CN107505674B - 一种低散射损耗交叉波导及其制造方法 - Google Patents

一种低散射损耗交叉波导及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低散射损耗交叉波导及其制造方法，波导包括芯层及包层，芯层包括至少两个微扰结构，微扰结构能够激发一个或多个高阶模式或能够将高阶模的能量分配至基模中；交叉波导包括相互交叉的第一波导与第二波导，第一波导与第二波导均具有芯层与包层；第一波导和/或第二波导的芯层上间隔设置有至少两组微扰结构，至少一组微扰结构位于输入波导部分，至少一组微扰结构位于输出波导部分；输入波导部分的微扰结构将基模激发为一个或多个高阶模，使得模场振幅的聚焦发送在交叉点的中心位置处，输出波导的微扰结构将高阶模的能量重新分配至基模中，使得信号功率集中在基模中。本发明通过在波导上设置微扰结构改变模场模式，结构简单。

Description

一种低散射损耗交叉波导及其制造方法
技术领域
本发明属于一种光信号传输装置，具体涉及一种波导、低散射损耗交叉波导及其制造方法。
背景技术
在高密度的集成光路中，波导之间的交叉是不可避免的。当一根波导穿过另一根波导如图1所示时，光在传输过程中会有一定的散射损耗。损耗来自于交叉区域光场的散射，交叉区域处的波导不能很好地限制光场，模场在交叉区域也会发散，其相位的前沿形成抛物线型的弯曲，具有发散波的特征(如图2A及图2B所示)。交叉区域另一侧的波导(即原波导的延续部分)不能够很好地接受该发散的模场。
发明内容
图3A给出的是一个有两根直波导垂直交叉形成的波导交叉结构俯视图，图3B给出的是宽度为w高度为h的矩形波导截面图，图3C给出的是从波导左侧输入基模向右传播的模场仿真图。可以看出，交叉处引起模场的扰动和功率的损失。图中所用的仿真参数为w＝2.5μm，芯层折射率nco＝1.70，包层折射率ncl＝1.45，波长为1.55μm。波导可以认为是平板波导(h非常大)。在波导交叉处，有5.1％的功率损失。
交叉处的散射损耗可以通过合理地设计波导结构来达到最小。既然光场在交叉区域趋向于发散，故理论上可以设计一个透镜使其重新聚焦于输出波导上。
波导可以通过激发基模和一个或多个高阶模的混合模场来模拟棱镜的作用。当基模和高阶模在波导中同时传输时，光场在传播过程中会周期地发散或会聚，这可以看作是周期地聚焦和离焦。图4A中所示的平板波导的宽度为W，芯层折射率为nco，包层折射率为ncl，长度为L。基模由波导左侧输入向右边传输。离基模输入一段距离处，同时输入三阶模，在该仿真过程中，三阶模场的能量是基模能量的3％。图4B显示的是波导中的模场图，其中，A为基模输入处，B为三阶模输入处，在三阶模输入之后，波导中的模场在传输过程中出现周期性的发散和会聚。如果波导的交叉区域正好在模场的会聚区域，则该结构的散射损耗会降低。
通过上述分析，本发明的目的是提供一种具有微扰结构的波导、低散射损耗交叉波导及其制造方法，通过在交叉波导上设计微扰结构，使模场振幅的聚焦发生在交叉点中心位置处。
本发明的技术解决方案是提供一种波导，包括芯层及包层，其特殊之处在于：上述芯层包括至少两个微扰结构，上述微扰结构能够激发一个或多个高阶模式或能够将高阶模的能量分配至基模中。
优选地，上述微扰结构可以是位于波导芯层外壁。
优选地，上述微扰结构可以为向芯层轴向中心线方向凹进或向包层方向凸起的结构。
优选地，两两凹进或两两凸起结构可以分别分布在芯层相对的两个壁面。
优选地，凹进或凸起部位均为矩形柱体。
优选地，为了减少设计时间，两两凹进或两两凸起结构沿波导轴向中心线对称设置。
本发明还提供一种低散射损耗交叉波导，其特殊之处在于：包括相互交叉的第一波导与第二波导，第一波导与第二波导均具有芯层与包层，定义第一波导与第二波导在交叉点前的部分均为输入波导部分，位于交叉点后的部分均为输出波导部分；
上述第一波导和/或第二波导的芯层上间隔设置有至少两组微扰结构，至少一组微扰结构位于输入波导部分，至少一组微扰结构位于输出波导部分；
输入波导部分的微扰结构将基模激发为一个或多个高阶模，使得模场振幅的聚焦发送在交叉点的中心位置处，输出波导的微扰结构将高阶模的能量重新分配至基模中，使得信号功率集中在基模中。
优选地，每组微扰结构可以包括两个设置在波导芯层相对两个壁面的微扰结构，每个微扰结构为：芯层壁面向芯层轴向中心线方向凹进或向包层方向凸起的结构。
优选地，为了减少设计时间，两两凹进结构或两两凸起结构沿波导轴向中心线对称设置。
优选地，输入波导部分与输出波导部分的微扰结构关于交叉点对称或各输入波导部分和输出波导部分的微扰结构与交叉点的距离相同。
本发明还提供一种制造上述的低散射损耗交叉波导的方法，包括以下步骤：
步骤一：通过仿真结果，调整微扰结构的参数，所述参数包括微扰结构的几何结构及距离交叉点的距离，使得交叉波导的散射损耗达到最小；
步骤二：根据仿真调整后的参数，加工波导芯层及微扰结构。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过在波导上设置微扰结构改变模场模式，结构简单；
2、本发明通过在交叉波导上设置微扰结构，减小了交叉波导交叉点处的散射损耗，减少功率损失；
3、通过改变微扰结构的参数，可以实现不同模式的激励。
附图说明
图1为交叉波导俯视示意图；
图2A为交叉波导交叉区域的振幅的散射；
图2B为交叉波导交叉区域的相位的散射；
图3A为有两根直波导形成的垂直交叉波导俯视图；
图3B为图3A其中一个矩形波导的截面图；
图3C为从波导左侧输入基模向右传播的模场仿真图；
图4A为平板波导俯视图；
图4B为基模和高阶模在波导中同时传输时的仿真示意图；
图5A为具有对称深度为t、长度为L1的凹进结构的波导俯视图；
图5B为图5A的波导中场分布的仿真图；
图6A为带有凹进结构的交叉波导俯视示意图；
图6B为图6A其中一个矩形波导的截面图；
图7为图6A的波导中场分布的仿真图；
图8为带有凸起结构的交叉波导俯视示意图；
图9为带有多个凹进结构的交叉波导俯视示意图。
图中：1-凹进结构，2-输入波导，21-输入部分，22-输出部分，3-交叉波导。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。
因矩形波导制作简单方便，集成光学中常见的是矩形波导，所以本实施例主要以矩形波导为例进行说明，在其他实施例中也可以是圆波导、三角形波导等等。
从图5A及5B可以看出，通过在波导上设计微扰结构可以激发一个或多个高阶模式，微扰结构取决于所需要激发的高阶模以及其振幅大小，即能量从基模分配到高阶模中，图5A所示的波导上的凹进结构的深度为t，长度为L1。凹进结构对称的位于波导两侧，这是因为通常我们需要激发对称模式而不是非对称模式。图5B显示的是图5A波导中场分布的仿真图。凹进结构之前的波导仅仅有基模从左到右在传输，并且场分布沿波导方向是均匀的。凹进结构之后，模场的振幅呈现聚焦和离焦周期性分布。凹进结构使一部分能量从基模分配到高阶模中(该实施例中是三阶模)。凹进结构的具体参数决定了高阶模激发的多少。波导结构决定了场强的振荡周期。该实施例中波导宽度W＝2.5μm，凹进结构的深度t＝0.4μm，长度L1＝3μm。
为了减少交叉波导的损失，希望将这种扰动(例如凹进结构)放置在与交叉点相距一定距离处，使得聚焦发生在交叉点的中心位置。图6A显示的是带有凹进结构的交叉波导。将图中的两根波导分别标识为第一波导和第二波导。第一波导由交叉点前的一段输入部分21和交叉点后的一段输出部分22组成，此处可以认为第一波导为输入波导2，第二波导为交叉波导3。在输入波导中，凹进结构1位于交叉点前距离交叉点L2处，凹进结构的深度为t，长度为L1。输出部分也有一个类似的凹进结构。输入部分21和输出部分22的凹进结构是关于交叉点对称的。输出部分的凹进结构可以看作是为了将高阶模的能量重新分配到基模中。因此，在第二个凹进结构之后，随着模场从左到右的传播，信号中的所有功率主要位于基模中。两根相交的波导和凹进结构构成的整个交叉结构在所有四根波导上是对称的。这是希望的结构，因为希望光可以从四个端口中的任一个输入。但是，对称性并不是本发明所要求的，即非对称放置也是可以得。这里用对称放置凹进结构仅仅是为了演示本发明。
图7显示的是带有凹进结构的波导仿真结果。波导具有类似图3A所示的交叉结构。波导的宽度W＝2.5μm，凹进结构的深度t＝0.4μm，长度L1＝3μm。芯层的折射率nco＝1.70，包层的折射率ncl＝1.45。距离L2＝9.1μm(L2的定义见图6A)，所用的波长为1.55μm。交叉结构包括凹进结构的总损耗为0.05％。与没有凹进结构的交叉波导相比，损耗降低了十倍之多。图7中模场的分布也表明，离开第二个凹进结构向右传播时模场是均匀分布的。在实际应用中，微扰结构的参数诸如凹进结构的深度t，长度L1以及离交叉处的距离L2需要调整使得整个交叉的损耗最小。可以通过调整这些参数进行仿真使损耗最小。此外，在优化过程中波导的宽度W也是可以改变的。
上述提到的凹进结构只是微扰结构中的一种结构，可以通过多种微扰结构来实现交叉损耗的降低，比如凸起以及表面刻蚀凹槽等。图8显示的是用“倒”凹进结构来替代凹进结构，其中“倒”凹进结构的高度为t，其中“倒”凹进结构可以认为是凸起结构。
每个波导上也可以具有多个凹进结构或凸起结构，如图9所示。使用多个凹进结构可以减小凹进结构的散射损耗，因为每个凹进结构可以具有较小的深度，同时所有的凹进结构都一起工作。或者，如果需要激励不同的模式，则多个凹进结构的具体结构参数可以是完全不同。

Claims (4)

1.一种低散射损耗交叉波导，其特征在于：包括相互交叉的第一波导与第二波导，第一波导与第二波导均具有芯层与包层，定义第一波导与第二波导在交叉点前的部分均为输入波导部分，位于交叉点后的部分均为输出波导部分；
所述第一波导和/或第二波导的芯层上间隔设置有至少两组微扰结构，至少一组微扰结构位于输入波导部分，至少一组微扰结构位于输出波导部分；
输入波导部分的微扰结构将基模激发为一个或多个高阶模，使得模场振幅的聚焦发送在交叉点的中心位置处，输出波导的微扰结构将高阶模的能量重新分配至基模中，使得信号功率集中在基模中。
2.根据权利要求1所述的低散射损耗交叉波导，其特征在于：每组微扰结构包括两个设置在波导芯层相对两个壁面的微扰结构，每个微扰结构为：芯层壁面向芯层轴向中心线方向凹进或向包层方向凸起的结构。
3.根据权利要求2所述的低散射损耗交叉波导，其特征在于：两两凹进结构或两两凸起结构沿波导轴向中心线对称设置；
输入波导部分与输出波导部分的微扰结构关于交叉点对称或各输入波导部分和输出波导部分的微扰结构与交叉点的距离相同。
4.一种制造权利要求1-3任一所述的低散射损耗交叉波导的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通过仿真结果，调整微扰结构的参数，所述参数包括微扰结构的几何结构及距离交叉点的距离，使得交叉波导的散射损耗达到最小；
步骤二：根据仿真调整后的参数，加工波导芯层及微扰结构。
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