CN101320111A - 并行模式变换器和由其构成的光分路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并行模式变换器和由其构成的光分路器，解决的技术问题是在SOI集成光回路中降低光分路器的分支节处的光场损耗。本发明的并行模式变换器，在光平板波导上分布有并行的多路波导脊，各个并行的多路波导脊，在输入端至输出端脊波导宽度逐渐变宽。光分路器由入射耦合光波导、单通道模式变换器、横向自由传播区和模式变换器依次连接组成，模式变换器的光平板波导上设有并行的多路波导脊，波导脊的宽度由输入端至输出端逐渐变宽。本发明与现有技术相比，输入端至输出端波导脊宽度逐渐变宽的并行多路脊波导结构，降低分支节处散射损耗，光波在这个变换过程中，可以避免被硅通道之间的二氧化硅所散射。

Description

并行模式变换器和由其构成的光分路器

技术领域

本发明涉及一种集成光电子器件，特别是一种模式变换器和由其构成的低损耗光分路器。

背景技术

以绝缘衬底上的硅SOI为基片的光波导和平面光集成回路PLC，可以帮助降低光芯片的成本，并实现多功能单片集成。但在基于SOI或其他高材料折射率对比基片的平面光集成回路中，在分支结处的散射损耗是构造低损耗器件的障碍。通用的以二氧化硅为基片的光分路器的额外损耗小于0.5dB，而一个典型的SOI的光分路器的额外损耗是大于1dB，大的分支结损耗是高材料折射率对比的直接结果。

图1是SOI脊波导的横截面示意图。图1(a)是初始SOI园晶片，包括硅层8和埋入二氧化硅层2，以及在埋入二氧化硅层2下面的体硅层7；由初始SOI园晶片加工成的脊波导1的横截面图如图1(b)所示，埋入二氧化硅层2作为其下覆盖层，在硅层8上通过刻蚀或局部氧化形成凸字形的波导脊4及其两侧的脊波导平板区(slab region of the ridge waveguide)5，波导脊4下方为脊波导核心(ridge waveguide core)3，它包括从波导脊4的上表面到硅层8的下表面的区域，上覆盖层(top cladding)6可以是空气或二氧化硅或其他低折射率材料。最后形成的脊波导1折射率配置为：波导脊4、脊波导核心3、脊波导平板区5的折射率n_f，下覆盖层2折射率n_s，上覆盖层6折射率n_c。

由于在SOI中强烈的材料折射率的对比(n_f＝3.48与n_c或n_s＝1.44～1.8对比)，光在行进到波导脊的分支结处时，原来在硅材料里的光波会被突然出现在前方的二氧化硅或其它低折射率材料散射。如图2(a)所示，给出了目前基于SOI的1×2光分路器的折射率分布示意图，图中，波导脊的硅区折射率分布12，二氧化硅区的折射率分布13，分支结11，光散射示意14；图2(b)和图2(c)是光场传输的模拟结果图，图中，光强沿器件轴线的分布15，光强分布的俯视图16，图中的x轴是光在器件中的传播方向(光轴方向)，Z轴为光场强度，Y轴为器件的横向，在光强沿器件轴线的分布15中可以看出，在靠近分支结21处对光场的散射损耗，即光场强度的衰落。

发明内容

本发明的目的是提供一种并行模式变换器和由其构成的光分路器，解决的技术问题是在SOI集成光回路中降低光分路器的分支节处的光场损耗。

本发明采用以下技术方案：一种并行模式变换器，在光平板波导上设有波导脊，所述光平板波导上分布有并行的多路波导脊，所述各个并行的多路波导脊，在输入端至输出端脊波导宽度逐渐变宽。

本发明并行的多路波导脊呈平行分布或扇形分布。

本发明并行多路波导脊的起点与入射光波前对齐或不对齐。

本发明并行的多路波导脊之间，其各自对应的脊波导模式相互耦合。

一种光分路器，以绝缘体上硅为基片，由入射耦合光波导、单通道模式变换器、横向自由传播区和模式变换器依次连接组成，所述模式变换器的光平板波导上设有并行的多路波导脊，所述波导脊的宽度由输入端至输出端逐渐变宽。

本发明光分路器并行的多路波导脊呈平行分布或扇形分布。

本发明光分路器的并行多路波导脊的起点与入射光波前对齐。

本发明光分路器并行多路波导脊的起点与入射光波前不对齐。

本发明光分路器的入射耦合光波导为深刻蚀的脊波导。

本发明光分路器的单通道模式变换器为在深刻蚀脊波导的波导脊上浅刻蚀成纵向宽度逐步缩小的浅刻蚀波导脊，横向自由传播区为浅刻蚀脊波导去掉波导脊后的平板波导。

本发明与现有技术相比，并行模式变换器在硅基片上深刻蚀和浅刻蚀，以形成在输入端至输出端波导脊宽度逐渐变宽的并行多路脊波导结构，降低分支节处散射损耗，光分路器采用并行多路脊波导，在通过并行模式变换器的过程中，光波的分路在从单通道波导模式到多通道并行耦合波导的超模式之间的模式变换的过程中实现，光波在这个变换过程中，可以避免被硅通道之间的二氧化硅所散射，光分路器的额外损耗就可以被大幅度降低，并与通常低折射率对比的集成光路的性能相媲美。

附图说明

图1(a)是现有技术以SOI为基片的光波导初始SOI园晶片示意图。

图1(b)是现有技术以SOI为基片的光波导示意图。

图2(a)是现有技术基于SOI的1×2光分路器的折射率分布示意图。

图2(b)是现有技术基于SOI的1×2光分路器的光强沿器件轴线传输的模拟结果图。

图2(c)是现有技术基于SOI的1×2光分路器的光强分布的俯视模拟结果图。

图3为深刻蚀和浅刻蚀所形成不同脊波导的示意图，以浅刻蚀单模波导至深刻蚀多模波导的模式变换器为例。

图4(a)是本发明实施例光分路器(一)中单通道模式变换器的结构示意图。

图4(b)是图4(a)的末端波导其模式光强分布和其横截面的对应关系图。

图5(a)是本发明实施例并行模式变换器的立体图。

图5(b)是图5(a)并行模式变换器的起始点的光强分布图。

图5(c)是图5(a)并行模式变换器的终点光强分布图。

图6是本发明实施例光分路器(一)的结构示意图。

图7是图6光分路器的起始端横截面示意图。

图8是本发明实施例光分路器(二)的结构示意图。

具体实施方式

我们用图3说明由深、浅两步刻蚀形成的波导结构，图3是为深刻蚀和浅刻蚀所形成不同脊波导之间模式变换结构的示意图，图中：起始硅平板24，起始于SOI圆晶片；在其上实施浅刻蚀形成脊波导22，其波导脊宽度前宽后窄；浅刻蚀后波导脊两侧位高位平板区25；深度刻蚀形成与浅刻蚀脊波导22后部联接的深刻蚀脊波导23，同时限制浅刻蚀脊波导22两侧的高位平板区的横向尺寸，这里把这个有限的高位平板区称为肩部21；肩部21与深刻蚀脊波导23两侧为低位波导平板26，其为深度刻蚀形成的波导平板区；在这个具体例子中，浅刻蚀脊波导22具有和一个单模浅刻蚀脊波导相同的主模式，其逐渐收缩的肩部21形成一个模式变换器，使浅刻蚀脊波导22的主模平滑过渡到深度刻蚀脊波导23的主模。在深度刻蚀脊波导23中，由于对光在横向的强烈限制，可以有很小的弯曲半径。

在有了图3的描述和定义后，图4(a)给出了后面本发明实施例中光分路器(一)中要用到的单通道模式变换器。硅平板24起始于SOI圆晶片；深刻蚀形成深刻蚀波导脊31，浅刻蚀形成浅刻蚀波导脊32；位于浅刻蚀波导脊32两侧的高位平板层25；高位平板层25上浅刻蚀波导脊32的垂直位置又称为脊层33。图4(b)给出了光场经过本实施例的变换器后在末端处的模式的光强分布与末端波导横截面的对应关系，其中：末端处的模式的光强分布35，末端波导结构说明如下：刻蚀之后，在硅上覆盖低折射率材料34，如二氧化硅，脊层33是介于原始硅平板顶面和由浅刻蚀所形成的表面之间。在这个模式变换器中，浅刻蚀波导脊32在末端的宽度Wt一般为制造工艺的最小可允许宽度，由图4(b)可看出，通过这个模式变换器，逐渐变窄地浅刻蚀波导脊32会将光场几乎全部压至到高位平板层25，而在脊层33中不留有光能量。

在SOI波导分路器中，额外的损耗来自于硅通道间二氧化硅对光的散射。本发明的模式变换器可以避免这一损耗，其在SOI上的实施例的立体结构如图5(a)所示，多个波导脊构成并行模式变换器43，其中由浅刻蚀形成的各通道波导脊41的位置和宽度随波的传播方向渐变，被刻蚀的波导脊以外的区域在后续工艺中会被二氧化硅沉积覆盖。图5(b)和图5((c)所示，从并行模式变换器的起始点到终点，光场从主要限制于高位平板层25内的模式42到多通道浅脊波导超模式44的变换，多通道浅脊波导超模式44的光场在高位平板层和脊层中都有分布，并且光场相对分立地分布在各个通道中，分路的作用显示了出来。而在这个并行模式变换而达成的分路中，光场避免了被低折射率材料的直接分割，从而避免了散射损耗。。

如图6所示，光分路器由入射耦合光波导56、单通道模式变换器55、横向自由传播区52和并行通道模式变换器57依次连接组成。图中不同图线分别代表：

虚线：二维高斯光束的波前，

点画线：深度刻蚀轮廓线，线包围的区域以外是被刻蚀的区域，

实线：浅刻蚀轮廓线，线包围的区域之外是被刻蚀的区域。

由浅刻蚀形成的浅波导脊51；在深度刻蚀轮廓包围内施加浅刻蚀而形成的高位平板的光的横向自由传播空间区52；被深度刻蚀之后的区域53，其在后续工艺中会被二氧化硅沉积覆盖；光分路后的其中一个光通道波导的光场模式分布54。

入射耦合光波导56是深度刻蚀形成的深脊波导，其横截面结构如图4(a)的起始端所示，其导模的主模与光纤的导模主模高效耦合，其后的单通道模式变换器55结构如图4(a)所示，被用来将光场压至在由第二步浅刻蚀形成的高位平板层25内。之后，是一个高位平板25的开放自由区域，这里叫做横向自由传播区52，是由对高位平板25实施深度刻蚀形成的扇形张开的区域，光在其中传播时不受任何横向限制，只受平板的垂直方向的限制。其垂直的光场分布将尊循高位平板层的平板波导模式，而横向为高斯分布的柱面波。限制在高位平板层25内的光波，经过横向无限制的自由传播，到达并行耦合的多通道脊波导模式变换器-并行模式变换器57。通过调节各通道波导脊的宽度和间隔可以使并行多通道脊波导的超模式场分布和来自横向自由传播区52的光束的场分布相匹配，于是单路光束到多路光束的转换就可以在很低的损耗下完成。在并行模式变换57之后，再通过如图3所示的浅刻蚀脊波导到深刻蚀脊波导变换器的结构，分路的光束可以被进一步分离。在制造上，分路器由两步刻蚀形成：第一步深度刻蚀定义边界，与入射耦合的深脊波导轮廓，高位平板自由区的轮廓等，第二步浅度刻蚀定义浅脊波导的轮廓，形成高位平板层25。

在图6的光分路器实施例中，并行模式变换器在起始点的横截面的示例如图7所示。这一示例所取横截面的位置在并行模式变换器的起始点，面对高位平板层横向自由传播区52。需要特别指出的是，在这个起始点位置，浅刻蚀形成的浅波导脊63的宽度很小，以至于光场主要限制在高位平板层25内，这样就可以和来自高位平板层的横向自由传播区52的光场分布很好的匹配。这是为什么并行模式变换器结构可以避免在传统光波导分路器中的散射损耗的根本原因。各通道波导脊之间的间距64以及浅波导脊63的宽度62将根据这个匹配的需要来设计，可以是不均匀的。

从起始点开始，并行模式变换器的波导脊63的宽度将逐渐变宽。光场于是就会逐渐从高位平板层25扩散到脊层33，同时在横向的约束会越来越强。在并行模式变换器的另一端，光场会被几乎完全分离在各个单独的波导通道中，这时各个通道之间的弱耦合仍然存在，之后通过深度刻蚀引入更强的横向约束从而使它们完全隔离。

如图8所示，并行模式变换器中各通道波导脊71的起始位置为从两边到中间依次往后排列；横向自由传播区52与图6所示的一样，由浅刻蚀形成的高位平板层构成；主要变化是并行模式变换器的各通道波导脊71的起始点的位置并不与从高位平板层自由传播区52来的柱面波的波前72对齐：越靠中间的通道的起始点越后开始，通过这样形成一个分布式的并行模式变换器73。通过这个方式，边缘的脊波导通道先从高位平板层中吸收光，以弥补其处于边缘位置的不足，从而输出端光功率在各个通道中的分布均匀，或达到所需的在各通道中的功率分布。

本发明的光分路器，采用了深刻蚀和浅刻蚀形成不同脊波导结构的并行模式变换器，降低分支节处散射损耗，并行多路脊波导，在输入端通过减小波导脊宽度或者波导脊之间的间距，使各波导脊强烈耦合在一起，其超模式具有类似高斯光斑的分布；所述并行多路脊波导，在输出端通过加大波导脊宽度或者波导脊之间的间距，使各波导脊之间的耦合减弱，其超模式为相对分离的多路光斑，从而降低光分路器光场损耗。

Claims (10)

1.一种并行模式变换器，在光平板波导上设有波导脊，其特征在于：所述光平板波导上分布有并行的多路波导脊，所述各个并行的多路波导脊，在输入端至输出端脊波导宽度逐渐变宽。

2.根据权利要求1所述的并行模式变换器，其特征在于：所述并行的多路波导脊呈平行分布或扇形分布。

3.根据权利要求1或2所述的并行模式变换器，其特征在于：所述并行多路波导脊的起点与入射光波前对齐或不对齐。

4.根据权利要去1或2所述的并行模式变换器，其特征在于：所述并行的多路波导脊之间，其各自对应的脊波导模式相互耦合。

5.一种光分路器，以绝缘体上硅为基片，由入射耦合光波导、单通道模式变换器、横向自由传播区和模式变换器依次连接组成，其特征在于：所述模式变换器的光平板波导上设有并行的多路波导脊，所述波导脊的宽度由输入端至输出端逐渐变宽。

6.根据权利要求5所述的光分路器，其特征在于：所述并行的多路波导脊呈平行分布或扇形分布。

7.根据权利要求6所述的光分路器，其特征在于：所述并行多路波导脊的起点与入射光波前对齐。

8.根据权利要求6所述的光分路器，其特征在于：所述并行多路波导脊的起点与入射光波前不对齐。

9.根据权利要求8所述的光分路器，其特征在于：所述入射耦合光波导为深刻蚀的脊波导。

10.根据权利要求9所述的光分路器，其特征在于：所述单通道模式变换器为在深刻蚀脊波导的波导脊上浅刻蚀成纵向宽度逐步缩小的浅刻蚀波导脊，横向自由传播区为浅刻蚀脊波导去掉波导脊后的平板波导。

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