CN113311538A - 一种带有偏移和沟槽的s形弯曲波导 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种带有偏移和沟槽的S弯曲波导结构，其包括输入直波导、两段曲率相反且半径相同的弯曲波导、输出直波导、各波导连接处的偏移和填充有低折射率介质的沟槽。其特征是所述带有偏移和沟槽的S弯曲光波导结构在S形波导中输入直波导和第一段弯曲波导段连接处、曲率相反半径相同的弯曲波导段连接处和第二弯曲波导段与输出直波导段连接处分别引入一定的偏移，在两个弯曲弧段外侧分别加入两个形状相同的沟槽，沟槽内填充空气，波导芯宽一致，波导芯层和包层折射率存在较小差值。具有较小折射率差的S形波导在较小弯曲半径下会产生显著的弯曲损耗，通过引入合适尺寸的偏移和沟槽可以相应得减少S弯曲波导中存在的过渡损耗和辐射损耗，从而达到S形弯曲波导的低损耗传输。本发明有利于实现光互连中紧凑尺寸和低损耗的光路设计。
Description
技术领域
本发明涉及光波导器件，光互连单元，光通信技术领域，特别涉及一种低损耗S形弯曲波导。
背景技术
相比传统铜基电互连，光互连在电磁干扰、带宽可扩展性、功耗和系统密度等方面具有出色的性能，形成复杂板上光互连的关键弯曲波导元件包括L弯曲、V弯曲、U弯曲及S弯曲等。其中，S形弯曲波导在板上或芯片间不同位置模块或器件的连接及互连中起到至关重要的作用。用于波导结构制备的材料主要有Si/SiO2，SiN/SiO2和聚合物等。波导芯层与包层的折射率差对波导的弯曲损耗有很大影响。高折射率差材料系统如Si/SiO2，SiN/SiO2等能够实现全内反射以将光限制在波导中，在几微米左右弯曲半径下可实现低损耗传输，但高折射率差波导受波导侧壁粗糙度影响大，传播损耗与侧壁粗糙度的三次方成正比，且模式失配和对准灵敏度会导致光纤与波导间产生较大的耦合损耗。相比之下，低折射率差材料如聚合物，其芯层与包层的折射率差异很小，使得波导与光纤边界条件相似，能够提供低的传输损耗和低的波导-光纤耦合损耗，且聚合物波导具有出色的灵活性和方便的集成特性，是一种有吸引力的光链路传输介质，被广泛应用于波导器件及互连结构的设计与制备。
低折射率差聚合物S形弯曲波导广泛用于光电路中不同位置波导器件或互连单元的连接。在厘米级弯曲半径下，低折射率差聚合物S形弯曲波导可以达到低损耗传输的要求，较大尺寸结构不利于紧凑光路设计和高密度互连。为实现紧凑、高密度光互连中不同位置器件或互连单元之间高性能光通信，降低低折射率差S形弯曲波导的弯曲损耗至关重要。目前，尚未研究如何降低低折射率差聚合物S形弯曲波导的弯曲损耗。因此，有必要提出如何在较小弯曲半径下实现低折射率差S弯曲波导低损耗传输的方法。
发明内容
为了解决上述问题, 本发明提出一种带有偏移和沟槽的S弯曲波导结构，其包括输入直波导、两段曲率相反且半径相同的弯曲波导、输出直波导、各波导连接处的偏移和填充有空气的沟槽。其特征是所述带有偏移和沟槽的S弯曲光波导结构在S形波导中输入直波导和第一段弯曲波导段连接处、曲率相反半径相同的弯曲波导段连接处和第二弯曲波导段与输出直波导段连接处分别引入一定的偏移，在两个弯曲弧段外侧分别加入两个形状相同的沟槽，沟槽内填充空气介质，波导芯宽一致，波导芯层和包层折射率存在较小差值。
按上述方案，所述的低折射率差聚合物S形弯曲波导，其特征在于所述 的S形弯曲波导损耗满足如下线性关系式：
其中BendingLoss表示S形波导的总弯曲损耗，Pin表示S形弯曲波导输入直波 导端口处输入的功率,Pout表示S形弯曲波导输出直波导端口处输出的功率。
按上述方案，所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导输出直波导的功率比其输入直波导的功率要小。
所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于波导芯层与包层的折射率差为0.01，沟槽内空气介质折射率为1.0。
所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于波导宽度为5μm。
按上述方案，所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于所述S形波导两弯曲弧段曲率相反半径相同，弯曲半径为1000～5000μm。
按上述方案，所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于S形波导中输入直波导和第一段弯曲波导连接处的偏移和第二段弯曲波导与输出直波导连接处的偏移量分别为-3～3μm, 两弯曲波导段连接处偏移量为-4～2μm。
所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于空气沟槽宽度为0～5μm。
所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于空气沟槽内侧与弯曲波导段外侧间距离为0～20μm。
所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于输入直波导和第一段弯曲波导连接处的偏移和第二段弯曲波导与输出直波导连接处的偏移量相同，第一段弯曲波导和第二段弯曲波导连接处的偏移大于直波到段与弯曲波导段连接处的偏移，最佳偏移量值的大小随半径的减小而增大。
所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于弯曲波导损耗值随着沟槽距离S的增加呈波动变化，随着弯曲半径的增加，波动幅度减小。沟槽宽度为5μm，在弯曲半径为1000～4000μm时，空气沟槽内侧与波导外侧间距为3.5～5μm对应的弯曲损耗均小于1dB。
所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于空气沟槽内侧与波导外侧间距为5μm时，损耗随着的空气沟宽度的增加而减小，当沟槽宽度大于等于2μm时，在弯曲半径为1000～3000μm下的弯曲损耗均小于1dB。
本发明的有益效果在于：通过在低折射率差S形波导各波导段处引入最佳偏移和在其弯曲弧段外侧添加空气沟槽，显著减小了低折射率差S形波导的弯曲损耗。通过调整偏移量和沟槽与波导间距离及沟槽宽度可以实现小弯曲半径下低折射率差聚合物波导的低损耗传输。本发明有利于紧凑尺寸、低损耗光波导互连单元设计和复杂高密度互连光电路的集成。光波导器件，光互连单元，光通信技术领域具有极好的潜力。
附图说明：
图1是本发明的二维平面图。其中输入直波导Lin, 输出直波导Lout, 第一段弯曲波导Bend1, 第二段弯曲波导Bend2, 其弯曲半径为R，曲率角为θ；直波导Lin与第一段弯曲波导Bend1连接处的偏移量为d1，第一段弯曲波导Bend1和第二段弯曲波导Bend2连接处的偏移量为d2，第二段弯曲波导Bend2与直波导Lout连接处的偏移量为d3; 空气沟槽宽度为Wtr,空气沟槽内侧与波导外侧间的距离为S。
图2是本发明的S形波导结构在不同弯曲半径下，其直波导段与弯曲波导连接处偏移量与归一化输出功率的对应关系图，而图3是S波导结构在不同弯曲半径下，其两段弯曲波导段连接处的偏移量与归一化输出功率的对应关系图。其中“十字形”连线表示在弯曲半径为1000μm时，偏移量与归一化功率的对应关系；“实心三角形”连线表示在弯曲半径为2000μm时，偏移量与归一化功率的对应关系；“实心菱形”连线表示在弯曲半径为3000μm时，偏移量与归一化功率的对应关系；“实心圆形”连线表示在弯曲半径为4000μm时，偏移量与归一化功率的对应关系。
图4是本发明的S形波导结构在不同弯曲半径下，沟槽内侧与波导芯外侧间距离与弯曲损耗的对应关系图。其中，“实心圆形”连线表示在弯曲半径为1000μm时，沟槽内侧与波导芯外侧间距离与弯曲损耗的对应关系；“星号形”连线表示在弯曲半径为2000μm时，沟槽内侧与波导芯外侧间距离与弯曲损耗的对应关系；“实心三角形”连线表示在弯曲半径为3000μm时，沟槽内侧与波导芯外侧间距离与弯曲损耗的对应关系；“实心方形”连线表示在弯曲半径为4000μm时，沟槽内侧与波导芯外侧间距离与弯曲损耗的对应关系。
图5是本发明与无偏移无沟槽标准S形弯曲波导、仅带有偏移的S形波导和仅带有空气沟槽的S形波导在不同弯曲半径下，弯曲损耗与弯曲半径的对应关系。其中，“实心圆形”连线表示无偏移无沟槽标准S形弯曲波导弯曲损耗与弯曲半径的对应关系；“实心三角形”连线表示仅带有偏移的S形波导弯曲损耗与弯曲半径的对应关系；“实心菱形”连线表示仅带有空气沟槽的S形波导弯曲损耗与弯曲半径的对应关系；“星号形”连线表示本发明带有偏移和空气沟槽的S形波导弯曲损耗与弯曲半径的对应关系。
具体实施方式：
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。本申请可以以多种不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的实施方式。提供以下具体实施方式的目的是便于对本发明的内容更清楚透彻的理解。
参照图1至图5，本发明提出了一种带有偏移和沟槽的S形弯曲波导结构，如图1所示，在S形弯曲波导的输入直波导Lin与第一段弯曲波导段Bend1连接处引入偏移量d1，第一段弯曲波导段Bend1与第二段弯曲波导段Bend2连接处引入偏移量d2，第二段弯曲波导段Bend2与输出直波导Lout连接处引入偏移量d3，弯曲波导段Bend1和Bend2具有相同半径R，曲率角θ为15°。在弯曲波导段Bend1和Bend2外侧引入空气沟槽，其宽度为Wtr，其内侧与波导外侧间距离为S。带有偏移和沟槽的S形波导结构模型如图1所示。本发明S弯曲波导宽度为5μm以保证工作在单模传输条件，包层与芯层折射率差为0.01，沟槽中空气介质折射率为1.0。弯曲半径为500-5000μm，空气沟槽宽度为0～5μm，空气沟槽内侧与波导芯外侧间距为0～20μm。
按照带有偏移和空气沟槽S形波导的上述方案，在其所规定的范围内对波导和沟槽的各个参数进行设计。基于光束传播法，通过仿真验证本发明。
图2是本发明的S形波导结构在不同弯曲半径下，其直波导段与弯曲波导连接处偏移量与归一化输出功率的对应关系图，而图3是S波导结构在不同弯曲半径下，其两段弯曲波导段连接处的偏移量与归一化输出功率的对应关系图。其中“十字形”连线表示在弯曲半径为1000μm时，偏移量与归一化功率的对应关系；“实心三角形”连线表示在弯曲半径为2000μm时，偏移量与归一化功率的对应关系；“实心菱形”连线表示在弯曲半径为3000μm时，偏移量与归一化功率的对应关系；“实心圆形”连线表示在弯曲半径为4000μm时，偏移量与归一化功率的对应关系。由图可看出，波导归一化输出功率随偏移量的增加先增大后减小，从而得到最大输出功率对应的偏移量，即最佳偏移量。由于S弯曲波导结构及弯曲弧段模式的对称性，输入直波导与第一段弯曲弧和第二段弯曲弧与输出直波导与偏移量是相同的，且半径越小，不同模式间的失配越严重，所需偏移量越大。
图4是本发明的S形波导结构当沟惨宽度为5μm时，在不同弯曲半径下沟槽内侧与波导芯外侧间距离与弯曲损耗的对应关系图。其中，“实心圆形”连线表示在弯曲半径为1000μm时，沟槽内侧与波导芯外侧间距离与弯曲损耗的对应关系；“星号形”连线表示在弯曲半径为2000μm时，沟槽内侧与波导芯外侧间距离与弯曲损耗的对应关系；“实心三角形”连线表示在弯曲半径为3000μm时，沟槽内侧与波导芯外侧间距离与弯曲损耗的对应关系；“实心方形”连线表示在弯曲半径为4000μm时，沟槽内侧与波导芯外侧间距离与弯曲损耗的对应关系。有图看出S弯曲波导损耗值随着沟槽距离S的增加呈波动变化，随着沟槽间距的增加，准波导模式会形成高阶准波导模式，这些模式与波导模式传播常数重复匹配，导致损耗的震荡。为了抑制弯曲损耗的剧烈振荡，沟槽间距应保持较小，尤其是对于较小的弯曲半径。此外，随着半径的增加，波动幅度变小。不同弯曲半径的S形波导在沟槽与波导间距为3.5～5μm时的弯曲损耗均小于1dB。
图5是本发明与无偏移无沟槽标准S形弯曲波导、仅带有偏移的S形波导和仅带有空气沟槽的S形波导在不同弯曲半径下，弯曲损耗与弯曲半径的对应关系。其中，“实心圆形”连线表示无偏移无沟槽标准S形弯曲波导弯曲损耗与弯曲半径的对应关系；“实心三角形”连线表示仅带有偏移的S形波导弯曲损耗与弯曲半径的对应关系；“实心菱形”连线表示仅带有空气沟槽的S形波导弯曲损耗与弯曲半径的对应关系；“星号形”连线表示本发明带有偏移和空气沟槽的S形波导弯曲损耗与弯曲半径的对应关系。由图可知，相比仅含偏移的S形波导，引入空气沟槽明显减小了弯曲损耗，在最佳偏移和沟槽下，弯曲半径为1000μm的S形波导的弯曲损耗仅为0.11dB，相比仅含偏移的S形波导，损耗降低了89.70%，且在弯曲半径为2000μm时，弯曲损耗小至0.06dB，实现了S形波导在小弯曲半径下的低损耗传输，满足光电路紧凑尺寸和低损耗的要求。
需要说明的是本发明有利于紧凑尺寸、低损耗弯曲波导器件及高密度互连设计。光波导器件，光互连单元，光通信技术领域具有极好的潜力。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。
Claims (7)
1.本发明提出一种带有偏移和沟槽的S形弯曲波导结构，其包括输入直波导、两段曲率相反且半径相同的弯曲波导、输出直波导、各波导连接处的偏移和填充有空气的沟槽，其特征是所述带有偏移和沟槽的S弯曲光波导结构在其输入直波导和第一段弯曲波导段连接处、两弯曲波导段连接处和第二弯曲波导段与输出直波导段连接处分别引入一定的偏移，在两个弯曲弧段外侧分别加入两个形状相同的沟槽，沟槽内填充空气介质，所述波导结构的芯宽一致，波导芯层和包层折射率差为0.01，弯曲波导段的弯曲半径为1000～5000μm，沟槽宽度为0～5μm，沟槽内侧与波导外侧间距离为0～20μm。
2.按上述方案，所述的低折射率差聚合物S形弯曲波导，其特征在于所述的S形弯曲波导损耗满足如下线性关系式：
其中BendingLoss表示S形波导的总弯曲损耗，Pin表示S形弯曲波导输入直波导端口处输入的功率,Pout表示S形弯曲波导输出直波导端口处输出的功率。
3.根据权利要求1所述带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，针对不同的弯曲半径，在输入直波导和第一段弯曲波导连接处的偏移和第二段弯曲波导与输出直波导连接处的偏移量相同，第一段弯曲波导和第二段弯曲波导连接处的偏移大于直波到段与弯曲波导段连接处的偏移，最佳偏移量值的大小随半径的减小而增大。
4.根据权利要求1所述带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，针对不同的弯曲半径，弯曲波导损耗值随着沟槽距离S的增加呈波动变化，随着弯曲半径的增加，波动幅度减小，当沟槽宽度为5μm，曲半径为1000～4000μm时，空气沟槽内侧与波导外侧间距为3.5～5μm对应的弯曲损耗均小于1dB。
5.根据权利要求1所述带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，针对不同的弯曲半径，损耗随着的空气沟宽度的增加而减小，当空气沟槽内侧与波导外侧间距为5μm，弯曲半径为1000～3000μm时，弯曲损耗均小于1dB。
6.根据权利要求1所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于所述的低折射率差S形聚合物弯曲波导在1550nm波长处包层折射率为1.53，芯层折射率为1.54，折射率差为0.01。
7.根据权利要求1所述的有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于所述的低折射率差S形聚合物弯曲波导在1550nm波长处仅支持一个稳定的传输模式。
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