一种硅基集成化光模式数据交换器的制作方法

本发明属于光数据网络交换技术领域，涉及一种硅基集成化光模式数据交换器。

背景技术：

随着信息时代的发展，人们对大容量、高速率通信的要求也越来越高。为了适应日益增长的需求，现已研究出很多高速光传输方面的重大技术成就，如时分复用技术、码分复用技术、波分复用技术、空分复用技术、模式复用技术等。其中波分复用，尤其是密集波分复用技术已广泛应用于现代光纤通信技术中。然而，随着需求的日益增长，波分复用技术也将面临其瓶颈，并且随着复用波长数量的增加，波分复用所需的激光源数量势必需要增加很多，这无疑大大增加了运行成本。为了解决这一问题，研究人员提出了一种新的信号复用方式，即模式复用。所谓模式复用技术，就是将光的不同模态复用到一根多模光纤或少模光纤上传输，并在接收端将不同的模态解复用成相应的信号的技术。

在很早以前人们就发现了光的不同模态的存在，并且不同模态之间会发生色散和串扰。为了避免色散和串扰，得到稳定且质量好的激光，人们将主要精力放在单模激光器和单模光纤的研究上。然而单模并不能满足传输容量的需求，光的多模态又回到人们的研究视野中。光的模态作为光的一种维度，跟光的波长一样可以作为光通信中的一种重要复用形式。特定的模式转换器能将现有市面上广泛使用的单模激光和单模光纤中的基模光信号转换成某种特定模式的光信号，将多种模式复用到一根多模光纤中传播，这样就能成倍提高通信容量，而所需的激光器数量相对于波分复用将大大减少。此外，将模式复用技术和现有时分复用、波分复用等技术结合起来，可以在降低成本的同时成倍提高信道容量。

目前已经研究出了各种模式复用器件，但模式复用技术相关的其他重要技术的研究还相对较少。模式交换器在波分复用系统中的作用和波长交换器在波分复用系统中的作用一样，能够大量节省建网和网络升级成本，提高网络的重构灵活性和生存性，更加灵活、有效地提高宽带利用率，是光模式复用技术中至关重要的一种器件。所谓模式交换器就是将两个或多个光信号所携带的光模态相互交换，从而实现数据和信号的网络传输、交换、导流等功能。

中国华中科技大学的王健等研究人员发表于2015年的科技论文“On-chip optical mode exchange using tapered directional coupler”（Scientific Reports, Vol. 5, Article number: 16072）在大量仿真的基础上基于渐变锥的定向耦合器提出了一种模式交换器。但该方法的器件尺寸较大，且效率较低。

中国华中科技大学的余宇等研究人员发表于2016年的科技论文“On-chip data exchange for mode division multiplexed signals”（Optics Express Vol. 24, Issue 1, pp. 528-535）提出了一种基于微环谐振器的光模式数据交换器，但器件所需微环个数较多，且尺寸相对较大，不利于器件稳定和大面积集成。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种硅基集成化光模式数据交换器，以解决光通信模式复用技术中的数据网络交换、数据导流等问题，并利用现代的工艺技术以保持器件的小体积、低功耗及低成本，期望实现在将来的光通信及光网络中发挥重要的作用。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种硅基集成化光模式数据交换器，包括第一微环谐振器和第二微环谐振器，第一微环谐振器包括依次平行设置的第一直波导、第三直波导和第四直波导，第一直波导的一端通过绝热锥与第二直波导的一端相连，第二直波导的另一端通过第一弯波导与第四直波导的一端相连，第四直波导的另一端通过第二弯波导与第三直波导的一端相连，第三直波导的另一端为自由端；第二直波导的宽度、第三直波导的宽度、第一弯波导的宽度、第四直波导的宽度、第二弯波导的宽度和第一硅基纳米线微环的波导宽度相同，第一直波导的宽度大于第二直波导的宽度；第一直波导和第三直波导之间设有第一硅基纳米线微环，第一硅基纳米线微环与第三直波导之间的距离等于第一硅基纳米线微环与第一直波导之间的距离；

第二微环谐振器包括平行设置的第五直波导和第七直波导，第七直波导的一端通过另一个绝热锥与第六直波导相连，第七直波导的宽度大于第六直波导的宽度，且第七直波导的宽度与第一直波导的宽度相同，第七直波导的另一端与第一直波导的另一端相连，第七直波导和第五直波导之间设有第二硅基纳米线微环，第二硅基纳米线微环与第五直波导之间的距离和第二硅基纳米线微环与第七直波导之间的距离相同，且等于第一硅基纳米线微环与第一直波导之间的距离。

本发明光模式数据交换器利用相对简单的结构将传统波分复用技术中的波长交换的概念借鉴到了最新的光模式复用技术中，提出了一种光模式交换器，可以实现高速大容量的数据交换、信息导流和复杂信息处理。此外利用现成的工艺技术，可以使得器件体积小，功耗低，扩展性好，便于与电学元件集成，以期望本发明在光通信、光网络及光子计算机中发挥重要的作用。

附图说明

图1是本发明光模式数据交换器的结构示意图。

图2是本发明光模式数据交换器的主干波导的示意图。

图3是本发明光模式数据交换器模式交换的基本原理图。

图4是本发明中带有调谐电极的波导的横截面结构示意图。

图5是本发明光模式数据交换器的第一微环谐振器的原理图。

图6是本发明光模式数据交换器的第二微环谐振器的原理图。

图中：1.第一微环谐振器，2.第二微环谐振器，1-1.第一直波导，1-2.第二直波导，1-3.第三直波导，1-4.第一弯波导，1-5.第四直波导，1-6.第二弯波导，2-1.第五直波导，2-2.第六直波导，2-3.第七直波导。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

美国康奈尔大学和哥伦比亚大学的Michal Lipson等研究人员发表于2014年的科技论文“WDM-compatible mode-division multiplexing on a silicon chip”（Nature Communications, VOL. 5, Article number: 3069）基于非对称耦合区的微环谐振器提出了一种光模式复用/解复用器，为模式复用技术的进步起到了巨大的推动作用。本发明光模式数据交换器的模式交换和模式复用原理也主要基于类似这种非对称耦合区结构的微环谐振器。

本发明提供了一种如图1所示的硅基集成化光模式数据交换器，包括第一微环谐振器1和第二微环谐振器2。第一微环谐振器1包括依次平行设置的第一直波导1-1、第三直波导1-3和第四直波导1-5，第一直波导1-1的一端通过“绝热锥”（Adiabatic Taper）与第二直波导1-2的一端相连，第二直波导1-2的另一端通过第一弯波导1-4与第四直波导1-5的一端相连，第四直波导1-5的另一端通过第二弯波导1-6与第三直波导1-3的一端相连，第三直波导1-3的另一端为自由端；第二直波导1-2的宽度、第三直波导1-3的宽度、第一弯波导1-4的宽度、第四直波导1-5的宽度、第二弯波导1-6的宽度和第一硅基纳米线微环MRR1的波导宽度相同，第一直波导1-1的宽度大于第二直波导1-2的宽度；第一直波导1-1和第三直波导1-3之间设有第一硅基纳米线微环MRR1，第一硅基纳米线微环MRR1与第三直波导1-3之间的距离等于第一硅基纳米线微环MRR1与第一直波导1-1之间的距离。

第二微环谐振器2包括平行设置的第五直波导2-1和第七直波导2-3，第七直波导2-3的一端通过绝热锥与第六直波导2-2相连，第七直波导2-3的宽度大于第六直波导2-2的宽度，且第七直波导2-3的宽度与第一直波导1-1的宽度相同，第七直波导2-3的另一端与第一直波导1-1的另一端相连，第七直波导2-3和第五直波导2-1之间设有第二硅基纳米线微环MRR2，第二硅基纳米线微环MRR2与第五直波导2-1之间距离和第二硅基纳米线微环MRR2与第七直波导2-3之间的距离相同，且等于第一硅基纳米线微环MRR1与第一直波导1-1之间的距离。第五直波导2-1的宽度、第六直波导2-2的宽度和第二硅基纳米线微环MRR2的波导宽度均与第二直波导1-2的宽度相同。第七直波导2-3的波导宽度与第一直波导1-1的波导宽度相同。

依次相连的第二直波导1-2、第一直波导1-1、第七直波导2-3和第六直波导2-2组成图2所示的主干波导。窄波导和宽波导之间通过两个足够长的“绝热锥”连接，“绝热锥”的宽度从窄波导的宽度线性渐变为宽波导的宽度，并且“绝热锥”的长度足够长，这样“绝热锥”波导侧边的扩展慢于光模式的衍射扩展，从而能确保基模在通过时不发生模式转换，减少了模式之间的串扰。

第一微环谐振器1是由一根弯曲波导和一个环形波导构成的非对称耦合结构的微环谐振器；该弯曲波导由第一直波导1-1、第二直波导1-2、第一弯波导1-4、第四直波导1-5、第二弯波导1-6和第三直波导1-3构成，该环形波导为第一硅基纳米线微环MRR1。第二微环谐振器2是由两个宽度不同平行波导（第五直波导2-1和第七直波导2-3）和一个环形波导（第二硅基纳米线微环MRR2）构成的非对称耦合结构的微环谐振器。两个微环谐振器中的硅基纳米线微环（即第一硅基纳米线微环MRR1和第二硅基纳米线微环MRR2）的波导宽度和窄波导（即第二直波导1-2、第一弯波导1-4、第四直波导1-5、第二弯波导1-6、第三直波导1-3、第五直波导2-1和第六直波导2-2）的宽度相同，两硅基纳米线微环和相应的直波导之间都有预定的耦合距离，并且两个硅基纳米线微环的半径相同。

第六直波导2-2的另一端为输入端Y，第五直波导2-1的与输入端Y相对的一端为输入端X。当光信号从Y端输入时，器件的输出端为X；当光信号从X端输入时，输出端为Y。第五直波导2-1与输入端Y相对应的一端为Z，该端为自由端。

第一硅基纳米线微环MRR1和第二硅基纳米线微环MRR2结构相同，可为圆形或跑道形。

本发明光模式转换器中的所有单元均采用硅基纳米线波导制作而成。

第一微环谐振器1用于实现模式交换功能，第二微环谐振器2具有产生复用在一起的两种光模式和解复用两种模式的功能。本发明硅基集成化光模式数据交换器模式交换的基本原理图，如图3所示，模态为模式一的信号一和模态为模式二的信号二经过模式数据交换器之后两者的模式发生交换，信号内容不变，即原信号一由模式一变成模式二，而信号二由模式二变成了模式一；可见经过模式交换后，两个信号的内容不变，所携带的模式发生交换。

本发明硅基集成化的光模式数据交换器主要包括两个部分：第一部分为基于微环谐振器的模式交换器，是实现模式交换功能的部分；第二部分为基于微环谐振器的模式复用/解复用器，其目的是为了产生复用的两束信号和方便模式交换后解复用测试或输入下一级信息处理。端口X、Y为连续激光信号的输入/输出端，两个微环大小相同，各自与相应波导的距离对应相等。

本发明光模式数据交换器的基本结构为微环谐振器，采用硅基集成纳米线波导制作。该光模式数据交换器由两个非对称耦合区的微环谐振器构成，为保证两个微环谐振器的谐振波长完全相同，两个硅基纳米线微环的半径、耦合间距、相应的直波导的宽度等参数完全对应相同，并且两个硅基纳米线微环上都设有调谐电极。本发明硅基集成化的光模式数据交换器有两个处于工作波长的连续基模光信号输入，输出是对两个光信号序列进行模式交换后的光信号序列。输出的光信号可以在光纤中传输后进行测试或直接进入下一级的信息处理。

带有调谐电极的波导的横截面结构，如图4所示，包括衬底Si，衬底Si上设有SiO₂层，SiO₂层上设有Si波导芯区和调谐电极，波导和调谐电极周围均包围着SiO₂。Si波导芯区的宽度为W，Si波导芯区的高度为H；Si波导芯区顶面与调谐电极底面之间的距离为d_SiO2。

硅基集成化微环谐振器可以采用SOI、SiN和Ⅲ-Ⅴ族材料实现。本发明光模式数据交换器是基于SOI材料实现的，SOI材料的突出优点是：工艺方面与传统CMOS工艺是兼容的，从而可以利用现成的CMOS工艺技术，使得器件体积小、功耗低、扩展性好，便于与电学元件集成。本发明光模式数据交换器之所以具有这些优点，与它所采用的材料属性及器件工作原理关系密切。

首先，在材料方面，本发明光模式数据交换器采用的是绝缘衬底上的硅（Silicon-On-Insulator，SOI）材料。SOI 是指在SiO₂绝缘层上生长一层具有一定厚度的单晶硅薄膜，其工艺与现在微电子领域广泛应用的CMOS工艺是兼容的。利用SOI材料制成的硅波导，其芯层是Si（折射率为3.45），包层是SiO₂（折射率为1.44），这样包层和芯层的折射率差很大，所以该波导对光场的限制能力很强使得其弯曲半径可以很小（目前已有基于SOI材料弯曲波导的弯曲半径达到1.5微米的报道），从而使器件的面积很小，在一块芯片上可以制作出多个器件。传统波导器件（如LiNbO₃）的弯曲半径普遍在毫米甚至厘米量级，极大的占用了芯片面积，一块芯片上通常只能放下一个器件。

其次，在器件方面，本发明光模式数据交换器的基本单元为基于硅基纳米线波导的微环谐振器，它是一种功能多样，性能优越，近年来被广泛研究的集成光学元件。利用微环谐振器结构可以实现光缓存、光调制器、光滤波器、光分插复用器、光学逻辑门、光模式复用/解复用器等很多光信息处理与光通信所用的功能部件。由于环形波导的半径可以小至1.5微米，其器件结构非常紧凑，可以实现器件高密度集成，减少分立器件耦合时的损耗，同时降低器件的封装成本。

本发明光模式数据交换器采用绝缘体上硅材料制备，基本单元为带热调制机构或电调制机构的微环谐振器。在信号传输速率（兆量级以下）要求不高的情况下，一般采用热调制。热调制在工艺上易于实现。在高速（吉量级）传输系统需要采用电调制，但是，相比于热调制，电调制的工艺稍微复杂。

本发明光模式数据交换器实现模式交换过程是：输入端X或输入端Y中的一个输入特定波长的连续激光（该波长为两微环谐振器的工作波长，且若有需要可被调谐电极调谐）或者输入端X和输入端Y同时输入特定波长的连续激光，从输入端X输入的基模信号一经过第二硅基纳米线微环MRR2转换成一阶模到主干波导中传输，与此同时，从输入端Y输入的基模信号二经过绝热锥传输至主干波导中保持基模。基模和一阶模共同传输至第一硅基纳米线微环MRR1时，其中的一阶模由于满足耦合条件（即有效折射率匹配条件N_eff1=N_eff2，两波导中的有效折射率相匹配时，两波导中的光会发生有效耦合，否则不发生耦合，这里是宽波导中的一阶模的有效折射率与环形波导中的基模的有效折射率相匹配），会被第一硅基纳米线微环MRR1下载并转换成基模，该转换后的基模经弯曲波导和绝热锥后到达宽波导中保持基模，并再次经过第一硅基纳米线微环MRR1，此时的基模由于不满足耦合条件不发生耦合，而是直接从主干波导保持基模输出；原来宽波导内两种模式中的基模由于不满足耦合条件不发生耦合，经直波导直接通过第一硅基纳米线微环MMR1，经过弯曲波导后再次经过第一硅基纳米线微环MRR1时由于此时满足耦合条件，会被第一硅基纳米线微环MRR1下载并且在主干波导中转换成一阶模沿主干波导输出。这样原来复用到一起的包含信号一的一阶模和包含信号二的基模就发生了模式交换，交换后的结果是信号一的模式由一阶模变成了基模输出，而信号二的模式由基模变成了一阶模输出。

待模式交换的两个模式是经过第二硅基纳米线微环MRR2复用到一起的，同理发生模式交换后的两个模式也可以经过第二硅基纳米线微环MRR2解复用，从而进行下一步测试或进入下一级信息处理。为了保证器件正常工作，两个微环上分别都设有调谐电极。在高速工作模式下，需要对电极进行特殊的设计及电磁兼容方面的分析与模拟。

本发明光模式数据交换器的工作波长可用相应的调谐电极进行调谐，实现通信波段的波长全覆盖。

图5和图6所示的微环谐振器（MRR）是本发明的基本单元。利用这两个部分基本的微环谐振器结构可以方便的实现光模式交换和信号测试。

下面通过分析光信号在图5和图6所示的微环谐振器中的传输过程，简要说明其工作原理：

图5所示的第一微环谐振器1为弯曲波导和一个环形波导组成的微环谐振器结构（MRR），该谐振器的作用是实现模式交换的功能。在输入端（第一直波导1-1与第七直波导2-3的连接端）输入满足谐振条件的含基模的基模信号光和含一阶模的一阶模信号光（该两种信号光的波长完全相同，且都是连续单模光信号），该一阶模信号光满足耦合条件（即有效折射率匹配条件N_eff1=N_eff2，两波导中的有效折射率相匹配时，两波导中的光会发生有效耦合，这里是宽波导中的一阶模的有效折射率与环形波导中的基模的有效折射率相匹配）会被第一硅基纳米线微环MRR1下载从而在下载端转换成基模输出，该转换后的基模经过弯曲波导后传输至第二直波导1-2，之后经过一个“绝热锥”（该绝热锥的作用是保证转换的基模从窄波导传输到宽波导过程中不发生模式转换）过渡到宽波导中传输，转换的基模经过第一硅基纳米线微环MRR1时由于不满足耦合条件不发生耦合，从第一直波导1-1端保持基模输出。对于输入端输入的基模信号光（此时不满足谐振器耦合条件）会毫无影响的到达直通端（第一直波导1-1与绝热锥的连接端），经过“绝热锥”后保持基模状态到达窄波导（第二直波导1-2），之后经弯曲波导传输至第三直波导1-3，此时基模满足谐振器耦合条件，经第一硅基纳米线微环MRR1发生耦合并在第一直波导1-1转换成一阶模输出。总而言之，原输入的一阶模信号光发生转换成基模输出，而原输入的基模信号光则转换成一阶模输出，因此，输入的两种信号光的模式发生了交换，实现了模式交换的功能。

图6是第二微环谐振器2，为两个互不交叉的直波导和一个环形波导组成的微环谐振器结构（MRR），称之为平行结构的微环谐振器，该谐振器的作用是将基模信号光和一阶模信号光复用到宽波导中或解复用到窄波导中，实现基模的复用与解复用以及一阶模的复用与解复用。对于在第五直波导2-1输入端输入某些特定波长的基模信号光（满足谐振条件的信号光），该信号光会被第二硅基纳米线微环MRR2下载并且在宽波导（第七直波导2-3）处转换成一阶模（图6中从第七直波导2-3输出的粗曲线）从而在第七直波导2-3与第一直波导1-1的连接端输出；对于第六直波导2-2输入端输入的基模信号光（不满足此时的谐振耦合条件的信号光）会毫无影响的保持基模在直通端（第七直波导2-3与第一直波导1-1的连接端）输出（图6中从第七直波导2-3输出的细曲线）。这就实现了基模和一阶模的复用，复用好的两种模式会传输至第一直波导1-1进行模式交换。反之，当基模和一阶模的两束信号光从第一直波导1-1传输至第七直波导2-3的端口时，其中的一阶模由于满足耦合条件，会被第二硅基纳米线微环MRR2下载转换成基模，从第五直波导2-1的输出，而原来的基模会直接通过第七直波导2-3到达第六直波导2-2保持基模输出。即实现了模式解复用的功能，从而能测出模式交换后两种模式的状态或直接送入下一级的信息处理。

上面结合图5和图6说明了如何利用硅基集成化的光模式数据交换器完成两种模式的光信号的模式交换。需要说明的是：在器件实际工作时，需要两个微环谐振器的谐振波长相同，除了二者的参数完全对应相同外，还需要在环形波导上加上调谐电极。根据微环的谐振条件公式（m×λ= N_g×2π×R）可以看到，要调节谐振波长以实现两个微环谐振波长相同，可以改变的物理量有环形波导的半径R及其群折射率N_g。环形波导的半径R在工艺完成之后就确定下来，无法进行调节。所以只能通过调节环形波导的群折射率N_g来改变MRR的谐振波长。群折射率与材料的折射率有关，随材料的折射率变化而变化。可以采取两种方法来改变材料的折射率从而改变材料的群折射率：一是通过对材料加热（具体办法是在硅波导上通过MOCVD淀积一层金属作为加热热极，然后对热极两端加电压）改变材料的温度从而改变材料的折射率也即是所谓的热光效应。二是通过载流子注入来改变材料的折射率（电光效应）。一般在高速系统中采用电光效应。本发明主要是利用热光效应来说明器件的工作原理。我们通过热调谐电极对硅波导加热来改变材料的折射率从而可以让两个微环的谐振波长相同，使得光信号模式可以被顺利交换。

本发明硅基集成化光模式数据交换器易于实现大规模集成、功耗较低、体积小、延时小、速度快，将在光子计算机的高性能处理单元中发挥重要作用。