CN115166902B - 一种波导层及其多模干涉交叉波导 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波导层及其多模干涉交叉波导，多模干涉交叉波导包括衬底和波导层，波导层包括互相垂直第一波导层、第二波导层，第一波导层的结构与第二波导层的结构相同，第一波导层及第二波导层的结构均为沿各自长度方向的几何中心线对称分布，且第一波导层的几何中心与第二波导层的几何中心重合；第一波导层与第二波导层的重叠区域为交叉波导区，输入/输出波导区为矩形结构波导，过渡波导区为渐变锥形结构，本发明多模干涉交叉波导可提升光传输效率，对于1310nm和1550nm的光通信波段，传输效率分别可达95％和96.38％，相比基础宽度渐变交叉波导，传输效率分别提高了2％和6.8％。
Description
技术领域
本发明涉及光波导技术领域，特别是涉及一种波导层及其多模干涉交叉波导。
背景技术
随着光通信、光信息处理、光计算、光互连等技术的发展，光电集成技术受到越来越多的重视，光互连，光电集成技术有望突破电互连，电子集成技术的限制，使大规模光电集成技术成为可能，提高信息传输速率。光波导器件是实现大规模片上光电互连技术必不可少的一种光器件，它可以减小芯片面积，提高集成度。当多个光器件互连时，会遇到光波导交叉的情况。当发生光波导交叉时，为了使光在交叉波导中仍然沿原定的波导方向传播，减少进入到另一方向波导中的光信号，需要对波导交叉区域进行一定的设计，减少波导交叉区域的能量散射，降低插损和串扰。基于绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator,SOI)的光互连技术在带宽、损耗、延时、串扰等方面具有诸多优势，同时，与成熟的微电子CMOS工艺兼容，可大大降低器件制造成本。
为了减少光波导交叉时，光传输到光波导交叉区域的衍射损失，大多数交叉波导结构采用波导宽度渐变来解决这一问题，但由于宽度渐变波导设计的局限性，宽度渐变交叉波导在光传输过程中仍然存在传输效率低，损耗大的问题。因此，基于SOI设计十字交叉结构的硅波导器件，降低十字交叉结构波导器件的插入损耗和串扰，对提高光信号传输效率具有十分重要的意义。
现有技术公开了一种基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导，该十字交叉波导设置于包层绝缘体上，其材质为硅，包括：四个单模波导、四个亚波长光栅以及中心交叉多模波导，其中，两个单模波导对称地设置于中心交叉多模波导的左右两侧，另两个单模波导对称地设置于中心交叉多模波导的前后两侧，两个单模波导的中心的连线与另两个单模波导的中心的连线垂直，中心交叉多模波导与四个单模波导之间均设置有亚波长光栅，亚波长光栅中的光栅条纹的排列方向与在对应的单模波导中传输的光波的传播方向相同。但该发明中十字交叉波导传输效率不高。
发明内容
为了解决宽度渐变交叉波导传输效率低的问题，对宽度渐变交叉波导进行优化，本发明提供一种波导层及其多模干涉交叉波导，用于实现波导的低损耗、高效率传输。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种波导层，包括互相垂直第一波导层、第二波导层，第一波导层的结构与第二波导层的结构相同，第一波导层及第二波导层的结构均为沿各自长度方向的几何中心线对称分布，且第一波导层的几何中心与第二波导层的几何中心重合；所述第一波导层及第二波导层均包括有输入/输出波导区、过渡波导区和交叉波导区，输入/输出波导区和过渡波导区的一端连接，过渡波导区的另一端和交叉波导区连接；第一波导层与第二波导层的重叠区域为交叉波导区，输入/输出波导区为矩形结构波导，过渡波导区为渐变锥形结构。
进一步的，过渡波导区包括有第一过渡波导区、第二过渡波导区，所述输入/输出波导区和第一过渡波导区的一端连接，第一过渡波导区的另一端和第二过渡波导区的一端连接，第二过渡波导区的另一端和交叉波导区连接。
进一步的，输入/输出波导区与第一过渡波导区连接处设置有一组弧形凸起/凹陷的微扰结构。
上述方案中，微扰结构有利于将传播进入交叉波导的光限制在波导中心区域，与渐变锥形结构共同作用，将光场从基模激发为高阶模进行传播，使模场振幅聚焦发生在交叉波导区中心位置，减少能量损耗，将能量主要集中在基模中。
进一步的，第一过渡波导区由一个或多个渐变趋势明显的渐变锥形结构组成，第二过渡波导区由一个或多个渐变趋势缓慢的渐变锥形结构构成。
上述方案中，过渡波导区为级联渐变锥形结构，能够实现交叉波导微型化设计的同时，实现波导宽度规律性变化，有利于实现光波模式的转变。使得第一波导层、第二波导层构成级联渐变锥形多模干涉交叉波导。
进一步的，所述渐变锥形结构的宽度变化符合如下高斯面分布：
其中，Wt(z)为渐变锥形结构某点的宽度，a＝(wi-woe-1)/(1-e-1),b＝(wo-wi)/(1-e-1),wi和wo分别为渐变锥形结构入口和出口处的宽度，Lt为渐变锥形结构的长度，z为渐变锥形结构边缘处某点到入口处的长度。
上述方案中，渐变锥形结构的渐变宽度符合高斯面分布，能够使光场在传播到交叉波导区时，形成自映像效应，光场在交叉波导区为高斯场分布，此时，光场主要集中在波导中心区域分布，减少衍射作用，降低损耗。本发明可在1310nm和1550nm光通信波段有效提高光传输效率。
进一步的，第二过渡波导区和交叉波导区连接的宽度和交叉波导区的宽度误差小于10％。
进一步的，第一过渡波导区由6个渐变锥形结构组成，第二过渡波导区由2个渐变锥形结构组成。
进一步的，波导层厚度为0.22um，所述交叉波导区尺寸为1.2um*1.2um；所述输入/输出波导区的宽度和长度均为0.5um。
进一步的，输入/输出波导区可作为输入波导和输出波导，第一过渡波导区与输入波导连接处至第一过渡波导区与输出波导连接处的长度为5um，从而使得第一波导层、第二波导层构成6um*6um的微型化设计。
上述方案中，所述波导的厚度为0.22um，输入/输出波导区101宽度为0.5um，从而满足交叉波导接口通用标准。6um*6um的微型化设计，有利于本发明应用于集成电路的光电互连设计；通常，交叉波导尺寸越大，效率越高，但是不利于大规模光电集成。
一种多模干涉交叉波导，包括有衬底及所述波导层，所述波导层设置在所述衬底的上表面，所述衬底的折射率低于所述波导层的折射率，所述波导层的折射率高于空气的折射率，所述波导上表面覆盖有包层，包层的折射率低于所述波导层的折射率；所述包层和衬底为二氧化硅，所述波导层为硅。
进一步的，所述波导层的折射率为3.44，所述衬底的折射率为1.44，所述包层的折射率为1.44。
上述方案中，所述波导层的折射率为3.44，所述衬底的折射率为1.44，从而使波导层和衬底之间的折射率差足够大，有效减少光在界面处的投射导致的能量损失。
通过合理设计渐变锥形结构，可减少光波在波导中传输时的损耗，有效消除光波传播至波导交叉点处的衍射效应，降低传输损失。
上述对对波导结构的说明均是针对波导在厚度方向上任意截面结构的描述。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过合理设计第一过渡波导区和第二过渡波导区的渐变锥形结构，能够有效的降低光波传输中的损耗，在波导交叉区域形成自映像效应，将光场集中在中心区域，消除光波在波导交叉区的衍射效应，提高传输效率。
附图说明
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
图1是本发明实施例提供的级联渐变锥形多模干涉交叉波导示意图；
图2是本发明实施例提供的交叉波导输入波导区和过渡波导区结构示意图；
图3是本发明实施例提供的基础渐变交叉波导和级联渐变锥形多模干涉交叉波导的光传输效率的仿真计算结果示意图；
图4是本发明实施例提供的基础渐变交叉波导电场分布示意图；
图5是本发明实施例提供的级联渐变锥形多模干涉交叉波导电场分布示意图。
图6a为本发明实施例提供的基础渐变交叉波导结构示意图；
图6b为本发明实施例提供的级联渐变锥形多模干涉交叉波导整体示意图；
图中：1、第一波导层；2、第二波导层；101、输入/输出波导区；102、第一过渡波导区；1021、微扰结构；103、第二过渡波导区；104、交叉波导区。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
实施例1
为了便于理解，请参阅图1，本发明提供的一种波导层及其多模干涉交叉波导的一个实施例，一种波导层，包括互相垂直第一波导层1、第二波导层2，第一波导层1的结构与第二波导层2的结构相同，第一波导层1及第二波导层2的结构均为沿各自长度方向的几何中心线对称分布，且第一波导层1的几何中心与第二波导层2的几何中心重合；所述第一波导层1及第二波导层2均包括有输入/输出波导区101、过渡波导区和交叉波导区104，输入/输出波导区101和过渡波导区的一端连接，过渡波导区的另一端和交叉波导区104连接；第一波导层1与第二波导层2的重叠区域为交叉波导区104，输入/输出波导区101为矩形结构波导，过渡波导区为渐变锥形结构。
具体的，过渡波导区包括有第一过渡波导区102、第二过渡波导区103，所述输入/输出波导区101和第一过渡波导区102的一端连接，第一过渡波导区102的另一端和第二过渡波导区103的一端连接，第二过渡波导区103的另一端和交叉波导区104连接。
具体的，所述渐变锥形结构的宽度变化符合如下高斯面分布：
其中，Wt(z)为渐变锥形结构某点的宽度，a＝(wi-woe-1)/(1-e-1),b＝(wo-wi)/(1-e-1),wi和wo分别为渐变锥形结构入口和出口处的宽度，Lt为渐变锥形结构的长度，z为渐变锥形结构边缘处某点到入口处的长度。
上述方案中，第二过渡波导区103的宽度渐变程度小于第一过渡波导区102的宽度渐变程度。
本发明能够有效的减少光波传输中的损耗，在交叉波导区104形成自映像效应，将光场集中在中心区域，减少/消除光波在交叉波导区104的衍射效应，提高传输效率。可在1310nm和1550nm光通信波段提高光传输效率。
实施例2
具体地，在实施例1的基础上，结合具体的实施例子对方案进行说明，进一步体现本方案的技术效果。具体为：
一种多模干涉交叉波导，包括有衬底及波导层。交叉波导(即多模干涉交叉波导)上表面覆盖有包层，包层折射率低于波导层折射率，可实现光波在波导层表面的全反射，避免光在界面处透射导致的能量损失。波导层的折射率比衬底的折射率和空气的折射率都高，光波在波导层中传播时可在波导层与衬底以及波导层与空气界面发生全反射，避免从界面投射出去导致的能量损失。当未在波导层上覆盖包层材料时，空气可作为包层。所述波导层为硅，包层与衬底的材料均可为为二氧化硅；此外，包层还可以为聚合物等其它低折射率的材料。
在具体的实施方式中，波导层的折射率为3.44，衬底的折射率为1.44，包层的折射率为1.44。第二过渡波导区103和交叉波导区104宽度差异最大为9.3％。
在具体的实施方式中，波导层的厚度为0.22um，输入/输出波导区101的宽度和长度均为0.5um，从而满足交叉波导接口通用标准，有利于保证该交叉波导的较大适用范围；过渡波导区为级联渐变锥形结构，第一过渡波导区102由6个级联渐变锥形结构组成，第二过渡波导区103由2个级联渐变锥形结构组成，交叉波导区104尺寸为1.2um*1.2um。本发明交叉波导尺寸为6um*6um的微型化设计，因而衬底的尺寸为6um*6um，第一波导层1、第二波导层2的两端端面与衬底侧面对齐，有利于应用于集成电路的光电互连设计。
如图3所示，上曲线为本发明级联渐变锥形多模干涉交叉波导的光传输效率结果示意图，下曲线为基础渐变交叉波导的光传输效率结果示意图，通过时域有限差分法模拟其传输效率和串扰情况，本发明对于1310nm和1550nm的光通信波段，传输效率分别可达95％和96.38％，相比基础宽度渐变交叉波导，传输效率分别提高了2％和6.8％。而在1470nm波段，光传输效率最高可达98.15％，相比基础渐变交叉波导的90.44％，传输效率提高了7.71％。
实施例3
具体地，在实施例1的基础上，结合具体的实施例子对方案进行说明，进一步体现本方案的技术效果。具体为：
输入/输出波导区101可以作为输入波导或输出波导；如图4所示，现有技术中的基础渐变交叉波导在波导交叉区的光波发生了较严重的衍射现象，导致了光波在波导中传播的能量损失。而本发明交叉波导电场分布如图5所示，光波由输入/输出波导区101进入第一过渡波导区102传播，由于微扰结构1021(如图2)的作用，将输入光限制在波导中心位置传播，能够减少传输过程中光的损耗。由于级联渐变锥形结构作用，光波进入多模结构波导时，在第一过渡波导区102与第二过渡波导区103连接处，由基模(TE00)激发为高阶模(TE01)进行传播，光波传播至交叉波导区104域时，由高阶模(TE01)转变为基模(TE00)。此时，在交叉波导区104形成自映像效应(Self-image)，光场分布形成高斯场分布，光场集中沿中心轴线传播，有效地降低光波在交叉波导区104的散射，提高传输效率。同样地，光波从交叉波导区104输出，进入第二过渡波导区103时，由基模(TE00)转变为高阶模(TE01)；进一步从第二过渡波导区103输出进入第一过渡波导区102时，由高阶模(TE01)转变为基模(TE01)，继续沿第一过渡波导区102传播，最终由输入/输出波导区101输出。
通过合理设计级联渐变锥形结构，可减少光波在波导中传输时的损耗，有效消除光波传播至波导交叉点处的衍射效应，降低传输损失。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种波导层，其特征在于，包括互相垂直第一波导层(1)、第二波导层(2)，第一波导层(1)的结构与第二波导层(2)的结构相同，第一波导层(1)及第二波导层(2)的结构均为沿各自长度方向的几何中心线对称分布，且第一波导层(1)的几何中心与第二波导层(2)的几何中心重合；所述第一波导层(1)及第二波导层(2)均包括有输入/输出波导区(101)、过渡波导区和交叉波导区(104)，输入/输出波导区(101)和过渡波导区的一端连接，过渡波导区的另一端和交叉波导区(104)连接；第一波导层(1)与第二波导层(2)的重叠区域为交叉波导区(104)，输入/输出波导区(101)为矩形结构波导，过渡波导区为渐变锥形结构；
所述过渡波导区包括有第一过渡波导区(102)、第二过渡波导区(103)，所述输入/输出波导区(101)和第一过渡波导区(102)的一端连接，第一过渡波导区(102)的另一端和第二过渡波导区(103)的一端连接，第二过渡波导区(103)的另一端和交叉波导区(104)连接；
第一过渡波导区(102)由一个或多个渐变趋势明显的渐变锥形结构组成，第二过渡波导区(103)由一个或多个渐变趋势缓慢的渐变锥形结构构成；
所述渐变锥形结构的宽度变化符合如下高斯面分布：
其中，Wt(z)为渐变锥形结构某点的宽度，a＝(wi-woe-1)/(1-e-1),
b＝(wo-wi)/(1-e-1),wi和wo分别为渐变锥形结构入口和出口处的宽度，Lt为渐变锥形结构的长度，z为渐变锥形结构边缘处某点到入口处的长度；
输入/输出波导区(101)与第一过渡波导区(102)连接处设置有一组弧形凸起/凹陷的微扰结构(1021)。
2.根据权利要求1所述一种波导层，其特征在于，第二过渡波导区(103)和交叉波导区(104)连接的宽度和交叉波导区(104)的宽度误差小于10％。
3.根据权利要求1所述一种波导层，其特征在于，第一过渡波导区(102)由6个渐变锥形结构组成，第二过渡波导区(103)由2个渐变锥形结构组成。
4.根据权利要求1所述一种波导层，其特征在于，波导层厚度为0.22um，所述交叉波导区(104)尺寸为1.2um*1.2um，所述输入/输出波导区(101)的宽度和长度均为0.5um；输入/输出波导区(101)可作为输入波导和输出波导，第一过渡波导区(102)与输入波导连接处至第一过渡波导区(102)与输出波导连接处的长度为5um，从而使得第一波导层(1)、第二波导层(2)构成6um*6um的微型化设计。
5.一种多模干涉交叉波导，其特征在于，包括有衬底及权利要求1-4任一项所述的波导层，所述波导层设置在所述衬底的上表面，所述衬底的折射率低于所述波导层的折射率，所述波导层的折射率高于空气的折射率，所述波导上表面覆盖有包层，包层的折射率低于所述波导层的折射率；所述包层和衬底为二氧化硅，所述波导层为硅。
6.根据权利要求5所述一种多模干涉交叉波导，其特征在于，所述波导层的折射率为3.44，所述衬底的折射率为1.44，所述包层的折射率为1.44。
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