阅读说明：本技术 一种宽带集成的三向波分复用器 (Broadband integrated three-way wavelength division multiplexer ) 是由 肖金标 陈静远 于 2020-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种宽带集成的三向波分复用器,包括硅波导的四端口MZI结构,两条作为电驱动的金属微带,键合在四端口MZI硅波导顶部的磁光缓冲介质。其中,金属微带沉积在磁光缓冲介质的上表面,并位于四端口MZI的双臂传输波导的的正上方。还包括制作在四端口MZI其中一个端口上的波导布拉格光栅,以及设置在MZI结构的一条臂上的作为外部加热器的线性相移器,以及一个硅材料的延迟线。集成电磁体的金属微带中通过的方向和大小均可调的电流产生磁光缓冲介质激活所必须的外部磁场。本发明结构简洁、紧凑,相比传统三向器的方案只使用了一个MZI结构,隔离度高,串扰小,克服了利用微环谐振器实现三向波分复用器功能所带来的带宽不理想的缺陷。(The invention discloses a broadband integrated three-way wavelength division multiplexer which comprises a four-port MZI structure of a silicon waveguide, two metal micro-strips serving as electric drives and a magneto-optical buffer medium bonded to the top of the four-port MZI silicon waveguide. Wherein a metal microstrip is deposited on the upper surface of the magneto-optical buffer medium and directly above the two-arm transmission waveguide of the four-port MZI. The four-port MZI structure further comprises a waveguide Bragg grating fabricated on one of the four-port MZI, a linear phase shifter as an external heater disposed on one arm of the MZI structure, and a delay line of silicon material. Current which passes through the metal microstrip of the integrated electromagnet and has adjustable direction and size generates an external magnetic field which is necessary for the activation of the magneto-optical buffering medium. The three-way wavelength division multiplexer has a simple and compact structure, only uses one MZI structure compared with the traditional three-way device, has high isolation and small crosstalk, and overcomes the defect of non-ideal bandwidth caused by the realization of the function of the three-way wavelength division multiplexer by using the micro-ring resonator.)

一种宽带集成的三向波分复用器

技术领域

本发明属于集成光学技术领域，涉及一种片上集成的宽带三向复用器。

背景技术

非互易光子器件是光通信系统中不可或缺的重要原件，主要包括隔离器与环形器，其功能是使光能够单向传输。隔离器是一种两端口器件，主要用在保护激光不受不利的反向传输光的干扰，环形器是多端口的隔离器，功能特性与隔离器相似。近年来，非互易器件在光通信其他领域的应用也得到了探索和发展，比如在光互连中实现了双向复用技术，从而在许多数据中心和电信业的应用中提升了网络容量，同时它们也是分布式光纤传感器和其他一些干涉型光纤传感器的主要组成部分。

随着大数据和通信网中宽带业务的迅速发展，光纤到户(FTTH)接入网由于其独特的技术优势应运而生，而其中具有波分复用(WDM)功能的三向器(Triplexer)作为FTTH中的重要组成部分近年来受到广泛关注。但现有片上三向器具有不少缺陷，比如：技术原理老化陈旧，光子集成度不高，整体尺寸较大。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种宽带集成的三向波分复用器，克服了利用微环谐振器实现三向波分复用器功能所带来的带宽不理想的缺陷。

技术方案：一种宽带集成的三向波分复用器，包括硅波导的四端口马赫增德尔干涉结构，两条作为电驱动的金属微带，键合在四端口马赫增德尔干涉结构硅波导顶部的磁光缓冲介质；其中，所述金属微带沉积在磁光缓冲介质的上表面，并位于所述四端口马赫增德尔干涉结构的双臂传输波导的的正上方；还包括制作在四端口马赫增德尔干涉结构其中一个端口上的波导布拉格光栅，以及设置在所述四端口马赫增德尔干涉结构的一条臂上的作为外部加热器的线性相移器，以及另一条臂上的一个硅材料的延迟线。

进一步的，所述磁光缓冲介质包括直接键合在硅波导顶部的磁旋光介质层，所述磁旋光介质层的为掺铈钇铁石榴石，以及位于所述磁旋光介质层顶部的缓冲介质层，所述缓冲介质层为钆镓石榴石缓冲衬底。

进一步的，所述金属微带的宽度大于下侧的硅基波导。

进一步的，所述三向波分复用器还包括硅衬底，硅衬底上设置有二氧化硅掩埋层，所述二氧化硅掩埋层上设置有二氧化硅包层。

进一步的，通过改变延迟线的长度调节所述硅波导的四端口马赫增德尔干涉结构的自由谱范围的大小；通过调控所述线性相移器的温度高低使所述硅波导的四端口马赫增德尔干涉结构的传输谱整体左右平移，从而使所述传输谱的峰值或者谷值与输入光信号的中心频率相互准直；通过调控输入到所述金属微带的驱动电流，或所述磁光缓冲介质的稀土掺杂浓度，或改变磁光缓冲介质对所述马赫增德尔干涉结构双臂的覆盖长度，使非互易频移正好是所述自由谱范围的一半，即所述三向波分复用器的前向/逆向传输谱曲线的波峰/波谷正好落在逆向/前向传输谱曲线的波谷/波峰的位置。

进一步的，所述三向波分复用器的O波段，S波段和C波段的中心波长分别为：1310nm，1490nm和1550nm，其中S和C波段为下行信号，O波段为上行信号；所述自由谱范围的大小设为30nm或者40nm，若自由谱范围＝40nm，直通端口前向谱的峰值对准1490nm，而波谷对准1310nm和1550nm，同时所述波导布拉格光栅反射O波段信号；若自由谱范围＝30nm，交叉端口前向谱的峰值分别对准1310，1490和1550nm，而所述波导布拉格光栅则反射C波段的输入信号。

有益效果：本发明的一种宽带集成的三向波分复用器，主要包括两条基于通电金属微带的集成可调电磁体，基于绝缘体上硅(SOI晶圆)为载体的马赫增德尔干涉(MZI)结构，以及通过脉冲激光沉淀(PLD)制作在MZI结构中的磁性铁氧化物薄膜—掺铈钇铁石榴石(Ce：YIG)。MZI结构包括两个3dB四端口耦合器，MZI结构的两端分别具有第一至第四光信号输入输出端口。选择一个端口附近级联均匀波导布拉格光栅(WBG)，集成电磁体的金属微带中通过的方向和大小均可调的电流产生磁光介质Ce：YIG激活所必须的外部磁场。引入磁光(MO)介质的部分可以使入射的横磁模信号(TM)获得较大的非互易相移，而横电模信号(TE)产生非互易相移则较弱。并且双臂上的非互易相移大小相等，符号相反，分别为前向的±π/4或者逆向的具体优点有：

1.结构简单，隔离度高，损耗低，串扰小，紧凑便于集成，可实现大范围的光波导集成，大批量生产降低成本，易于实现商业化，能够在实际生活中得到广泛应用。

2.核心部件为磁光介质直接键合到硅波导顶面的非互易四端口马赫增德尔干涉结构，具有很高的可靠性，尺寸小，光场强度高，诱导的非互易相移大，隔离度高，不同端口之间串扰小，MZI结构可以在一定程度上扩展波分复用器件的带宽。

3.这里提出的适用于TM模式的三向波分复用器本质是一个分插型四端口基于MZI的隔离器结构，可实现三向器整体尺寸很大程度的缩小，缩短光程，从而减小光模辐射，使得制作的器件更加紧凑、易于集成、隔离度高。

附图说明

图1为本发明三向波分复用器的俯视图；

图2为图1中马赫增德尔干涉结构一条臂的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种宽带集成的三向波分复用器，包括硅波导的四端口马赫增德尔干涉结构5，两条与外电源接通作为电驱动的金属微带8，通过直接键合技术制作在四端口马赫增德尔干涉结构5硅波导顶部的磁光缓冲介质7。三向波分复用器还包括制作在四端口马赫增德尔干涉结构5其中一个端口上的波导布拉格光栅10，以及设置在四端口马赫增德尔干涉结构5的一条臂上的基于热敏合金并作为外部加热器的线性相移器9，以及另一条臂上的一个硅材料的延迟线△L 6。本发明的三向波分复用器还包括硅衬底，硅衬底上设置有二氧化硅掩埋层11，二氧化硅掩埋层11上设置有二氧化硅包层。四端口马赫增德尔干涉结构的第一至第四光信号端口1～4如图1所示。

如图2所示，磁光缓冲介质7包括直接键合在硅波导顶部的磁旋光介质层，磁旋光介质层的主成分为掺铈钇铁石榴石，以及位于磁旋光介质层顶部的缓冲介质层，缓冲介质层为打薄的钆镓石榴石缓冲衬底(GGG)。金属微带8沉积在磁光缓冲介质的上表面，并位于四端口马赫增德尔干涉结构5的双臂传输波导的的正上方。金属微带8被打薄，并且金属微带8的宽度大于下侧的硅基波导。图2中，附图标记12为金属微带8通电后产生的外部磁场线。

以上三向波分复用器中的非互易MZI器件的相反方向的传输谱有两种不同的设计方案，两种方案中的自由谱范围和非互易频率有所不同，但非互易频移都设计调整为FSR的一半大小。具体的：

在第一种WDM方案中，设定△L的长度使得MZI的自由谱范围FSR＝40nm，通过设定MO介质在MZI双臂上的覆盖长度，调节金属微带8中相同的电流强度的大小，以及MO介质中稀土的浓度可以使得反向传输曲线相对于正向传输曲线移动了FSR/2＝20nm，通过控制线性相移器

的大小，使得直端口前向谱的峰值对准1490nm，谷值对准1310和1550nm，WBG的频率响应中心波长为1310nm。所以，1310nm信号正向传播时从交叉端口出，而反向传播时从直通端口出，而1490和1550nm的信号正向传播时，1490nm光信号从直通端口出，1550nm光信号从交叉端口出。因此，1→2端口和1→4端口分别是S和C波段的下行通道；3→2→1端口是O波段入射信号的上行通道，具体的说，O波段从3端口入射，然后到达加有WBG的2交叉端口，对于3端口，2号端口是其交叉端口，经过WBG反射后从相对于2号端口的直通端口1处出射。

在第二种波分复用的方案中，通过调整延迟线△L长度使得硅波导MZI结构的自由谱范围缩短为30nm，也可以通过改变MO介质对MZI双臂的覆盖长度，或者两个金属微带中通导电流的大小，甚至是MO介质中稀土掺杂的浓度都可以调整相反方向传输谱之间非互易频移的大小，使之等于自由谱范围的一半，即15nm。注意在调控的过程中，两条相同尺寸的金属微带中的电流应该大小相等，方向相反，以使通过MO介质波导段的TM光信号可以过得大小相等，方向相反的非互易相移。延迟线传输后不同频率的光波得到不同的相移导致传输曲线的自由谱范围的增加或者减少。线性相移器只是通过温度场改变MZI一段波导材料的折射率，所以不同波长的光波得到相同的相移，所对应的传输谱只是简单地左右平移。因此，调节线性相移器外接热源温度的高低可以使交叉端口前向谱线的峰值位置分别都对准1310nm，1490和1550nm，同时WBG的频响谱中心反射波长对准1550nm。经过这样的传输谱的设计，O波段信号正向传播时从交叉口1和4,2和3出射，而反向传播时从直通口1和2,3和4出射；此处从左向右是前向；从右向左时反向。另一方向，S和C波段作为下行信号，正向传输都从交叉口出射，但通过在交叉口制作反射中心波长为1550nm的WBG，可以使C波段信号在交叉口被反射后重新进入MZI结构，由于非互易MZI结构的反向隔离特性，C波段从直通口出射，从而分离开C和S波段信号。具体的说，S和C波段从3号端口入射后从左至右正向传输后都到达交叉端口2号口。2号端口有反射C波段信号的WBG将1550nm的光波反射后从右至左传播，由于非互易的MZI器件的反向隔离特性，1550nm为中心波长的C波段信号将从直通端口即1号端口出射，而1490nm为中心波长的S波段信号依然从2号端口出射，从而成功将S和C波段信号分离开来。C波段的传输轨迹为3→2→1；S波段的传输轨迹为3→2；另一方面，O波段作为上行信号，从4号端口入射，再从直通端口3号口出射，即4→3的传输轨迹，从而完成了所有波长信道的传输工作。

本发明基于非互易材料的性能和优点对光接入网中的关键器件——三向器进行新的探索，提出了一种基于硅波导布拉格光栅和具有非互易特性的MZI结构相结合的针对TM模光信号输入的片上宽带三向波分复用的实施方案。它具有高隔离度、高性能、结构新颖、技术创新并且性能集成度高等优点，同时又具有很高的稳定性，在光子集成领域有很大的潜在应用前景和价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。