具有光开关作用的多段光放大耦合器
阅读说明：本技术 具有光开关作用的多段光放大耦合器 (Multi-segment light amplifying coupler with optical switching function ) 是由 祝宁华 徐长达 刘泽秋 袁海庆 于 2021-01-12 设计创作，主要内容包括：本公开提供一种具有光开关作用的多段光放大耦合器,包括：衬底层；下限制层,设置于所述衬底层上；下波导层,设置于所述下限制层上；有源层,设置于所述下波导层上,用于产生光增益；上波导层,设置于所述有源层上；上限制层,设置于所述上波导层上,所述上限制层制备有脊波导组；绝缘层,设置于所述上限制层上及所述脊波导组的侧壁；以及欧姆接触层,设置于所述脊波导组上；其中,所述绝缘层和欧姆接触层的表面设置有多段分立的P面电极,进行设定电流的注入后,形成具有输入放大器段、耦合放大器段、以及输出放大器段的光放大耦合器。(The present disclosure provides a multi-section optical amplifying coupler with optical switching, comprising: a substrate layer; a lower confinement layer disposed on the substrate layer; the lower waveguide layer is arranged on the lower limiting layer; an active layer disposed on the lower waveguide layer for generating optical gain; an upper waveguide layer disposed on the active layer; the upper limiting layer is arranged on the upper waveguide layer, and a ridge waveguide group is prepared on the upper limiting layer; the insulating layer is arranged on the upper limiting layer and the side wall of the ridge waveguide group; and an ohmic contact layer disposed on the ridge waveguide group; and multiple sections of separated P-surface electrodes are arranged on the surfaces of the insulating layer and the ohmic contact layer, and after the set current is injected, the optical amplification coupler with an input amplifier section, a coupling amplifier section and an output amplifier section is formed.)
技术领域
本公开涉及通信技术领域，尤其涉及一种具有光开关作用的多段光放大耦合器。
背景技术
近年来，随着光通信行业的蓬勃发展，光纤通信技术从最初的单波长的光时分复用发展到现在广泛应用的多波长光波分复用，下一步的发展目标是建立起全光网络，而光开关与光放大器是全光网络的重要器件。光开关起着上下路信号和其他光路之间光互连的作用，控制着光路的通断；光放大器主要作用是对输入光进行放大，补偿光在链路中的损耗，为光网络提供能量补给。
光放大器主要分为掺铒光纤放大器(EDFA)与半导体光放大器(SOA)，EDFA虽然对1.5um波段的信号放大具有显著的优势，但对于1.3um波段的光没有放大能力，而SOA的增益波长可以通过调整有源层组分来控制，SOA还具有较大的增益带宽，可以实现1.5um波段之外的光放大。因此，随着全光网络的不断推进，未来整个通信系统必然会对SOA器件有着更高的需求。
现在国内外集成光开关主要有以下几种类型，包括微机械系统(MEMS)，马赫曾德干涉仪(MZI)、多模干涉耦合(MMI)、微环结构、定向耦合结构。MEMS光开关响应速度较慢，微环结构对于精度有较高的要求。MZI与MMI结构，功耗较大。上述光开关都是基于硅基材料，硅基波导与光纤在光耦合损耗很大，并且硅基材料对于通信波长很难起到放大补偿的作用。
随着光电集成器件的发展，光开关与光放大器同时出现在集成链路中的需求与日俱增。但现有通过键合工艺将分立片上器件集成在一起的方法，具有片上器件之间耦合损耗大，系统复杂度高，能耗大，体积大，可靠性低等缺点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种具有光开关作用的多段光放大耦合器，以缓解现有技术中通过键合工艺将分立片上器件集成在一起时使得片上器件之间耦合损耗大，系统复杂度高，能耗大，体积大，可靠性低等等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种具有光开关作用的多段光放大耦合器，包括：衬底层；下限制层，设置于所述衬底层上；下波导层，设置于所述下限制层上；有源层，设置于所述下波导层上，用于产生光增益；上波导层，设置于所述有源层上；上限制层，设置于所述上波导层上，所述上限制层制备有脊波导组；绝缘层，设置于所述上限制层上及所述脊波导组的侧壁；以及欧姆接触层，设置于所述脊波导组上；其中，所述绝缘层和欧姆接触层的表面设置有多段分立的P面电极，进行设定电流的注入后，形成具有输入放大器段、耦合放大器段、以及输出放大器段的光放大耦合器。
在本公开实施例中，所述脊波导组包括输入脊波导，以及输出脊波导。
在本公开实施例中，所述输入放大器段和输出放大器段中输入脊波导和输出脊波导之间不进行相互光耦合，为非耦合区。
在本公开实施例中，形成非耦合区的方式包括：扩大输入脊波导和输出脊波导之间的间距；或在输入脊波导和输出脊波导之间填充隔离层或吸收区。
在本公开实施例中，所述耦合放大器段的输入脊波导和输出脊波导通过缩小间距进行耦合。
在本公开实施例中，所述耦合放大器段通过在输入脊波导和输出脊波导之间设置一直波导进行耦合。
在本公开实施例中，所述耦合放大器段通过在输入脊波导和输出脊波导之间设置微环波导进行耦合。
在本公开实施例中，所述耦合放大器段通过多模干涉结构耦合。
在本公开实施例中，所述输入脊波导或输出脊波导的形式选自直波导、斜波导或弯曲波导；所述输入脊波导或输出脊波导的宽度采用渐变式或恒定值。
在本公开实施例中，在工作时，光从输入脊波导的一侧进行输入，先经过输入放大器段进行放大，然后经过耦合放大器段耦合进入输出脊波导，并从输出放大器段另一侧进行放大后输出；通过控制耦合放大器段的电极输入电流，使耦合放大器段处于吸收或放大状态来调节输出光强，实现耦合区小电流控制跨波导的大输出光强的目的。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开具有光开关作用的多段光放大耦合器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)利用现在成熟的脊波导制作工艺，在同一外延片上集成多段光放大器，无需多次外延及有源层的对接生长；
(2)不仅制作工艺成熟，而且可以实现耦合区小电流控制跨波导的大输出光强的目的。
附图说明
图1是本公开实施例的具有光开关作用的多段光放大耦合器的立体结构示意图。
图2是本公开实施例的具有光开关作用的多段光放大耦合器的俯视结构示意图。
图3是本公开实施例的具有光开关作用的多段光放大耦合器的侧视结构示意图。
图4是本公开实施例的具有光开关作用的多段光放大耦合器的一种弯曲脊波导组的结构示意图。
图5是本公开实施例的具有光开关作用的多段光放大耦合器的一种出光面为侧面，采用弯曲脊波导组的结构示意图。
图6是本公开实施例的具有光开关作用的多段光放大耦合器的一侧端面具有抗反射结构的脊波导组的结构示意图。
图7是本公开实施例的具有光开关作用的多段光放大耦合器的耦合放大器段输入脊波导和输出脊波导之间设置直波导进行耦合的结构示意图。
图8是本公开实施例的具有光开关作用的多段光放大耦合器的耦合放大器段设置微环波导结构进行耦合的结构示意图。
图9是本公开实施例的具有光开关作用的多段光放大耦合器的耦合放大器段设置微环波导结构进行耦合且出光面为测面的结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-衬底层；2-下限制层；3-下波导层；4-有源层；
5-上波导层；6-上限制层；7-绝缘层；8-脊波导组；
9-P面电极；10-输入脊波导；11输出脊波导。
具体实施方式
本公开提供了一种具有光开关作用的多段光放大耦合器，其包括输入脊波导与输出脊波导，每个波导都可以看作是一个多段光放大器，设置多个电极对每段进行不同的控制。通过设计波导形状，使得输入光仅在耦合区可以从输入脊波导耦合到输出脊波导。因此光从输入脊波导的一侧进行输入，先经过一段光放大器进行放大，经过耦合区进入输出脊波导，并从输出脊波导的另一侧进行放大后输出；经过耦合区后仍然残留在输入脊波导中的光，也会被没有电流注入的光放大器吸收掉，与抗反射结构一起防止光在波导中来回振荡。除此之外，本公开可以通过控制耦合区的电流来使耦合区内光放大器处于放大或吸收状态，并由此来控制输出脊波导最终的输出光强。因为光放大器的透明电流相较于工作电流要小很多，因此这种多段光放大耦合器可以可以实现耦合区小电流控制跨波导的大输出光强的目的。本公开具有相同的外延层结构，无需多次外延及对接生长，可以利用成熟的脊波导工艺来制作。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种具有光开关作用的多段光放大耦合器，结合图1至图9所示，所述具有光开关作用的多段光放大耦合器其包括：
衬底层1；
下限制层2，设置于所述衬底层上；
下波导层3设置于所述下限制层上；
有源层4，设置于所述下波导层上，用于产生光增益；
上波导层5，设置于所述有源层上；
上限制层6，设置于所述上波导层上，所述上限制层制备有脊波导组；
绝缘层7，设置于所述上限制层上及所述脊波导组的侧壁；
欧姆接触层，设置于所述脊波导组8上；
其中，所述绝缘层和欧姆接触层的表面设置有多段分立的P面电极9，在分别进行设定电流的注入后，形成具有输入放大器段、耦合放大器段、以及输出放大器段的光放大耦合器。
在本公开实施例中，所述脊波导组包括输入脊波导10，以及输出脊波导11；
在本公开实施例中，所述输入放大器段和输出放大器段中输入脊波导和输出脊波导之间不能进行相互光耦合；形成非耦合区的方式主要有扩大输入脊波导和输出脊波导之间的间距、在输入脊波导和输出脊波导之间填充隔离层和吸收区。
在本公开实施例中，仅所述耦合放大器段将从输入脊波导输入的光耦合至输出脊波导后输出，所述耦合放大器段位于光放大耦合器的中间段；所述输入放大器段和输出放大器段位于光放大耦合器的边缘处，例如图1至图3所示，输入放大器段和输出放大器段分别位于光放大耦合器的左右两端。
在本公开实施例中，如图4-图6所示，所述耦合放大器段的输入脊波导和输出脊波导通过缩小间距进行耦合；或如图7所示，所述耦合放大器段通过在输入脊波导和输出脊波导之间设置一直波导进行耦合；或如图8-图9所示，所述耦合放大器段通过在输入脊波导和输出脊波导之间设置微环波导进行耦合；或通过MMI(Multimode Interference，多模干涉)结构耦合。
在本公开实施例中，如图2所示，在脊波导组旁的绝缘层7与脊波导组表面的欧姆接触层上设置有的多个独立的P面电极9。该多段光放大耦合器通过刻蚀形成两个脊波导结构，分别为输入脊波导和输出脊波导，其特征在于输入脊波导和输出脊波导仅在中间段部分形成光耦合区，其余脊波导部分不能相互光耦合。P面电极对不同的段(输入放大器段、耦合放大器段、输出放大器段)进行不同的电流注入，形成多段光放大耦合器。
在本公开实施例中，如1和图3所示，在刻蚀脊波导组时，为刻蚀到上限制层的浅刻蚀结构，但此多段光放大耦合器不局限于采用浅刻蚀方案，还可以采取刻蚀到上波导层、有源层甚至下波导层与下限制层的深刻蚀方案。
在本公开实施例中，脊波导组中的脊波导可采用直波导、斜波导与弯曲波导的多种组和形式；脊波导组中的脊波导的宽度可采用渐变式、恒定值的多种组和方式；脊波导组中的脊波导的前、后段长度可以取不同值。
在本公开实施例中，可以通过控制脊波导间距的方式来确保两个脊波导在非耦合区内不会进行光耦合，但此多段光放大耦合器不局限于采用此方式，还可采用设置光隔离区和吸收区等多种方式。
在本公开实施例中，如图2所示，输入脊波导和输出脊波导的前、后两段被四个相互独立的电极控制，但两个脊波导的中段，即耦合放大器段，根据不同的耦合方式，可以采用一个或多个电极进行控制。
在工作时，光从输入脊波导的一侧进行输入，先经过输入放大器段进行放大，然后经过耦合放大器段耦合进入输出脊波导，并从输出放大器段另一侧进行放大后输出。经过耦合放大段后仍然残留在输入脊波导中的光，会被无电流注入下的输出光放大器吸收掉，与抗反射结构共同作用，防止光在输入脊波导中来回振荡。从而在应用中，我们通过控制耦合放大器段处于吸收或放大状态来调节输出光强，可以实现耦合区小电流控制跨波导的大输出光强的目的。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开具有光开关作用的多段光放大耦合器有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种具有光开关作用的多段光放大耦合器，通过控制耦合放大器段(耦合区)的电流来使耦合放大器段处于放大或吸收状态，并由此来控制输出脊波导最终的输出光强。因为光放大器的透明电流相较于工作电流要小很多，因此这种多段光放大耦合器可以可以实现耦合区小电流控制跨波导的大输出光强的目的。本公开具有相同的外延层结构，无需多次外延及对接生长，可以利用成熟的脊波导工艺来制作。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
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