CN109407211B - 一种波导元件及分合束器 - Google Patents

一种波导元件及分合束器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波导元件及分合束器，涉及光通信器件技术领域。波导元件具有第一波导和分支结构，分支结构将第一波导中传输的光分成至少两束，分支结构包括第二波导、第三波导、以及位于第二波导和第三波导之间的中间波导，第一波导、第二波导和第三波导的折射率及厚度均相等，中间波导随着第一波导的入射光传输方向厚度递减。本发明波导元件及分合束器带宽高，制备难度小，制备成本低。

Description

一种波导元件及分合束器
技术领域
本发明涉及光通信器件领域，具体是涉及一种波导元件及分合束器。
背景技术
在光通信系统中，宽带的3dB分合束器具有广泛的应用，如在调制器、复用/解复用器和光开关中。目前常用的3dB分合束器一般是基于定向耦合器(Directional Coupling，DC)、多模干涉耦合器 (Multi-mode Interference，MMI)或者Y分支。
但是，现有的定向耦合器和多模干涉耦合器都是对应于特定波长实现分光的，带宽一般较小，而且不同波长的3dB分合束器的定向耦合器和多模干涉耦合器的长度不同。而基于Y分支的3dB分合束器可以实现不同波长的3dB分束/合束，其带宽一般较大。但是，在 Y分支中存在精细结构，想要获得性能较好的Y分支3dB分合束器，就必须提高制备工艺，因此，给器件的制备带来了巨大的难度，同时也会增加制备成本。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种波导元件及分合束器，带宽高，制备难度小，制备成本低。
本发明提供一种波导元件，其具有第一波导和分支结构，所述分支结构将第一波导中传输的光分成至少两束，所述分支结构包括第二波导、第三波导、以及位于第二波导和第三波导之间的中间波导，所述第一波导、第二波导和第三波导的折射率及厚度均相等，所述中间波导随着所述第一波导的入射光传输方向厚度递减。
在上述技术方案的基础上，所述中间波导分为M个依次相连的子波导，M≥1，M个子波导的厚度阶梯式减小。
在上述技术方案的基础上，所述中间波导的折射率小于或者等于所述第一波导的折射率；
当所述中间波导和所述第一波导的折射率相等时，M个所述子波导的厚度均小于所述第一波导的厚度；
当所述中间波导的折射率小于所述第一波导的折射率时，与所述第一波导相连的所述子波导的厚度小于或等于所述第一波导的厚度。
在上述技术方案的基础上，当所述中间波导的折射率和所述第一波导的折射率相等，且M＝2时，沿着所述第一波导的入射光传输方向，2个所述子波导的厚度依次为H2和H3，
Figure BDA0001888124010000021
Figure BDA0001888124010000022
其中，H1为所述第一波导、第二波导和第三波导的厚度。
在上述技术方案的基础上，当所述中间波导的折射率小于所述第一波导的折射率，且M＝2时，沿着所述第一波导的入射光传输方向，2个所述子波导的厚度依次为H'2和H'3，H'2＝H1，
Figure BDA0001888124010000023
或者，
Figure BDA0001888124010000024
其中，H1为所述第一波导、第二波导和第三波导的厚度。
在上述技术方案的基础上，所述第一波导的折射率范围为 2～3.6。
在上述技术方案的基础上，所述波导元件的外部为空气或者具有低折射率的包层材料，空气或者包层材料的折射率小于所述中间波导的折射率。
在上述技术方案的基础上，M个所述子波导均为矩形波导。
在上述技术方案的基础上，沿着所述第一波导的入射光传输方向，所述第一波导、第二波导、第三波导和中间波导对称分布。
本发明实施例还提供一种分合束器，所述分合束器包括第一光收发端以及至少两个第二光收发端，所述第一光收发端和第二光收发端通过上述的波导元件相连，其中，所述第一光收发端连接所述第一波导，至少两个所述第二光收发端连接所述分支结构。
与现有技术相比，本发明实施例波导元件具有第一波导和分支结构，分支结构将第一波导中传输的光分成至少两束，分支结构包括第二波导、第三波导、以及位于第二波导和第三波导之间的中间波导，第一波导、第二波导和第三波导的折射率及厚度均相等，中间波导随着第一波导的入射光传输方向厚度递减，该波导元件的带宽高，制备难度小，制备成本低。
附图说明
图1是本发明实施例波导元件的俯视图；
图2a是本发明实施例波导元件中波导组成的俯视图；
图2b是图2a中A-A剖面示意图；
图3a是本发明另一实施例波导元件的俯视图；
图3b是图3a中B-B剖面示意图。
图中。
1-第一光收发端，2-第一波导，3-第二波导，301-第一多边形波导，302-第一梯形波导，4-第三波导，401-第二多边形波导，402-第二梯形波导，5-中间波导，501-第一子波导，502-第二子波导，601 和602-两个第二光收发端。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明实施例提供一种波导元件，波导元件具有第一波导和分支结构，分支结构将第一波导中传输的光分成至少两束，分支结构包括第二波导、第三波导、以及位于第二波导和第三波导之间的中间波导，第一波导、第二波导和第三波导的折射率及厚度均相等，中间波导随着第一波导的入射光传输方向厚度递减。
在本发明实施例的波导元件中，入射到第一波导的光经过分支结构，分成至少两束光输出；也可以实现将分别入射到分支结构上的至少两束光合成到第一波导输出。例如1x2或者1x4等，不作限定。分支结构中每束光的能量可以相同，也可以不同，不作限定。
以下以入射到第一波导的光经过分支结构，分成能量相等的两束光输出为例进行说明。
参见图1所示，波导元件具有第一波导2和分支结构，分支结构包括第二波导3、第三波导4、以及位于第二波导3和第三波导4之间的中间波导5，第一波导2、第二波导3和第三波导4的折射率均相等，而且第一波导2、第二波导3和第三波导4的厚度均为H1。沿着第一波导2的入射光传输方向，第一波导2、第二波导3、第三波导4和中间波导5对称分布。
第一波导2为矩形波导或者多边形波导，不作限定。第一波导2 的折射率范围为2～3.6，例如，第一波导2的材料可以是硅、锗、氮化硅、磷化铟或者砷化镓等。波导元件的外部为空气或者具有低折射率的包层材料，例如二氧化硅、氮氧化硅或者聚合物材料等，折射率范围为1～1.7。
第二波导3和第三波导4相对于第一波导2轴对称布置，在光传输方向上将第一波导2的光分成能量相等的两束光输出。第二波导3 和第三波导4的形状根据实际需要确定，不作限定。例如，参见图2 所示，第二波导3分成第一多边形波导301和第一梯形波导302两段，第三波导4分成第二多边形波导401和第二梯形波导402两段。
在本发明实施例的说明中，波导的形状均指在其长度方向和宽度方向所构成的平面内的投影，在本实施例中，即在波导的俯视图中波导的形状。
第一波导2具有多模干涉的作用，将输入的单模光波在第一波导 2的末端形成两个成像点。第二波导3中的第一多边形波导301和第一梯形波导302的位置与第一波导2末端的一个成像点的位置对齐，第三波导4中的第二多边形波导401和第二梯形波导402与第一波导 2末端的另一个成像点的位置对齐，即两个成像点分别耦合到第二波导3和第三波导4中，分别形成一个单模光波，输入的单模光波的功率就会平均分配到两个输出波导中，而中间波导5则可以降低波导的失配，提高耦合效率和带宽，参见以下具体说明。
从第一波导2到分支结构的光传输方向，中间波导5的宽度不变，中间波导5的厚度递减，中间波导5的最大厚度不超过第一波导2的厚度。具体的，中间波导5分为M个依次相连的子波导，M≥1，M 个子波导的厚度阶梯式减小，每个子波导的厚度不变。从理论分析来说，M个子波导的数量越多越好，但是增加子波导的数量也会增加器件制备的复杂度和成本，因此在实际加工中，中间波导5的厚度优选为二级阶梯式减小。
中间波导5的折射率小于第一波导2的折射率；或者，中间波导 5的折射率和第一波导2的折射率相等。当中间波导5和第一波导2 的折射率相等时，M个子波导的厚度均小于第一波导2的厚度。当中间波导5的折射率小于第一波导2的折射率时，与第一波导2相连的子波导的厚度小于或等于第一波导2的厚度。
在第一种实施方式中，中间波导5与第一波导2为一体结构，具有相同的材料和折射率，中间波导5在第二波导3和第三波导4之间形成凹型波导。具体的，与第二波导3和第三波导4相对应，中间波导5分成第一子波导501和第二子波导502两段，即M＝2，M个子波导均为矩形波导。第一多边形波导301、第二多边形波导401和第一子波导501的长度均为L1，第一梯形波导302、第二梯形波导402 和第二子波导502的长度均为L2。一般情况下，M个子波导的长度之和不超过第二波导3和第三波导4的长度。
M个子波导的厚度之差可以相同，也可以不同。
例如，沿着第一波导2的入射光传输方向，第一子波导501的厚度H2大于第二子波导502的厚度H3，即：
Figure BDA0001888124010000061
或者，M个子波导的厚度依次为：H1＞Hi＞HN，1≤i≤N，且
Figure BDA0001888124010000062
在第二种实施方式中，中间波导5的折射率小于第一波导2的折射率，空气和包层材料的折射率均小于中间波导5的折射率。
参见图3所示，与第二波导3和第三波导4相对应，中间波导5 分成第一子波导501′和第二子波导502′两段，即M＝2，第一多边形波导301、第二多边形波导401和第一子波导501′的长度均为L1，第一梯形波导302、第二梯形波导402和第二子波导502′的长度均为L2。一般情况下，M个子波导的长度之和不超过第二波导和第三波导的长度。
同样的，M个子波导的厚度之差可以相同，也可以不同。
例如，当M＝2时，沿着第一波导2的入射光传输方向，2个子波导：第一子波导501′的厚度为H'2，第一子波导501′与第一波导 2的厚度相等，H'2＝H1，第二子波导502′的厚度为H'3，
Figure BDA0001888124010000071
在第三种实施方式中，中间波导5的折射率小于第一波导2的折射率，为了区别起见，中间波导5分成第一子波导501′和第二子波导502′两段，第一子波导501′的厚度为H'2，第二子波导502′的厚度为H'3，
Figure BDA0001888124010000072
具体的，对于正入射的光波来说，其反射率与有效折射率差有关系：
反射率为：
Figure BDA0001888124010000073
透射率为：T＝1-R (2)。
其中，n1和n2分别为输入侧和输出侧波导的有效折射率系数。
为了便于理解，以中间波导5与第一波导2为一体结构，且中间波导5中的第一子波导501为例进行说明，并设第一子波导501的有效折射率系数为n3，第一子波导501的输入侧波导为第一波导2，其有效折射率系数为n1，第一子波导501的输出侧波导的有效折射率系数为n2，由于上述器件的结构参数(第一子波导501的厚度小于第一波导2的厚度)，可以得到n1＞n3＞n2。
根据上述公式(1)，在没有第一子波导501的情况下的透射率为：
Figure BDA0001888124010000081
而引入第一子波导501的情况下的透射率为：
Figure BDA0001888124010000082
根据上述折射率条件n1＞n3＞n2，可以得到T1＞T0，也就是就引入第一子波导501之后，波导元件的透射率提高了，即反射率降低了。
中间波导5的宽度应尽量小，从而进一步降低波导失配的影响，提高分合束的效率。
另外，对于同一尺寸的波导元件来说，波导元件对短波长的光波限制作用更好，通过引入中间厚度的第一子波导501对短波长的透射率提高更多，因此，可以提高波导元件的耦合效率和带宽。
基于上述分析，进一步引入中间波导5的厚度变化级数，例如第二子波导502，可以进一步提高波导元件的耦合效率和带宽。
作为示例，第一实施方式的中间波导5与第一波导2为一体结构，在硅层中制备第一波导2和中间波导5的一体结构所在区域后，除去中间波导5所在区域中指定厚度的波导材料，保留厚度阶梯式递减的中间波导5，得到第一实施方式的波导元件。
在其他实施例中，中间波导5的宽度还可以是变化的，例如，沿着第一波导2的入射光传输方向，中间波导5的宽度逐渐增加，其最窄端与第一波导2相连。
本发明实施例还提供一种分合束器，分合束器包括第一光收发端 1以及至少两个第二光收发端601和602，第一光收发端1和第二光收发端601和602通过上述实施例波导元件相连，其中，第一光收发端1连接第一波导2，至少两个第二光收发端601和602连接分支结构。具体的，第二光收发端601对齐第二波导3中的第一梯形波导302 ，第二光收发端602对齐第三波导4中的第二梯形波导402，以便于光波的传输。
第一光收发端1和第二光收发端601和602的材料均与第一波导 2的材料相同。
光波从第一光收发端1入射时，第一波导2为多边形波导，第一波导2具有多模干涉的作用，将输入的单模光波在第一波导2的末端形成两个成像点；然后两个成像点会分别耦合进入第一多边形波导 301和第二多边形波导401，再分别经过第一梯形波导302和第二梯形波导402之后，从两个第二光收发端601和602分别输出。
如果第一光收发端1、第一波导2、第二波导3、第三波导4和光输出端6在光传输方向上对称分布，则从两个第二光收发端601和 602输出的光波能量相等，也就是实现了平均的3dB分光。而通过引入中间的第一子波导501和第二子波导502，降低了波导的失配度，从而减小光波的反射，提高分束器的效率和带宽。
反过来，当两束光波分别从两个第二光收发端601和602入射时，第一梯形波导302和第二梯形波导402分别将其耦合进入第一多边形波导301和第二多边形波导401；然后经过第一波导2将两束光波合束，并从第一光收发端1输出，实现3dB合束。
同样，通过引入第一子波导501和第二子波导502，降低了波导的失配度，从而减小光波的反射，提高合束器的效率和带宽。
本实施例可得到超宽带3dB分合束器，其带宽范围约为 1.25um～2.5um，其结构尺寸约为2um×4um。
在基于Y分支的3dB分合束器中，需要把两个分支中间的尖端宽度做到0，以获得很好的Y分支，因此，Y分支在实验和制备上存在很大的困难。
因此，有鉴于现有的3dB分合束器带宽较小的问题，或者，制备难度大和制备成本高的问题，本实施例得到的超宽带3dB分合束器，分支结构中的中间波导的尺寸可以通过目前的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺得到，制备简单，成本低。结构尺寸小，易于大规模集成，同时也可以降低因波导不匹配带来的反射损耗，因此其分束/合束的效率也很高。
本发明实施例没有精细结构，不需要高精度的光刻工艺，降低了器件的制备难度和成本。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种波导元件，其具有第一波导和分支结构，所述分支结构将第一波导中传输的光分成至少两束，其特征在于：
所述分支结构包括第二波导、第三波导、以及位于第二波导和第三波导之间的中间波导，沿着所述第一波导的入射光传输方向，所述第一波导、第二波导、第三波导和中间波导对称分布，且所述第二波导和第三波导相对于所述第一波导轴对称布置；
所述第二波导分为第一多边形波导和第一梯形波导两段；所述第三波导分为第二多边形波导和第二梯形波导两段；
所述第一波导、第二波导和第三波导的折射率及厚度均相等，所述中间波导随着所述第一波导的入射光传输方向厚度递减；
所述中间波导分为2个依次相连的子波导，2个子波导的厚度阶梯式减小；所述中间波导的宽度不变；
所述中间波导的折射率小于或者等于所述第一波导的折射率；
当所述中间波导和所述第一波导的折射率相等时，2个所述子波导的厚度均小于所述第一波导的厚度；且沿着所述第一波导的入射光传输方向，2个所述子波导的厚度依次为H2和H3，
Figure FDA0002737688260000011
Figure FDA0002737688260000012
其中，H1为所述第一波导、第二波导和第三波导的厚度；
当所述中间波导的折射率小于所述第一波导的折射率时，与所述第一波导相连的所述子波导的厚度小于或等于所述第一波导的厚度；且沿着所述第一波导的入射光传输方向，2个所述子波导的厚度依次为H′2和H′3，H′2＝H1，
Figure FDA0002737688260000013
或者，
Figure FDA0002737688260000021
其中，H1为所述第一波导、第二波导和第三波导的厚度。
2.如权利要求1所述的波导元件，其特征在于：所述第一波导的折射率范围为2～3.6。
3.如权利要求1所述的波导元件，其特征在于：所述波导元件的外部为空气或者具有低折射率的包层材料，空气或者包层材料的折射率小于所述中间波导的折射率。
4.如权利要求1所述的波导元件，其特征在于：M个所述子波导均为矩形波导。
5.一种分合束器，所述分合束器包括第一光收发端以及至少两个第二光收发端，其特征在于：
所述第一光收发端和第二光收发端通过如权利要求1至4任一项所述的波导元件相连，其中，所述第一光收发端连接所述第一波导，至少两个所述第二光收发端连接所述分支结构。
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