一種反射式熱光可調光衰減器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種反射式熱光可調光衰減器。本發明包括輸入波導、輸出波導、輸入接入波導、輸出接入波導、2×2耦合器耦合區、第一傳輸接入波導、第二傳輸接入波導、第一傳輸波導、第二傳輸波導、第一反射鏡接入波導、第二反射鏡接入波導、第一反射鏡、第二反射鏡、微加熱電極加熱金屬區和微加熱電極觸點金屬區。輸入波導輸入的光經2×2耦合器耦合區分束成等功率、相位相差90度的兩束光輸出到第一、第二傳輸波導，微加熱電極加熱金屬區對第一傳輸波導加熱，再經第一、第二反射鏡反射回2×2耦合器耦合區進行合束，并由輸出波導輸出。本發明以波導反射鏡為反射單元，具有結構緊湊，制作方法簡便，功耗小的特點。
【專利說明】一種反射式熱光可調光衰減器
【技術領域】
[0001]本發明屬于集成光電子器件領域，具體涉及一種反射式熱光可調光衰減器。
【背景技術】
[0002]可調光衰減器(Variable Optical Attenuator, V0A)是光通信系統中不可或缺的關鍵器件。VOA的主要功能是用來減低光信號或者平衡通道間光功率的差異。特別是隨著密集波分復用(DWDM)技術和EDFA在光通信系統中的應用，在多個光信號傳輸通道上必須進行增益平坦化或者信道功率均衡，在光接收器端要進行動態飽和的控制，這些都使得VOA成為其中不可或缺的關鍵器件。
[0003]縱觀目前各種的VOA實現方案，主要以MEMS和集成波導VOA為主。基于MEMS技術實現的VOA具有工藝成熟、光學特性好、低損耗、偏振相關損耗小、無需溫控等優點，但是MEMS的機械磨損較大，而且調制速度較慢，不易于與其它器件實現集成化。基于集成波導的VOA由于具備規模化生產、低成本、穩定性好、尺寸小易于陣列化及多功能集成等優勢而受到廣泛關注。基于SOI平臺的硅納米線光波導因其高折射率差而能實現超緊湊結構，同時與傳統的CMOS工藝相兼容，自然成為VOA的理想實現平臺。針對這一平臺，人們主要提出了兩大類可調光衰減器的工作原理，分別利用了硅的自由載流子吸收效應和硅的熱光效應。第一種方案，是通過對硅納米線波導進行電流注入，調制硅波導的折射率虛部，從而實現對光的可控衰減。基于該原理的設計的主要優點在于其衰減帶寬平坦，響應速度能達到ns量級,通過特殊的設計,還能實現偏振不敏感特性[Jpn.J.Appl.Phys, vol.49，pp.04DG20-1 - 04DG20-5, 2010]，其缺點則是器件工藝復雜，功耗過大，尺寸也較大，即使采用娃納米線波導代替大截面脊形波導，其尺寸也將達到lmm[Proc.1EEE/LE0S 4th Int.Conf.Group IV Photonics, Tokyo, 2007, p.116]。第二種方案,是利用娃具有較大的熱光系數，通過微加熱電極對其折射率實部進行調制，產生相位變化，最后通過MZI結構將相位變換轉化為強度衰減。雖然基于熱光原理工作的器件，其響應速度往往較慢，但其工藝簡單，結構尺寸緊湊，而且通過將大截面脊形波導替換為硅納米線波導，其響應速度可大大提高至us量級,與此同時,其功耗也將大大減小至幾十毫瓦[IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.15，pp.1366 - 1369，Oct.2003]，如果通過一些特殊的設計，例如將懸掛波導與空氣隔熱槽相結合，功耗能降至幾百微瓦的水平[Opt.Express 18, 8406 (2010)],但此時卻增加了工藝復雜度。由此可見，如能在不增加工藝復雜度的情況下，進一步擴大熱光可調光衰減器的優勢，將具有實際的指導意義。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種反射式可調光衰減器，使得在不增加工藝復雜度的前提下，整體提高傳統熱光可調光衰減器功能結構、尺寸和功耗的性倉泛。
[0005]本發明包括輸入波導、輸出波導、輸入接入波導、輸出接入波導、2X2 I禹合器I禹合區、第一傳輸接入波導、第二傳輸接入波導、第一傳輸波導、第二傳輸波導、第一反射鏡接入波導、第二反射鏡接入波導、第一反射鏡、第二反射鏡、微加熱電極加熱金屬區和微加熱電極觸點金屬區。
[0006]輸入波導、輸出波導分別與輸入接入波導的一端、輸出接入波導的一端相連接,輸入接入波導的另一端、輸出接入波導的另一端均與2X2耦合器耦合區的同一側相連接，其中輸入接入波導和輸出接入波導為2X2耦合器耦合區的兩個接入端；
第一傳輸波導和第二傳輸波導的一端分別與第一傳輸接入波導的一端、第二傳輸接入波導的一端相連接，第一傳輸接入波導的另一端、第二傳輸接入波導的另一端與2X2耦合器耦合區的另一側相連接，其中第一傳輸接入波導和第二傳輸接入波導為2X2耦合器耦合區的兩個接出端；第一傳輸波導和第二傳輸波導的另一端(末端)分別與第一反射鏡和第二反射鏡相連接；微加熱電極加熱金屬區和兩個微加熱電極觸點金屬區相連組成微加熱電極，兩個微加熱電極觸點金屬區位于微加熱電極加熱金屬區的兩端，微加熱電極加熱金屬區位于第一傳輸波導的正上方，用于對第一傳輸波導進行加熱，將外部注入的電能轉化為熱能，并向下傳遞至第一傳輸波導；微加熱電極觸點金屬區與外部電源相連，以實現對微加熱電極加熱金屬區的供電。
[0007]所述的微加熱電極由細長的加熱金屬區與寬大的觸點金屬區相連組成。
[0008]所述的輸入波導、輸出波導、第一傳輸波導、第二傳輸波導為單模傳輸波導。
[0009]所述的輸入接入波導、輸出接入波導、第一傳輸接入波導、第二傳輸接入波導、第一反射鏡接入波導、第二反射鏡接入波導均采用錐形線性漸變結構，其錐形角小于10度。
[0010]所述的2X2耦合器耦合區為多模波導或方向耦合器；所述的第一反射鏡、第二反射鏡為反射式布拉格光柵或光子晶體反射鏡。
[0011]本發明具有的有益的效果如下:
1.本發明的反射式熱光可調光衰減器，由于采用了反射式布拉格光柵結構，可使器件總體尺寸減小一半，同時其功耗較傳統的熱光可調光衰減器都減小一半。
[0012]2.本發明的反射鏡采用波導布拉格光柵或者光子晶體結構，可以采用標準平面光波導工藝制備，生產成本低，避免了傳統反射鏡所需的端面磨拋及蒸鍍反射膜層等復雜工藝，并且能在較大帶寬范圍內實現高反射率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明反射式可調光衰減器結構示意圖。
[0014]圖2是本發明輸出光功率隨外加電壓的響應曲線(通光波長為1550 nm時)。
[0015]圖中:輸入波導1、輸出波導2、輸入接入波導3、輸出接入波導4、2X2 f禹合器f禹合區5、第一傳輸接入波導6、第二傳輸接入波導7、第一傳輸波導8、第二傳輸波導9、第一反射鏡接入波導10、第二反射鏡接入波導11、第一反射鏡12、第二反射鏡13、微加熱電極加熱金屬區14和微加熱電極觸點金屬區15。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0017]如圖1所不,一種反射式熱光可調光衰減器,包括輸入波導1、輸出波導2、輸入接入波導3、輸出接入波導4、2X2稱合器稱合區5、第一傳輸接入波導6、第二傳輸接入波導7、第一傳輸波導8、第二傳輸波導9、第一反射鏡接入波導10、第二反射鏡接入波導11、第一反射鏡12、第二反射鏡13、微加熱電極加熱金屬區14和微加熱電極觸點金屬區15。
[0018]輸入波導1、輸出波導2分別與輸入接入波導3的一端、輸出接入波導4的一端相連接，輸入接入波導3的另一端、輸出接入波導4的另一端均與2 X 2耦合器耦合區5的同一側相連接，其中輸入接入波導3和輸出接入波導4為2X2耦合器耦合區5的兩個接入端；
第一傳輸波導8和第二傳輸波導9的一端分別與第一傳輸接入波導6的一端、第二傳輸接入波導7的一端相連接，第一傳輸接入波導6的另一端、第二傳輸接入波導7的另一端與2X2稱合器稱合區5的另一側相連接,其中第一傳輸接入波導6和第二傳輸接入波導7為2X2稱合器稱合區5的兩個接出端；第一傳輸波導8和第二傳輸波導9的另一端(末端)分別與第一反射鏡12和第二反射鏡13相連接；微加熱電極加熱金屬區14和兩個微加熱電極觸點金屬區15相連組成微加熱電極,兩個微加熱電極觸點金屬區15位于微加熱電極加熱金屬區14的兩端,微加熱電極加熱金屬區14位于第一傳輸波導8的正上方,用于對第一傳輸波導8進行加熱，將外部注入的電能轉化為熱能，并向下傳遞至第一傳輸波導8 ;微加熱電極觸點金屬區15與外部電源相連，以實現對微加熱電極加熱金屬區14的供電。
[0019]所述的微加熱電極由細長的加熱金屬區14與寬大的觸點金屬區15相連組成。
[0020]所述的輸入波導1、輸出波導2、第一傳輸波導8、第二傳輸波導9為單模傳輸波導。
[0021]所述的輸入接入波導3、輸出接入波導4、第一傳輸接入波導6、第二傳輸接入波導
7、第一反射鏡接入波導10、第二反射鏡接入波導11均采用錐形線性漸變結構，其錐形角小于10度。
[0022]所述的2X2耦合器耦合區5為多模波導或方向耦合器；所述的第一反射鏡12、第二反射鏡13為反射式布拉格光柵或光子晶體反射鏡。
[0023]本發明的工作原理如下:
如圖1所不，所述的輸入波導1、輸出波導2、輸入接入波導3、輸出接入波導4、2X2率禹合器稱合區5共同組成2X2稱合器,2X2稱合器將輸入波導I輸入的光分束成等功率、相位相差90度的兩束光分別從第一傳輸接入波導6和第二傳輸接入波導7輸出到第一傳輸波導8和第二傳輸波導9 ;其中，第一傳輸波導8上的微加熱電極加熱金屬區14通過外加電場將外部注入的電能轉化為熱能，并向下傳遞至第一傳輸波導8，通過熱光效應改變其折射率；然后第一傳輸波導8和第二傳輸波導9的光束分別經第一反射鏡12、第二反射鏡13反射，再經由第一傳輸波導8和第二傳輸波導9反射回2X2耦合器進行合束，從輸出波導2輸出。通過對工作電壓進行調節，可從輸出波導2得到高低不同的功率衰減程度，實現了可調諧光衰減器的功能。
[0024]本發明的工作過程為:
由橫電TE或橫磁TM兩個偏振各自的基模承載一路光信號從輸入波導I輸入。根據2X2稱合器的工作原理,將從與2X2稱合器稱合區5連接的第一傳輸接入波導6、第二傳輸接入波導7輸出兩路功率相等、相位相差90度的光信號至第一傳輸波導8和第二傳輸波導9。
[0025]理想狀態下，當微加熱電極不加電壓時，第一傳輸波導8和第二傳輸波導9只存在傳輸相位差，兩路光信號由第一反射鏡接入波導10、第二反射鏡接入波導11傳輸至第一反射鏡12,第二反射鏡13處并被反射,再經由第一傳輸波導8、第二傳輸波導9傳回2X2率禹合器稱合區5從第一傳輸接入波導6、第二傳輸接入波導7輸入,兩路光信號依然功率相等，相位相差90度，經由2X 2耦合器的逆工作過程，實現對兩路光信號的合束，并從2X 2耦合器的輸出接入波導4輸出至輸出波導2,實現無損耗輸出。
[0026]當微加熱電極加電壓使得第一傳輸波導8和第二傳輸波導9之間存在180度傳輸相位差，兩路光信號由第一反射鏡接入波導10、第二反射鏡接入波導11傳輸至第一反射鏡12、第二反射鏡13處并被反射，再經由第一傳輸波導8和第二傳輸波導9傳回2X2耦合器率禹合區5，并從第一傳輸接入波導6、第二傳輸接入波導7輸入,兩路光信號依然功率相等，但相位相差負90度，經由2 X 2耦合器的逆工作過程，實現對兩路光信號的合束，并從輸出接入波導4輸出至輸出波導2，實現輸出波導2的零輸出。通過對微加熱電極的工作電壓進行調節，使得第一傳輸波導8與第二傳輸波導9之間傳輸相位差在O至180度之間發生變化，可從輸出波導2得到高低不同的功率衰減程度，實現可調諧光衰減器的功能。
[0027]實施例1:一種反射式的熱光可調光衰減器。
[0028]選用基于硅絕緣體(SOI)材料的硅納米線光波導:芯層材料是娃，厚度為220nm ;上下包層材料均為二氧化娃，下包層厚度為2
μ m，上包層厚度為900nm。選用鉻/金材料作為金屬微加熱電極:上包層二氧化硅以上依次為金屬鉻，厚度20 nm,金屬金,厚度60 nm。微加熱電極加熱金屬區14的寬度為2 μ m,
長度為100 μ m ;微加熱電極的觸點金屬區15的尺寸為100 μ mXlOO μ m,以減少無
用的功率消耗。
[0029]輸入波導1、輸出波導2、第一傳輸波導8、第二傳輸波導9均為娃納米線波導,選取其寬度為500nm,使得僅支持基模傳輸。第一傳輸波導8、第二傳輸波導9長度相同，為
140 μ m。
[0030]2X2稱合器稱合區5米用多模波導結構。多模波導的寬度為4 m,多模波導的長度為18.6 μ mo輸入接入波導3、輸出接入波導4、第一傳輸接入波導6和第二傳輸接入波導7對稱分布在多模波導的兩側，距多模波導的中軸線3.1 μ m，上述波導均采用錐
形漸變設計，寬度從500 nm至I μ m，長度為2 μ m。根據FDTD數值模擬計算可知在此
設計參數下，能夠實現分光以及合束的功能，同時獲得較小的插入損耗。
[0031]第一反射鏡6、第二反射鏡7采用反射式的布拉格光柵結構，其參數為:寬度為
I μ m以減少插入損耗；周期為390 nm，占空比為0.5，周期數為16，以實現中心波長為1550nm附近的反射譜。
[0032]根據上述實施例制作硅納米線光波導的反射式可調光衰減器，并測量了可調光衰減器在不同外加電壓下的輸出光功率。如圖2所示，當外加電壓由OV逐漸上升為12V時，即可實現器件輸出的光功率大于35 dB的調諧。
[0033]上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種反射式熱光可調光衰減器，其特征在于包括輸入波導(I)、輸出波導(2)、輸入接入波導(3)、輸出接入波導(4)、2 X 2稱合器稱合區(5)、第一傳輸接入波導(6)、第二傳輸接入波導(7)、第一傳輸波導(8)、第二傳輸波導(9)、第一反射鏡接入波導(10)、第二反射鏡接入波導(11)、第一反射鏡(12)、第二反射鏡(15)、微加熱電極加熱金屬區(14)和微加熱電極觸點金屬區(15)。
2.如權利要求1所述的一種反射式熱光可調光衰減器，其特征在于: 輸入波導(I)、輸出波導(2)分別與輸入接入波導(3)的一端、輸出接入波導(4)的一端相連接，輸入接入波導(3)的另一端、輸出接入波導(4)的另一端均與2X2耦合器耦合區(5)的同一側相連接，其中輸入接入波導(3)和輸出接入波導(4)為2X2耦合器耦合區(5)的兩個接入端； 第一傳輸波導(8)和第二傳輸波導(9)的一端分別與第一傳輸接入波導(6)的一端、第二傳輸接入波導(7)的一端相連接，第一傳輸接入波導(6)的另一端、第二傳輸接入波導(7)的另一端與2X2稱合器稱合區(5)的另一側相連接,其中第一傳輸接入波導(6)和第二傳輸接入波導(7)為2X2稱合器稱合區(5)的兩個接出端；第一傳輸波導(8)和第二傳輸波導(9)的另一端分別與第一反射鏡(12)和第二反射鏡(15)相連接；微加熱電極加熱金屬區(14)和兩個微加熱電極觸點金屬區(15)相連組成微加熱電極,兩個微加熱電極觸點金屬區(15)位于微加熱電極加熱金屬區(14)的兩端,微加熱電極加熱金屬區(14)位于第一傳輸波導(8)的正上方，用于對第一傳輸波導(8)進行加熱，將外部注入的電能轉化為熱能，并向下傳遞至第一傳輸波導(8);微加熱電極觸點金屬區(15)與外部電源相連，以實現對微加熱電極加熱金屬區(14)的供電。
3.如權利要求1所述的一種反射式熱光可調光衰減器，其特征在于:所述的輸入波導`(I)、輸出波導(2)、第一傳輸波導(8)、第二傳輸波導(9)為單模傳輸波導。
4.如權利要求1所述的一種反射式熱光可調光衰減器，其特征在于:所述的輸入接入波導(3)、輸出接入波導(4)、第一傳輸接入波導(6)、第二傳輸接入波導(7)、第一反射鏡接入波導(10)、第二反射鏡接入波導(11)均采用錐形線性漸變結構，其錐形角小于10度。
5.如權利要求1所述的一種反射式熱光可調光衰減器，其特征在于:所述的2X2耦合器率禹合區(5)為多模波導。
6.如權利要求1所述的一種反射式熱光可調光衰減器，其特征在于:所述的2X2耦合器耦合區(5)為方向耦合器。
7.如權利要求1所述的一種反射式熱光可調光衰減器，其特征在于:所述的第一反射鏡(12)、第二反射鏡(15)為反射式布拉格光柵。
8.如權利要求1所述的一種反射式熱光可調光衰減器，其特征在于:所述的第一反射鏡(12)、第二反射鏡(15)為光子晶體反射鏡。
9.如權利要求1所述的一種反射式熱光可調光衰減器，其特征在于:所述的輸入波導(I)、輸出波導(2)、輸入接入波導(3)、輸出接入波導(4)、2X 2 I禹合器I禹合區(5)共同組成2X2耦合器，2X2耦合器將輸入波導(I)輸入的光分束成等功率、相位相差90度的兩束光分別從第一傳輸接入波導(6)和第二傳輸接入波導(7)輸出到第一傳輸波導(8)和第二傳輸波導(9);其中,第一傳輸波導(8)上的微加熱電極加熱金屬區(14)通過外加電場將外部注入的電能轉化為熱能，并向下傳遞至第一傳輸波導(8)，通過熱光效應改變其折射率；然后第一傳輸波導(8 )和第二傳輸波導(9 )分別經第一反射鏡(12 )、第二反射鏡(15 )反射,反射回2 X 2耦合器5進行合束，并經輸出接入波導(4)到輸出波導(2)后輸出。
10.如權利要求1所述的一種反射式熱光可調光衰減器，其特征在于:所述的微加熱電極加熱金屬區(14)位于第一傳輸波導(8)的正上方，用于對第一傳輸波導進行加熱，且通過對微加熱電極加熱金屬區(14)的工作電壓進行調節,使得第一傳輸波導(8)與第二傳輸波導(9)之 間傳輸相位差在O至180度之間發生變化。
【文檔編號】G02F1/01GK103439806SQ201310338566
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月6日 優先權日:2013年8月6日
【發明者】時堯成, 陳思濤, 戴道鋅, 何賽靈 申請人:浙江大學