CN100575994C - 交叉损耗降低的光波导装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改进的共面波导器件,该器件包括多个光波导件和一个或多个交叉区域,在交叉区域中两个波导件以一定角度相交。按照本发明,在相交区域上将波导件切成段,可以减小由这种交叉产生的光损耗和串扰。这些段最好还加宽宽度(与离开交叉的波导件传输区域相比),并且最好偏离波导件的纵轴。在分段的交叉区域,这些段并合成复杂的段,该复杂段的形状相当于交叉段的外周形状。
Description
技术领域
本发明涉及光波导装置例如集成的光波导装置,具体涉及光波导交叉损耗降低的这样一种装置。
背景技术
因为光导纤维通信信道逐渐取代了金属电缆和微波传送线路,所以集成光波导装置形式的光波导装置逐渐变得越来越重要。这种装置通常包括:底衬例如硅,具有底部涂层例如SiO2;在该底衬上形成的图案式薄芯层;在该图案式芯层上形成的顶部涂层。该芯层的折射率高于涂层的折射率,由此形成波导特性,采用例如光刻方法形成芯层,从而执行各种光处理功能中的任何一种功能,例如光束的分光、光的引出、多路传输;多路分解和滤波。
随着传送速度越高和波长区多道传输量增加的到来,很需要提供一种具有高密度处理装置的波导装置,处理越来越多光输入数目。这种装置的紧凑设计要求波导件“交叉”,在交叉处一个波导光束与另一波导光束交叉。通常,波导芯区域在物理上不是在不同平面上立体交叉,而是通过共面区域。
波导件交叉引起的问题是,这种交叉由于产生散射和串扰而造成光损耗,因为一条光路上的一些光射到其它光路上。这种相交波导件在交叉处形成非对称的折射率分布。这种分布干扰波导光模,并激发出更高级的光模。因为相交区域是突变的(非绝热的),所以它将激发非波导光模,造成串扰和光功率的损耗。在波导件折射率对比度δ增加时,这些问题加重。
图1A是先有技术,示意示出常规的交叉,这种交叉包括一对芯光波导件10和11,该波导件在区域12的公共芯层上以角度θ相交,该芯波导件10和11的折射率n2大于周围涂层的折射率n1。对于高密度装置,通常在θ<5°的小角度下交叉,在交叉处,芯层与涂层形成很高的折射率对比度,即很高的δ,δ=(n2-n1)/n2,但是即使折射率对比度低,交叉区域也干扰传播的光模,激发非波导的光模,这种光模将造成光功率的损耗和串扰。
图1B是曲线图,示出对于典型δ=4%(曲线1)和δ=0.8%(曲线2)的常规交叉,光功率损耗随交叉角θ的变化。从图中可以看出,损耗随交叉角的降低而急剧增加。
已经提出很多方法来降低波导件交叉处的损耗。一种方法是增加光导层的锥度,以便在波导件接近交叉区域时宽度增加(见K.Aretz etal.,”Reduction of crosstalk and losses of intersecting waveguide,”25Electronics Letters,No.11(May 25,1989);也见H.G.Bukkens,etal.”Minimization of the Loss of Intersencting Waveguides inInP-Based photonic Integrated Circuits,”IEEE Photonics TechnologyLetters,No.11(Nov.1999))。因此在交叉处光束的尺寸增大,这使得光模可以和交叉另一侧的波导件更好地匹配。对于角度小于6°,可以达到<30dB的低串扰和低损耗。然而这种方法要求很长的锥形长度(大于1mm),这对于某些应用是不可行的。另外,这种方法对于高δ波导件的交叉不是有效的。
Hernandez等在1990年10月9日公布的美国专利No.4961619中提出了一种类似的方法。在交叉点处增加或者降低波导件的宽度可以改变该区域的光模特性。这样便造成横向折射率分布的轴向变化,这种变化可以更好地准直在交叉处的电场。这种方法还可以用于小于5°的小角度交叉。然而这种方法不适用于高δ的波导件,因为它需要很大的圆锥区域来使光模绝热膨胀。
由Nishimoto(1992年10月20日公布的美国专利No.5157756)提出的第三种方法中,相交区域包括低折射率的外周区域,该区域围绕交叉中心的岛形波导材料。也见Lemoff等的论文。这种方法对于小角度交叉可以降低损耗。然而对于高阶的折射率对比度波导件是无效的,光损耗可能较高。
因此,需要一种光波导装置,这种波导装置具有损耗低的光波导件交叉。
发明内容
为了实现本发明的目的,本发明提供一种光学器件,包含多个光波导件,每个光波导件包括用于传送光线的纵向延伸的芯区域,该光学器件还包括至少一个相交区域,其中,至少第一和第二波导件交叉,以形成所述的至少一个相交区域,在该相交区域中的第一和第二波导件包括各自的分段的芯区域,这些分段的芯区域合并成至少一个共用的相交段,其中,所述共用的相交段的形状与分段的芯区域的外周形状相应,并且各芯区域中的每一个芯区域包括至少三个分段。
本发明是一种改进的平面光波导装置,包括多个光波导件和一个或者多个两个波导件以一定角度相交的交叉区域。按照本发明,通过在交叉区域上将波导件分段可以减小由交叉产生的损耗和串扰,这些分开的段最好还加宽其宽度(与远离交叉点的波导传送区域相比),并相对于波导件的纵轴偏移。在这些段的相交区域中,这些段并合成复杂的段,这些段的形状对应于相交段的外周形状。
附图说明
下面结合附图详细说明例示性的实施例,由此可以更完全地看出本发明的优点、特性和各种其它的特征。这些附图是:
图1A是常规波导件交叉的示意图;
图1B是曲线图,示出对两种图1A所示的代表性交叉,损耗随交叉角的模拟变化;
图2A是示意图,用于设计本发明的波导件交叉;
图2B是示意图,示出例示性的光波导件装置,该装置包括本发明的波导件交叉;
图2C是沿波导件22截取的图2B所示装置的横截面图;
图3是曲线图,示出对于包含图2B所示交叉的若干交叉中光损耗随交叉角的模拟变化。
应当明白,这些附图是为了例示本发明的原理,除开曲线而外,均不是按比例画出的。
具体实施方式
参考附图,图1A和1B是常规装置,在发明背景一节进行说明。
图2A可以用于设计本发明的波导件交叉,图中示出一种光波导装置20,该装置包括例示性的波导件交叉区域21。事实上,该交叉区域21包括一对共平面的以角度θ相交的光波导件22和23。各个光波导件22和23包括芯部分,该芯部分包括多个沿交叉区域21波导件共有的分段22B和23B。各个波导件22和23最好绝热地形成锥形,以增大相交区域的宽度,并绝热地形成锥形,以降低离开该区域的宽度。例如,波导件22形成一条光路,该光路包括:连续的锥形输入芯部分22A,该芯部分的宽度逐渐加宽地进入相交区域;在区域21中的多个段22B;连续的锥形芯部分22C,该部分伸离区域21。而波导件23具有类似于上述的相同芯部分。在各个波导件中这些段最好横向偏离连续输入部分22A和23A的轴线。
在波导芯22和23位于分开的层上时,图2A也可以是立交,但是在芯22和23共平面时,它不是立交。从图2A可以明显看出,在共面芯的装置中,段22B和23B将并合成更复杂的共用分段,这些段的形状对应于段相交的外周形状。按照本发明,交叉包括具有这种复杂共用分段的交叉。
图2B示出一种例示性的光导装置,该装置包括本发明的交叉。其中共面的波导芯22和23穿过交叉区域21。各个波导件包括连续的输入部分例如22A(长度相当于交叉区域)、复杂的共用段25(基本上用虚线示出)以及连续的输出部分例如22C。两个波导件均具有同样的复杂共用段25,该复杂共用段的形状相当于并合段的外周形状,如图2A所示。图2B所示的装置最好还包括如图2A说明的锥形和偏离。
图2C是沿线A-A截取的图2B所示装置的示意横截面图。图中示出的装置包括底衬26例如硅底衬,该底衬支承第一涂层27例如SiO2涂层。芯层22和23通常是较高折射率的掺杂SiO2区域,第二涂层28涂在图案式的芯层上。
在波导件22和23纵轴之间的交叉角θ是锐角。本发明适合于角度θ通常在35-3°范围的交叉,最好在25-5°范围的交叉。与离开交叉区域的传输区域中的典型波导件宽度相比,在交叉区域的宽度通常增加约0-30%,最好增加约9-11%,交叉区域通常包含3-5个共用段的并合段,各个段的纵向长度通常在4-8微米之间,而段之间通常隔开1.2-1.4微米。在优选实施例中,分段的段横向偏离输入芯部分和输出芯部分的两个部分。最佳的偏离取决于角度θ。对于典型的交叉,偏离的范围从小于约0.1微米到大于1.0微米。优选的偏离对于角度θ=20°为0.3微米,而对于θ=5°为0.7微米。在图2所示的实施例中,该分段的段25B相对于输入部分23A是偏离的(向左偏移),而相对于部分22A也是偏离的(向右偏移)。
本发明适用于δ在0.8-10范围内的波导件的交叉。对于范围在2-6的高δ交叉是特别有利的,在上述交叉中,相交波导件的段的重叠将产生折射率分布,这种分布将光功率控制在输出波导的方向。分段的段使光束在相交区域22中膨胀。另外,该光束将稍微膨胀成具有绝热的(最好是指数的)锥形,从而匹配在分段区域中的光模。段的横向偏移改进了波导件相交区域22的光模耦合。
通过以下具体例子可以更清楚理解本发明。
图3示出采用BPV商用软件的模拟结果。该结果是对δ为0.8%(圆圈)和4%(方块)折射率对比度的波导件得到的。在同一图上,用虚线示出常规交叉的数据。对于0.8%的波导件,锥形的起始宽度为4.5微米,而高度为6.4微米。最后宽度在4-5微米之间,取决于交叉的角度。交叉区域的总长(包括锥形)是120微米,波导件的偏离适合于各个角度。如此图所示,与常规的交叉相比,对于小角度交叉可以显著降低损耗。不用这种段时,标准δ波导件(0.8%)的损耗在30°时约为0.08dB。对于5°的小角度,交叉损耗增加到1dB,这种损耗远高于允许损耗。用我们的新方法,对于5°交叉角,光损耗值可以降低到0.1dB,而且在较宽的角度范围,这些结果是大体一致的。
对于4%的δ的波导件,面积是2.7×2.7平方微米。锥形的最终长度在70-120微米之间。另外,可按照交叉角修改波导件的偏离和最终宽度。在交叉处使用段,对于20°的角度,可以将光损耗从0.45dB减小到0.13dB,而对于5°角度,可以从约16dB减小到0.4dB。该约16dB的光损耗主要是由于与相交波导件的串扰引起的。这种结果对于小角度交叉是很有希望的,这种小角度可以增加芯片上光学器件的数目。
应当明白,上述实施例只例示出多个可能的本发明适用的具体实施例中的少许实施例。但是技术人员可以进行多个其它的变型配置而不违背本发明的精神和范围。
Claims (8)
1.一种光学器件,包含多个光波导件,每个光波导件包括用于传送光线的纵向延伸的芯区域,
该光学器件还包括至少一个相交区域,其中,至少第一和第二波导件交叉,以形成所述的至少一个相交区域,
在该相交区域中的第一和第二波导件包括各自的分段的芯区域,这些分段的芯区域合并成至少一个共用的相交段,其中,所述共用的相交段的形状与分段的芯区域的外周形状相应,并且各芯区域中的每一个芯区域包括至少三个分段。
2.如权利要求1所述器件,其特征在于,每个分段的芯区域的各分段在未合并成所述共用的相交段时在纵向延伸的芯区域的方向上纵向延伸的范围在4-8微米之间。
3.如权利要求1所述器件,其特征在于,分段的芯区域的各分段在未合并成所述共用的相交段时由一个间隙隔开,该间隙沿所述第一和第二波导件的纵轴线延伸的范围在1.2-1.4微米之间。
4.如权利要求1所述器件,其特征在于,第一和第二波导件中的每个波导件包括一对与相交区域分开的连续部分。
5.如权利要求4所述器件,其特征在于,每个连续部分包括朝向相交区域在宽度上连续增加成锥形的部分。
6.如权利要求5所述器件,其特征在于,连续成锥形的部分是绝热的锥形部分。
7.如权利要求4所述器件,其特征在于,对于每个波导件,每个分段的芯区域横向偏离连续部分的光轴。
8.如权利要求1所述器件,其特征在于,在第一和第二波导件之间的相交角度在3-35°的范围内。
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