CN112379478B - 一种基于亚波长光栅结构的弯曲波导及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于亚波长光栅结构的弯曲波导及其设计方法，其包括设置有多个依次排列的亚波长非均匀梯形光栅结构的输入直波导部和输出直波导部，还包括设置有多个依次排列的亚波长均匀梯形光栅结构的圆弧波导部，非均匀梯形光栅结构沿其外侧的占空比大于或等于其内侧的占空比，其外侧与其内侧的占空比之比自输入直波导部或输出直波导部一侧朝向圆弧波导部一侧渐变，均匀梯形光栅结构沿其外侧的占空比小于其内侧的占空比；上述波导部为多模波导，在其波导高度方向上支持一个传输模式，在宽度方向上支持两个或以上的传输模式；该弯曲波导有效减小了辐射损耗和模间失配，提高了传输效率，达到了实现其低损耗、低串扰、高集成度的要求。

Description

一种基于亚波长光栅结构的弯曲波导及设计方法

技术领域

本发明涉及光电子集成领域，具体涉及一种基于亚波长光栅结构的弯曲波导及设计方法。

背景技术

在现在的光通信发展中，MDM及技术也相当成熟，比如很多单模波导的弯曲，弯曲半径已经达到2um左右，集成度已经相当高。但对于多模波导弯曲，仍然面临着如何提高集成度，实现信道的多模式传输的低损、低串扰传输。

对于多模波导，当弯曲半径很小时，所有的模态场均变得高度不对称，输入与输出直波导和弯曲波导之间存在模式失配，在二者连接处引入的损耗及模式串扰成为制约提高集成度的根本原因。目前有如下解决方案：利用特殊曲线设计特殊的弯曲来让直波导的导模逐渐转化为弯曲波导的导模；或者在弯曲波导部分引入光栅来调解弯曲部分的模式场分布。前者具备更简单的制作工艺，但通常无法将等效弯曲半径做的足够小。后者通常可以获得较小的等效弯曲半径。但若进一步减少弯曲半径，则将会引起串扰及传输损耗的增加。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明通过在输入与输出直波导部设置占空比之比渐变的非均匀梯形光栅结构，将传输模式提前偏转，和带有均匀梯形光栅结构的圆弧波导部的模式相匹配，使得弯曲波导的弯曲半径进一步减小，并且有效减小了其弯曲波导结构的辐射损耗和模间失配，提高了传输效率，达到了实现其低损耗、低串扰、高集成度的要求。基于此，本发明至少提供如下技术方案：

一种基于亚波长光栅结构的弯曲波导，具有内侧和外侧，其包括输入直波导部、圆弧波导部以及输出直波导部，所述输入直波导部及所述输出直波导部设置有多个依次排列的亚波长非均匀梯形光栅结构，所述非均匀梯形光栅结构沿其外侧的占空比大于或等于其内侧的占空比，所述外侧与所述内侧的占空比之比自所述输入直波导部或所述输出直波导部一侧朝向所述圆弧波导部一侧渐变；所述圆弧波导部设置有多个依次排列的亚波长均匀梯形光栅结构，所述均匀梯形光栅结构沿其外侧的占空比小于其内侧的占空比；

其中，所述输入直波导部、所述输出直波导部及所述圆弧波导部为多模波导，在其波导高度方向上支持一个传输模式，在其波导宽度方向上支持两个或以上的传输模式。

进一步的，所述输入直波导部的所述非均匀梯形光栅结构沿其外侧与其内侧占空比之比优选0.5:0.5～0.9:0.1。

进一步的，所述输出直波导部的所述非均匀梯形光栅结构沿其外侧与其内侧占空比之比优选0.5:0.5～0.9:0.1。

进一步的，所述输入直波导部的起始梯形光栅结构沿其外侧与其内侧的占空比之比优选0.5:0.5。

进一步的，所述输出直波导部的起始梯形光栅结构沿其外侧与其内侧的占空比之比优选0.1:0.9。

进一步的，所述均匀梯形光栅结构沿其外侧与其内侧的占空比之比恒定。

进一步的，所述均匀梯形光栅结构的外侧与内侧占空比之比优选为0.3:0.7～0.1:0.9。

进一步的，所述梯形光栅结构的深度不超过所述波导高度的一半。

进一步的，所述弯曲波导选用硅、氧化硅、氮化硅或磷化铟。

本发明还提供一种基于亚波长光栅结构的弯曲波导的设计方法，其包含以下步骤：

设置弯曲波导包含输入直波导部、圆弧波导部以及输出直波导部，其波导部均包含梯形光栅结构；

选用所述弯曲波导所需的材料，以及合适的波导宽度和高度使得该弯曲波导结构在宽度方向上支持两个或以上模式的传输，在高度方向上支持一个模式的传输；

设置所述圆弧波导部的曲率半径，在该圆弧波导部设置均匀梯形光栅结构，设置该均匀梯形光栅结构的刻蚀深度、周期以及内外两侧的占空比，以增大所述均匀梯形光栅结构两侧的等效折射率对比度；

计算所述圆弧波导部的模场分布，确定所述模场偏离波导对称中心的程度，在输入直波导部设置相同刻蚀深度的亚波长非均匀梯形光栅结构，选择所述非均匀梯形光栅结构的周期以及内外两侧的占空比，使得传输模式的场分布在经过非均匀梯形光栅之后发生偏移，与所述圆弧波导部的传输模式高度匹配；

在所述输出直波导部设置与所述输入直波导部一致的非均匀梯形光栅结构；

其中，所述非均匀梯形光栅结构的内外两侧的占空比之比自所述输入直波导部或所述输出直波导部一侧朝向所述圆弧波导部一侧渐变。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明通过在输入与输出直波导部设置占空比之比渐变的非均匀梯形光栅结构，将传输模式提前偏转，和带有均匀梯形光栅结构的圆弧波导部的模式相匹配，使得本发明的弯曲波导进一步减小了弯曲半径，并且能够在更小的弯曲半径下有效减小其结构的辐射损耗和模间失配，提高传输效率。

附图说明

图1是本发明一实施例的弯曲波导结构示意图。

图2是本发明一实施例中直波导部的非均匀梯形光栅结构示意图。

图3是本发明一实施例中TE₀作为输入的结果图。

图4是本发明一实施例中TE₁作为输入的结果图。

图5是本发明一实施例中TE₂作为输入的结果图。

具体实施方式

接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。

下面来对本发明做进一步详细的说明。本发明中光栅结构的周期是指相邻光栅未刻蚀部分中心的间距，光栅结构的占空比是指光栅未刻蚀部分与光栅周期之比。

本发明提供一种基于亚波长光栅结构的弯曲波导及其设计方法。该弯曲波导具有内侧和外侧，可以理解的是，该内侧是指弯曲波导弯曲的一侧，该外侧是指远离弯曲波导弯曲的一侧。该弯曲波导包括输入直波导部、圆弧波导部以及输出直波导部。输入直波导部、输出直波导部及圆弧波导部为多模波导，在其波导高度方向上支持一个传输模式，在其波导宽度方向上支持两个或以上的传输模式。弯曲波导的材料可以选用硅、氧化硅、氮化硅或磷化铟。在一具体实施例中，如图1所示，该弯曲波导结构选用二氧化硅作为衬底和覆盖层，折射率为n₁＝1.46。选用硅作为波导层，其折射率为n₂＝3.45。弯曲波导结构的偏转角选用90°作为示例。该弯曲波导由圆弧波导部和两端的输入直波导部及输出直波导部连接而成。由于圆弧波导部采用的是标准圆弧波导，故可根据实际需要任意改变圆弧对应的圆心角以调整弯曲结构的偏转角。本实施例中选用圆弧波导部的半径R为5um，二氧化硅衬底的厚度h_SiO2为2um，硅波导层的高度h_Si为220nm以确保高度方向上为单模分布，宽度W选用1.2um，在宽度方向上支持TE偏振下3个传输模式的多模分布。

输入直波导部和输出直波导部设置有多个依次排列的亚波长非均匀梯形光栅结构，如图2所示，图中深色区域为没有刻蚀的区域，灰色区域为浅刻蚀区域，即浅刻蚀形成的非均匀梯形光栅结构，可以知晓，该直波导部中非均匀梯形光栅结构沿其外侧的占空比大于或等于其内侧的占空比，其外侧与其内侧的占空比之比自输入直波导部或输出直波导部一侧朝向圆弧波导部一侧渐变。在一具体实施例中，输入直波导部和输出直波导部设置同样的高度和宽度，光栅结构占据的长度记为L_G，非均匀梯形光栅的刻蚀深度h_G为0.08um，光栅周期P为0.25um。

圆弧波导部设置有多个依次排列的亚波长均匀梯形光栅结构，均匀梯形光栅结构沿其外侧的占空比小于其内侧的占空比，其外侧与其内侧的占空比之比恒定。在一具体实施例中，在圆弧波导部，光栅的内外占空比之比恒定，为0.9:0.1，等间距刻蚀，如图1中的圆弧波导部共可容纳31个光栅。在输入直波导部，等间距刻蚀形成非均匀梯形光栅结构，设置该输入直波导部的起始光栅的内外侧占空比之比为0.5:0.5，沿输入直波导部指向圆弧波导部的方向，其光栅内外侧的占空比之比由0.5:0.5渐变为0.1:0.9，刻蚀光栅个数选取为10～20个。通过选取不同的光栅个数以及不同的占空比变化范围，可以调节经过光栅结构之后的传输模场分布扭曲程度，以匹配弯曲波导部的模场分布。在输出直波导部，设置与输入直波导部一致的非均匀梯形光栅结构，此时，输出直波导部的起始光栅结构的内外侧占空比之比为0.1:0.9，其内外侧占空比之比由0.1:0.9渐变为0.5:0.5。即该实施例中的整个弯曲波导结构以45°角平分线呈镜面对称分布。通过在输入与输出直波导部设置占空比之比渐变的非均匀梯形光栅结构，将传输模式提前偏转，和带有均匀梯形光栅结构的圆弧波导部的模式相匹配，使得弯曲波导进一步减小了弯曲半径，并且能够在更小的弯曲半径下有效减小其结构的辐射损耗和模间失配，提高传输效率。

选择1550nm作为入射光的中心波长，考察波长范围设为1500-1600nm波段，分别选择TE00、TE01、TE02模式入射，计算各模式的传输效率及模间串扰。

按照上述参数设置波导后，在传播方向上放置频域监视器和模式扩展监视器若干个，在中心平面上放置全局监视器。结果表明，当选择弯曲半径R为5um，直波导部光栅结构的参数选择如下时：长度L_G＝3.15um，光栅个数为13个，内外侧占空比之比在输入直波导部由0.5:0.5渐变至0.9:0.1，在输出直波导部反之时，可以和弯曲波导模式有良好的匹配。

依次运行TE0、TE1、TE2三个模式，结果如下图3、图4和图5所示，得到透过率和串扰曲线，计算得到串扰均在-25dB以下，基模和一阶模传输效率92％以上，TE2模式传输效率为90％左右，但串扰也在-25dB以下，基本满足要求。

本发明以上述三个模式的运行结果为例，如图3-5的结果来看，在弯曲半径为5um的高集成度下，器件的模式传输效率都达到90％以上，三个模式间的串扰在-25dB以下。通过优化输入与输出直波导部分亚波长光栅的刻蚀深度以及占空比，进一步提高了传输效率，降低模式间的串扰。

通过以上设计可以实现MDM系统中横向多模弯曲波导高集成度、低损耗及低串扰的目的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于亚波长光栅结构的弯曲波导，具有内侧和外侧，其包括输入直波导部、圆弧波导部以及输出直波导部，其波导部均包含梯形光栅结构，其特征在于，所述输入直波导部及所述输出直波导部设置有多个依次排列的亚波长非均匀梯形光栅结构，所述非均匀梯形光栅结构沿其外侧的占空比大于或等于其内侧的占空比，所述外侧与所述内侧的占空比之比自所述输入直波导部或所述输出直波导部一侧朝向所述圆弧波导部一侧渐变；所述圆弧波导部设置有多个依次排列的亚波长均匀梯形光栅结构，所述均匀梯形光栅结构沿其外侧的占空比小于其内侧的占空比；

其中，所述输入直波导部、所述输出直波导部及所述圆弧波导部为多模波导，在其弯曲波导高度方向上支持一个传输模式，在其弯曲波导宽度方向上支持两个或以上的传输模式；所述梯形光栅结构的深度不超过所述弯曲波导高度的一半。

2.根据权利要求1的所述弯曲波导，其特征在于，所述输入直波导部的所述非均匀梯形光栅结构沿其外侧与其内侧占空比之比选用0.5:0.5~0.9:0.1。

3.根据权利要求1或2的所述弯曲波导，其特征在于，所述输出直波导部的所述非均匀梯形光栅结构沿其外侧与其内侧占空比之比选用0.5:0.5~0.9:0.1。

4.根据权利要求2的所述弯曲波导，其特征在于，所述输入直波导部的起始梯形光栅结构沿其外侧与其内侧的占空比之比选用0.5:0.5。

5.根据权利要求3的所述弯曲波导，其特征在于，所述输出直波导部的起始梯形光栅结构沿其外侧与其内侧的占空比之比选用0.1:0.9。

6.根据权利要求1、2、4或5的所述弯曲波导，其特征在于，所述均匀梯形光栅结构沿其外侧与其内侧的占空比之比恒定。

7.根据权利要求5的所述弯曲波导，其特征在于，所述均匀梯形光栅结构的外侧与内侧占空比之比选用0.3:0.7~0.1:0.9。

8.根据权利要求1、2、4、5或7的所述弯曲波导，其特征在于，所述弯曲波导的材料选用硅、氧化硅、氮化硅或磷化铟。

9.一种基于亚波长光栅结构的弯曲波导的设计方法，其特征在于，其包含以下步骤：

设置弯曲波导包含输入直波导部、圆弧波导部以及输出直波导部，其波导部均包含梯形光栅结构；

选用所述弯曲波导所需的材料，以及合适的弯曲波导宽度和高度使得该弯曲波导结构在宽度方向上支持两个或以上模式的传输，在高度方向上支持一个模式的传输；

设置所述圆弧波导部的曲率半径，在该圆弧波导部设置亚波长均匀梯形光栅结构，设置该均匀梯形光栅结构的刻蚀深度、周期以及内外两侧的占空比，以增大所述均匀梯形光栅结构两侧的等效折射率对比度；

计算所述圆弧波导部的传输模式的场分布，确定所述传输模式的场分布偏离波导对称中心的程度，在输入直波导部设置相同刻蚀深度的亚波长非均匀梯形光栅结构，选择所述非均匀梯形光栅结构的周期以及内外两侧的占空比，使得传输模式的场分布在经过非均匀梯形光栅之后发生偏移，与所述圆弧波导部的传输模式高度匹配；

在所述输出直波导部设置与所述输入直波导部一致的非均匀梯形光栅结构；

其中，所述非均匀梯形光栅结构的内外两侧的占空比之比自所述输入直波导部或所述输出直波导部一侧朝向所述圆弧波导部一侧渐变；所述梯形光栅结构的深度不超过所述弯曲波导高度的一半。

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