專利名稱：基于諧振環(huán)輔助的mz干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)隔離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元器件，特別是涉及一種基于諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu) 的光學(xué)隔離器。
背景技術(shù)：
為實現(xiàn)光學(xué)處理和通信系統(tǒng)的高密度集成，波導(dǎo)型隔離器件受到了廣泛關(guān) 注。它為光波輸出系統(tǒng)的穩(wěn)定性和光波非互易傳輸提供了有力保障。然而，目 前的波導(dǎo)型隔離器在帶寬，隔離度等方面，相對于商業(yè)可得的光學(xué)隔離器件處 于劣勢狀態(tài)。Yuya Shoji等人根據(jù)波導(dǎo)的互易相移和非互易相移的波長依賴特 性，通過優(yōu)化波導(dǎo)的橫縱向尺寸，極大的改善傳統(tǒng)的MZ結(jié)構(gòu)的帶寬[Optics express, Vol.l5，No.2， 639-645, 2007]。可是，過多的結(jié)構(gòu)參數(shù)需要優(yōu)化和相互匹 配，勢必增加了工藝制作的難度。這一問題同樣存在于NaoyaKono等人提出的 用多環(huán)級聯(lián)來增加帶寬的方法[Optics express, Vol. 15, No. 12， 7737-7751, 2007]。盡管后一設(shè)計結(jié)構(gòu)非常緊湊，但是隔離度和通帶額外損耗極大的受到波 導(dǎo)彎曲和級聯(lián)結(jié)構(gòu)的限制。不僅如此，已報道的隔離器都不適用多波長處理的 波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)。目前，基于波分復(fù)用技術(shù)的系統(tǒng)容量升級對傳統(tǒng)單波長器件提 出了新的要求，要求光學(xué)元件不僅能夠?qū)崿F(xiàn)隔離功能，而且能夠?qū)Χ鄠€波長， 尤其是要對等頻率間隔的光波可以同時進行處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)隔離器。 本發(fā)明把非互易相移引入諧振環(huán)輔助的MZ結(jié)構(gòu)，提出一種能同時處理多路波 長，寬帶寬和高隔離度的隔離器。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
MZ干涉結(jié)構(gòu)由兩個并列干涉臂的兩端共連接著一個輸入波導(dǎo)和一個輸出 波導(dǎo)而成；其中一個干涉臂與一個以上的諧振環(huán)發(fā)生耦合，另一個干涉臂含有 一段延時線。在整個諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)中植入，光波在其中按前進和 后退方向傳輸時相位延遲量不同的非互易相移波導(dǎo)。
所述的整個諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)中，在諧振環(huán)中植入諧振環(huán)中的非 互易波導(dǎo)；或在另一干涉臂的延時線中植入的延時線中的非互易波導(dǎo)；或同時 在諧振環(huán)中植入諧振環(huán)中的非互易波導(dǎo)和在另一干涉臂的延時線中植入延時線
中的非互易波導(dǎo)。
所述的另一個干涉臂中設(shè)置一個調(diào)節(jié)工作點的、與波長無關(guān)的互易相移器。 所述的諧振環(huán)的個數(shù)由諧振環(huán)所在臂的相位延遲特性決定。
本發(fā)明具有的有益的效果是本發(fā)明把非互易相移引入諧振環(huán)輔助的MZ 結(jié)構(gòu)，提出一種能同時處理多路波長，寬帶寬和高隔離度的隔離器。它利用了 磁光波導(dǎo)的非互易特性，并發(fā)揮了諧振環(huán)輔助的MZ干涉干涉結(jié)構(gòu)的通帶平坦 等優(yōu)點，通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)計和優(yōu)化，可以實現(xiàn)對多路頻率的光波同時 進行處理。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)通俗，工藝簡單，設(shè)計靈活，功能性強等特點，在 光波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)、光雙向網(wǎng)絡(luò)、光信息處理等方面有廣泛的應(yīng)用前景，具有重 要的科學(xué)研究意義和應(yīng)用價值。


圖1是基于諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)隔離器的原理圖。
圖2是本發(fā)明中所舉隔離器的平面圖形。
圖3是本發(fā)明中所舉隔離器的前后向的隔離輸出特性。
圖4是上述平面圖中兩處標示的波導(dǎo)截面圖。
(a) 是圖2中A-A'處的截面圖形。
(b) 是圖2中B-B'處的截面圖形。
圖中1A、諧振環(huán)上的非互易相移波導(dǎo)；1B、延時線上的非互易相移波導(dǎo)； 2、諧振環(huán)；3、輸入波導(dǎo)；4A、與諧振環(huán)耦合的干涉臂；4B、含延時線的另一 干涉臂；5、輸出波導(dǎo)；6、延時線；7、調(diào)節(jié)工作點的相移器；8A、硅襯底；8B、 二氧化硅層(BOX); 8C、表面硅層；9、 Ce:YIG磁光膜；IOA、 Cr/Au電極；IOB、 交變電流；IOC、垂直于波導(dǎo)傳輸方向的磁場。
具體實施例方式
本發(fā)明的基本原理
首先不考慮非互易相移的引入。若忽略諧振環(huán)與直波導(dǎo)的耦合損耗，單環(huán) 耦合直波導(dǎo)的輸出振幅r和相位響應(yīng)^ng可以表示為
I， _ 厶 Lnr 。i" A
(1)
r =-tt不u A峰=^"肌r— T—7—n-
其中r為耦合器的反射系數(shù)，a為繞環(huán)傳輸?shù)恼穹蜃樱琟為光繞諧振環(huán)一周所
產(chǎn)生的相位延遲。相應(yīng)的，諧振環(huán)一臂的延時可以表示為
「 fl(l_r2|a(l + r2)v—r(l + a2)cos< ]., ②
"叫 SCI (l-2racos^ + r2fl2](a2 -2racos 5 + r2) g 其中，7^g為諧振環(huán)的相位延遲。設(shè)MZ結(jié)構(gòu)的兩個Y分支的功分比都為0.5: 0.5;兩臂的的振幅傳輸因子分別為"a^和a,2;且另一臂相對于環(huán)所在臂的固
定相位延遲為^n^，則兩臂在MZ結(jié)構(gòu)的后一個Y分支處相干后的輸出戶。ut可表示為<formula>formula see original document page 5</formula> (3)
當環(huán)工作在諧振狀態(tài)或非諧振狀態(tài)時，如果功分后的光束通過兩臂的延時相同， 則能保證在此狀態(tài)工作的波長附近很大范圍內(nèi)，兩臂相位延遲非常相近，使得 MZ結(jié)構(gòu)終端的輸出非常平坦。在諧振狀態(tài)和非諧振狀態(tài)下，這一條件用公式可 分別表示為<formula>formula see original document page 5</formula> 其中，T^2^和T^(2m+^分別為諧振狀態(tài)和非諧振狀態(tài)下延時線的延時，m為任意整數(shù)。根據(jù)4式，延時線的長度與諧振環(huán)的周長成比例關(guān)系，其具體長度與所需隔離的中心波長位置和前向和后向傳輸譜的線形有關(guān)。
現(xiàn)在往結(jié)構(gòu)中加入非互易相移。設(shè)在諧振環(huán)和另一臂中分別引入A^S^g和A^Sam2的非互易相移，則光順時針和逆時針繞環(huán)一周的相位延遲各有不同，分別為<formula>formula see original document page 5</formula>(5)
同樣的，光在另一臂中向前和后退傳輸?shù)南辔谎舆t也發(fā)生了變化，可計為<formula>formula see original document page 5</formula>
上式中計入了調(diào)節(jié)工作點的相移器所產(chǎn)生的固定相位&。d.諧振環(huán)和延時線中的 非互易量的大小決定了非互易波導(dǎo)的長度。在上述提出的一般結(jié)構(gòu)中，合理的設(shè)計延時線的長度、諧振環(huán)的非互易相移量、延時線上的非互易相移量和調(diào)節(jié)工作點的相移器的相移量可以得到很好的隔離效果。調(diào)節(jié)工作點的相移器7未必都會引入，其作用在于設(shè)置兩臂固定 相位差，進而影響兩臂的的相干特性。
圖1為一般性結(jié)構(gòu)的原理圖。 一種基于諧振環(huán)輔助的MZ結(jié)構(gòu)的光學(xué)隔離 器，MZ干涉結(jié)構(gòu)由兩個并列干涉臂4A和4B的兩端共連接著一個輸入波導(dǎo)3 和一個輸出波導(dǎo)5而成；其中一個干涉臂4A與一個以上的諧振環(huán)2發(fā)生耦合， 另一個干涉臂4B含有一段延時線6。在整個諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)中植入， 光波在其中按前進和后退方向傳輸時相位延遲量不同的非互易相移波導(dǎo)。所述 的整個諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)中，在諧振環(huán)中植入諧振環(huán)中的非互易波導(dǎo) 1A;或在另一干涉臂6的延時線中植入的延時線中的非互易波導(dǎo)1B;或同時在 諧振環(huán)中植入諧振環(huán)中的非互易波導(dǎo)1A和在另一干涉臂的延時線6中植入延時 線中的非互易波導(dǎo)1B。所述的另一個干涉臂4B中設(shè)置一個調(diào)節(jié)工作點的、與 波長無關(guān)的互易相移器7。諧振環(huán)的個數(shù)由諧振環(huán)所在臂的相位延遲特性決定。
在隔離器的具體設(shè)計中，結(jié)構(gòu)較為靈活，這里不一一列舉。本發(fā)明僅給出圖2 所示的最為簡單的一例延時線長為環(huán)周長的一半，也即讓延時線的延時等于 非諧振狀態(tài)下諧振環(huán)的延時(這一設(shè)計使得通帶平坦，同時增加帶寬)；僅在延 時線中引入兀的非互易相移，而諧振環(huán)為互易的；不需引入調(diào)節(jié)工作點的相移器。也即在上面公式中，《2_=r g/2; A^&ing=0; A^S咖f兀；0m。d=O。該例的 平面結(jié)構(gòu)如圖2所示?；谏鲜鲈O(shè)計，本發(fā)明對其特性作了理論計算。設(shè)MZ結(jié)構(gòu)的兩處Y分叉 的功率分配均為0.5: 0.5。理論上，隔離度峰值可以達到無限。考慮到實際的工 藝條件，本發(fā)明設(shè)環(huán)的一周損耗為5%，耦合系數(shù)偏離最佳耦合效率+0.05,得到 如圖3所示的光波前向傳輸和后向傳輸時MZ終端的輸出功率譜?？梢钥闯?， 在上述偏離理想情況較大的情況下，隔離度峰值依然可以達到30多dB。在任一 隔離周期內(nèi)，30dB隔離帶寬超過一半自由譜寬。此外，從圖中可以看出通帶非 常平坦，額外損耗非常小。顯然，該器件還繼承了原始諧振環(huán)輔助MZ結(jié)構(gòu)的 多波長同時處理的特性。上述優(yōu)點同時并存，為本發(fā)明的適用范圍和工藝制作 提供了堅實基礎(chǔ)。上述理論很容易被推廣到其它基于非互易諧振環(huán)輔助MZ干涉型結(jié)構(gòu)的分 析，本發(fā)明不一一列舉。本發(fā)明的實施方式很多，只要采用制作磁光波導(dǎo)的常規(guī)平面工藝過程及條 件即可。在此把適于TM模式的Ce:YIG/S01非互易波導(dǎo)結(jié)構(gòu)植入諧振環(huán)輔助的 MZ干涉型結(jié)構(gòu)，選取說明書中所舉的圖2所示結(jié)構(gòu)作為實施例。所提及的諧振 環(huán)輔助的MZ干涉型結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)可因設(shè)計需要而改變，且非互易波導(dǎo)的設(shè) 計非常靈活，因此，所提出的隔離器的實現(xiàn)決非僅限于此實施例。利用常規(guī)硅工藝,在500微米厚的硅襯底8A表面上制作0.2微米厚的芯層 硅8C的SOI基片，并掩埋1微米二氧化硅層(BOX) 8B作為波導(dǎo)的下限制層。 在Si材料表面濺射一層厚為0.5微米的Ce:YIG磁光膜9，這一步也可以采用成 熟的磁光材料-硅鍵合工藝。利用光刻進行諧振環(huán)輔助MZ干涉結(jié)構(gòu)的圖形轉(zhuǎn)移， 并利用濕法腐蝕和干法刻蝕相結(jié)合的方法依次腐蝕磁光材料和Si，得到寬為0.5 微米的光波導(dǎo)，得到如圖4(a)所示的圖2中A-A'的傳輸波導(dǎo)截面。最后在磁光 膜上鍍上Cr/Au金屬膜，并進行二次光刻，轉(zhuǎn)移延時線6處電極圖形，腐蝕出 Cr/Au電極IOA,在延時線處得到如圖4(b)所示的圖2中(B-B')截面。通交變電 流10B產(chǎn)生垂直于波導(dǎo)傳輸方向的磁場IOC，以達到材料的磁飽和,使得在線性 臂上引入兀的非互易相移。
權(quán)利要求
1、一種基于諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)隔離器，MZ干涉結(jié)構(gòu)由兩個并列干涉臂(4A，4B)的兩端共連接著一個輸入波導(dǎo)(3)和一個輸出波導(dǎo)(5)而成；其中一個干涉臂(4A)與一個以上的諧振環(huán)(2)發(fā)生耦合，另一個干涉臂(4B)含有一段延時線(6)。其特征在于在整個諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)中植入，光波在其中按前進和后退方向傳輸時相位延遲量不同的非互易相移波導(dǎo)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)隔離 器，其特征在于所述的整個諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)中，在諧振環(huán)中植入 諧振環(huán)中的非互易波導(dǎo)(1A);或在另一干涉臂(6)的延時線中植入的延時線中的 非互易波導(dǎo)(1B);或同時在諧振環(huán)中植入諧振環(huán)中的非互易波導(dǎo)(1A)和在另一干 涉臂的延時線(6)中植入延時線中的非互易波導(dǎo)(1B)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué) 隔離器，其特征在于所述的另一個干涉臂(4B)中設(shè)置一個調(diào)節(jié)工作點的、與波 長無關(guān)的互易相移器(7)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué) 隔離器，其特征在于所述的諧振環(huán)的個數(shù)由諧振環(huán)所在臂的相位延遲特性決 定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)隔離器。MZ干涉結(jié)構(gòu)由兩個并列干涉臂的兩端共連接著一個輸入波導(dǎo)和一個輸出波導(dǎo)而成；其中一個干涉臂與一個以上的諧振環(huán)發(fā)生耦合，另一個干涉臂含有一段延時線，在整個諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)中植入，光波在其中按前進和后退方向傳輸時相位延遲量不同的非互易相移波導(dǎo)。它利用了磁光波導(dǎo)的非互易特性，并發(fā)揮了諧振環(huán)輔助的MZ干涉結(jié)構(gòu)的通帶平坦等優(yōu)點，通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)計和優(yōu)化，可以實現(xiàn)對多路頻率的光波同時進行處理。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)通俗，工藝簡單，設(shè)計靈活，功能性強等特點，在光波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)、光雙向網(wǎng)絡(luò)、光信息處理等方面有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號G02B6/26GK101126827SQ20071015602
公開日2008年2月20日 申請日期2007年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月9日
發(fā)明者劉仕景, 強 周, 周海峰, 楊建義, 江曉清, 王明華 申請人:浙江大學(xué)