要通過光合束器5實現(xiàn)兩束光在輸出波導(dǎo)6中的干涉相長，就需要通過等離子色散效應(yīng)，使調(diào)制臂3的光程減小λ/4(對調(diào)制臂3引入π/2的相位偏移)，從而使得3b、4b處的兩個光場的相位相等，二者干涉相長，這樣光波從波導(dǎo)6的輸出強(qiáng)度達(dá)到最大。類似的，當(dāng)對調(diào)制臂4進(jìn)行調(diào)制，通過等離子色散效應(yīng)使其光程減小λ/4(對調(diào)制臂4引入π/2的相位偏移)時，3b、4b處的兩個光場的相位差為π，二者干涉相消，波導(dǎo)6中的輸出光強(qiáng)達(dá)到最小。
由以上的分析可知，通過調(diào)節(jié)調(diào)制臂3或調(diào)制臂4上的調(diào)制功率的大小，即可實現(xiàn)輸出光強(qiáng)從最大到最小的變化，從而實現(xiàn)光場強(qiáng)度的調(diào)制。而且完成整個調(diào)制周期需要兩個調(diào)制臂的共同參與，而在單個調(diào)制臂上只需引入π/2的相移，小于傳統(tǒng)對稱MZI結(jié)構(gòu)中所需的π相移。所需相移越小，意味著所需載流子的變化越小，載流子的產(chǎn)生與復(fù)合也越快。因此，相對于基于傳統(tǒng)對稱MZI結(jié)構(gòu)的光調(diào)制器，這種非對稱光調(diào)制器的調(diào)制速率將有顯著提高。
權(quán)利要求
1.一種非對稱馬赫澤德干涉儀，其特征在于，所包含兩個調(diào)制臂的結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)非完全一致，由于兩者的非一致使得兩臂之間存在光程差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱馬赫澤德干涉儀，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)可以由硅、鍺硅合金、二氧化硅、鈮酸鋰、聚合物、III-V族化合物半導(dǎo)體材料來實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱馬赫澤德干涉儀，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中兩個調(diào)制臂的長度、截面形狀、截面尺寸、折射率分布結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)中至少有一項不一致，并且這種差異能夠在兩臂之間引入光程差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱馬赫澤德干涉儀，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)可為“一進(jìn)一出”的結(jié)構(gòu)，用于制作光調(diào)制器，也可為“二進(jìn)二出”結(jié)構(gòu)，用于2×2光開關(guān)場合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱馬赫澤德干涉儀，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中的3dB耦合器可由多模干涉耦合器、定向耦合器、Y分支器等多種結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱馬赫澤德干涉儀，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中的兩個調(diào)制臂在工作過程中的折射率調(diào)制以及相應(yīng)的光場相位調(diào)制可以利用材料的電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、載流子等離子色散效應(yīng)等多種調(diào)制方式來實現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱馬赫澤德干涉儀，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)在調(diào)制過程中，需要兩個調(diào)制臂的共同參與才能完成一個調(diào)制周期，而在此過程中單個調(diào)制臂上需要引入的相位偏移由未調(diào)制時兩臂的相位差決定。一般情況下單個臂上需要的相移小于π，在最優(yōu)設(shè)計時單個臂上需要的相移為π/2。
8.一種用于設(shè)計非對稱調(diào)制臂馬赫澤德干涉儀的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟(1)運用常規(guī)方法確定馬赫澤德干涉儀中輸入、輸出波導(dǎo)以及兩個3dB耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)；(2)運用3D-BPM或FDTD數(shù)值模擬的方法求出兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)非完全一致的調(diào)制臂中分別的光場等效折射率；(3)將(2)中得到的兩臂的光場等效折射率分別乘以兩臂各自的長度即可得到兩臂的光程，進(jìn)而求得兩臂之間的光程差；(4)反復(fù)調(diào)節(jié)其中一個或兩個調(diào)制臂的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并重復(fù)(2)和(3)，可使得兩臂之間的光程差逐漸逼近設(shè)計值；(5)將結(jié)構(gòu)參數(shù)均已確定的輸入、輸出波導(dǎo)，兩個3dB耦合器，以及兩個調(diào)制臂有機(jī)的組合在一起，即完成整個器件的設(shè)計。
全文摘要
本發(fā)明涉及光通訊系統(tǒng)中的光交叉互聯(lián)、光信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種非對稱馬赫澤德干涉儀及其設(shè)計方法。該結(jié)構(gòu)所包含兩個調(diào)制臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)非完全一致，由于兩者的非一致使得兩臂之間存在光程差。通過調(diào)節(jié)兩臂的截面尺寸、長度、折射率分布等參數(shù)，可在兩臂之間引入一定的光程差。光程差的大小可以通過3D－BPM或FDTD等數(shù)值模擬方法確定。運用這一非對稱馬赫澤德干涉結(jié)構(gòu)制作光開關(guān)/調(diào)制器時，在一個調(diào)制周期中，單個調(diào)制臂上需要引入的相位偏移小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的π相移(在最優(yōu)設(shè)計時為π/2)，因而能顯著提高器件響應(yīng)速度。
文檔編號G02B6/12GK101055336SQ20061001165
公開日2007年10月17日 申請日期2006年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月13日
發(fā)明者孫飛, 余金中, 陳少武 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所