CN107678091A - 一种紧凑的光波导交叉耦合器 - Google Patents

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张彦峰
许鹏飞
陈钰杰
余思远
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    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/125—Bends, branchings or intersections

Abstract

本发明涉及一种紧凑的光波导交叉耦合器，包括相互连接的设置在不同圆周方向上的四个光波导，所述圆周方向上相邻的两个光波导之间设置有耦合区，所述耦合区经过镂空处理。

Description

一种紧凑的光波导交叉耦合器
技术领域
本发明涉及光子集成技术领域，更具体地，涉及一种紧凑的光波导交叉耦合器。
背景技术
复杂的光子集成芯片表面，有大量的不同功能的集成光子器件，可实现对光信号的产生与接收、调制与解调制、复用与解复用、路由与开关等不同的功能；其中，不同功能的集成光子器件通过低损耗的介质光波导进行连接，越复杂的光子集成芯片，表面的功能器件越多也越复杂，需要的光波导也越多，越复杂，光波导往往需要复杂的连接走线，由于传统CMOS的平面工艺，光波导的连线传输往往在同一个平面，难以避免会出现波导交叉的情况。
光波导的交叉，则意味着光传输经过相同的节点，将不可避免地引入串扰和损耗，对片上光信号完整传输产生挑战，因此，需要在交叉的过程中，提高彼此信道之间的隔离度，避免信号传输的相互干扰。同时，实现低的插入损耗，避免传输光信号功率的下降，对传输信号的信噪比造成影响。
传统的光交叉耦合器，一般采用多模波导或三维立体交叉的形式，多模波导的方案具有较高的效率和隔离度性能，然而耦合区的占用面积偏大，不利于高集成度的片上应用；而采用三维交叉的方式，可以获得最好的隔离度效果，然而需要更多的微加工步骤，对于芯片的流片成本和流片成品率带来巨大的挑战。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的光波导交叉耦合器在尺寸、插入损耗、带宽、隔离度、微加工便捷度上的缺陷，提供了一种紧凑的光波导交叉耦合器。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种紧凑的光波导交叉耦合器，包括相互连接的设置在不同圆周方向上的四个光波导，所述圆周方向上相邻的两个光波导之间设置有耦合区，所述耦合区经过镂空处理。
上述方案中，通过耦合区镂空位置与非镂空位置之间的高折射率反差，对光波的传输进行精准调控，以实现相互垂直的光波导间的低插入损耗、高隔离度的传输，降低相互垂直的光波导交叉传输中的串扰。同时，交叉耦合器的加工兼容普通光波导的平面加工工艺，具有紧凑、易整合、高辨识度、低插入损耗及高隔离度的特点。在复杂的集成光子芯片的交叉光波导走线中，具有较大的应用前景。
优选地，所述耦合区经过镂空处理的具体过程如下：将耦合区所占的面积按固定的大小划分为多个方格，然后选取其中的部分方格对应的耦合区子块进行腐蚀处理。
优选地，所述耦合器由硅基材料、砷化镓材料或磷化铟材料制成。
优选地，所述四个光波导均匀分布在圆周方向上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明提供的光交叉耦合器，通过高折射率反差的耦合区，实现对传输光波信号的调制，实现低损耗、高隔离度的光交叉传输。
（2）本发明提供的光交叉耦合器，器件紧凑，兼容传统的微电子平面工艺，加工简便。
附图说明
图1为光波导交叉耦合器的三维示意图。
图2为光波导交叉耦合器的俯视图。
图3为光波导交叉耦合器的优选方案的示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1所示，本发明提供的光波导交叉耦合器包括第一光波导1、第二光波导2、第三光波导3、第四光波导4和四个耦合区6；其中第一光波导1、第二光波导2、第三光波导3、第四光波导4以四者的连接处为圆心在圆周方向上均匀分布，相邻两两光波导之间的设置夹角为90°。四个耦合区6分别设置在第一光波导1与第二光波导2之间、第二光波导2与第三光波导3之间、第三光波导3与第四光波导4之间、第四光波导4与第一光波导1之间，所述耦合区6经过镂空处理。
其中第一光波导1、第二光波导2在使用的过程中作为输入端，第三光波导3、第四光波导4在使用的过程中作为输出端，第一光波导1、第二光波导2输入的光信号，经过了耦合区6的精确调制，分别从第三光波导3与第四光波导4输出，而不能从其他端口输出，实现不通过通道间无串扰的光交叉传输。
图2为光波导交叉耦合器的背面示意图。图2中，1、2、3、4分别表示第一光波导1、第二光波导2、第三光波导3、第四光波导4，耦合区6中，黑色的方格表示耦合区6的非镂空部，而白色的方格表示耦合区6的镂空部，在具体实现的时候，将耦合区6所占的面积按固定的大小划分为多个方格，然后选取其中的部分方格对应的耦合区子块进行腐蚀处理，从而得到如图2所示的耦合区6。
本实施例中，采用硅作为交叉耦合器的制备材料。由于单晶硅材料在通信波段具有较高的折射率（n=3.42），易于与其他材料（如空气和氧化硅等）形成较大的折射率反差，高折射率反差的耦合区6，可以对光波产生明显的调制作用。同时，该设计也适用于磷化铟和砷化镓化合物半导体介质材料，同样具有较高的折射率，可以实现相同的交叉耦合功能。
耦合区6中，镂空的位置可以进行调整，从而实现更高效率的光交叉性能，同时也可以使得其支持电场模或横电磁模式等模式，或者其他高阶波导传输模式等。
图3中，耦合区6的形状可以进行调整，通过适当的形变，如边角，将方格结构变化为圆角结构，并通过适当结构调整，也可以实现光交叉的性能等。原则上，可以通过多种形变方式实现近似的光交叉耦合器功能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种紧凑的光波导交叉耦合器，其特征在于：包括相互连接的设置在不同圆周方向上的四个光波导，所述圆周方向上相邻的两个光波导之间设置有耦合区，所述耦合区经过镂空处理。
2.根据权利要求1所述的紧凑的光波导交叉耦合器，其特征在于：所述耦合区经过镂空处理的具体过程如下：将耦合区所占的面积按固定的大小划分为多个方格，然后选取其中的部分方格对应的耦合区子块进行腐蚀处理。
3.根据权利要求1所述的紧凑的光波导交叉耦合器，其特征在于：所述耦合器由硅基材料、砷化镓材料或磷化铟材料制成。
4.根据权利要求1~3任一项所述的紧凑的光波导交叉耦合器，其特征在于：所述四个光波导均匀分布在圆周方向上。
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