CN106980153B - 一种基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的制作方法 - Google Patents

一种基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的制作方法 Download PDF

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Abstract

一种基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的制作方法，包括以下步骤：(1)选择二氧化硅作为基底材料，上部生长一层硅片；(2)在硅片上进行融刻，制作基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构，包括竖向部分和横向部分，竖向部分和横向部分结构上完全一致，依次包括前端直波导区域、前端锥形模式匹配器区域、椭圆形多模干涉区域、后端锥形模式匹配器区域、后端直波导区域组成，横向和竖向部分垂直交叉且中心对称，对称中心在椭圆形多模干涉区域的中心；硅片的下部分保留硅基，同时椭圆形十字交叉波导的器件结构完全掩埋于二氧化硅中。本发明串扰和损耗抑制效果好、结构紧凑、制作工艺简单、易于实现、且通用性、鲁棒性好、成本低廉。

Description

一种基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的制作方法
技术领域
本发明属于光通信技术领域，尤其是用于集成光路，以及含有十字光波导的微纳米级集成光通信器件中，涉及一种基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的制作方法。
背景技术
光波导是集成光路的基本单元，基于Silicon-On-Insulator(SOI)材料的光波导，因其所具有的约束光信号能力强、传输损耗低、制作工艺与标准COMS工艺兼容、可批量制作等优点，已成为集成光学器件和系统(特别是片上系统)中最常用的光波导材料。十字交叉光波导结构是光信号传输以及构建SOI基集成光学器件的常用结构，比如实现多通道的光通信、或是基于微环谐振腔的滤波和波分复用，必须使用大量的十字交叉波导单元。然而SOI结构的高折射率差会使其导模的空间角变的很大，从而使得光在光波导的交叉部位产生严重的散射。普通SOI基矩形十字交叉波导的单次损耗和串扰分别为1dB至1.5dB和-10dB至-15dB。很显然，光信号多次经过这种普通十字交叉波导所累积的损耗和串扰是难以接受的，因此，发明一种低串扰低损耗、结构紧凑、与标准微结构制作技术适配的波导交叉单元是非常有意义的。本发明的目的，就是发明一种抑制串扰和损耗的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导及其制作方法。
与本发明最接近的已有技术包括：(1)在椭圆形硅基波导基层之上制作锥形多模干涉耦合器(MMI)，实现光波在十字交叉波导的自聚焦，进而减小串扰和损耗(WimBogaerts,et.al.,Low-loss,low-cross-talk crossings for silicon-on-insulatornanophotonic waveguides,OPTICS LETTERS,32(19):2801-2803,2007)。该技术的多模干涉区是锥形的，实现自聚焦；椭圆形波导则作为波导基层对光束整形，结构十分复杂。理论上该技术十字波导交叉单元的透过率为96.8％，损耗和串扰分别为-0.16dB和-40dB，比传统矩形十字交叉波导损耗和串扰性能得到很大程度的改善。然而该技术采用双刻蚀技术，器件结构的设计和制作工艺(需要两次融刻)十分复杂，无法批量制作；其次，该技术的串扰性能尚需进一步优化；最后，该技术针对不同波导直径的技术适应性(即技术通用性)不高。(2)用矩形MMI十字交叉波导代替矩形十字交叉波导(Xianyao Li,et.al.,Demonstrationof a highly efficient multimode interference based silicon waveguidecrossing,Optics Communications,312:148-152,2014)。该技术十字波导交叉单元的透过率为98％，损耗和串扰分别为-0.07dB和-43dB，比传统矩形十字交叉波导损耗和串扰性能得到很大程度的改善。该技术以矩形MMI为基础实现光波在波导交叉处的自聚焦，采用单次刻蚀技术，工艺较为简单。但是矩形MMI的自聚焦周期很长，使得器件尺寸很大、集成度低、能耗高，抑制串扰的性能也有待进一步提高。
上述已有技术存在的共同缺陷是：器件尺寸庞大、结构复杂、难以批量制作、通用性差，无法满足实际应用需求。同时串扰性能也有待进一步提高。
发明内容
为了克服已有技术器件尺寸大、结构复杂、难以批量制作、通用性差，损耗和串扰性能不够理想的不足，本发明提供一种串扰和损耗抑制效果好、结构紧凑、制作工艺简单、易于实现、且通用性、鲁棒性好、成本低廉的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：
(1)选择二氧化硅作为基底材料，上部生长一层硅片；
(2)在所述的硅片上进行融刻，制作基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构，所述器件结构包括竖向部分和横向部分，所述竖向部分和横向部分结构上完全一致，依次包括前端直波导区域、前端锥形模式匹配器区域、椭圆形多模干涉区域、后端锥形模式匹配器区域、后端直波导区域组成，所述横向和竖向部分垂直交叉且中心对称，对称中心在椭圆形多模干涉区域的中心；
所述硅片的下部分保留硅基，同时椭圆形十字交叉波导的器件结构完全掩埋于二氧化硅中。
进一步，所述步骤(1)中，选择厚度约为2微米的二氧化硅作为基底材料，上部生长一层厚度为0.3-0.34微米的硅片，所述二氧化硅和硅片的折射率分别为1.48和3.48。
所述步骤(2)中，在所述的硅片上进行融刻，制作厚度为0.2-0.24微米的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构，下部分保留了约0.1-0.14微米厚的硅基，同时所述的厚度0.2-0.24微米的椭圆形十字交叉波导的器件结构完全掩埋于厚度约为1微米的二氧化硅中。
所述步骤(2)中，前端直波导区域的宽度选为0.45-0.5微米，锥形模式匹配器尺寸为小口宽度0.45-0.5微米，大口宽度1.18-1.26微米，长度为4-4.3微米，椭圆形多模干涉波导由长轴约为15微米，短轴约为0.9微米的椭圆结构截取中间段前后各保留约6.5微米的波导结构构成。
所述步骤(2)中，所述基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构设计方法包括：
(2.1)假设椭圆型MMI耦合器的初始宽度为Wi，终止宽度为Wt，z代表光波的传输方向，椭圆型MMI耦合器的宽度方程为：
其中长轴L代表椭圆型MMI耦合器的传播长度，而nr、nc分别代表椭圆型MMI耦合器芯层、包层的有效折射率；在工作波长为λ的椭圆型MMI区域支持m个模式的传输，其模式数为υ＝0,1,2,…,m-1，横向波数kυy、传输常数βυ的关系满足色散方程其中得到纵向传播常数βv：
取椭圆宽口宽度为1.8微米则横向波数kυy与k0nr的比值为
从公式(2)和(3)中看出阶数为v＝0和v＝2的模式采用傍轴近似，由此得到通过傍轴近似后的传播常数βv：
二阶模与基模的传输常数之差Δβ01(z)＝(3πλ)/(4nrWe 2(z))，We(z)＝Wg+W(z)为多模干涉区的有效宽度，它考虑了古斯-汉森位移TE模σ＝0，TM模σ＝1。在位置为z＝L处的相位差为：
定义拍长：
Lπ(L)＝πL/Δφ(L) (6)
此处只考虑基模与二阶模的干涉；
(2.2)椭圆形MMI的中心宽度约为1.8微米，其中容纳的模式数不超过6个，由于波导沿中心线对称，所以只有3个偶对称的模式；考虑基模和二阶模，由此得出的场分布函数为：
第一个自映像应满足关系z＝L处的相位差为：
其中
当a＞＞LMMI时，方程退化为：
此时椭圆型MMI近似为矩形，与矩形MMI的对称干涉周期公式计算结果吻合；
当Wg→0+时，公式(8)等号右侧第二项趋近于零，方程退化为：
因此对于对称干涉，第一个自映像位置为
(2.3)经matlab计算宽度为1.8微米的矩形干涉器L＝7.0892微米，而短轴为1.8微米的椭圆型干涉器L＝6.86微米；
(2.4)根据步骤(2.1)-(2.3)理论计算的第一个自映像位于6.86微米处，结合COMSOL软件仿真，并考虑加入了前端锥形模式匹配器区域和后端锥形模式匹配器区域后对所形成自映像位置的影响，得出优化的光束最小束腰距离为6.5微米，由对称性可知，要使得光以单模形式进入，转化成多模，再以单模形式通过十字交叉波导，再转化成多模，再以单模形式输出，整个椭圆形多模干涉区域的长度为13微米。
本发明的技术思想为：输入光的模式在本发明的椭圆形多模干涉波导中是周期性变化的。单模的输入光在前端直波导和前端锥形模式匹配器中是单模的，但进入到椭圆形多模干涉区域中，会依次出现单模，多模，单模，多模再到单模的情况，光波以单模的形式从椭圆形多模干涉区域输出到后端锥形模式匹配器中，并且光波将一直以单模的形式从前端锥形模式匹配器传输到后端直波导中进而从输出端口输出。值得注意的是在十字交叉波导的中心处出现单模情况，这是由于椭圆形多模干涉波导结构的自映像效应，在十字交叉点中心的自映像很好的抑制了波前的扩展，从而减小了整个器件的损耗和串扰，同时，所述的椭圆形十字交叉波导结构是中心对称的，它只会激发偶次模场，所以在多模对称的模式中，自映像也称为对称干涉。同样重要的是锥形模式匹配器的结构，既要保证光波在锥形模式匹配器中以单模的形式存在又要保证光波在锥形模式匹配器中光斑变化到一个合适的大小，有利于解决光直接从直波导输入到椭圆形波导多模干涉区域带来的模式失配问题，同时锥形模式匹配器与椭圆形MMI相接的宽度和锥形模式匹配器的长度将影响光自映像光斑的质量。
本发明的有益效果主要表现在：1.结构简单、稳定，系统通用性好。2.运用所述的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构代替传统矩形十字交叉波导有利于降低损耗和串扰，所述的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构的传输效率不低于96.8％，串扰优于-45dB。3.并且，所述的基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的器件结构与矩形MMI波导交叉结构比，它的自映像点前移致使整个器件的结构更加紧凑。4.同时，所述的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构与锥形MMI波导交叉结构相比，它的结构对称，只有偶次模式，在微纳米级MMI波导中传输效率更高。
附图说明
图1为本发明一种基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构的二维示意图，其中，(a)为直波导宽度0.45微米对应的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构尺寸图，(b)为直波导宽度0.5微米对应的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构尺寸图。
图2为本发明应用的椭圆形MMI结构理论分析图。
图3为本发明实施例提供的三维总结构俯视图和主视图，其中，(a)为俯视图，(b)为主视图。
图4为本发明在通信波段1550nm波长时直波导宽度分别为0.45微米和0.5微米的基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的器件结构中横向波导中心轴线上的电场模图，其中，(1)为直波导宽度0.45微米对应的基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导器件结构中横向波导中心轴线上的电场模图，(2)为直波导宽度0.5微米对应的基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导器件结构中横向波导中心轴线上的电场模图。
图5为直波导宽度分别为0.45微米和0.5微米的基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的器件结构中竖向波导中心轴线上的电场模图，其中，(1)为直波导宽度0.45微米对应的基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导器件结构中竖向波导中心轴线上的电场模图，(2)为直波导宽度0.5微米对应的基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导器件结构中竖向波导中心轴线上的电场模图。
图6为直波导宽度分别为0.45微米和0.5微米的基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的器件结构在波长为1500nm-1600nm范围内损耗和串扰情况图，其中，(1-1)为直波导宽度0.45微米基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的器件结构在波长为1500nm-1600nm范围内损耗情况图，(1-2)为直波导宽度0.45微米基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的器件结构在波长为1500nm-1600nm范围内串扰情况图，(2-1)为直波导宽度0.5微米基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的器件结构在波长为1500nm-1600nm范围内损耗情况图，(2-2)为直波导宽度0.5微米基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的器件结构在波长为1500nm-1600nm范围内串扰情况图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图6，一种基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的制作方法，
(1)选择二氧化硅作为基底材料，上部生长一层硅片；
(2)在所述的硅片上进行融刻，制作基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构，所述器件结构包括竖向部分和横向部分，所述竖向部分和横向部分结构上完全一致，依次包括前端直波导区域、前端锥形模式匹配器区域、椭圆形多模干涉区域、后端锥形模式匹配器区域、后端直波导区域组成，所述横向和竖向部分垂直交叉且中心对称，对称中心在椭圆形多模干涉区域的中心；
所述硅片的下部分保留硅基，同时椭圆形十字交叉波导的器件结构完全掩埋于二氧化硅中。
进一步，所述步骤(1)中，选择厚度约为2微米的二氧化硅作为基底材料，上部生长一层厚度为0.3-0.34微米的硅片，所述二氧化硅和硅片的折射率分别为1.48和3.48。
所述步骤(2)中，在所述的硅片上进行融刻，制作厚度为0.2-0.24微米的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构，下部分保留了约0.1-0.14微米厚的硅基，同时所述的厚度0.2-0.24微米的椭圆形十字交叉波导的器件结构完全掩埋于厚度约为1微米的二氧化硅中。
所述步骤(2)中，前端直波导区域的宽度选为0.45-0.5微米，锥形模式匹配器尺寸为小口宽度0.45-0.5微米，大口宽度1.18-1.26微米，长度为4-4.3微米，椭圆形多模干涉波导由长轴约为15微米，短轴约为0.9微米的椭圆结构截取中间段前后各保留约6.5微米的波导结构构成。
本实施例的器件结构中，所述竖向部分或横向部分的前端直波导区域的前端为光的输入端口，光波由输入端口输入，依次经过前端直波导区域、前端锥形模式匹配器区域、椭圆形多模干涉区域、后端锥形模式匹配器区域、后端直波导区域，然后输出，所述后端直波导区域的后端为输出端口。
所有的结构模块都是基于SOI结构，芯层折射率为3.48，包层折射率为1.48，折射率差高达2，能够很好的将光限制在芯层波导中，由于折射率差低造成的散射和透射损耗几乎可以忽略不计，整个结构满足亚微米级，有利于实现光路的集成化。
参照图2，假设椭圆型MMI耦合器的初始宽度为Wi，终止宽度为Wt，z代表光波的传输方向。椭圆型MMI耦合器的宽度方程为:
其中长轴L代表椭圆型MMI耦合器的传播长度，而nr、nc分别代表椭圆型MMI耦合器芯层、包层的有效折射率。在工作波长为λ的椭圆型MMI区域支持m个模式的传输，其模式数为υ＝0,1,2,…,m-1。横向波数kυy、传输常数βυ的关系满足色散方程其中得到纵向传播常数βv：
取椭圆宽口宽度为1.8微米则横向波数kυy与k0nr的比值为
从公式(2)和(3)中可看出阶数为v＝0和v＝2的模式可以采用傍轴近似，由此得到通过傍轴近似后的传播常数βv：
二阶模与基模的传输常数之差Δβ01(z)＝(3πλ)/(4nrWe 2(z))，We(z)＝Wg+W(z)为多模干涉区的有效宽度，它考虑了古斯-汉森位移TE模σ＝0，TM模σ＝1。在位置为z＝L处的相位差为：
定义拍长：
Lπ(L)＝πL/Δφ(L) (6)
此处只考虑基模与二阶模的干涉。
我们设计的椭圆形MMI的中心宽度约为1.8微米，其中容纳的模式数不超过6个，由于波导沿中心线对称，所以只有3个偶对称的模式。因为四阶模的系数很小可以忽略不计，所以只需要考虑基模和二阶模，由此得出的场分布函数为：
第一个自映像应满足关系z＝L处的相位差为：
其中
当a＞＞LMMI时，方程退化为：
此时椭圆型MMI近似为矩形，与传统矩形MMI的对称干涉周期公式计算结果吻合。
当Wg→0+时，公式(8)等号右侧第二项趋近于零，方程退化为：
因此对于对称干涉，第一个自映像位置为
经matlab计算宽度为1.8微米的矩形干涉器L＝7.0892微米，而短轴为1.8微米的椭圆型干涉器L＝6.86微米，不考虑古斯-汉森位移L＝5.50微米。很明显椭圆型MMI的成像距离相对于矩形MMI要小，因此本发明的器件结构紧凑、尺寸小。结合COMSOL软件仿真，并考虑加入了前端锥形模式匹配器区域和后端锥形模式匹配器区域后对所形成自映像位置的影响，得出优化的光束最小束腰距离为6.5微米，由对称性可知，要使得光以单模形式进入，转化成多模，再以单模形式通过十字交叉波导，再转化成多模，再以单模形式输出，整个椭圆形多模干涉区域的长度为13微米。
参照图3，选择厚度为2微米的二氧化硅作为基底材料，上部生长一层厚度为0.34微米的硅片，所述二氧化硅和硅片的折射率分别为1.48和3.48。在所述的硅片上进行融刻，制作厚度为0.22微米的基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的器件结构，下部分保留了约0.12微米厚的硅基，同时所述的厚度0.22微米的基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的器件结构完全掩埋于厚度约为1微米的二氧化硅中。
参照图4～图6，分别对前端直波导区域宽度为0.45微米和0.5微米的基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的器件结构进行了COMSOL仿真，传播效率均大于96.5％，串扰均优于-45dB。
本发明的实施例所述的内容仅用于说明本发明的技术方案而非限制，本发明的保护的范围不应当仅限于实施例所述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能想到的同等技术手段。

Claims (4)

1.一种基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的制作方法，其特征在于：所述制作方法包括以下步骤：
(1)选择二氧化硅作为基底材料，上部生长一层硅片；
(2)在所述的硅片上进行融刻，制作基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构，所述器件结构包括竖向部分和横向部分，所述竖向部分和横向部分结构上完全一致，依次包括前端直波导区域、前端锥形模式匹配器区域、椭圆形多模干涉区域、后端锥形模式匹配器区域、后端直波导区域组成，所述横向和竖向部分垂直交叉且中心对称，对称中心在椭圆形多模干涉区域的中心；
所述硅片的下部分保留硅基，同时椭圆形十字交叉波导的器件结构完全掩埋于二氧化硅中；
所述步骤(2)中，所述基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构设计方法包括：
(2.1)假设椭圆型MMI耦合器的初始宽度为Wi，终止宽度为Wt，z代表光波的传输方向，椭圆型MMI耦合器的宽度方程为：
其中a表示长轴，L代表椭圆型MMI耦合器的传播长度，而nr、nc分别代表椭圆型MMI耦合器芯层、包层的有效折射率；在工作波长为λ的椭圆型MMI区域支持m个模式的传输，其模式数为v＝0,1,2,…,m-1，横向波数kvx、传输常数βv的关系满足色散方程其中得到纵向传播常数βv：
取椭圆宽口宽度为1.8微米则横向波数kvx与k0nr的比值为
从公式(2)和(3)中看出阶数为v＝0和v＝2的模式采用傍轴近似，由此得到通过傍轴近似后的传播常数βv：
二阶模与基模的传输常数之差Δβ01(z)＝(3πλ)/(4nrWe 2(z))，We(z)为多模干涉区的有效宽度，We(z)＝Wg+W(z)，它考虑了古斯-汉森位移TE模σ＝0，TM模σ＝1，在位置为z＝L处的相位差为：
定义拍长：
Lπ(L)＝πL/Δφ(L) (6)
此处只考虑基模与二阶模的干涉；
(2.2)椭圆形MMI的中心宽度约为1.8微米，其中容纳的模式数不超过6个，由于波导沿中心线对称，所以只有3个偶对称的模式；考虑基模和二阶模，由此得出的场分布函数为：
第一个自映像应满足关系z＝L处的相位差为：
其中
当a＞＞LMMI时，方程退化为：
此时椭圆型MMI近似为矩形，与矩形MMI的对称干涉周期公式计算结果吻合；
当Wg→0+时，公式(8)等号右侧第二项趋近于零，方程退化为：
因此对于对称干涉，第一个自映像位置为
(2.3)经matlab计算宽度为1.8微米的矩形干涉器L＝7.0892微米，而短轴为1.8微米的椭圆型干涉器L＝6.86微米；
(2.4)根据步骤(2.1)-(2.3)理论计算的第一个自映像位于6.86微米处，结合COMSOL软件仿真，并考虑加入了前端锥形模式匹配器区域和后端锥形模式匹配器区域后对所形成自映像位置的影响，得出优化的光束最小束腰距离为6.5微米，由对称性可知，要使得光以单模形式进入，转化成多模，再以单模形式通过十字交叉波导，再转化成多模，再以单模形式输出，整个椭圆形多模干涉区域的长度为13微米。
2.如权利要求1所述的一种基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中，选择厚度约为2微米的二氧化硅作为基底材料，上部生长一层厚度为0.3—0.34微米的硅片，所述二氧化硅和硅片的折射率分别为1.48和3.48。
3.如权利要求1或2所述的一种基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中，在所述的硅片上进行融刻，制作厚度为0.2-0.24微米的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构，下部分保留了约0.1-0.14微米厚的硅基，同时所述的厚度0.2-0.24微米的椭圆形十字交叉波导的器件结构完全掩埋于厚度约为1微米的二氧化硅中。
4.如权利要求1或2所述的一种基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中，前端直波导区域的宽度选为0.45-0.5微米，锥形模式匹配器尺寸为小口宽度0.45-0.5微米，大口宽度1.18-1.26微米，长度为4-4.3微米，椭圆形多模干涉波导由长轴约为15微米，短轴约为0.9微米的椭圆结构截取中间段前后各保留约6.5微米的波导结构构成。
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