CN116224491B - 狭缝交叉光波导及光学传感器件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种狭缝交叉光波导及光学传感器件。狭缝交叉光波导包括基体及两条交叉连接的狭缝光波导。两条狭缝光波导集成于基体的上表面。狭缝光波导包括输入狭缝光波导、多模耦合光波导及输出狭缝光波导，输入狭缝光波导、多模耦合光波导及输出狭缝光波导沿狭缝光波导的光路传播方向依次连接；其中输入狭缝光波导和输出狭缝光波导相对多模耦合光波导在狭缝光波导的光路传播方向上对称分布。如此可实现极低损耗与极低串扰的狭缝波导链路交叉，有助于狭缝波导器件在光学传感领域中高效而稳定的应用，且该狭缝交叉光波导易于创造和扩展，可在基于狭缝波导的非线性器件、光学开关器件等领域得到广泛应用。
Description
技术领域
本申请涉及集成光电子技术领域，尤其涉及一种狭缝交叉光波导及光学传感器件。
背景技术
目前，光学传感技术在环境、安全、健康等领域有着广泛的应用前景。作为光学传感器件的重要分支，集成光波导传感器件在临床诊断、化学与传感监测等方面显示出了巨大的应用价值与发展潜力，具有高灵敏度、免标记和实时监控等诸多优点。基于消逝波原理，当外部环境发生改变时，波导传输模式的有效折射率也随之改变，进而实现对外界特定参数的传感。
在传感技术的实际应用中，若传感器出现故障，将导致系统不能正常运行。为了校验传感器是否失效而给出非真实信号，常会设计多路传感器进行互相校验，即采用多传感器的冗余设计来测量同一物理变量。在使用冗余光波导传感器的策略进行探测时，由于传感元件阵列的存在，波导的交叉将不可避免。波导直接交叉会带来大量损耗，这将严重影响传感系统的性能。
发明内容
本申请提供一种降低损耗的狭缝交叉光波导及光学传感器件。
本申请实施例提供一种狭缝交叉光波导，包括：
基体；及
两条交叉连接的狭缝光波导，集成于所述基体的上表面；所述狭缝光波导包括输入狭缝光波导、多模耦合光波导及输出狭缝光波导，所述输入狭缝光波导、所述多模耦合光波导及所述输出狭缝光波导沿所述狭缝光波导的光路传播方向依次连接；其中所述输入狭缝光波导和所述输出狭缝光波导相对所述多模耦合光波导在所述狭缝光波导的光路传播方向上对称分布。
可选的，所述输入狭缝光波导包括输入亚波长结构和设于所述输入亚波长结构的狭缝输入结构和输入波导模式转换结构，所述狭缝输入结构和所述输入波导模式转换结构沿所述狭缝光波导的光路传播方向连接，且所述输入波导模式转换结构相对所述狭缝输入结构靠近所述多模耦合光波导设置。
可选的，所述输入波导模式转换结构包括多个刻蚀孔，所述多个刻蚀孔沿所述狭缝光波导的光路传播方向间隔设置，且所述刻蚀孔内填充有二氧化硅。
可选的，所述刻蚀孔为圆孔或椭圆孔。
可选的，所述多个刻蚀孔等间距分布或不等间距分布。
可选的，所述多个刻蚀孔中，位于中间的所述刻蚀孔的最大尺寸大于位于两侧的所述刻蚀孔的最大尺寸。
可选的，所述多个刻蚀孔中，与所述狭缝输入结构相邻的所述刻蚀孔与所述狭缝输入结构之间的距离范围为40nm~80nm。
可选的，所述多个刻蚀孔中，与所述多模耦合光波导相邻的所述刻蚀孔与所述多模耦合光波导之间的距离范围为40nm~80nm。
可选的，所述多个刻蚀孔中，位于中间的所述刻蚀孔的最大尺寸范围为110nm~150nm。
可选的，所述多个刻蚀孔中，位于两侧的所述刻蚀孔的最大尺寸范围为80nm~120nm。
可选的，所述狭缝输入结构包括条形孔，所述条形孔内填充有二氧化硅；
可选的，所述输入波导模式转换结构包括多个刻蚀孔；所述条形孔的孔深和所述刻蚀孔的孔深相同。
可选的，所述条形孔沿所述狭缝光波导的光路传播方向的宽度尺寸范围为80nm~120nm。
可选的，所述输入亚波长结构为条形结构；
可选的，所述输入亚波长结构沿所述狭缝光波导的光路传播方向的宽度尺寸范围为580nm~620nm。
可选的，所述输入亚波长结构的材料为硅。
可选的，所述输出狭缝光波导与所述输入狭缝光波导的结构和/或尺寸和/或材料相同，且所述输出狭缝光波导与所述输入狭缝光波导相对所述多模耦合光波导呈镜像分布。
可选的，所述多模耦合光波导包括多模输入耦合光波导、多模干涉耦合光波导和多模输出耦合光波导，所述多模输入耦合光波导、所述多模干涉耦合光波导和所述多模输出耦合光波导沿所述狭缝光波导的光路传播方向依次连接；其中所述多模干涉耦合光波导通过所述多模输入耦合光波导与所述输入狭缝光波导连接，且通过所述多模输出耦合光波导与所述输出狭缝光波导连接。
可选的，所述多模输入耦合光波导呈锥形结构，所述多模输入耦合光波导包括输入小端和输入大端，所述输入小端与所述输入狭缝光波导连接，所述输入大端与所述多模干涉耦合光波导连接；其中所述输入小端的截面积小于所述输入大端的截面积；
可选的，所述输入小端沿所述狭缝光波导的光路传播方向的宽度尺寸与所述输入狭缝光波导沿所述狭缝光波导的光路传播方向的尺寸相同。
可选的，所述输入大端沿所述狭缝光波导的光路传播方向的宽度尺寸小于所述多模干涉耦合光波导沿所述狭缝光波导的光路传播方向的尺寸。
可选的，所述多模输入耦合光波导沿所述狭缝光波导的光路传播方向的长度范围为2.8um~3.2um。
可选的，所述输入大端沿所述狭缝光波导的光路传播方向的宽度尺寸范围为1.0um~1.4um。
可选的，所述多模输出耦合光波导与所述多模输入耦合光波导的结构和/或材料和/或尺寸相同，且所述多模输出耦合光波导与所述多模输入耦合光波导相对所述多模干涉耦合光波导呈镜像分布。
可选的，所述多模耦合光波导的材料为硅。
可选的，所述多模干涉耦合光波导呈条形结构；
可选的，所述多模干涉耦合光波导沿所述狭缝光波导的光路传播方向的长度范围为8.5um~8.9um。
可选的，所述多模干涉耦合光波导沿所述狭缝光波导的光路传播方向的宽度范围为1.3um~1.7um。
可选的，传播至两条所述狭缝光波导的不同方向的光交叉共享于同一个成像点，该成像点位于所述多模干涉耦合光波导的中部区域。
可选的，所述基体为矩形结构，所述基体在第一方向和第二方向上延伸，所述第一方向与两条所述狭缝光波导中的其中一条的长度方向相同，所述第二方向与两条所述狭缝光波导中的另一条的长度方向相同；
可选的，两条所述狭缝光波导分别在所述第一方向和/或所述第二方向上对称分布。
可选的，两条所述狭缝光波导的上表面覆盖有二氧化硅保护膜。
可选的，所述狭缝光波导的高度范围为200nm~240nm。
可选的，所述基体的高度范围为5um~200um。
可选的，所述基体的材料为硅。
本申请实施例还提供一种光学传感器件，包括如上述实施例中任一项所述的狭缝交叉光波导。
本申请实施例的狭缝交叉光波导，其包括输入狭缝光波导、多模耦合光波导及输出狭缝光波导，输入狭缝光波导、多模耦合光波导及输出狭缝光波导沿狭缝光波导的光路传播方向依次连接，输入狭缝光波导和输出狭缝光波导相对多模耦合光波导在狭缝光波导的光路传播方向上对称分布，如此可实现极低损耗与极低串扰的狭缝波导链路交叉，有助于狭缝波导器件在光学传感领域中高效而稳定的应用，且该狭缝交叉光波导易于创造和扩展，可在基于狭缝波导的非线性器件、光学开关器件等领域得到广泛应用。
附图说明
图1所示为本申请的狭缝交叉光波导的一个实施例的结构示意图。
图2所示为图1所示的狭缝交叉光波导的俯视结构示意图。
图3所示为图1所示的狭缝交叉光波导的不同结构的截面示意图。
图4所示为图1所示的狭缝交叉光波导的光场分布仿真结果示意图。
图5所示为图1所示的狭缝交叉光波导的链路交叉结构的损耗仿真结果示意图。
图6所示为图1所示的狭缝交叉光波导的链路交叉结构的串扰仿真结果示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示至少两个。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本申请实施例提供一种狭缝交叉光波导，包括基体及两条交叉连接的狭缝光波导。两条狭缝光波导集成于基体的上表面。狭缝光波导包括输入狭缝光波导、多模耦合光波导及输出狭缝光波导，输入狭缝光波导、多模耦合光波导及输出狭缝光波导沿狭缝光波导的光路传播方向依次连接；其中输入狭缝光波导和输出狭缝光波导相对多模耦合光波导在狭缝光波导的光路传播方向上对称分布。
本申请实施例的狭缝交叉光波导，其包括输入狭缝光波导、多模耦合光波导及输出狭缝光波导，输入狭缝光波导、多模耦合光波导及输出狭缝光波导沿狭缝光波导的光路传播方向依次连接，输入狭缝光波导和输出狭缝光波导相对多模耦合光波导在狭缝光波导的光路传播方向上对称分布，如此可实现极低损耗与极低串扰的狭缝波导链路交叉，有助于狭缝波导器件在光学传感领域中高效而稳定的应用，且该狭缝交叉光波导易于创造和扩展，可在基于狭缝波导的非线性器件、光学开关器件等领域得到广泛应用。
狭缝交叉光波导由于其独特的空间模式结构，在光学传感领域具有广阔的应用前景。其波导结构，具有良好的光场束缚能力，光场会在狭缝中增强，这增加了光场与外界环境的相互作用，从而极大地增加传感灵敏度，因此在干涉传感器、微环谐振器、等离子体结构等片上传感器件中得到广泛应用。
在传感技术的实际应用中，若传感器出现故障，将导致系统不能正常运行。为了校验传感器是否失效而给出非真实信号，常会设计多路传感器进行互相校验，即采用多传感器的冗余设计来测量同一物理变量。在使用冗余光波导传感器的策略进行探测时，由于传感元件阵列的存在，波导的交叉将不可避免。波导直接交叉会带来大量损耗，尤其对于狭缝波导中传输的特殊的模式光，插入损耗可以达到3.9dB，这将严重影响传感系统的性能。相较于狭缝交叉光波导，标准条形波导中的高斯光模式在链路十字交叉中有相对较好的表现，但如果仅仅是两个单模波导垂直排布，会有较大的能量在交叉处散射到沉底中。链路插入损耗依然高达1.4dB，并存在约9.2dB的串扰，仍有充分的优化空间。并且，由于狭缝交叉光波导的（非高斯模）与条形波导（高斯模）之间的光模失配，在这两种波导之间采用直接对接耦合的效率较低，造成进一步的损耗。
因此，本申请提供一种狭缝交叉光波导。下面结合附图，对本申请的狭缝交叉光波导进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
图1所示为本申请的狭缝交叉光波导1的一个实施例的结构示意图。图2所示为图1所示的狭缝交叉光波导1的俯视结构示意图。图3所示为图1所示的狭缝交叉光波导1的不同结构的截面示意图。结合图1至图3所示，狭缝交叉光波导1包括基体10及两条交叉连接的狭缝光波导20，两条交叉连接的狭缝光波导20集成于基体10的上表面。基体10作为固定载体，用于承载两条交叉连接的狭缝光波导20。
在本实施例中，狭缝光波导20包括输入狭缝光波导201、多模耦合光波导202及输出狭缝光波导203，输入狭缝光波导201、多模耦合光波导202及输出狭缝光波导203沿狭缝光波导20的光路传播方向依次连接。其中输入狭缝光波导201和输出狭缝光波导203相对多模耦合光波导202在狭缝光波导20的光路传播方向上对称分布。光波导20的光路传播方向可以是基体10的长度方向或宽度方向。输入至输入狭缝光波导201的光斑，经过多模耦合光波导202耦合，传输至输出狭缝光波导203。如此可实现极低损耗与极低串扰的狭缝波导链路交叉，有助于狭缝波导器件在光学传感领域中高效而稳定的应用，且该狭缝交叉光波导易于创造和扩展，可在基于狭缝波导的非线性器件、光学开关器件等领域得到广泛应用。
在图1至图2所示的实施例中，基体10为矩形结构。基体10在第一方向X1和第二方向X2上延伸。其中第一方向X1与两条狭缝光波导20中的其中一条的长度方向相同，第二方向X2与两条狭缝光波导20中的另一条的长度方向相同。在本实施例中，两条交叉连接的狭缝光波导20包括第一狭缝光波导20a和第二狭缝光波导20b。第一方向X1可以是长度方向，第二方向X2可以是宽度方向。在一些实施例中，两条狭缝光波导20分别在第一方向X1和/或第二方向X2上对称分布。两条狭缝光波导20对于基体10的占地面积最小可至15.6×15.6um2。在本实施例中，第一狭缝光波导20a在第一方向X1（长度方向）上延伸设置。第二狭缝光波导20b在第二方向X2（宽度方向）上延伸设置。第一狭缝光波导20a和第二狭缝光波导20b位于同一平面，且相交设置。在本实施例中，第一狭缝光波导20a和第二狭缝光波导20b垂直相交。在一些实施例中，两条狭缝光波导20的上表面覆盖有二氧化硅保护膜。在一些实施例中，狭缝光波导20的高度范围为200nm~240nm。在一些实施例中，狭缝光波导20的高度为200nm或210nm或220nm或230nm或240nm，其优选值为220nm。在一些实施例中，基体10的高度范围为5um~200um。在一些实施例中，基体10的高度为5um或45um或75um或100um或125um或150um或175um或200um。在一些实施例中，基体10的材料为硅。
在图1至图3所示的实施例中，输入狭缝光波导201包括输入亚波长结构204和设于输入亚波长结构204的狭缝输入结构205和输入波导模式转换结构206，狭缝输入结构205和输入波导模式转换结构206沿狭缝光波导20的光路传播方向连接，且输入波导模式转换结构206相对狭缝输入结构205靠近多模耦合光波导202设置。第一狭缝光波导20a的光路传播方向可以是第一方向X1（长度方向）。第二狭缝光波导20b的光路传播方向可以是第二方向X2（宽度方向）。在光输入至亚波长结构204中时，经过输入狭缝光波导201的狭缝输入结构205的光场模斑表现为狭缝波导模式（非高斯模式），经由输入波导模式转换结构206的调制转换为高斯光模式，被调制为高斯模式的光传输至多模耦合光波导202。如此设置，利用输入波导模式转换结构206，可解决狭缝光波导的（非高斯模）与条形波导（高斯模）之间的光模失配问题，提高在这两种波导之间的耦合效率，降低损耗。
在图1至图3所示的实施例中，输入波导模式转换结构206包括多个刻蚀孔207，多个刻蚀孔207沿狭缝光波导20的光路传播方向间隔设置，且刻蚀孔207内填充有二氧化硅。本实施例通过设置多个刻蚀孔207用于狭缝波导输入光的模式调制。在光输入至亚波长结构204中时，经过输入狭缝光波导201的光场模斑表现为狭缝波导模式（非高斯模式），经由输入波导模式转换结构206时，受到嵌入输入亚波长结构204中的二氧化硅的刻蚀孔207的调制，从而转换至高斯光模式在中传播，被调制为高斯模式的光，进一步传输至多模耦合光波导202。输入波导模式转换结构206的材料为硅波导-二氧化硅刻蚀孔207。输入波导模式转换结构206用于通过二氧化硅刻蚀孔207的排布阵列，将光斑由狭缝波导模式（非高斯模式）调制转换为高斯模式的光斑。可解决狭缝光波导的（非高斯模）与条形波导（高斯模）之间的光模失配问题，提高在这两种波导之间的耦合效率，降低损耗。
在一些实施例中，刻蚀孔207为圆孔或椭圆孔。在图1至图3所示的实施例中，刻蚀孔207为圆孔。圆孔内填充有二氧化硅。通过设置圆孔，工艺成型简单，成本较低。在其他一些实施例中，刻蚀孔207为椭圆孔。
在一些实施例中，多个刻蚀孔207等间距分布或不等间距分布。在图1至图3所示的实施例中，多个刻蚀孔207等间距分布。如此设置，制备工艺简单，且传输的光能量均匀，使损耗降低。在其他一些实施例中，多个刻蚀孔207非等间距分布。
在一些实施例中，多个刻蚀孔207的尺寸不相同。在一些实施例中，多个刻蚀孔207中，位于中间的刻蚀孔207的最大尺寸大于位于两侧的刻蚀孔207的最大尺寸。在一些实施例中，多个刻蚀孔207中，位于中间的刻蚀孔207的最大尺寸范围为110nm~150nm。在一些实施例中，多个刻蚀孔207中，位于中间的刻蚀孔207的最大尺寸为110nm或120nm或130nm或140nm或150nm。在本实施例中，位于中间的刻蚀孔207的最大尺寸优选值为130nm。在一些实施例中，多个刻蚀孔207中，位于两侧的刻蚀孔207的最大尺寸范围为80nm~120nm。在一些实施例中，多个刻蚀孔207中，位于两侧的刻蚀孔207的最大尺寸为80nm或90nm或100nm或110nm或120nm。在本实施例中，位于两侧的刻蚀孔207的最大尺寸优选值为100nm。上述参数设置合适，使光在传输过程中，损耗降低。
在一些实施例中，多个刻蚀孔207中，与狭缝输入结构205相邻的刻蚀孔207与狭缝输入结构205之间的距离范围为40nm~80nm。在一些实施例中，与狭缝输入结构205相邻的刻蚀孔207与狭缝输入结构205之间的距离为40nm或50nm或60nm或70nm或80nm。在本实施例中，与狭缝输入结构205相邻的刻蚀孔207与狭缝输入结构205之间的距离优选值为60nm。在一些实施例中，多个刻蚀孔207中，与多模耦合光波导202相邻的刻蚀孔207与多模耦合光波导202之间的距离范围为40nm~80nm。在一些实施例中，与多模耦合光波导202相邻的刻蚀孔207与多模耦合光波导202之间的距离为40nm或50nm或60nm或70nm或80nm。在本实施例中，与多模耦合光波导202相邻的刻蚀孔207与多模耦合光波导202之间的距离优选值为60nm。上述参数设置合适，使光在传输过程中，损耗降低。
在图1至图2所示的实施例中，输入波导模式转换结构206部分刻蚀，且包括三个刻蚀孔207a、207b、207c，三个刻蚀孔207a、207b、207c沿狭缝光波导20的光路传播方向间隔设置，且三个刻蚀孔207a、207b、207c内均填充有二氧化硅。在本实施例中，刻蚀孔207b位于刻蚀孔207a、207c的中间。位于中间的刻蚀孔207b的最大尺寸大于位于两侧的刻蚀孔207a、207c的最大尺寸。刻蚀孔207a、207c的最大尺寸是100nm。刻蚀孔207b的最大尺寸是130nm。刻蚀孔207a与狭缝输入结构205之间的距离为60nm。刻蚀孔207c与多模耦合光波导202之间的距离优选值为60nm。使光在传输过程中，损耗降低。
在图1至图3所示的实施例中，输入亚波长结构204为条形结构。该条形结构有利于加工，加工工艺简单。在一些实施例中，输入亚波长结构204沿狭缝光波导20的光路传播方向的宽度尺寸范围为580nm~620nm。输入亚波长结构204沿狭缝光波导20的光路传播方向的宽度尺寸为580nm或590nm或600nm或610nm或620nm。在本实施例中，输入亚波长结构204沿狭缝光波导20的光路传播方向的宽度尺寸为600nm。上述参数设置合适，使光在传输过程中，损耗降低。在一些实施例中，输入亚波长结构204的材料为硅。工艺简单且成本较低。
在图1至图3所示的实施例中，狭缝输入结构205包括条形孔208，条形孔208内填充有二氧化硅。在一些实施例中，条形孔208的孔深和刻蚀孔207的孔深相同。将条形孔208的孔深和刻蚀孔207的孔深设置相同，工艺简单。在一些实施例中，条形孔208沿狭缝光波导20的光路传播方向的宽度尺寸范围为80nm~120nm。在一些实施例中，条形孔208沿狭缝光波导20的光路传播方向的宽度尺寸为80nm或90nm或100nm或110nm或120nm。上述参数设置合适，使光在传输过程中，损耗降低。
在一些实施例中，输出狭缝光波导203与输入狭缝光波导201的结构和/或尺寸和/或材料相同，且输出狭缝光波导203与输入狭缝光波导201相对多模耦合光波导202呈镜像分布。输出狭缝光波导203与输入狭缝光波导201的波导材料结构、狭缝宽度、下风深度、刻蚀孔形貌及材料结构以及微刻蚀圆孔刻蚀深度均与输入狭缝光波导201相同。
在本实施例中，输出狭缝光波导203包括输出亚波长结构209和设于输出亚波长结构209的狭缝输出结构210和输出波导模式转换结构211，输出波导模式转换结构211和狭缝输出结构210沿狭缝光波导20的光路传播方向连接，且输出波导模式转换结构211相对狭缝输出结构210靠近多模耦合光波导202设置。输入狭缝光波导201的光场模斑表现为狭缝波导模式（非高斯模式），经由输出波导模式转换结构211的调制转换为高斯光模式，在输入亚波长结构204中传播，使被调制为高斯模式的光传输至多模耦合光波导202。经过多模耦合光波导202进行耦合，依次经过输出波导模式转换结构211和狭缝输出结构210输出。如此设置，利用输出波导模式转换结构211，可解决狭缝光波导的（非高斯模）与条形波导（高斯模）之间的光模失配问题，提高在这两种波导之间的耦合效率，降低损耗。
在本实施例中，输出波导模式转换结构211包括三个刻蚀孔211c、211b、211a，三个刻蚀孔211c、211b、211a沿狭缝光波导20的光路传播方向间隔设置，且三个刻蚀孔211c、211b、211a内均填充有二氧化硅。在本实施例中，位于中间的刻蚀孔211b的最大尺寸大于位于两侧的刻蚀孔211c、211a的最大尺寸。位于两侧的刻蚀孔211c、211a的最大尺寸是100nm。位于中间的刻蚀孔211b的最大尺寸是130nm。刻蚀孔211c与狭缝输出结构210之间的距离为60nm。刻蚀孔211a与多模耦合光波导202之间的距离优选值为60nm。上述参数设置合适，使光在传输过程中，损耗降低。
在图1至图3所示的实施例中，多模耦合光波导202包括多模输入耦合光波导212、多模干涉耦合光波导213和多模输出耦合光波导214，多模输入耦合光波导212、多模干涉耦合光波导213和多模输出耦合光波导214沿狭缝光波导20的光路传播方向依次连接。其中多模干涉耦合光波导213通过多模输入耦合光波导212与输入狭缝光波导201连接，且通过多模输出耦合光波导214与输出狭缝光波导203连接。多模输入耦合光波导212用于连接多模干涉耦合光波导213与输入狭缝光波导201，实现光路的平滑过渡，避免单模波导直接接入多模波导时因有效折射率突变而产生的散射损耗。同理，多模输出耦合光波导214用于连接多模干涉耦合光波导213与输出狭缝光波导203，实现光路的平滑过渡，避免单模波导直接接入多模波导时因有效折射率突变而产生的散射损耗。
在图1至图3所示的实施例中，多模输入耦合光波导212呈锥形结构，多模输入耦合光波导212包括输入小端212a和输入大端212b，输入小端212a与输入狭缝光波导201连接，输入大端212b与多模干涉耦合光波导213连接；其中输入小端212a的截面积小于输入大端212b的截面积。在图1至图2所示的实施例中，输入小端212a沿狭缝光波导20的光路传播方向的宽度尺寸与输入狭缝光波导201沿狭缝光波导20的光路传播方向的尺寸相同。如此设置，由于输入至狭缝光波导201内的光是发散的，将输入小端212a与输入狭缝光波导201连接，输入大端212b与输出狭缝光波导203连接，使从通过输入小端212a输入的光能经过输入大端212b，能被多模干涉耦合光波导213大部分或全部接收，光的吸收率高，能量损耗低。
在图1至图2所示的实施例中，输入大端212b沿狭缝光波导20的光路传播方向的宽度尺寸小于多模干涉耦合光波导213沿狭缝光波导20的光路传播方向的尺寸。如此设置，由于输入至狭缝光波导201内的光是发散的，将输入小端212a与输入狭缝光波导201连接，输入大端212b与输出狭缝光波导203连接，使从通过输入小端212a输入的光能经过输入大端212b，能被多模干涉耦合光波导213大部分或全部接收，光的吸收率高，能量损耗低。
在一些实施例中，多模输入耦合光波导212沿狭缝光波导20的光路传播方向的长度范围为2.8um~3.2um。在一些实施例中，多模输入耦合光波导212沿狭缝光波导20的光路传播方向的长度为2.8um或2.9um或3.0um或3.1um或3.2um。在本实施例中，多模输入耦合光波导212沿狭缝光波导20的光路传播方向的长度为3.0um。在一些实施例中，输入大端212b沿狭缝光波导20的光路传播方向的宽度尺寸范围为1.0um~1.4um。在一些实施例中，输入大端212b沿狭缝光波导20的光路传播方向的宽度尺寸为1.0um或1.1um或1.2um或1.3um或1.4um。在本实施例中，输入大端212b沿狭缝光波导20的光路传播方向的宽度尺寸为1.2um。上述参数设置合适，使光在传输过程中，损耗降低。
在一些实施例中，多模耦合光波导202的材料为硅。在一些实施例中，多模干涉耦合光波导213呈条形结构。条形结构加工工艺简单，成本较低。在一些实施例中，多模干涉耦合光波导213沿狭缝光波导20的光路传播方向的长度范围为8.5um~8.9um。在一些实施例中，多模干涉耦合光波导213沿狭缝光波导20的光路传播方向的长度为8.5um或8.6um或8.7um或8.8um或8.9um。在本实施例中，多模干涉耦合光波导213沿狭缝光波导20的光路传播方向的长度为8.7um。在一些实施例中，多模干涉耦合光波导213沿狭缝光波导20的光路传播方向的宽度范围为1.3um~1.7um。在一些实施例中，多模干涉耦合光波导213沿狭缝光波导20的光路传播方向的宽度为1.3um或1.4um或1.5um或1.6um或1.7um。在本实施例中，多模干涉耦合光波导213沿狭缝光波导20的光路传播方向的宽度为1.5um。上述参数设置合适，使光在传输过程中，损耗降低。
在一些实施例中，传播至两条狭缝光波导20的不同方向的光交叉共享于同一个成像点M，该成像点M位于多模干涉耦合光波导213的中部区域。在本实施例中，成像点位于多模干涉耦合光波导213的中心区域，光斑在成像点高度聚集，两条狭缝光波导20参数相同，相互垂直的多模干涉器件在成像点十字交叉，以实现极低损耗与极低串扰的狭缝波导链路交叉结构。
在一些实施例中，多模输出耦合光波导214与多模输入耦合光波导212的结构和/或材料和/或尺寸相同，且多模输出耦合光波导214与多模输入耦合光波导212相对多模干涉耦合光波导213呈镜像分布。由于光传播路线的可逆性，多模输出耦合光波导214与多模输入耦合光波导212相对多模干涉耦合光波导213的成像点中心对称分布，其材料和/或结构/或尺寸与多模输入耦合光波导212的材料和/或结构/或尺寸相同。在本实施例中，多模输出耦合光波导214呈锥形结构。多模输出耦合光波导214包括输出小端214a和输出大端214b，输出小端214a与输出狭缝光波导203连接，输出大端214b与多模干涉耦合光波导213连接。其中输出小端214a的截面积小于输出大端214b的截面积。
在图1至图2所示的实施例中，输出小端214a沿狭缝光波导20的光路传播方向的宽度尺寸与输出狭缝光波导203沿狭缝光波导20的光路传播方向的尺寸相同。如此设置，由于输入至狭缝光波导201内的光是发散的，将输出小端214a与输出狭缝光波导203连接，输出大端214b与输出狭缝光波导203连接，使从通过输出小端214a输入的光能经过输出大端214b，能被多模干涉耦合光波导213大部分或全部接收，光的吸收率高，能量损耗低。
为了验证本申请在实际应用中的效果，通过以下仿真实验进行说明：本实施例采用时域有限差分法（FDTD）进行计算分析，仿真实验中，条形的狭缝输入结构205中的输入光场主要参数包括：输入光中心波长为1310nm，带宽为100nm，输入光场的传播模式为TE0阶模式汇入狭缝光波导20中。
在图4所示的实施例中，对应狭缝光波导模式光从狭缝输入结构205传入，经由输入波导模式转换结构206转换为高斯光模式，并传输到呈十字交叉分布的多模耦合光波导202。对于对称场干涉，单模波导的光首先在多模耦合光波导202的多模输入耦合光波导212的前半部分发散，然后聚焦在多模耦合光波导202的多模干涉耦合光波导213的中心区域的成像点M，在中心区域的成像点M的单模波导的光斑尺寸远小于多模宽波导的截面。沿十字交叉波导不同方向传播的光共享同一个成像点M，并在该成像点实现极低损耗的链路交叉，然后光在多模耦合光波导202的多模输出耦合光波导214的下半部分发散，通过多模输出耦合光波导214重新耦合到输出狭缝光波导203。
参考图5和图6所示，首先考虑对应狭缝光波导模式光从输入狭缝光波导201传入时，不经过多模干涉耦合光波导213，而直接互相交叉并输出到对应输出狭缝光波导203的情况。仿真结果表明，在不使用多模干涉耦合光波导213的情形下，在覆盖O波段的1260nm至1360nm波段内，交叉链路的插入损耗均大于4.2dB，串扰始终大于-6dB，远未达到实际应用的要求。只使用基于亚波长结构204的输入/输出波导模式转换结构，本实施例的链路交叉结构的插入损耗降至1dB以内，串扰大于-10dB。如此设置，利用本实施例的链路交叉结构，可有效将链路的插入损耗和串扰分别降低至0.2dB和-25dB以下。
本申请通过在条形光波导与狭缝光波导之间建立平滑的连接，搭配多模干涉耦合光波导213，实现了极低损耗与极低串扰的狭缝波导链路交叉。这种低损耗的链路交叉设计有助于狭缝波导器件在光学传感领域中高效且稳定的应用，且易于制造和扩展。该器件具有以下特点：1）具有超低损耗和串扰，在1310nm波长处，单次交叉过程损耗约0.08dB，串扰约-26.1dB；2）波长不敏感，在1260nm至1360nm之间100nm带宽的波长范围内，模式耦合的光透过率均大于0.982，损耗均小于0.2dB，串扰始终低于-25dB。这种低损耗的链路交叉设计具有超低损耗、超小串扰、大工作带宽、易于制造及扩展等特点，有助于狭缝波导器件在光学传感领域中高效且稳定的应用。
本申请还提供一种光学传感器件，包括如上述图1至图6实施例所示的狭缝交叉光波导。光学传感器件可以是非线性器件，也可以是光学开关器件，在本申请中不作限定。光学传感器件通过设置上述图1至图6实施例所示的狭缝交叉光波导，可有助于提高在光学传感领域应用中的高效性和稳定性。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (12)
1.一种狭缝交叉光波导，其特征在于，包括：
基体；及
两条交叉连接的狭缝光波导，集成于所述基体的上表面；所述狭缝光波导包括输入狭缝光波导、多模耦合光波导及输出狭缝光波导，所述输入狭缝光波导、所述多模耦合光波导及所述输出狭缝光波导沿所述狭缝光波导的光路传播方向依次连接；其中所述输入狭缝光波导和所述输出狭缝光波导相对所述多模耦合光波导在所述狭缝光波导的光路传播方向上对称分布；
所述输入狭缝光波导包括输入亚波长结构和设于所述输入亚波长结构的狭缝输入结构和输入波导模式转换结构，所述狭缝输入结构和所述输入波导模式转换结构沿所述狭缝光波导的光路传播方向连接，且所述输入波导模式转换结构相对所述狭缝输入结构靠近所述多模耦合光波导设置；所述输入波导模式转换结构包括多个刻蚀孔，所述多个刻蚀孔沿所述狭缝光波导的光路传播方向间隔设置，且所述刻蚀孔内填充有二氧化硅；其中，所述输入波导模式转换结构通过填充有所述二氧化硅的所述多个刻蚀孔将光斑的狭缝波导模式调制转换为高斯模式。
2.根据权利要求1所述的狭缝交叉光波导，其特征在于，所述刻蚀孔为圆孔或椭圆孔；和/或
所述多个刻蚀孔等间距分布或不等间距分布；和/或
所述多个刻蚀孔中，位于中间的所述刻蚀孔的最大尺寸大于位于两侧的所述刻蚀孔的最大尺寸；和/或
所述多个刻蚀孔中，与所述狭缝输入结构相邻的所述刻蚀孔与所述狭缝输入结构之间的距离范围为40nm~80nm；和/或
所述多个刻蚀孔中，与所述多模耦合光波导相邻的所述刻蚀孔与所述多模耦合光波导之间的距离范围为40nm~80nm；和/或
所述多个刻蚀孔中，位于中间的所述刻蚀孔的最大尺寸范围为110nm~150nm；和/或
所述多个刻蚀孔中，位于两侧的所述刻蚀孔的最大尺寸范围为80nm~120nm。
3.根据权利要求1所述的狭缝交叉光波导，其特征在于，所述狭缝输入结构包括条形孔，所述条形孔内填充有二氧化硅；
所述输入波导模式转换结构包括多个刻蚀孔；所述条形孔的孔深和所述刻蚀孔的孔深相同；和/或
所述条形孔沿所述狭缝光波导的光路传播方向的宽度尺寸范围为80nm~120nm。
4.根据权利要求1所述的狭缝交叉光波导，其特征在于，所述输入亚波长结构为条形结构；
所述输入亚波长结构沿所述狭缝光波导的光路传播方向的宽度尺寸范围为580nm~620nm；和/或
所述输入亚波长结构的材料为硅。
5.根据权利要求1所述的狭缝交叉光波导，其特征在于，所述输出狭缝光波导与所述输入狭缝光波导的结构和/或尺寸和/或材料相同，且所述输出狭缝光波导与所述输入狭缝光波导相对所述多模耦合光波导呈镜像分布。
6.根据权利要求1所述的狭缝交叉光波导，其特征在于，所述多模耦合光波导包括多模输入耦合光波导、多模干涉耦合光波导和多模输出耦合光波导，所述多模输入耦合光波导、所述多模干涉耦合光波导和所述多模输出耦合光波导沿所述狭缝光波导的光路传播方向依次连接；其中所述多模干涉耦合光波导通过所述多模输入耦合光波导与所述输入狭缝光波导连接，且通过所述多模输出耦合光波导与所述输出狭缝光波导连接。
7.根据权利要求6所述的狭缝交叉光波导，其特征在于，所述多模输入耦合光波导呈锥形结构，所述多模输入耦合光波导包括输入小端和输入大端，所述输入小端与所述输入狭缝光波导连接，所述输入大端与所述多模干涉耦合光波导连接；其中所述输入小端的截面积小于所述输入大端的截面积；
所述输入小端沿所述狭缝光波导的光路传播方向的宽度尺寸与所述输入狭缝光波导沿所述狭缝光波导的光路传播方向的尺寸相同；和/或
所述输入大端沿所述狭缝光波导的光路传播方向的宽度尺寸小于所述多模干涉耦合光波导沿所述狭缝光波导的光路传播方向的尺寸；和/或
所述多模输入耦合光波导沿所述狭缝光波导的光路传播方向的长度范围为2.8um~3.2um；和/或
所述输入大端沿所述狭缝光波导的光路传播方向的宽度尺寸范围为1.0um~1.4um。
8.根据权利要求6所述的狭缝交叉光波导，其特征在于，所述多模输出耦合光波导与所述多模输入耦合光波导的结构和/或材料和/或尺寸相同，且所述多模输出耦合光波导与所述多模输入耦合光波导相对所述多模干涉耦合光波导呈镜像分布；和/或
所述多模耦合光波导的材料为硅。
9.根据权利要求6所述的狭缝交叉光波导，其特征在于，所述多模干涉耦合光波导呈条形结构；
所述多模干涉耦合光波导沿所述狭缝光波导的光路传播方向的长度范围为8.5um~8.9um；和/或
所述多模干涉耦合光波导沿所述狭缝光波导的光路传播方向的宽度范围为1.3um~1.7um。
10.根据权利要求6所述的狭缝交叉光波导，其特征在于，传播至两条所述狭缝光波导的不同方向的光交叉共享于同一个成像点，该成像点位于所述多模干涉耦合光波导的中部区域。
11.根据权利要求1所述的狭缝交叉光波导，其特征在于，所述基体为矩形结构，所述基体在第一方向和第二方向上延伸，所述第一方向与两条所述狭缝光波导中的其中一条的长度方向相同，所述第二方向与两条所述狭缝光波导中的另一条的长度方向相同；
两条所述狭缝光波导分别在所述第一方向和/或所述第二方向上对称分布；和/或
两条所述狭缝光波导的上表面覆盖有二氧化硅保护膜；和/或
所述狭缝光波导的高度范围为200nm~240nm；和/或
所述基体的高度范围为5um~200um；和/或
所述基体的材料为硅。
12.一种光学传感器件，其特征在于，包括如上述权利要求1至11中任一项所述的狭缝交叉光波导。
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| 基于狭缝波导的聚合物基微环折射率传感器研究;吕桓林;梁宇鑫;韩秀友;谷一英;武震林;赵明山;;红外与激光工程(01);全文 * |
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