CN110596813B - 一种支持低损耗基模传输的硅基多模螺旋波导延迟线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持低损耗基模传输的硅基多模螺旋波导延迟线。曲率渐变型S弯曲多模波导置于曲率渐变螺旋弯曲多模波导的中心；两条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导交叉环形螺旋布置，一条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导内端经一根弯曲波导和曲率渐变型S弯曲多模波导的一端连接，曲率渐变型S弯曲多模波导的另一端经另一根弯曲波导和另一条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导的内端连接，整个硅基多模螺旋波导延迟线呈中心对称布置。本发明能有效避免传统结构由于曲率突变引入的模式失配损耗及模间串扰，并能降低由于波导侧壁引入的散射损耗，从而获得在硅基多模螺旋波导中的低损耗基模传输，具有损耗低、结构紧凑等优点，可用于光学缓存器、光延迟线等系统。

Description

一种支持低损耗基模传输的硅基多模螺旋波导延迟线

技术领域

本发明涉及一种支持低损耗基模传输的硅基多模螺旋波导延迟线，更具体的涉及一种低散射损耗的基模传输的硅基多模螺旋波导延迟线。

背景技术

随着光子集成技术的日益发展，许多针对光子集成的应用，例如：通信网络滤波器和复用器、光学陀螺仪角速度传感器、光学缓冲器和可调真延迟线等，这些系统均需要光在片上传播距离较长或者要有高品质因数的谐振腔。而上述性能的实现要求在平面光波导中，模式的总传输损耗要足够的小。

在平面光波导中，模式的总传输损耗是包括材料吸收损耗，散射损耗，衬底泄露损耗，弯曲损耗，串扰损耗等多个损耗在内的总和。通过改进波导生产加工方式，可以有效的减小材料吸收损耗等多种波导损耗，此时，由于波导表面粗糙度引入的散射损耗以及波导弯曲损耗将成为模式总传输损耗的主要来源。其中波导表面的散射损耗与表面位置电场强度的平方成正比。

现有的低损耗波导结构大多采用以下几种方案。直波导和弯曲波导相结合的设计：直波导处采用多模宽波导，弯曲波导处采用单模波导，利用绝热锥形渐变波导连接直波导和弯曲波导；或者采用多段弯曲半径阶梯跃变的多模弯曲波导构成螺旋线结构等。这两种方案虽然实现了光在片上可以传播较长距离的目标，但前者方案波导整体尺寸偏大，而后者方案曲率突变区域过多，尤其是当传播距离达到了米的量级时，这些曲率突变区域成倍数的增加，进而引入较大的模式失配损耗。因此现有技术的低损耗硅基微纳光波导无法同时满足片上传播距离较长、结构紧凑、模间失配损耗极小的技术要求。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种支持低损耗基模传输的硅基多模螺旋波导延迟线，从而实现光在片上传播距离较长时模式的总传输损耗也足够的小。具有重要的应用价值。

本发明的低损耗硅基微纳光波导可满足片上传播距离较长、结构紧凑、模间失配损耗极小、模间串扰低等需求。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包含两条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导、一条曲率渐变型S弯曲多模波导和两条弯曲波导，曲率渐变型S弯曲多模波导置于曲率渐变型螺旋弯曲多模波导的中心；两条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导交叉环形螺旋布置，其中一条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导的外端作为硅基多模螺旋波导延迟线的输入端，内端经一根弯曲波导和曲率渐变型S弯曲多模波导的一端连接，曲率渐变型S弯曲多模波导的另一端经另一根弯曲波导和另一条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导的内端连接，另一条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导的外端作为硅基多模螺旋波导延迟线的输出端，整个硅基多模螺旋波导延迟线呈中心对称布置。

所述的两条弯曲波导两段弯曲圆心角度为90°，但曲率渐变。

所述的弯曲波导两端分别与曲率渐变型螺旋弯曲多模波导、曲率渐变型S弯曲多模波导相连接。

本发明利用两段曲率不同的90°弯曲波导实现曲率渐变型螺旋弯曲多模波导与曲率渐变型S弯曲多模波导之间曲率和坐标位置的衔接。

所述的曲率渐变型螺旋弯曲多模波导、曲率渐变型S弯曲多模波导、弯曲波导均为多模宽波导，利用多模宽波导来传输基模，能使得由波导侧壁粗糙度引起的散射损耗足够小。

所述的曲率渐变型螺旋弯曲多模波导的曲率随弯曲角度变化满足阿基米德螺旋线方程，光在传输过程中不激发高阶模式。

所述的曲率渐变型S弯曲多模波导的曲率随弧长的变化满足欧拉螺旋线方程，光在传输过程中不激发高阶模式。

所述的曲率渐变型螺旋弯曲多模波导、曲率渐变型S弯曲多模波导、弯曲波导均置于衬底硅上。

本发明包括曲率渐变型螺旋弯曲多模波导、曲率渐变型S弯曲多模波导、弯曲波导；利用两段曲率不同的90°弯曲波导实现曲率渐变型螺旋弯曲多模波导与曲率渐变型S弯曲多模波导之间曲率和坐标位置的衔接。

本发明使用多模波导取代传统单模波导来传输基模，以减小侧壁粗糙度引入的散射损耗，使光在较长波导传播时仍具有较小损耗；本发明采用曲率渐变型弯曲波导，使整体结构更为紧凑的同时减小了由于曲率突变引入的模式失配损耗及模间串扰。

本发明具有的有益效果是：

本发明具有片上传播距离长、基模传输损耗小、结构紧凑、模间失配损耗小、模间串扰低等突出优点，可用于光学缓冲器、可调光延迟线等系统。

本发明利用多模宽波导替代传统单模波导来传播基模，减小了波导侧壁处的电场强度，在同样的工艺条件(波导侧壁粗糙度)下，有效地减小了模式在传播过程中的散射损耗。

本发明硅基多模螺旋波导延迟线包括曲率渐变型螺旋弯曲多模波导、曲率渐变型S弯曲多模波导、弯曲波导等部分，只有在弯曲波导与曲率渐变型螺旋弯曲多模波导相接处、弯曲波导与曲率渐变型S弯曲多模波导相接处以及曲率渐变型S弯曲多模波导中心方向改变处会有曲率微小突变，其余区域曲率均为连续缓慢渐变，因而有效降低了整体结构模式失配损耗以及模间串扰。

附图说明

图1是本发明硅基多模螺旋波导延迟线结构示意图。

图2是本发明硅基多模螺旋波导延迟线实施例示意图。

图3是本发明的实施例：侧壁归一化电场强度平方随波导宽度变化示意图。

图4是本发明的实施例：波导截面示意图。

图5是本发明的实施例：耦合长度随波导端对端间隔变化示意图。

图6是本发明的实施例：内圈曲率渐变型S弯曲多模波导和弯曲波导结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，具体实施包含两条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导1、一条曲率渐变型S弯曲多模波导2和两条弯曲波导3，曲率渐变型S弯曲多模波导2置于曲率渐变型螺旋弯曲多模波导1的中心；两条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导1以内外交叉环形螺旋布置，其中一条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导1的外端作为硅基多模螺旋波导延迟线的输入端，内端经一根弯曲波导3和曲率渐变型S弯曲多模波导2的一端连接，曲率渐变型S弯曲多模波导2的另一端经另一根弯曲波导3和另一条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导1的内端连接，另一条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导1的外端作为硅基多模螺旋波导延迟线的输出端，整个硅基多模螺旋波导延迟线呈中心对称布置，即使得两条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导1端口分别和曲率渐变型S弯曲多模波导2两端之间通过两段弯曲波导3顺序连接。

曲率渐变型螺旋弯曲多模波导1的曲率随弯曲角度变化满足阿基米德螺旋线方程，曲率渐变型S弯曲多模波导2的曲率随弧长的变化满足欧拉螺旋线方程，曲率渐变型螺旋弯曲多模波导1和曲率渐变型S弯曲多模波导2的光在传输过程中不激发高阶模式。

两条弯曲波导3两段弯曲圆心角度为90°但曲率不同，曲率渐变型S弯曲多模波导弯曲波导3两端分别与曲率渐变型螺旋弯曲多模波导1、曲率渐变型S弯曲多模波导2相连接。

弯曲波导3在自身各处的曲率可以变化不同，通过弯曲波导3曲率和尺寸设计使得弯曲波导3和曲率渐变型螺旋弯曲多模波导1、曲率渐变型S弯曲多模波导2之间的模式适配损耗最小，整体器件尺寸最小。

曲率渐变型S弯曲多模波导曲率渐变型S弯曲多模波导本发明的低损耗硅基微纳光波导延迟线具体包括曲率渐变型螺旋弯曲多模波导、曲率渐变型S弯曲多模波导、弯曲波导，如图1和图2所示。

曲率渐变型螺旋弯曲多模波导1、曲率渐变型S弯曲多模波导2、弯曲波导3均置于衬底硅上。当确定好芯层材料以及芯层高度后，要确定好对应的波导宽度。首先采用相应公式计算出不同波导宽度下波导侧壁电场的平方占模式总电场平方的值，之后将每个波导宽度对应的侧壁能量比例依照单模波导的侧壁能量比例进行归一化，绘制出对应波导高度下，侧壁归一化电场平方随波导宽度变化示意图，如图3所示，再根据示意图选取给定芯层高度下的波导宽度，具体实施可选择2.5微米及以上的波导宽度。

如图4所示为对应低损耗硅基微纳光波导在曲率渐变型螺旋弯曲多模波导区域的截面示意图。在曲率渐变型螺旋弯曲多模波导区域处，每圈的曲率变化会随着波导端对端间隔增大而增大，同时，相同总长度下，波导整体尺寸也会随着波导端对端间隔增大而增大，但是波导端对端间隔过小则会导致模式在相邻两波导处发生耦合，所以需要权衡波导端对端间隔，使其在耦合长度达到目标情况下尽量的小。如图5所示为耦合长度随波导端对端间隔变化示意图。

如图6所示为低损耗硅基微纳光波导对应的曲率渐变型S弯曲多模波导区域和弯曲波导区域。在欧拉弯曲处(3)交界点处，曲率从正值变为对应的相反数(或从负值变为对应的相反数)，因此在此交界点处弯曲半径要取的足够大以减小模式失配损耗以及模间串扰。在欧拉弯曲处(2)对应为整个曲率渐变型S弯曲多模波导区域弯曲半径最小处，其取的过大会导致波导整体结构变大，取的过小则会引入模间串扰，需要通过计算权衡确定其最终取值。由于欧拉弯曲处(3)与欧拉弯曲处(1)的弯曲半径有所不同，所以曲率渐变型S弯曲多模波导区域的两个末端横坐标为非零值。而为了使曲率渐变型螺旋弯曲多模波导设计较为简易，其初始位置的横坐标值一般设置为零。所以本发明引入两段曲率不同的90°弯曲波导，让其一端与曲率渐变型螺旋弯曲多模波导相接，另一端与曲率渐变型S弯曲多模波导相接，在交界位置处满足对应的边界条件，如横纵坐标值相同等。

本发明实施例如下：

本实例选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导，其芯层是硅材料，厚度为60nm。因为模式总传输损耗主要来源之一是波导侧壁粗糙所引起的散射损耗，而超薄硅对侧壁粗糙度敏感性更小，所以使用超薄硅进一步减小波导侧壁散射损耗，同时因为波导芯层变薄，波导模式限制性下降，非线性效应也会大大降低。

首先，依据侧壁归一化场强随波导宽度变化示意图，选取超薄硅多模波导宽度为2.5μm。此时，与单模波导相比，预计其散射损耗下降为单模波导的10％。

其次，依据给定波导宽度，结合耦合长度计算公式绘制出耦合长度随波导端对端间隔变化图，以低损耗硅基微纳光波导总长为1m左右为例，要求其耦合长度大于100m，则波导端对端间隔选为3μm。

最后在给定波导宽度下确定曲率渐变型S弯曲多模波导区域与弯曲波导区域的详细曲率变化情况，要求给定的参数要有效的减小模间串扰和模式失配损耗。如图6所示，欧拉弯曲处(1)对应的弯曲半径为250μm，欧拉弯曲处(2)对应的弯曲半径为80μm，欧拉弯曲处(3)对应的弯曲半径为1000μm，与曲率渐变型S弯曲多模波导相连的弯曲波导弯曲半径为250μm，与曲率渐变型螺旋弯曲多模波导相连的弯曲波导弯曲半径为209μm左右。此时上述两个区域等效弯曲半径为247μm，即在曲率渐变型螺旋弯曲多模波导起始位置，弯曲半径为247μm，之后每增加一圈，弯曲半径随之增加11μm。

本实施例中两段曲率不同的90°弯曲波导为传统弯曲波导，其中一段弯曲波导与连接处的曲率渐变型S弯曲多模波导的曲率保持一致。而另一段弯曲波导的曲率通过起始点和终点(与曲率渐变型螺旋弯曲多模波导相连接处)的横纵坐标值确定。

如图2所示为本发明实施例在上述参数下设计的总长度约为50000μm的硅基多模螺旋波导延迟线示意图，其等效弯曲半径约为380μm，其中曲率渐变型螺旋弯曲多模波导所绕圈数为12圈。

由此可见，本发明结合两种曲率渐变弯曲波导，采用多模宽波导替代单模波导来传播模式，有效地减小了模式传播时的散射损耗，具有损耗低、设计方便、工艺简便等优点，可用于各种硅基微纳光波导。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种支持低损耗基模传输的硅基多模螺旋波导延迟线，其特征在于：

包含两条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导(1)、一条曲率渐变型S弯曲多模波导(2)和两条弯曲波导(3)，曲率渐变型S弯曲多模波导(2)置于曲率渐变型螺旋弯曲多模波导(1)的中心；两条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导(1)交叉环形螺旋布置，其中一条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导(1)的外端作为硅基多模螺旋波导延迟线的输入端，内端经一根弯曲波导(3)和曲率渐变型S弯曲多模波导(2)的一端连接，曲率渐变型S弯曲多模波导(2)的另一端经另一根弯曲波导(3)和另一条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导(1)的内端连接，另一条曲率渐变型螺旋弯曲多模波导(1)的外端作为硅基多模螺旋波导延迟线的输出端，整个硅基多模螺旋波导延迟线呈中心对称布置；

所述的两条弯曲波导(3)两段弯曲圆心角度为90°，但曲率渐变；

只有在弯曲波导与曲率渐变型螺旋弯曲多模波导相接处、弯曲波导与曲率渐变型S弯曲多模波导相接处以及曲率渐变型S弯曲多模波导中心方向改变处会有曲率微小突变，其余区域曲率均为连续缓慢渐变。

2.根据权利要求1所述的一种支持低损耗基模传输的硅基多模螺旋波导延迟线，其特征在于：所述的弯曲波导(3)两端分别与曲率渐变型螺旋弯曲多模波导(1)、曲率渐变型S弯曲多模波导(2)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种支持低损耗基模传输的硅基多模螺旋波导延迟线，其特征在于：所述的曲率渐变型螺旋弯曲多模波导(1)、曲率渐变型S弯曲多模波导(2)、弯曲波导(3)均为多模宽波导。

4.根据权利要求1所述的一种支持低损耗基模传输的硅基多模螺旋波导延迟线，其特征在于：所述的曲率渐变型螺旋弯曲多模波导(1)的曲率随弯曲角度变化满足阿基米德螺旋线方程。

5.根据权利要求1所述的一种支持低损耗基模传输的硅基多模螺旋波导延迟线，其特征在于：所述的曲率渐变型S弯曲多模波导(2)的曲率随弧长的变化满足欧拉螺旋线方程。

6.根据权利要求1所述的一种支持低损耗基模传输的硅基多模螺旋波导延迟线，其特征在于：所述的曲率渐变型螺旋弯曲多模波导(1)、曲率渐变型S弯曲多模波导(2)、弯曲波导(3)均置于衬底硅上。

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