CN111025470B - 一种基于抛物线型mmi的超紧凑硅基波导交叉结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于抛物线型MMI的超紧凑硅基波导交叉结构，该结构由形状相同但垂直相交的两支波导组成，其中横支波导(H)由横支输入波导、抛物线型横支MMI和横支输出波导组成，竖支波导(V)由竖支输入波导、抛物线型竖支MMI和竖支输出波导组成。这种结构的特征在于，抛物线型横支MMI和抛物线型竖支MMI都采用相同的两端宽中间窄的抛物线型MMI结构。与现有MMI型波导交叉结构相比，本发明所述结构保持了MMI型波导交叉结构低损耗和低串扰的优势，同时由于MMI具有抛物线型结构，本发明所述结构具有更紧凑的尺寸，可以实现更大规模集成光路的制作。

Description

一种基于抛物线型MMI的超紧凑硅基波导交叉结构

技术领域

本发明涉及一种基于抛物线型MMI的超紧凑硅基波导交叉结构，属于集成光学、微电子与光电子学领域。

背景技术

随着微电子技术的发展，微电子芯片上的信号互连带来的问题日益突出，“电子瓶颈”成为限制微电子芯片性能持续提高的难题，通过引入光互连技术成为解决这一难题的有效途径。

自1969年美国贝尔实验室的Miller博士提出“集成光学”的概念以来，集成光学理论与技术得到了快速发展。经过研究者五十年来的研究开发，一些集成光学器件，譬如光分路器、光开关、光调制器等，已经广泛应用于光通信、光传感、光计算与光存储等诸多领域。

得益于波导芯部与包层之间的高折射率差，SOI(Silicon On Insulator)波导具有强大的光限制能力，可以实现更小的器件尺寸，在此基础上实现光路的大规模集成，因此，硅基光子学成了目前集成光学领域的前沿方向之一。

波导交叉结构是集成光路中常用的基础单元，这种结构的损耗、串扰等性能直接关系到包含该结构的集成光路的性能。对波导交叉结构而言，光在交叉处由于失去了横向的限制而发生衍射，这种衍射效应使得一部分光会辐射出去，造成波导的损耗；同时，辐射出去的一部分光进入与之交叉的波导，造成波导间信号的串扰。如果结构设计不够合理，损耗和串扰会影响器件的性能。光波导折射率差越高，损耗和串扰越大。相关文献(Fukazawa,Hirano et al.2004)和仿真结果显示，直接由单模Si波导组成的波导交叉结构损耗高达0.9～1.4dB，串扰高达-10～-15dB。不仅如此，波导交叉结构优化对器件尺寸的优化也具有关键作用。

为了优化波导交叉结构的性能，降低波导交叉处的损耗和串扰，研究者们提出了多种波导交叉结构优化设计方案。现有的波导交叉结构包括：亚波长光栅型、超材料型、麦克斯韦鱼眼透镜型、光子晶体型和谐振腔型、多模干涉型等。

(1)亚波长光栅(SWG)型：将SWG结构应用到波导交叉可以降低交叉处的有效折射率差，因而可以减弱交叉波导处的衍射效应，减小波导的损耗和波导间的串扰。相关研究(Bock,Cheben et al.2010)报导了其损耗为0.023dB，串扰为-40dB。这种结构的缺点是亚波长光栅的制作工艺要求相对较高。

(2)超材料型：这种方案通过引入超材料减小衍射效应，提高波导交叉结构性能。2010年报导(Ding,Tang et al.2010)了将阻抗匹配超材料应用于波导的交叉位置处，测试结果显示其损耗为0.04dB，串扰为-40dB，缺点是超材料成本高昂难以量产。

(3)麦克斯韦鱼眼透镜(MFE)型：基于麦克斯韦鱼眼透镜型的波导交叉可同时处理多个模式，2019年有研究(Badri,Rasooli Saghai et al.2019)显示这种结构可同时处理最低阶的3个模式(TE0,TE1,TE2)，插损分别可控制到0.24dB、0.55dB、0.45dB，串扰分别低于-72dB、-61dB、-27dB，可用于模分复用(MDM)系统。要实现麦克斯韦鱼眼透镜，可以采用渐变光子晶体或调整Si波导厚度的方式，工艺要求极高。

(4)光子晶体和谐振腔型：利用光子晶体结构制作波导交叉结构，通过谐振腔的对称性设计防止输入方向的模式衰减到交叉波导中，降低串扰，文献报道的串扰低于-40dB(Yang,Mingaleev et al.2005)。而谐振腔型可看作光子晶体型在1D情况下的特例，具体是通过在波导上打孔的方式制作谐振腔，研究表明，相较于普通的波导交叉，谐振腔型波导交叉可将损耗从1.55dB降低至0.46dB，串扰从-11.55dB降低至-30.97dB(Johnson,Manolatouet al.1998)。光子晶体型波导交叉结构抑制损耗和串扰的效果明显，但光子晶体结构复杂，制作工艺要求比较高。

(5)多模干涉(MMI)型：MMI型波导交叉结构的基本原理是使光在交叉位置成单像以缩小光斑，降低损耗和串扰。如图1所示，基于MMI的波导交叉结构由垂直相交的横支波导(H)和竖支波导(V)组成，其中横支波导(H)由横支输入波导(100)、横支MMI(200)和横支输出波导(300)依次连接组成；竖支波导(V)由竖支输入波导(400)、竖支MMI(500)和竖支输出波导(600)依次连接组成。横支波导(H)和竖支波导(V)在横支MMI(200)和竖支MMI(500)形成的单像处相交。一般横支MMI(200)和竖支MMI(500)的长度均为形成首个单像对应多模波导长度的两倍。光在经过横支MMI(200)的前半部分时会在相交中心位置收缩成单像，然后在横支MMI(200)与横支输出波导(300)的交界处形成第二个单像。由于上述结构特征，横支MMI(200)和竖支MMI(500)的交叉处模场的宽度显著变小，散射损耗可以很好的被抑制，有效降低波导交叉结构的损耗和串扰。同时，MMI器件具有结构紧凑、插损低、频带较宽、制作工艺简单、容差性好等优势，MMI型波导交叉结构被许多研究者认为是改善波导交叉结构性能的优选方案。近年来研究者基于MMI结构提出了许多衍生结构，如图2所示。图2中(a)是一种基于椭圆型MMI的波导交叉结构，据文献报导(Le,Xu et al.2017)这种结构可将波导交叉的损耗降低至0.15dB，串扰低于-46dB；(b)是一种基于椭圆-两步刻蚀型MMI(浅色斜线区域为浅刻蚀区域)的波导交叉结构(Bogaerts,Dumon et al.2007)，采用两步刻蚀工艺可以降低横向折射率差，有利于降低损耗和串扰，但工艺较为复杂；(c)是一种基于锥形波导级联型MMI的波导交叉结构，这种结构通常采用多段高斯型锥形波导级联而成，结构比较复杂(Chen 2012)；(d)是一种基于侧面SWG型MMI的波导交叉结构，亚波长光栅(SWG)结构的引入有利于增加工作带宽(Zhang,Hosseini et al.2013)，同时由于横向折射率差减小，也利于降低损耗和串扰，但对工艺要求较高。

从近年的研究来看，MMI型波导交叉结构的研究与结构优化仍是硅基光子学研究的一个热点。减小器件损耗和波导间的串扰，减小器件尺寸仍是研究者不懈追求的目标。

发明内容

本发明提供了一种基于抛物线型MMI的超紧凑硅基波导交叉结构。与现有MMI型波导交叉结构相比，本发明所述结构保持了MMI型波导交叉结构低损耗和低串扰的优势，同时由于MMI采用了两端宽中间窄的抛物线型结构，本发明所述结构具有更紧凑的尺寸，可以实现更大规模集成光路的制作。

本发明所述基于抛物线型MMI的超紧凑硅基波导交叉结构包括形状相同但垂直相交的横支波导(H)和竖支波导(V)，其中横支波导(H)由横支输入波导(100)、抛物线型横支MMI(210)和横支输出波导(300)组成；竖支波导(V)由竖支输入波导(400)、抛物线型竖支MMI(510)和竖支输出波导(600)组成。这种结构的特征在于，抛物线型横支MMI(210)和抛物线型竖支MMI(510)都采用相同的两端宽中间窄的抛物线型MMI结构。图4表示了抛物线型横支MMI(210)的结构：抛物线型横支MMI(210)具有双轴对称结构，且两侧边具有抛物线型边界。以抛物线型MMI结构的中心为原点，长度方向为x轴，宽度方向为y轴，在长度坐标x处的宽度W(x)为：

其中L_mmi为该抛物线型MMI结构的长度，W_mmi和W_mid分别为MMI在两端和中间的宽度，W_mmi>W_mid。抛物线型竖支MMI(510)结构与抛物线型横支MMI(210)具有相同的几何形状，在波导交叉结构中两者相互垂直交叉，如图3所示。

这种抛物线型MMI的波导交叉结构可以显著减小波导交叉结构的尺寸。这种结构具有更小尺寸的原因为：MMI型波导交叉结构的尺寸主要取决于横支MMI和竖支MMI的长度L_mmi，其面积S正比于L_mmi ²，而MMI的长度L_mmi近似正比于MMI的宽度的平方，因此可以认为MMI型波导交叉结构的尺寸对MMI的宽度具有4次方的依赖关系。由于本发明采用的抛物线型MMI结构具有两端宽中间窄的结构特征，相当于减小了MMI的等效宽度，因此可以显著减小MMI的长度，从而有效减小MMI型波导交叉结构的尺寸。

本发明所述基于抛物线型MMI的超紧凑硅基波导交叉结构的优势在于：这种结构保持了现有的MMI型波导交叉结构低损耗和低串扰的优势，同时由于MMI具有抛物线型结构，本发明所述波导交叉结构具有更紧凑的尺寸，可以实现更大规模集成光路的制作。

附图说明

图1是基于MMI的波导交叉结构示意图。

图2是在基于MMI的波导交叉结构的基础上的衍生结构，(a)是基于椭圆型MMI的波导交叉结构，(b)是基于椭圆-两步刻蚀型MMI的波导交叉结构，(c)是基于锥形波导级联型MMI的波导交叉结构，(d)是基于侧面SWG型MMI的波导交叉结构。

图3是本发明所述的基于抛物线型MMI的超紧凑硅基波导交叉结构示意图。

图4是本发明所述的基于抛物线型MMI的超紧凑硅基波导交叉结构中的抛物线型横支MMI(210)的结构示意图。

图中标号：

H：波导交叉结构的横支；

V：波导交叉结构的竖支；

100：横支输入波导；

300：横支输出波导；

400：竖支输入波导；

600：竖支输出波导；

200：横支MMI；

500：竖支MMI；

201：椭圆型横支MMI；

501：椭圆型竖支MMI；

202：椭圆-两步刻蚀型横支MMI；

502：椭圆-两步刻蚀型竖支MMI；

203：锥形波导级联型横支MMI；

503：锥形波导级联型竖支MMI；

204：侧面SWG型横支MMI；

504：侧面SWG型竖支MMI；

210：抛物线型横支MMI；

510：抛物线型竖支MMI。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示为基于普通MMI的波导交叉结构，一般在设计MMI型波导交叉结构时要求MMI的宽度只支持3个TE模以保证器件的尺寸足够小，对于Si波导而言，文献中一般取W_mmi＝1.2μm。后续在该结构的基础上发展出了很多衍生结构(如图2所示)，文献报导的波导交叉结构的尺寸可以做到约4μm×4μm，损耗0.2dB，串扰-30dB～-40dB。

表1本发明所述波导交叉结构与文献报导的MMI型波导交叉结构的比较

图3是本发明所述的基于抛物线型MMI的超紧凑硅基波导交叉结构，如表1所示：在波长为1550nm时，取W_mmi＝1.2μm，W_mid＝1.0μm，波导交叉结构的尺寸仅为普通的基于MMI(W_mmi＝W_mid＝1.2μm)的波导交叉结构的54％，同时保持极低的损耗(0.12dB)和串扰(-35dB)；取W_mmi＝1.2μm，W_mid＝0.8μm，波导交叉结构的尺寸仅为普通的基于MMI(W_mmi＝W_mid＝1.2μm)的波导交叉结构的30％，同时保持较低的损耗和串扰。可以根据需要，通过优化抛物线型MMI结构中间位置的宽度W_mid，在几乎不影响损耗和串扰性能的前提下，将波导交叉结构的尺寸进行不同幅度的缩小，实现更大规模集成光路的制作。

上述具体实施方式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，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于抛物线型MMI的超紧凑硅基波导交叉结构，该结构由形状相同但垂直相交的两支波导组成，其中横支波导(H)由横支输入波导(100)、抛物线型横支MMI(210)和横支输出波导(300)组成，竖支波导(V)由竖支输入波导(400)、抛物线型竖支MMI(510)和竖支输出波导(600)组成；其特征在于，抛物线型横支MMI(210)和抛物线型竖支MMI(510)都采用相同的两端宽中间窄的抛物线型MMI结构；抛物线型横支MMI(210)和抛物线型竖支MMI(510)都是双轴对称的、两侧具有抛物线型边界的MMI结构；以抛物线型MMI结构的中心为原点，长度方向为x轴，宽度方向为y轴，在长度坐标L处的宽度W按照以下抛物线规律变化：

其中L_mmi为该抛物线型MMI结构的长度，W_mmi和W_mid分别为MMI在两端和中间的宽度，W_mmi>W_mid。

2.根据权利要求1所述的基于抛物线型MMI的超紧凑硅基波导交叉结构，其特征在于：采用垂直相交的抛物线型MMI结构组成波导交叉结构，由于抛物线型MMI结构具有两端宽中间窄的结构特征，相当于减小了MMI的等效宽度，因此可以显著减小MMI的长度，从而显著减小MMI型波导交叉结构的尺寸；通过优化抛物线型MMI结构中间位置的宽度W_mid，在几乎不影响损耗和串扰性能的前提下，可以将波导交叉结构的尺寸进行不同幅度的缩小，以用于更大规模的集成光路的制作。

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