CN107407775A - 一种波导结构及硅基芯片 - Google Patents

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Abstract

一种波导结构及包含该波导结构的硅基芯片。波导结构包括多模干涉光波导(20)以及设置在多模干涉光波导(20)两侧的输入/输出通道(10)。其中，多模干涉光波导(20)设置有用于耗散掉在多模干涉光波导(20)内产生的反射光的波导通道(30)。该波导通道(30)可以将原本要反射回来的光缓慢的耗散掉，从而减少了反射回输入通道(10)内的光线，降低了波导结构的反射率。该波导结构避免了输出光信号质量下降，串扰增强，危害多模干涉结构前面所连接的器件的情况。

Description

一种波导结构及硅基芯片 技术领域
本发明涉及到光芯片的技术领域，尤其涉及到一种波导结构及硅基芯片。
背景技术
硅基光电子作为全光信号处理中的一种主流技术，将激光器、调制器、探测器和光开关等器件统一制作到绝缘体上硅(SOI)材料上，即为硅基芯片。在构成硅基芯片的多种多样的器件中，多模干涉结构(图一)的应用非常广泛，它可以作为分束器、合束器或者与其他器件构成光开关、调制器、光发端等。
如图1所示，一个经典的2×2多模干涉结构由输入/输出通道1和多模干涉光波导2组成，其原理是通过在多模干涉部光波导2分激励起很多模式(光波导所允许的光场分布)，从而产生干涉现象，最终在特定的位置上形成输入光的像。对多模干涉结构而言，最为重要的性能参数是损耗和背向反射特性。
背向反射的危害在于：如图2所示，反射光进入输出通道会与我们希望得到的输出光产生干涉，从而降低了输出光质量；反射光返回输入波导，则对前面连接的器件产生危害，如过量的反射会直接报销掉激光器；反射光进入其它端口，则形成串扰，也是我们所不希望的。尤其是在级联多个多模干涉结构时，如光开关矩阵，反射光会在光路中一直存在并传播，对系统的性能非常不利。所以，降低多模干涉结构的反射是非常重要的。
发明内容
本发明提供了一种波导结构及硅基芯片，用以降低光线的耗损，改善了反射光对器件造成的不良影响。
第一方面，提供了一种波导结构，该波导结构包括多模干涉光波导以及设置在所述多模干涉光波导两侧的输入/输出通道，其中，所述多模干涉光波导设置有有用于耗散掉在所述多模干涉光波导内产生的反射光的波导通道。
结合上述第一方面、在第一种可能的实现方式中，每个波导通道为沿所述多模干涉光波导向外的方向宽度逐渐变小的结构。
结合上述第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述波导通道远离所述多模干涉光波导的一端的宽度的最小值小于所述多模干涉光波导在指定波长上的单模宽度。
结合上述第一方面的第一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述波导通道的长度满足设定长度，所述设定长度为：大于所述波导通道的宽度从所述波导通道与多模干涉光波导相连的宽度转变到单模宽度，同时满足不引入损耗条件，所需的最小长度。
结合上述第一方面的第一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述波导通道的侧壁为内凹的弧形形状。
结合上述第一方面、第一方面的第一种可能的实现方式、第一方面的第二种可能的实现方式、第一方面的第三种可能的实现方式、第一方面的第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，位于多模干涉光波导的同一侧的输入/输出通道的个数为多个，且在所述多个干涉部分光波导的至少一侧，相邻的输入/输出通道之间设置有至少一个所述波导通道。
结合上述第一方面的第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述波导通道的对称设置在所述多模干涉光波导的两侧。
结合上述第一方面、第一方面的第一种可能的实现方式、第一方面的第二种可能的实现方式、第一方面的第三种可能的实现方式、第一方面的第四种可能的实现方式、第一方面的第五种可能的实现方式、第一方面的第六种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，每个输入/输出通道通过过渡部分光波导与所述多模干涉光波导连接，其中，所述过渡部分光波导宽度逐渐变大的结构，且宽度较窄的一端与所述输入/输出通道连接，宽度较宽的一端与所述多模干涉光波导连接。
结合上述第一方面的第七种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述过渡部分光波导的侧壁为斜率逐渐变化且没有突变的弧形侧壁。
结合上述第一方面的第七种可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，所述过渡部分光波导的侧壁在与所述输入/输出通道及所述多模干涉光波导连接的连接处的斜率相同。
第二方面，提供了一种硅基芯片，该硅基芯片包括上述任一项所述的波导结构。
根据第一方面提供的波导结构，第二方面提供的硅基芯片，本发明通过在多模干涉光波导上设置了波导通道，该波导通道可以将原本要反射回来的光缓慢的耗散掉，减少反射回输入通道内的光线，降低了波导结构的反射率，从而避免了反射光对器件的性能影响显著，以及造成的输出光信号的质量下降，串扰增强，危害多模干涉结构前面所连接的器件的情况。
附图说明
图1为现有技术中的波导结构的立体图；
图2为现有技术中波导结构中的反射光情况示意图；
图3为本发明实施例提供的波导结构的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的波导通道的原理图；
图5为本发明实施例提供的光波导结构的另一结构示意图；
图6为本发明实施例提供的光波导结构的另一结构示意图；
图7为本发明实施例提供的光波导结构的另一结构示意图；
图8为现有技术中光波导中反射光线的光谱图；
图9为本发明实施例提供的光波导结构的光谱图。
附图标记：
1-输入/输出通道   2-多模干涉光波导  10-输入/输出通道
20-多模干涉光波导 30-波导通道  40-过渡部分光波导
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。应当理解的是，此 处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图3、图5及图6所示，图3、图5及图6示出了本实施例提供的不同结构的波导结构示意图。
本发明实施例提供了一种波导结构，该波导结构包括多模干涉光波导20以及设置在多模干涉光波导20两侧的输入/输出通道10，其中，多模干涉光波导20连接有用于耗散掉在多模干涉光波导内产生的反射光的波导通道30。
在上述实施例中，输入/输出通道10既可以作为光线输入的波导，也可以作为光线输出的波导，在具体使用时，其只能具有一个功能，且位于多模干涉部分波导两侧的输入/输出通道10，一侧的输入/输出通道10作为输入通道时，另一侧的输入/输出通道10作为输出通道使用。本实施例中，通过在多模干涉光波导20上设置了波导通道30，该波导通道30可以将原本要反射回来的光缓慢的耗散掉，减少反射回输入通道内的光线，降低了波导结构的反射率，从而避免了现有技术中的以下缺陷：反射光对器件的性能影响显著，它会造成输出光信号的质量下降，串扰增强，同时还会危害多模干涉结构前面所连接的器件。尤其是在级联多个多模干涉结构时，如光开关矩阵，反射光会在光路中一直存在并传播，对系统性能产生不利影响。
如图4所示，图4示出了光在光波导通道内的耗损情况，具体的，光在波导中进行传输是，从射线的角度看，会不断的在波导的两个界面上发生反射和折射，当光波导的折射率分布满足n1>n2、n1>n3且时，在界面一和界面二上就可能发生全反射即折射角θ3等于90°其中，n1为波导通道的折射率，n2和n3为波导通道两侧的介质的折射率。当光波导的宽度逐渐变小时，入射角θ1也随之变小从而不再满足全反射条件，光通过界面一和界面二向外泄露，从而消耗掉光线。
为了方便对本实施例的理解，下面结合附图对本发明实施例提供的波导结构进行详细的说明。
如图3所示，首先导光结构中的多模干涉光波导20两侧的输入/输出通道 10对称设置，且位于一侧的位于多模干涉光波导20的同一侧的输入/输出通道10的个数为多个，且在多个干涉部分光波导的至少一侧，相邻的输入/输出通道10之间设置有一个波导通道30。其中，位于同一侧的输入/输出通道10为输入通道，则位于另一侧的输入/输出通道10为输出通道。并且波导通道30的个数与输入/输出通道10的如上述方式对应设置。
在波导通道30的设置方式中，既可以采用在多模干涉光波导20的两侧均设置波导通道30，也可以采用在多模干涉光波导20的一侧设置波导通道30，如图5、图6及图7所示，在采用两侧均设置波导通道30时，波导通道30的对称设置在所述多模干涉光波导20的两侧；此时，输入/输出通道10可以根据实际情况作为输出通道或输入通道，并且在两侧均设置有波导通道时，在同一侧且相邻的两个输入/输出通道10之间既可以设置一个波导通道(图6所示)，也可以设置多个波导通道(图7所示)，具体设置根据需要而定。如图3所示，在一侧设置光波导通道30时，该光波导通道30设置在位于输出通道的一侧。具体设置可以根据实际的需要而定。
对于波导通道30，其用于将入射通道射入的光线反射到多模干涉光波导20上，避免光线反射回输入通道。在具体设置时，每个波导通道30沿多模干涉光波导向外的方向宽度逐渐变小的结构。即波导通道30为一端宽一端窄的结构，其中，宽的一端与多模干涉光波导20连通，从而使得更多的光线能够进入到光波导通道30内，并且采用这种一端宽一端窄的结构，使得光线的入射角增大，使得光线更容易在波导通道30内耗损，从而减少了光线反射回输入通道。
在具体设置时，如图3、图6及图7所示，波导通道30的侧壁可以采用直线型侧壁，此时，波导通道30为一个梯形结构，使得光线能够更好的在波导通道30内耗损。作为一种优选的方案，该梯形结构为等腰梯形结构，从而适用于多个输入通道时将光能量耗损在波导通道30内。
除上述等腰梯形外，波导通道30还以采用另一种较佳的方案，即：波导通道30的侧壁为内凹的弧形形状。如图5所示，当波导通道采用内凹型时， 可以看到与直侧壁的波导通道相比，在相同的长度下，明显具有更小的入射角，因此相比于直线型能够够更快的使原本要反射的光功率泄露出光波导。从而降低了反射光对器件造成的干扰。
在具体设置时，为了降低光耗损，较佳的，波导通道30远离多模干涉光波导20的一端的宽度的最小值小于多模干涉光波导20在指定波长上的单模宽度。其中的单模宽度：对一个截面上折射率分布确定的光波导，我们通过将麦克斯韦方程组(所有电磁场必须满足的经典公式)离散化进行推理，可以求得电场/磁场强度在空间上的分布情况，凡是这样算出来的一个分布，也就是麦克斯韦方程组的解，我们称之为一个模式。阶数最低的模式称为基模，如果对光波导而言存在一个宽/高尺寸，使得麦克斯韦方程组的解有且仅有基模一个，我们说这时光波导满足单模条件(已经存在近似计算的公式)。当高度固定时，满足单模条件的最小宽度就为单模宽度。同时，单模宽度与波长相关，由于光器件通常都是在一个波长范围内工作，所以我们选择中心波长上的单模宽度。其中的指定波长比如1550nm和1310nm等常见的波长。
此外，该波导通道30的长度还满足设定长度，设定长度为：大于波导通道30的宽度从波导通道30与多模干涉光波导20相连的宽度转变到单模宽度，同时满足不引入损耗条件，所需的最小长度。其中的无损耗长度为：单模宽度中所述的模式，它们都是麦克斯韦方程组的解，因此都可以在光波导中无损耗的传播，但是当光波导传输方向上的折射率分布发生情况，研究表明只有当这个突变长度非常之小的时候才能认为是无损耗的。在实际应用中，我们经常会希望波导的宽度产生一些变化，那么此时我们通过很多段(或者平滑成一条曲线)无损耗突变级联起来的方式来获得一个无损耗的宽度转变，这个转变所需要的最短长度称为无损耗长度。
为了进一步的降低耗损和反射，作为一种优选的实施例，每个输入/输出通道10通过过渡部分光波导40与多模干涉光波导20连接，其中，过渡部分光波导40宽度逐渐变大的结构，且宽度较窄的一端与输入/输出通道10连接，宽度较宽的一端与多模干涉光波导连接。具体的，即在输入/输出通道10与多 模干涉光波导20连接的部分设置一个过渡部分光波导40，该过渡部分光波导40也采用一端宽一端窄的结构，并且，窄的一端与输入/输出通道10连通，宽的一端与多模干涉光波导20连接，在采用该过渡部分光波导40时，当有光线反射到输入通道时，通过过渡部分光波导40的侧壁可以将光线反射回来，避免光线进入到输入通道，具体的，由于过渡部分光波导40采用一端窄一端宽的结构，且窄的一端与输入/输出通道10连通，从而使得过渡光波导的侧壁为一个倾斜的侧壁，当反射的光线照射到过渡部分光波导40的侧壁时，反射光线的入射角小于直接照射到输入通道侧壁上的入射角，从而使得光线更容易在过渡部分光波导40内耗损，减少反射光线从输入通道射出的情况，从而改善了反射光对器件造成的不良影响。
在上述实施例中，较佳的，过渡部分光波导40的侧壁为斜率逐渐变化且没有突变的弧形侧壁。且该弧形侧壁为过渡同分光波导外部凸出的弧形侧壁，进一步的降低了反射光线的入射角。此外，过渡部分光波导40的侧壁在与输入/输出通道10及多模干涉光波导20连接的连接处的斜率相同。从而避免了在连接处出现的突变造成的光能量耗损。
为了更加清晰的了解本实施例提供的光波导结构，下面结合图8及图9对其效果进行描述，其中，图8为现有技术中的2×2多模干涉结构(图2所示的结构)的反射光光谱图，图9为本实施例提供的2×2多模干涉结构(图5所示的结构)的反射光光谱图，其中1#表示第一个输入通道，2#表示第二个输入通道，由图8及图9对比可以看出，本实施例提供的光波导结构的反射光明显的降低。对于一个2×2多模干涉结构，本发明能够降低10dB的反射强度；需要付出的相应代价很小，本发明的结构对器件的插损几乎没有影响，同时也不会增加工艺难度或引入额外的工艺步骤；此外，使用范围很广：多模干涉结构在光学领域应用广泛。
本发明实施例还提供了一种硅基芯片，该硅基芯片包括上述任一项的波导结构。
在上述实施例中，通过在多模干涉光波导20上设置了波导通道30，该波 导通道可以将原本要反射回来的光缓慢的耗散掉，减少反射回输入通道内的光线，降低了波导结构的反射率，从而避免了现有技术中的以下缺陷：反射光对器件的性能影响显著，它会造成输出光信号的质量下降，串扰增强，同时还会危害多模干涉结构前面所连接的器件。尤其是在级联多个多模干涉结构时，如光开关矩阵，反射光会在光路中一直存在并传播，对系统性能产生不利影响。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

  1. 一种波导结构，其特征在于，包括多模干涉光波导以及设置在所述多模干涉光波导两侧的输入/输出通道，其中，所述多模干涉光波导设置有用于耗散掉在所述多模干涉光波导内产生的反射光的波导通道。
  2. 如权利要求1所述的波导结构，其特征在于，每个波导通道为沿所述多模干涉光波导向外的方向宽度逐渐变小的结构。
  3. 如权利要求2所述的波导结构，其特征在于，所述波导通道远离所述多模干涉光波导的一端的宽度的最小值小于所述多模干涉光波导在指定波长上的单模宽度。
  4. 如权利要求2所述的波导结构，其特征在于，所述波导通道的长度满足设定长度，所述设定长度为：大于所述波导通道的宽度从所述波导通道与多模干涉光波导相连的宽度转变到单模宽度，同时满足不引入损耗条件，所需的最小长度。
  5. 如权利要求2所述的波导结构，其特征在于，所述波导通道的侧壁为内凹的弧形形状。
  6. 如权利要求1～5任一项所述的波导结构，其特征在于，位于多模干涉光波导的同一侧的输入/输出通道的个数为多个，且在所述多模干涉光波导的至少一侧，相邻的输入/输出通道之间设置有至少一个所述波导通道。
  7. 如权利要求5所述的波导结构，其特征在于，所述波导通道设置在所述多模干涉光波导的两侧。
  8. 如权利要求1～7任一项所述的波导结构，其特征在于，每个输入/输出通道通过过渡部分光波导与所述多模干涉光波导连接，其中，所述过渡部分光波导宽度逐渐变大的结构，且宽度较窄的一端与所述输入/输出通道连接，宽度较宽的一端与所述多模干涉光波导连接。
  9. 如权利要求8所述的波导结构，其特征在于，所述过渡部分光波导的侧壁为斜率逐渐变化且没有突变的弧形侧壁。
  10. 如权利要求8所述的波导结构，其特征在于，所述过渡部分光波导的侧壁在与所述输入/输出通道及所述多模干涉光波导连接的连接处的斜率相同。
  11. 一种硅基芯片，其特征在于，包括如权利要求1～10任一项所述的波导结构。
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