CN103760637B - 一种微型高性能正交硅波导结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微型高性能正交硅波导结构，采用正交交叉的波导结构，波导的组成材料为硅。在波导结构的内部、四个正交交叉口处分别设有棱镜结构，棱镜结构的折射率低于组成波导的基底材料。进一步地，在波导结构的正交交叉点的四个外角处加设有修饰结构，其厚度与波导的厚度一致；所述修饰结构由两个形状相同的微结构拼接而成，两个微结构拼接后沿着正交交叉外角的对角线成镜面对称。当基模在波导内传播时，本发明的结构可以保持小于0.2dB的损耗，同时可以维持很低的串扰损耗和反射损耗，其值分别为小于‑35dB和小于‑30dB。本发明的另一个很重要的优点是结构的几何尺寸很小，整个设计的交叉结构尺寸仅约为1×1um²。

Description

一种微型高性能正交硅波导结构

技术领域

本发明属于硅基光子学领域，具体涉及一种微型高性能正交硅波导结构。

背景技术

目前，随着科学技术的发展，特别是微加工工艺和技术的提升，计算机的CPU计算速度更快，内存存储速度更快，容量更大。著名的摩尔定律指出，集成电路上可容纳的电晶体数目，约每隔18个月便会增加一倍。但是随着传统工艺的制备极限的限定，如何进一步提高集成度是人们遇到的首要问题。因此各种不同材料组成的光电子器件就引起了人们的广泛兴趣，包括砷化镓、磷化铟等Ⅲ-Ⅴ族的材料，又有锗、硅等Ⅳ族材料。但是这些器件的制备工艺都是互不兼容的，这不便于以后进一步将这些器件集成化。而硅基的微纳加工技术随着集成电路工艺的发展，已经越来越成熟，同时硅的价格也比其他的材料有优势，这使得近年来硅基光子学得到了显著的发展，并且引起了科学工作者以及产业工程师的广泛关注。此外，由于硅与二氧化硅等衬底材料的高折射率差，当光在其内部传播的时候能够非常好地被限制在硅波导内。基于对硅波导微纳结构的设计，目前在国际顶级期刊科学（science）、自然（nature）等上报道科研工作者已经制备出一批具有良好应用前景和市场价值的硅基光电子器件，比如硅基拉曼激光器，基于石墨烯的硅基红外光探测器，硅基光调制器，硅基单向反射器，硅波导的光二极管等。这些都为未来的光子集成提供了可能。

但是，当在一个芯片上的集成度提高的时候，不可避免的就会出现波导与波导的交叉的情况。如何实现高效、CMOS工艺可兼容的、微型化的交叉波导，是人们在近年来的一个重要目标。进行表征交叉硅波导的性能的重要参数包括透过率，交叉波导的串扰损耗，还有反射损耗。然而传统的波导交叉后，在原波导中只会剩下不超过70%的能量，同时串扰损耗会达到-9dB左右，这种效果是很难投入到实际应用的。基于以上目标，已经有一部分工作提供了解决方案，但是都有不可避免的缺陷。比如，在2007年P.Sanchis提出了利用改变角度的方法来增加效率（参见P.Sanchis,J.Galan,A.Griol,J.Marti,M.Piqueras,andJ.Perdigues,"Low-crosstalk in silicon-on-insulator waveguide crossings withoptimized-angle,"Photonics Technology Letters,IEEE,vol.19,pp.1583-1585,2007），让波导和波导之间的角度为120度或者60度，而不是90度。这种虽然可以提高效率，但是改变了角度，由于一般的结构都是正交排列的，这使得集成的时候不是很方便，对于未来光子集成，并不是那么的有吸引力。同年，W.Bogaerts等又提出了基于一种模式扩展的机制来提高效率（参见W.Bogaerts,P.Dumon,D.V.Thourhout,and R.Baets,"Low-loss,low-cross-talk crossings for silicon-on-insulator nanophotonic waveguides,"Opticsletters,vol.32,pp.2801-2803,2007.）。我们知道，当光波通过波导的交叉结的时候，由于折射率的变化不存在，光波就失去了原来的限制作用，也就是说原来单模的波导会产生高阶的模式分量。而这种模式扩展的方式就是在交叉点处改变波导的宽度，使得原来曲折的波前能够重新整合成平整的平面波波前。这样就能够很好地使光波传播过去并且得到很小的串扰损失和反射损失。此外，值得一提的是，在2011年的光学快报（optics express）上，A.V.Tsarev等又提出了一种新的方案（参见A.V.Tsarev,"Efficient silicon wirewaveguide crossing with negligible loss and crosstalk,"Optics Express,vol.19,pp.13732-13737,2011）。A.V.Tsarev指出，在已有的波导结构上，再铺一层聚合物层，这也能得到很好的效果，包括获得很高的透过率，较低的串扰损耗和反射损耗。根据这篇文章所述，可知这种结构的透过率能达到98%，同时串扰损耗只有-70dB，反射损耗只有-50dB。但是这种结构具有一种很致命的缺陷就是，其与硅基半导体工艺的不兼容性，另外其为了实现高性能的波导交叉需要引入额外的一层波导层，从而加大了制备的复杂度。因此，虽然其具有非常优异的性能，但是由于其上述的缺陷，在日后的集成光子器件的应用前景是非常有限的。由此可以知道，如何设计出一个具有良好性能并且小型化的硅波导交叉结构是一个有重大意义的挑战。

发明内容

本发明提出一种基于新的机制的波导交叉结构的具体设计，目的在于得到高透射率，低串扰损耗和低反射损耗，且结构简单，稳定性好，小型化，容易用硅基半导体工艺来实现的波导结构。

本发明采用的技术方案为：

一种微型高性能正交硅波导结构，采用正交交叉的波导结构，波导的组成材料为硅，在波导结构的内部、四个正交交叉口处分别设有棱镜结构，棱镜结构的折射率低于波导材料的折射率。

进一步地，在波导结构的正交交叉点的四个外角处加设有修饰结构，其厚度与波导的厚度一致；所述修饰结构由两个形状相同的微结构拼接而成，两个微结构拼接后沿着正交交叉外角的对角线成镜面对称。

进一步地，所述棱镜结构为凸透镜结构，其折射率为1。

本发明设计的结构主要包括两部分内容，其中一部分是在交叉结构周围的小块硅结构，这种硅结构与硅波导的厚度一样，这样可以去除因厚度不同而造成的光散射。设在波导旁边的修饰结构主要的作用是支持被散射的大角度传播的波的传播。另外一个起主要作用的是在波导中间的类透镜结构，它在波导内部可以是镂空的，也就是说其折射率为空气的折射率，设为1。当波导的基模的光在波导内部传播的时候，遇到交叉结构时，会散射出大角度的波矢，如果没有本发明这种透镜结构，这部分光会在交叉的波导中传播或者被散射出自由空间。但是由于本发明这种透镜结构的存在，本来要散射出去的波，由于阻抗失配，其会被反射回来，这样就会抑制波的串扰损耗并且提高透过率。

本发明的有益效果：

（1）这种设计的器件的透过率损耗可以小于0.2dB，而串扰损耗可以达到小于-35dB，同时反射损耗可以为小于-30dB。这种条件完全可以满足产业生产的需求。

（2）本发明的器件还具有非常微型化的优点，该器件的几何尺寸约为1×1um²，比之前报道的都要微小，甚至其几何尺寸可以小于5倍以上。

（3）本发明的结构也同样适用于其他的高折射率限制的波导结构，只是对于不同材料的波导，其修饰硅结构的参数和棱镜结构的参数不同。因此，本发明这种简单、高效且微型化的波导交叉结构给未来高密度的硅基光子集成提供了新的保证和思路。对未来的高集成度、高性能的光子集成器件有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例1的波导结构示意图，(a)为整体设计的结构图，(b)为波导修饰硅结构的示意图。

图2为本发明实施例2的波导结构示意图，(a)为整体设计的结构图，(b)为波导修饰硅结构的示意图。

图3为棱镜结构示意图。

图4为本发明图1（a）在不同情况下的电场x分量的场分布图，其中从(a)到(c)依次为存在前后左右四个棱镜结构的Ex场分布图、只有左右方向的棱镜结构的Ex场分布图和只有前后棱镜结构时的Ex场分布图。

图5为本发明图1（a）在波长1500nm到1600nm的透射率和串扰以及反射损耗的响应曲线，其中(a)为透射率在该波段下的响应，（b）为串扰损耗和反射损耗在该波段下的响应。

具体实施方式

本发明的实施例分析主要是基于数值仿真来实现。采用的软件业界公认的电磁学的数值模拟方法FDTD(时域有限差分方法)软件包。

实施例中采用的波导为硅波导，波导的宽度为500nm，厚度为250nm。硅的折射率为3.476，衬底选用的是SiO₂，其折射率为1.444。由电动力学计算可知，在这种条件下波导只能支持基模的传播。这样就可以排除基模传播的光因为碰到交叉结构的时候，因为交叉结构的散射造成的高阶模式的传播。所设计的波段是在通讯波长1550nm。

由于修饰结构主要是起到折射率补偿的作用，根据时域有限差分法的计算，有多种结构都可以提高透过率和减小串扰损耗和反射损耗的目的。只要这种结构能够提供一定的空间来传播被散射的部分波即可。本发明着重研究两种结构。其中一种结构为两块三角形拼起来的结构。另一种由是放在波导中心的两个椭圆边界拼起来的结构。

实施例1

图1主要是本发明涉及的波导交叉结构的示意图。1为交叉的波导结构，2为修饰结构，3为棱镜结构。图1（a）是整个波导的结构。而图1（b）和图3分别是由两块三角形拼起来的修饰结构和棱镜结构的示意图。这两种结构在本发明器件中都是4度对称的。

修饰结构2的材料为硅，主要由两个参数来描述。一个是该修饰结构2的臂长C1，还有一个是C2。这种结构主要起的作用是让一部分散射波能在空间上继续被波导所传播。本实施例中C1为260nm，C2为90nm。而该器件核心结构是图1中所示的棱镜结构3。这种棱镜结构3需要由5个结构几何参数来描述。分别是与交叉点中心的距离P为380nm，棱镜中心厚度W为280nm、棱镜长度D为60nm和前后曲率半径R1、R2分别为460nm和200nm。本实施例的棱镜结构3的具体参数为：P=380nm，W=280nm、D=60nm，R1=460nm、R2=200nm，在波导内部是镂空的，具体为凸透镜结构，其折射率为1。经过调整且优化设计，对于1550nm入射的光，可以达到的透射率损耗可小于0.2dB，而且串扰损耗和反射损耗可以分别达到小于-35dB和-32dB的效果。这种镂空结构使得被散射的波无法被传播到交叉的波导中，进而提高器件的效率。

实施例2

对于由两个椭圆边界拼接的修饰结构2而言，可设椭圆的中心在波导的中心，椭圆的长半轴A₁和短半轴A₂长度分别为590nm和420nm。同时对于椭圆边界修饰结构，当棱镜的参数为与交叉点中心的距离P为380nm，棱镜中心厚度W为300nm、棱镜长度D为50nm和前后曲率半径R1、R2分别为550nm和300nm时，其效果最好。在这种条件下，透过率损耗仍可以小于0.2dB，而串扰损耗和反射损耗为别为-39dB和-29dB。

虽然可以类比空间光中棱镜对光的限制来帮助对本效应的理解，但是为了进一步了解到底是前后两个棱镜还是左右的棱镜起了主要作用，针对实施例1的结构，在图4中做了更详细的讨论。在图4中波都是延前后方向传播的。图4（a）是前后左右都有棱镜结构时Ex分量的场分布图。而图4（b）中体现的只有左右方向的棱镜结构的Ex场分布图，图4（c）是只有前后棱镜结构时的Ex场分布图。由这3幅图可以看出，当前后左右都有棱镜结构的时候，波都沿着原来的传播方向传播。同时如果把前后的两个棱镜结构去掉，如图4（b）所示，可以看出波还是主要沿着传播方向传播，但是如果把左右方向的棱镜结构去掉的话，而只留下前后棱镜的话，可以明显地看出在交叉波导和周围空间中有很大一部分的场强，也就是说有这就有很大的串扰损耗和很低的透射率。由此可知，主要是左右两个棱镜起了关键的作用。

为了研究实施例1的波导交叉结构在宽带波段下的响应，又给出其在1500nm到1600nm下的透射率、串扰损耗和反射损耗，如图5所示。图5（a）描述的是其透射率在该波段下的响应，而图5（b）描述的是串扰损耗和反射损耗在该波段下的响应，其中黑线代表的是串扰损耗，而灰线代表的是反射损耗。由图5（a）可知在1550nm处，透射率接近为最大值，这说明了在前面所述的几何条件下，确实透射率是最优化的。同时在图5（b）中可以看出串扰损耗和反射损耗都有个最低值，分别在波长为1544nm和1574nm。而且在最低点处，其损耗可分别达到-56.10dB和-48.26dB。

上述实施例仅示例性说明本发明的原理及功效，而非限制本发明，本发明的结构不仅可以用硅波导体系，同样适用于其它的高折射率对比度的光学材料体系。任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种微型高性能正交硅波导结构，采用正交交叉的波导结构，波导的组成材料为硅，其特征在于，在波导结构的内部、四个正交交叉口处分别设有凸透镜结构，凸透镜结构的折射率为1，低于波导材料的折射率；在波导结构的正交交叉点的四个外角处加设有修饰结构，其厚度与波导的厚度一致；所述修饰结构由两个形状相同的三角形微结构拼接而成，两个微结构拼接后沿着正交交叉外角的对角线成镜面对称；所述修饰结构的外边长C1为260nm，斜边中点到边长的垂直距离C2为90nm。

2.根据权利要求1所述的一种微型高性能正交硅波导结构，其特征在于，所述修饰结构由两个形状相同的椭圆形微结构拼接而成，两个微结构拼接后沿着正交交叉外角的对角线成镜面对称；所述椭圆形微结构的长半轴A₁为590nm，短半轴A₂为420nm。