本发明涉及宽带硅光子装置。更具体地，本发明提供了一种对于1530nm至1560nm宽波带具有低功耗高消光比的紧凑型通用干涉硅基MMI偏振分束器。
背景技术：
绝缘体上硅(SOI)上的紧凑、简单宽带PBS对于C带窗口内的密集波分复用(DWDM)至关重要。用于Si基PBS的常规设计主要基于与马赫-曾德耳干涉仪(MZI)装置结合的两2×2MMI装置或与MZI装置结合的定向耦接器(DC)装置。
2×2MMI装置偏振不灵敏且很难设计。对于横向磁(TM)模式，MZI装置要求平衡分束，所述横向磁(TM)模式保持在实验室实验阶段，其需要在标准220nm绝缘体上硅基底上不容易工作的(大于350nm)厚硅层或硅氮材料。DC基常规PBS具有一个或多个以下问题：长尺寸、带宽限制以及不良的TE/TM消光比。
因此，期望开发横跨集成Si光子电路的整个C带窗口的波长不敏感的改进型紧凑硅基PBS。
技术实现要素：
在实施方式中，本发明提供了用于宽带硅光子系统的偏振分束器。偏振分束器包括一定厚度的宽度和长度在第一端面和第二端面之间的矩形硅波导本体。此外，偏振分束器包括两个输入端口，两个输入端口分别形成在第一端面的靠近硅波导本体两个相对的长边缘的两个分开的位置处，硅波导本体被配置为生成通过两个输入端口中的至少一个提供的输入光信号的多个直接图像或镜像。多个直接图像或镜像包括输入光信号的TE偏振模式自身图像的第一子集和输入光信号的TM偏振模式自身图像的第二子集。偏振分束器进一步包括形成在靠近两个输入端口的至少一个输入端口的相同长边缘的的条形位置处的第二端面中的第一输出端口。偏振分束器进一步包括形成在靠近硅波导本体的相对长边缘的交叉位置处的第二端面的第二输出端口中。交叉位置和条形位置相隔一定距离。在实施方式中，硅波导本体的宽度选为2.6μm，并且相应地，长度选为40μm，以使第二端面为保持耦接到第一输出端口的TE偏振模式的第一自身图像和耦接到第二输出端口的TM偏振模式的第二自身图像的公共平面。
附图说明
图1为根据本发明的实施方式的一般的干涉MMI波导基偏振分束器的简化图。
图2A和图2B为根据本发明的实施方式的在整个图1的MMI PBS的(A)TE模式和(B)TM模式的光强度分布的示例图。
图3为根据本发明的实施方式的在C带波长上整个图1的MMI PBS上分别测量的TE模式和TM模式的标准化传输损耗的示例图。
图4为根据本发明的实施方式的在C带波长上图1的MMI PBS上测量的TE模式和TM模式的消光比(ER)的示例图。
图5为根据本发明的实施方式在各个温度下在C带波长上通过图1的MMI PBS的TE-条形信号和TM_X信号的插入损耗的示例图。
图6为根据本发明的实施方式在各个温度下在C带波长上图1的MMI PBS上的TE模式和TM模式的消光比的示例图。
具体实施方式
本发明涉及光子宽带通信装置。更具体地，本发明提供了一种硅基宽带偏振分束器。仅通过实例，本发明公开了具有硅多模式干涉PBS的紧凑PBS，硅多模式干涉PBS具有正交偏振横向磁(TM)模式和横向电(TE)模式之间的高消光比和在1530nm至1560nm的宽波长窗口上的硅光子电路的集成的低插入比，尽管其他应用是可能的。
图1为根据本发明的实施方式的一般的干涉MMI波导基偏振分束器的简化图。该图仅是一个实例，不应过度地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将会认识到各种变化、替代和修改。如所示的，硅MMI装置100被形成为一定厚度的宽度W和长度L在第一端面和第二端面之间的矩形本体平面波导。平面波导被配置为一旦从靠近长边缘的第一端面内的输入端口接收到未被混合的TE和TM模式偏振的光信号，在一般干涉模式下工作以在距离第一端面不同距离处激活以多个横截平面的TE和TM模式的多个直接图像或镜像。因为从一阶TE模式到零阶TE模式的指数变化不同于从一阶TM模式到零阶TM模式的指数变化，所以TE模式的每个直接图像或镜像所处的平面可不同于TM模式的图像所处的平面。可以不同周期沿长度L重复TE模式和TM模式的直接图像或镜像。还有，与某厚度下宽度W相关联地，平面矩形波导的长度L被选择为最小值，以使波导体101的第二端面基本上为TE模式图像和TM模式图像的公共平面。在实施方式中，在第二端面中的条形端口处输出TE模式信号的直接图像，且在第二端面中的交叉(X)端口处输出TM模式信号的镜像。所谓的条形端口指的是靠近输入端口的相同长边缘的第二端面中的位置。所谓的X端口指的是靠近波导体的相对的长边缘的第二端面中的另一位置。因此，MMI装置100为基于MMI的偏振分束器(PBS)。
在实施方式中，与一般的干涉工作模式兼容地，两个输入端口121和122分别位于靠近矩形波导本体101的两相对的长边缘的第一端面的两个分开的位置。两个输入端口中的其中一个，也就是，输入端口121用作真正的输入端口，而另一输入端口122作为虚拟端口。实质上，MMI PBS100为2×2MMI装置。每个输入端口121(或122)包括锥形截面，锥形截面的具有较宽宽度Wt的一端连接到第一端面而具有较窄宽度Wi的另一端连接到扩展的硅线波导以将光波引导到MMI装置。相似地，两输出端口127和128分别位于第二端面的两分开的位置，一个在条状位置，另一个在X位置，这与一般的干涉工作模式兼容。输出端口127和128也包括锥形截面，锥形截面的较宽端连接到第二端面，较宽端的形状和尺寸类似于与两个输入端口相关联的形状和尺寸，锥形截面的较窄端连接到相应的两延伸线波导，输出1和输出2。条形位置处的一个输出端口127输出主要处于TE模式的第一输出信号，第一输出信号包括消光比为TM-ER的基本上小功率的TM模式。第一输出信号进一步被导入线波导输出1。X位置处的另一输出端口128输出主要处于TM模式的第二输出信号，第二输出信号包括消光比为TM-ER的基本上小功率的TE模式。第二输出信号进一步被导入线波导输出2。
在具体实施方式中，第一输出信号基本上为输入TE模式的直接自身图像，而第二输出信号基本上为输入TM模式的自身镜像。为获得MMI PBS的最小宽度/长度尺寸以将非偏振的输入光学信号分裂为共同平面中不同输出端口处的TE模式和TM模式的自身图像，对于在标准SOI基底的220nm硅层中直接形成的200nm高的平面硅波导，宽度W优选为2.6μm而长度L优选为40μm。尽管较大的工艺容差，比如，5％尺寸变化，是可以接受的，但对于标准SOI基底上执行的技术发展水平的硅波导处理技术，W或L的上述尺寸可控制为如±30nm那样小。另外，第一端面(输入)或第二端面(输出)上的锥形截面的宽度为0.7μm，而扩展的硅波导截面的较小端的宽度为0.45μm。因此，在第一(第二)端面上的两锥形截面之间存在约1.2mm的间隔。
硅基MMI装置和具有硅材料的固有光指数的波导的上述优选尺寸的组合提供了在矩形MMI本体101内具有TE或TM偏振模式的光信号的一般干涉的最佳激活图案且确保，一旦在输入端口121处接收到混合的TE/TM模式的输入，条形输出端口127输出用于TM模式的具有高消光比的TE模式信号，而交叉输出端口128输出用于TE模式的具有高消光比的TM模式信号。
图2A和图2B为根据本发明的实施方式的整个图1的MMI PBS上的(A)TE模式和(B)TM模式的光强度分布的示例图。在(A)部分中，仅示出从左下角输入的光波的TE模式强度在矩形波导本体101内激活。光波的强度被分布为表示多个平面内输入TE模式的直接图像或镜像的多个局部峰值，多个平面在沿着x方向在整个长度L上位于距离输入面不同距离处的y方向上跨W宽度(见图1)。TE模式信号最后主要在右下角输出。在(B)部分中，仅示出从左下角输入的光波的TM模式强度在矩形波导本体101内激活。光波的强度分布为表示多个交替平面内输入TM模式的直接图像或镜像的多个局部峰值，多个交替平面在沿着x方向在整个长度L上位于距离输入面交替不同距离处的的y方向上跨W宽度(见图1)。TM模式信号最后主要在右上输出。当然，对于从左下角处的输入端口输入的具有混合的TE和TM模式的非偏振光信号，TE模式和TM模式如图2A的(A)部分和图2B的(B)部分所示在MMI体101内激活。本公开的MMI PBS100可以利用具有固定的220nm厚度的Si层的标准SOI晶片进行处理，基于此，Si层的宽度和长度可以被优化为使得在左下角处的条形输出端口基本上仅输出TE模式信号，而在左上角处的交叉输出端口基本上仅输出TM模式信号，以实现对非偏振输出光学信号的偏振分裂。基于标准SOI晶片的220nm硅层，优化的MMI PBS具有小的超紧凑的约2.6μm的宽度W和约40μm的关联长度L。这在尺寸上要比常规的基于(2×2MMI+MZI)的PBS更紧凑，常规的基于(2×2MMI+MZI)的PBS通常的长度大于100μm而厚度大于等于400nm。也比一些SiN基波导PBS装置要更短，SiN基波导PBS装置通常在100μm的范围内且经常需要级联到更长的长度以达到更高的TE/TM消光比。
图3为根据本发明的实施方式在C带波长上整个图1的MMI PBS上分别测量的TE模式和TM模式的标准化传输损耗的示例图。该图仅是一个实例，不应过度地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员要认识到各种变化、替代和修改。如所示出的，通过MMI PBS 100(见图1)的TE模式信号和TM模式信号测量的传输损耗是针对1530nm至1560nm的整个C带而绘制的。如图3的上部的实验设置所示，从功率为PTEin第一输入端口121输入TE模式信号(假设没有TM模式输入)。在条形输出端口127和交叉输出端口128处，TE模式信号也被独立测量作C带窗口中的所有波长的PTE_Bar和PTE_X。然后，在条形输出端口处输出的TE模式信号的传输损耗由10log10(PTE_Bar/PTEin)表示且绘制为图像中的第二条曲线(从上往下数)。用于TE模式的条形输出端口处的传输损耗非常小，几乎在用于整个C带的1dB内。在交叉输出端口处输出的TE模式信号的传输损耗由10log10(PTE_X/PTEin)表示且绘制为图像中的第三条曲线(从上往下数)。但是，用于TM模式的在交叉输出端口处的传输损耗非常大(大于22dB)。这就表示来自输入端口的TE模式信号基本上耦接到条形输出端口(没有太多损耗)而未被输出到交叉输出端口。相似地，在相同的实验设置条件下，当TM模式信号输入到输入端口121(假设TE模式未输入)且在条形输出端口127和交叉输出端口128处进行测量时，结果表明在整个C带波长范围内，TM模式的传输损耗在条形输出端口处十分高，大约在31dB或更高，但在交叉输出端口处非常低，约1dB或更低。这就表示来自输入端口的TM模式信号基本上耦接到交叉输出端口，但被禁止耦接到条形输出端口。如果非偏振光信号输入到输入端口，在本发明的图1中公开的MMI PBS能将输入光信号分裂为在条形输出端口处输出的TE模式信号和在交叉输出端口处输出的TM模式信号。整个C带上，仅有一小点TE模式功率泄露到交叉输出端口且仅有一小点TM模式功率泄露到条形输出端口。因此，图1的MMI PBS作为宽带偏振分束器是很好用的。MMI PBS的硅基波导格式也用作该PBS的强基底被集成到硅光子集成系统以建立现代大规模数据中心且应用到使用不依赖于偏振的光信号的短距离网络(short reach network)。
图4为根据本发明的实施方式的在C带波长上在图1的MMI PBS上测量的TE模式和TM模式消光比(ER)的示例图。该图仅是一个实例，不应过度地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员要认识到各种变化、替代和修改。在基于图1MMI PBS的相似的实验设置条件下，可测量如在条形输出端口或交叉输出端口处的TE模式与TM模式的消光比(限定为10log10(PTE/PTM))。具体地，条形输出端口的消光比TE_ER为条形输出端口处的TM模式与TE模式的功率比10log10(PTE/PTM)，而交叉输出端口的消光比TM_ER为交叉输出端口处TE模式10的TM模式与TE模式的功率比10log10(PTM/PTE)。如上所述，TE_ER大于31dB而TM_ER至少大于22dB。换句话说，当具有TE和TM偏振模式的输入光通过MMI PBS100时，通过基本上TE模式部分被输出至条形输出端口而TM模式部分被输出至交叉输出端口，TE和TM模式被基本上分裂。高消光比值表示较好的偏振分裂性能。
在实施方式中，本公开提供的硅波导基宽带MMI PBS的偏振分裂性能特征也在于在相同波长窗口上至少在300K-340K范围内其温度的不敏感性。图5为根据本发明的实施方式在各种运行温度下在C带波长上通过图1的MMI PBS的TE-条信号和TM_X信号的插入损耗的示例图。在图中上部插入示出的相同实验设置条件下，当MMI PBS在整个C带波长上各种温度下运行时，测量条形输出端口处的主要TE模式信号的插入损耗并绘制为如实曲线。相似地，也测量交叉输出端口处的主要TM模式信号的插入损耗，且将这些绘制为虚线曲线。如上所述，在300K-340K的温度变化范围内，对于TE模式信号来说,插入变化基本上小于0.3dB，在相同的温度变化范围内，对于TM模式信号来说，甚至更小(约0.15dB)。这表明，本公开的MMI PBS的偏振分裂性能十分强健以适应环境温度变化，这对于基于波导的PBS被集成到用于多个应用的硅光子集成系统，比如，数据中心或短程网络中高速率数据通信，是非常有优势的。
另外，MMI PBS的偏振分裂性能的温度不敏感性也在TE/TM消光比方面示出。图6为根据本发明的实施方式在各种温度下在C带波长上图1的MMI PBS上的TE模式和TM模式的消光比的示例图。如上所示，在相同的实验设置和在300K-340相同的温度变化范围条件下，测量交叉输出端口处TE模式的消光比TE_ER且针对C带波长将其绘制为实线曲线，而且也测量条形输出端口处的TM模式的TM_ER且针对C带波长将其绘制为虚线曲线。TE_ER在40K的温度变化下只变化约1dB。TM_ER在1530nm-1560nm的宽波长范围相同温度变化范围内更加稳定。