一种片上波分复用器件及其设计方法与流程

本发明涉及光芯片，特别是涉及一种片上波分复用器件及其设计方法。

背景技术：

1、随着日益增长的通信容量需求,使得有效地利用光纤带宽显得越来越重要，波分复用技术是在一根光纤中用不同波长的光载波同时传输多个波长光信号的技术，主要目的是为了扩容光纤通信系统，基于波分复用技术研究的波分复用器件在光芯片上可以灵活地利用光纤的带宽，且可以连接多路激光器、调制器以及探测器，从而使得数据的传输速率以及处理速率获得大幅度的增长，成为光通信系统的一个重要器件。

2、波分复用器件的主要结构为由多级马赫泽德结构组成的栅格滤波器，常规的单级马赫泽德结构是由两个宽度相等，长度不同的波导和两个功率耦合器组成，其工作原理是：光信号经过第一个功率耦合器分为等强度的两束光，这两束光在马赫泽德结构中长度不同的波导中传输，从而产生相位差，最后在另一个功率耦合器中叠加干涉输出而实现滤波功能。对波分复用器件来说，其使用的波导截面尺寸在亚微米到微米的级别，从而导致其对波导的厚度和宽度的工艺误差变得非常敏感，以硅芯片为例：当波导宽度变化1nm时，波分复用器件的中心波长就会变化1nm，波导厚度变化1nm时，波分复用器件的中心波长就会变化1.4nm。然而，在芯片制作过程中总会存在工艺误差，进而使得实际的波导宽度偏离预设计的波导宽度，从而使得波分复用器件的中心波长偏离预先的设计，造成使用该结构的波分复用光路的性能下降。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种片上波分复用器件及其设计方法，用于解决现有技术中波分复用器件对波导的工艺误差非常敏感以及由于工艺误差存在导致实际的波导宽度偏离预设计的波导宽度，从而造成波分复用光路的性能下降的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种片上波分复用器件，所述波分复用器件包括：

3、第一马赫泽德单元，所述第一马赫泽德单元包括第一定向耦合器、第二定向耦合器以及连接所述第一定向耦合器和所述第二定向耦合器的第一波导臂和第二波导臂，其中，所述第一波导臂包括第一波导和第二波导，所述第二波导臂包括第三波导和第四波导，所述第一波导的长度大于所述第三波导的长度，所述第二波导的长度小于所述第四波导的长度，所述第一波导与所述第三波导具有相同的宽度，所述第二波导与所述第四波导具有相同的宽度。

4、可选地，所述第一波导臂与所述第二波导臂具有相同或不同的长度。

5、可选地，所述波分复用器件还包括第二马赫泽德单元和第三马赫泽德单元，其中，所述第二马赫泽德单元的一侧通过所述第二定向耦合器与所述第一马赫泽德单元连接，所述第三马赫泽德单元包括第三定向耦合器、第四定向耦合器以及连接所述第三定向耦合器和所述第四定向耦合器的第五波导臂和第六波导臂，所述第三马赫泽德单元通过第三定向耦合器与所述第二马赫泽德单元的另一侧连接，且所述第五波导臂的与所述第六波导臂具有相同或不同的长度。

6、可选地，所述第五波导臂包括第九波导和第十波导，所述第六波导臂包括第十一波导和第十二波导，所述第九波导的长度大于所述第十一波导的长度，所述第十波导的长度小于所述第十二波导的长度，且所述第九波导与所述第十一波导具有相同的宽度，所述第十波导与所述第十二波导具有相同的宽度。

7、可选地，所述第二马赫泽德单元包括第二定向耦合器、第三定向耦合器以及连接所述第二定向耦合器和所述第三定向耦合器的第三波导臂和第四波导臂，所述第三波导臂与所述第四波导臂具有相同或不同的长度。

8、可选地，所述第三波导臂包括第五波导和第六波导，所述第四波导臂包括第七波导和第八波导，所述第五波导的长度大于所述第七波导的长度，所述第六波导的长度小于所述第八波导的长度，且所述第五波导与所述第七波导具有相同的宽度，所述第六波导与所述第八波导具有相同的宽度。

9、可选地，所述波分复用器件包括硅波分复用器件、氮化硅波分复用器件、氮氧化硅波分复用器件、氧化硅波分复用器件、聚合物波分复用器件中的一种。

10、本发明还提供一种片上波分复用器件的设计方法，所述设计方法包括：

11、步骤1：提供具有确定中心波长λ和自由光谱范围fsr的第一马赫泽德单元，所述第一马赫泽德单元包括第一定向耦合器、第二定向耦合器以及连接所述第一定向耦合器和所述第二定向耦合器的第一波导臂和第二波导臂，其中，所述第一波导臂包括第一波导和第二波导，所述第二波导臂包括第三波导和第四波导，所述第一波导的长度大于所述第三波导的长度，所述第二波导的长度小于所述第四波导的长度，所述第一波导与所述第三波导具有相同的宽度，所述第二波导与所述第四波导具有相同的宽度，去除所述第一波导臂和所述第二波导臂中相同的区域后，剩余的所述第一波导的宽度已知为w1，所述第二波导的宽度已知为w2，通过仿真计算得出所述第一波导的有效折射率neff1和群折射率ng1以及所述第二波导的有效折射率neff2和群折射率ng2；

12、步骤2：假定所述第一波导的过渡长度为l1′，所述第二波导的过渡长度为l2′且所述第一波导的过渡长度l1′和所述第二波导的过渡长度l2′为未知值，所述过渡长度并非设计方案的最终长度，所述第一波导的过渡长度l1′和所述第二波导的过渡长度l2′可以根据以下公式确定：

13、

14、

15、步骤3：通过计算得出第一干涉级数m1，其中，所述第一干涉级数m1可以根据以下公式确定：

16、

17、步骤4：对步骤3得出的第一干涉级数m1进行修正，具体指对第一干涉级数m1的结果利用四舍五入法取整得到目标干涉级数m2，并基于所述目标干涉级数m2计算得出所述第一波导的实际长度l1及所述第二波导的实际长度l2，其中，所述第一波导的实际长度l1及所述第二波导的实际长度l2的确定可根据上述公式(3)以及结合公式(1)或公式(2)确定，即将目标干涉级数m2视为公式(3)中的m1，通过计算获得l1′及l2′所对应的数值即可获得对应的实际长度l1及实际长度l2。

18、可选地，所述波分复用器件还可以包括第二马赫泽德单元至第n马赫泽德单元，其中，n为＞2的正整数，重复步骤1-4计算出所述第二马赫泽德单元至所述第n马赫泽德单元中对应的波导臂的不同宽度波导的实际长度，基于计算出的不同宽度波导的实际长度设计马赫泽德单元，并通过功率耦合器互相连接形成对工艺不敏感的波分复用器件。

19、可选地，所述第一马赫泽德单元、所述第二马赫泽德单元直至所述第n马赫泽德单元具有不同的中心波长和自由光谱范围。

20、如上所述，本发明的片上波分复用器件及其设计方法具有以下有益效果：本发明所述的片上波分复用器件包括多个马赫泽德单元且每个马赫泽德单元的波导臂中均具有不同宽度和长度的波导，各个马赫泽德单元之间通过定向耦合器互相连接，基于上述结构形成的波分复用器件增加了对工艺误差的不敏感程度，从而提高了波分复用光路的性能；本发明还提供了一种波分复用器件的设计方法，基于马赫泽德单元具有确定的中心波长以及预设宽度的波导，从而可以确定满足该中心波长和预设宽度的波导长度，最终构建出符合确定中心波长的对工艺不敏感的波分复用器件，提高了波分复用器件的性能。