CN116430510B - 光波导和光波导设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光波导和光波导设计方法。光波导包括衬底层、包层、弯曲波导层和沟槽。包层设于衬底层上方。弯曲波导层设于包层内。沟槽刻蚀于包层，沟槽自包层的外表面向衬底层的方向凹陷，在衬底层的延伸方向上，沟槽位于弯曲波导层的外侧。本申请提供的光波导通过在弯曲波导层的外侧的包层上刻蚀沟槽，可以补偿局部波前相速度，扩大辐射焦散半径，有效降低光波导的弯曲损耗，且制作工艺简单，成本较低。

Description

光波导和光波导设计方法

技术领域

本申请涉及光子集成技术领域，尤其涉及一种光波导和光波导设计方法。

背景技术

波导损耗是限制弯曲波导尺寸、影响器件性能的重要因素。其中，波导的弯曲损耗可以通过改变波导的宽度、高度及弯曲半径等参数进行调整。

然而，在环形谐振器应用中增加弯曲半径在降低弯曲损耗的同时会限制微环谐振器的自由频谱范围和器件尺寸。

发明内容

本申请提供一种光波导和光波导设计方法，可以降低光波导的弯曲损耗。

本申请的一个方面提供一种光波导，包括：

衬底层；

包层，设于所述衬底层上方；

弯曲波导层，设于所述包层内；

沟槽，刻蚀于所述包层，所述沟槽自所述包层的外表面向所述衬底层的方向凹陷，在所述衬底层的延伸方向上，所述沟槽位于所述弯曲波导层的外侧。

本申请提供的光波导通过在弯曲波导层的外侧的包层上刻蚀沟槽，可以补偿局部波前相速度，扩大辐射焦散半径，有效降低光波导的弯曲损耗，且制作工艺简单，成本较低。

进一步地，所述沟槽填充有填充层，所述填充层的材料折射率小于所述包层的材料折射率。

进一步地，所述填充层的材料包括空气、氟化物、聚合物和树脂中的至少一种。

进一步地，所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层的距离是通过包层刻蚀结构模型，根据所述填充层的材料确定的。

进一步地，所述沟槽的刻蚀深度是根据所述填充层的材料和所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层的距离确定的。

进一步地，所述沟槽的宽度是根据所述填充层的材料、所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层的距离和所述沟槽的刻蚀深度确定的。

进一步地，所述沟槽的刻蚀深度大于或等于所述弯曲波导层与所述包层的外表面的距离，且小于或等于所述包层的厚度。

进一步地，所述包层的材料折射率小于所述弯曲波导层的材料折射率。

进一步地，所述包层的材料包括化合物半导体、氮化硅、氧化硅、碳化硅和聚合物中的至少一种。

进一步地，所述弯曲波导层的材料包括化合物半导体、硅、氮化硅、碳化硅、锗硅和铌酸锂中的至少一种。

本申请的另一方面提供一种光波导设计方法，包括：

获取衬底层、包层和弯曲波导层的特征参数；

将所述包层设于所述衬底层上方，将所述弯曲波导层设于所述包层内；

刻蚀沟槽于所述包层，形成光波导；其中，

所述沟槽自所述包层的外表面向所述衬底层的方向凹陷，在所述衬底层的延伸方向上，所述沟槽位于所述弯曲波导层的外侧。

进一步地，所述刻蚀沟槽于所述包层，形成光波导，包括：

确定用于填充所述沟槽的填充层的材料；

根据所述填充层的材料，优化所述沟槽的特征参数；

根据所述沟槽的特征参数，刻蚀所述沟槽于所述包层，并填充所述填充层于所述沟槽，形成所述光波导。

进一步地，所述确定用于填充所述沟槽的填充层的材料，包括：

确定所述包层的材料；

根据所述包层的材料，选取折射率小于所述包层的材料折射率的材料，作为所述填充层的材料。

进一步地，所述包层的材料包括化合物半导体、氮化硅、氧化硅、碳化硅和聚合物中的至少一种，所述折射率小于所述包层的材料折射率的材料包括空气、氟化物、聚合物和树脂中的至少一种。

进一步地，所述根据所述填充层的材料，优化所述沟槽的特征参数，包括：

根据所述填充层的材料，利用包层刻蚀结构模型确定所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层的距离；

根据所述填充层的材料和所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层的距离，确定所述沟槽的刻蚀深度。

进一步地，所述根据所述填充层的材料，优化所述沟槽的特征参数，还包括：

根据所述填充层的材料、所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层的距离和所述沟槽的刻蚀深度，确定所述沟槽的宽度。

进一步地，所述获取衬底层、包层和弯曲波导层的特征参数，包括：

确定所述弯曲波导层的弯曲半径和厚度；

根据所述弯曲波导层的弯曲半径和厚度，确定所述弯曲波导层的宽度。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1所示为弯曲波导层的辐射损耗示意图；

图2所示为弯曲波导层截面示意图；

图3所示为图2所示的弯曲波导层的等效直波导截面示意图；

图4所示为图3所示的等效直波导截面折射率的径向分布示意图；

图5所示为本申请光波导一实施例的横向截面示意图；

图6所示为图5所示的光波导的环形腔实施例的俯视示意图；

图7所示为图6所示的光波导的A-A切面出折射率的径向分布示意图；

图8所示为图5所示的光波导在填充层为空气时损耗随沟槽距波导距离变化曲线示意图；

图9所示为图5所示的光波导在填充层为空气时光波导有效折射率随沟槽距波导距离变化曲线示意图；

图10所示为图5所示的光波导在填充层为空气时损耗随沟槽深度变化曲线示意图；

图11所示为图5所示的光波导在填充层为空气时损耗随弯曲波导层的弯曲半径变化曲线示意图；

图12所示为图5所示的光波导在填充层为空气时损耗随沟槽宽度变化曲线示意图；

图13所示为图5所示的光波导在填充层的材料折射率为1.4时损耗随沟槽距波导距离变化曲线示意图；

图14所示为图5所示的光波导在填充层的材料折射率为1.4时损耗随沟槽深度变化曲线示意图；

图15所示为图5所示的光波导在填充层的材料折射率为1.4时损耗随弯曲波导层的弯曲半径变化曲线示意图；

图16所示为图5所示的光波导在填充层的材料折射率为1.4时损耗随沟槽宽度变化曲线示意图；

图17所示为本申请光波导另一实施例的横向截面示意图；

图18所示为图17所示的光波导在填充层为空气时损耗随弯曲波导层的弯曲半径变化关系示意图；

图19所示为本申请光波导设计方法一实施例的流程示意图；

图20所示为图19所示的光波导设计方法的步骤S100一实施例的流程示意图；

图21所示为图19所示的光波导设计方法的步骤S300一实施例的流程示意图；

图22所示为图21所示的光波导设计方法的步骤S310一实施例的流程示意图；

图23所示为图21所示的光波导设计方法的步骤S320一实施例的流程示意图。

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申请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。

本申请提供的光波导包括衬底层、包层、弯曲波导层和沟槽。包层设于衬底层上方。弯曲波导层设于包层内。沟槽刻蚀于包层，沟槽自包层的外表面向衬底层的方向凹陷，在衬底层的延伸方向上，沟槽位于弯曲波导层的外侧。

本申请提供的光波导通过在弯曲波导层的外侧的包层上刻蚀沟槽，可以补偿局部波前相速度，扩大辐射焦散半径，有效降低光波导的弯曲损耗，且制作工艺简单，成本较低。

本申请提供的光波导设计方法包括：获取衬底层、包层和弯曲波导层的特征参数；将包层设于衬底层上方，将弯曲波导层设于包层内；刻蚀沟槽于包层，形成光波导；其中，沟槽自包层的外表面向衬底层的方向凹陷，在衬底层的延伸方向上，沟槽位于弯曲波导层的外侧。

下面结合附图，对本申请的光波导和光波导设计方法进行详细说明。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。

波导损耗是影响微环谐振腔性能的重要因素。其中，波导损耗机制包括材料吸收、缺陷散射及弯曲辐射。材料的吸收损耗及散射损耗与材料本身性质及加工质量有关，而弯曲损耗可以通过改变弯曲波导层的宽度、高度、弯曲半径等参数进行调整。具体地，增加弯曲半径尺寸可以有效降低弯曲损耗，但同时限制了微环谐振器的自由频谱范围、小型化等特性。

弯曲损耗产生的原因是波阵面在包层中速度受限。图1所示为弯曲波导层辐射损耗示意图。其中，弯曲波导层的材料折射率为，包层的材料折射率为/>，R为弯曲波导层的弯曲半径，/>为焦散曲线位置距离波导中心的距离，R+/>为焦散半径。如图1所示，在弯曲波导层中波束沿着波导轨迹运动，局部相速度在弯曲外侧增加，维持波导附近波前为正交于波导传输方向的平面。当波前局部速度接近包层介质中的光速时，在焦散曲线处波前弯曲，模式拖尾与波导模式断裂向外辐射产生损耗。降低弯曲损耗需要减小焦散曲线以外区域模式限制因子，即减小模斑尺寸或增加焦散半径。事实上，因为模式匹配问题，减小弯曲波导中的模斑尺寸并不实际。因此，需要在不改变传输场分布的情况下增加辐射焦散半径。

图2所示为弯曲波导层截面示意图。其中，为波长。如图2所示，弯曲波导截面折射率分布为/>。图3所示为图2所示的弯曲波导层的等效直波导截面示意图。如图3所示，弯曲波导层可以通过坐标变换等效为直波导，等效直波导截面折射率分布满足以下关系式：

+/>

其中，x和y分别为等效直波导截面与传输方向z正交的横向坐标，分量表示沿z方向弯曲对场分布的影响，为弯曲半径的函数。弯曲波导层与直波导的等效条件为x和y方向的横向场分布需相同，其横向波矢量/>分别为：

其中,为自由空间波矢量，/>为直波导中基模传播常数，/>为模式有效折射率。如图2所示，波长/>在弯曲波导层中传输时分布与横向坐标y有关，可以表述为/>，对应传播常数/>。带入上述表达式中，假设弯曲半径R远高于弯曲波导层的宽度，忽略y的高阶项，可以得到/>的分布关系式：

图4所示为图3所示的等效直波导截面折射率的径向分布示意图。其中，虚线代表截面材料折射率分布，实线代表等效直波导的折射率分布，折射率沿径向呈线性增加的趋势且斜率与弯曲半径成正比，点划线代表的模式有效折射率与等效直波导折射率分布交点对应的位置，即为辐射焦散点，将上式带入等效直波导折射率分布中，求解处辐射焦散半径与曲率半径差y为：

其中,为包层材料折射率，/>为模式有效折射率。超过焦散曲线的部分场与波导模式分离，形成辐射损耗。

弯曲损耗产生的主要原因是分布在辐射焦散半径外部包层中的波前局部速度受限。增加焦散半径减小模式在速度受限区域分布限制因子，能够有效降低弯曲损耗，现有的可行方法包括：增加弯曲半径，减小包层折射率以及增加模式有效折射率。然而，材料体系确定后，折射率的改变程度是有限的，增加弯曲半径意味着弯曲波导延长，谐振腔自由频谱范围会因此减小。

本申请根据波导弯曲损耗的原理，提供一种光波导，可以降低光波导弯曲损耗。图5所示为本申请光波导10一实施例的横向截面示意图。本申请实施例的光波导10包括衬底层100、包层200、弯曲波导层300和沟槽400。具体地，包层200设于衬底层100上方。弯曲波导层300设于包层200内。沟槽400刻蚀于包层200，沟槽400自包层200的外表面向衬底层100的方向凹陷，在衬底层100的延伸方向上，沟槽400位于弯曲波导层300的外侧。本申请提供的光波导10通过在弯曲波导层300的外侧的包层200上刻蚀沟槽400，可以补偿局部波前相速度，扩大辐射焦散半径，有效降低光波导10的弯曲损耗，且制作工艺简单，成本较低。

需要说明的，光传播方向为纵向，即z方向；垂直于光传播的方向为横向，即x方向；材料生长方向为垂直方向，即y方向。如图5所示，需要说明的，D1表示沟槽深度，即沟槽400的刻蚀深度，也就是沟槽400在垂直方向上自包层200的上表面向衬底层100延伸的距离；D2表示沟槽距波导距离，即沟槽400靠近弯曲波导层300的侧壁，也就是第一侧壁410在横向上与弯曲波导层300的距离。

图6所示为图5所示的光波导10的环形腔实施例的俯视示意图。结合图5和图6，在一些实施例中，弯曲波导层300的形状包括条形。在另一些实施例中，弯曲波导层300形状包括脊形、箱形、柱形、球形或其他形状，本申请不作限制。需要说明的，上述弯曲波导层300的形状为俯视的形状。可选地，沟槽400的横向截面形状可以包括矩形，也可以包括三角形、梯形、圆形、半圆形及其他形状，本申请不作限制。在一些实施例中，如图5所示，沟槽400的横向截面形状为矩形，且其一侧开口，即沟槽400的宽度无限大。可选地，沟槽400的传播方向形状可以包括环形，也可以包括条形及其他形状，本申请不作限制。在一些实施例中，如图6所示，沟槽400的传播方向形状为环形，且环绕弯曲波导层300设置，与弯曲波导层300的形状一致。可选地，沟槽400在传播方向上延伸的长度不作限制。可以理解的，沟槽400延伸的长度可以尽可能地大，以实现更好的抑制光波导10的弯曲损耗的效果。在一些实施例中，如图6所示，光波导10包括平行波导层500，平行波导层500靠近弯曲波导层300设置，沟槽400可以环绕弯曲波导层300设置并终止于平行波导层。

继续参考图5和图6，在一些实施例中，沟槽400填充有填充层，填充层的材料折射率小于包层200的材料折射率。可以理解的，沟槽400可以填充有填充层，也可以不填充任何材料，即沟槽400被空气填充。其中，填充层的材料折射率为，弯曲波导层300的材料折射率为/>，包层200的材料折射率为/>。当沟槽400填充有材料折射率为/>的填充层时，填充层的相速度可以提升为/>。其中，c为真空中的光速。图7所示为图6所示的光波导10的A-A切面出折射率的径向分布示意图。材料折射率沿径向呈阶梯形貌，在填充层处形成折射率势阱，有效增加包层中波前局部相速度，可以大幅度延伸辐射焦散半径，弯曲波导层300的弯曲损耗能够明显得到抑制。根据图7所示，在一些实施例中，沟槽400位于焦散半径R+的位置，即沟槽400与弯曲波导层300中心的距离为/>，可以实现较好的抑制弯曲半径的效果。需要说明的，由于模式在焦散半径外限制因子非常小，材料替换引起的有效折射率变化可以忽略不计。可选地，填充层的材料包括空气、氟化物、聚合物和树脂中的至少一种，保证填充层的材料折射率小于包层200的材料折射率即可，本申请不作限制。

在一些实施例中，包层200的材料折射率小于弯曲波导层300的材料折射率，以进一步降低弯曲损耗。在上述实施例的基础上，包层200的材料可以包括化合物半导体、氮化硅、氧化硅、碳化硅和聚合物中的至少一种。可以理解的，化合物半导体是由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。在本实施例中，化合物半导体包括但不限于InP和GaAs。

在一些实施例中，弯曲波导层300的材料包括化合物半导体、硅、氮化硅、碳化硅、锗硅和铌酸锂中的至少一种。在本实施例中，化合物半导体可以进一步包括III-V族化合物半导体和II-VI族化合物半导体。其中，III-V族化合物半导体可以包括多元III-V族化合物半导体和二元III-V族化合物半导体。在本实施例中，多元III-V族化合物半导体包括但不限于InGaAsP、AlGaInAs、InGaAs及InAlAs；二元III-V族化合物半导体包括但不限于AlP、GaP、InP、AlAs、InAs、GaAs、GaN及AlN；II-VI族化合物半导体包括但不限于ZnSe、CdTe、ZnS、CdS。在一些实施例中，弯曲波导层300的材料还可以包括GeC。

可以理解的，当弯曲波导层300的材料确定时，包层200的材料需相应地与弯曲波导层300的材料相匹配。具体地，当弯曲波导层300的材料为多元III-V族化合物半导体时，包层200的材料可以包括InP及GaAs化合物半导体，也可以是氮化硅、氧化硅、碳化硅及聚合物；当弯曲波导层300的材料为多元III-V族化合物半导体以外的材料时，即弯曲波导层300的材料为二元III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体、硅、氮化硅、碳化硅、锗硅、铌酸锂或GeC时，包层200的材料可以包括氮化硅、氧化硅、碳化硅及聚合物。衬底层100的材料包括但不限于硅、化合物半导体和铌酸锂。

可以理解的，衬底层100、包层200和弯曲波导层300的长度、宽度和厚度本申请不作限制，可以根据实际情况进行优化和调整。

在一些实施例中，通过建立包层刻蚀结构模型以设计光波导10。包层刻蚀结构模型可以通过Lumerical或其他模式仿真软件建立。在一些实施例中，沟槽400靠近弯曲波导层300的侧壁与弯曲波导层300的距离，即沟槽距波导距离D2是通过包层刻蚀结构模型，根据填充层的材料确定的。在一些实施例中，沟槽400的刻蚀深度，即沟槽深度D1是根据填充层的材料和沟槽400靠近弯曲波导层300的侧壁与弯曲波导层300的距离确定的。在一些实施例中，沟槽400的宽度是根据填充层的材料、沟槽400靠近弯曲波导层300的侧壁与弯曲波导层300的距离和沟槽400的刻蚀深度确定的。

在一个实施例中，如图5所示，弯曲波导层300的材料为氮化硅，其厚度为0.15μm，宽度为0.8μm，弯曲半径为40μm，其周围被包层200包覆；包层200的材料为氧化硅，包层200的厚度为10μm，弯曲波导层300的中心和包层200的中心重合，即弯曲波导层300的中心距离包层200上表面的距离为5μm；衬底层100的材料为硅，且弯曲波导层300距离衬底层100足够远以使模式向衬底层100泄露最小化。填充层的材料采用折射率小于氧化硅的材料，在本实施例中，填充层的材料为空气。

在本实施例中，图8所示为图5所示的光波导10在填充层为空气时损耗随沟槽距波导距离变化曲线示意图。如图8所示，相比于未刻蚀沟槽的光波导，刻蚀有沟槽400的光波导10的弯曲损耗明显降低。可以根据图8得知的，沟槽400与弯曲波导层300的距离越大，弯曲损耗的抑制效果越弱。需要说明的，光波导10弯曲损耗随沟槽距波导距离D2增加，先减小后增加而非线性增加，这是由于距离弯曲波导层300过近，沟槽400影响模场分布，有效折射率降低，从而导致弯曲损耗增加。如图8所示，在沟槽距波导距离D2保持在0.5μm~1μm的范围时，光波导10的弯曲损耗的抑制效果较明显，光波导10的弯曲损耗较小。图9所示为图5所示的光波导10在填充层为空气时光波导10有效折射率随沟槽距波导距离变化曲线示意图。图9为图8对应有效折射率分布图。如图9所示，随着沟槽距波导距离D2增加，模式有效折射率增加。

在本实施例中，图10所示为图5所示的光波导10在填充层为空气时损耗随沟槽深度变化曲线示意图。如图10所示，相比于未刻蚀沟槽的光波导，刻蚀有沟槽400的光波导10的弯曲损耗明显降低。随着沟槽深度D1增加，光波导10的弯曲损耗降低。如图10所示，在沟槽深度D1保持在5μm~10μm的范围时，光波导10的弯曲损耗的抑制效果较明显，光波导10的弯曲损耗较小。可以理解的，包层200的厚度为10μm，当沟槽深度D1为5μm时，沟槽400的底面靠近弯曲波导层300，沟槽400对场的影响加剧，辐射损耗骤降；当沟槽深度D1为10μm时，沟槽深度D1等于包层200的厚度，沟槽400的底面为衬底层100，此时包层200完全被刻蚀，衬底层100露出。因此，在一些实施例中，沟槽深度D1大于或等于弯曲波导层300与包层200的外表面的距离，且小于或等于包层200的厚度，光波导10的弯曲损耗的抑制效果较明显，弯曲损耗较小。可以理解的，根据包层刻蚀结构模型，沟槽深度D1越大，弯曲损耗抑制的效果越明显，即沟槽深度D1可以大于包层200的厚度，此时沟槽400刻蚀于包层200和衬底层100。

在本实施例中，图11所示为图5所示的光波导10在填充层为空气时损耗随弯曲波导层300的弯曲半径变化曲线示意图。如图11所示，在弯曲半径相同的情况下，刻蚀沟槽400可以明显降低弯曲损耗；未刻蚀沟槽的情况下，弯曲损耗随半径增加而降低。因此，在弯曲波导层300的弯曲半径较小的情况下，刻蚀沟槽400可以显著降低弯曲损耗。

在本实施例中，图12所示为图5所示的光波导10在填充层为空气时损耗随沟槽宽度变化曲线示意图。其中，沟槽宽度为沟槽400的宽度，即沟槽400靠近弯曲波导层300的侧壁与相对的侧壁之间的距离。如图12所示，随着沟槽宽度增加，光波导10的弯曲损耗降低，即沟槽宽度越大，弯曲损耗越小。因此，在一些实施例中，如图5所示，沟槽400为开放式结构，沟槽400远离弯曲波导层300一侧是敞开的。此时，沟槽宽度无限大，弯曲损耗的抑制效果较好。需要说明的，上述对于沟槽宽度的限制仅作为较佳实施例，不应当构成对本申请的限制。

在一个实施例中，在上述实施例的基础上更换填充层的材料为折射率1.4的材料。上述折射率为1.4的材料包括但不限于树脂和聚合物。在本实施例中，图13所示为图5所示的光波导10在填充层的材料折射率为1.4时损耗随沟槽距波导距离变化曲线示意图。如图13所示，刻蚀沟槽400情况下的弯曲损耗明显低于不带有沟槽的弯曲波导。弯曲损耗随着沟槽距波导距离D2增加而增加。

在本实施例中，图14所示为图5所示的光波导10在填充层的材料折射率为1.4时损耗随沟槽深度变化曲线示意图。如图14所示，弯曲损耗随着沟槽深度D1增加而减小。如图14所示，在沟槽深度D1保持在5μm~10μm的范围时，光波导10的弯曲损耗的抑制效果较明显，光波导10的弯曲损耗较小。可以理解的，在本实施例中，包层200的厚度为10μm，当沟槽深度D1为5μm时，沟槽400的底面在水平方向上靠近弯曲波导层300，沟槽400对场的影响加剧，辐射损耗骤降；当沟槽深度D1为10μm时，沟槽深度D1等于包层200的厚度，沟槽400的底面为衬底层100，此时包层200完全被刻蚀，衬底层100露出。因此，在一些实施例中，沟槽深度D1大于或等于弯曲波导层300与包层200的上表面的距离，且小于或等于包层200的厚度，光波导10的弯曲损耗的抑制效果较明显，弯曲损耗较小。可以理解的，根据包层刻蚀结构模型，沟槽深度D1越大，弯曲损耗抑制的效果越明显，即沟槽深度D1可以大于包层200的厚度，此时沟槽400刻蚀于包层200和衬底层100。

在本实施例中，图15所示为图5所示的光波导10在填充层的材料折射率为1.4时损耗随弯曲波导层300的弯曲半径变化曲线示意图。如图15所示，弯曲损耗随着弯曲波导层300的弯曲半径增加而减小。

在本实施例中，图16所示为图5所示的光波导10在填充层的材料折射率为1.4时弯曲损耗随沟槽宽度变化曲线示意图。如图16所示，弯曲损耗随着沟槽宽度增加而降低，即沟槽宽度越大，弯曲损耗越小。因此，在一些实施例中，如图5所示，沟槽400为开放式结构，沟槽400远离弯曲波导层300一侧是敞开的。此时，沟槽宽度无限大，弯曲损耗的抑制效果较好。需要说明的，上述对于沟槽400的宽度的限制仅作为较佳实施例，不应当构成对本申请的限制。

在一个实施例中，图17所示为本申请光波导10另一实施例的横向截面示意图。在本实施例中，沟槽400的横向截面形状为三角形，D2表示沟槽距波导距离，即三角形截面的中线与弯曲波导层300的距离，D1表示沟槽深度，即沟槽400的底部端点与包层200的上表面的距离。图18所示为图17所示的光波导10在填充层为空气时损耗随弯曲波导层300的弯曲半径变化关系示意图。与未刻蚀沟槽的光波导相比，三角形截面的沟槽400具有明显抑制弯曲损耗的效果。

本申请实施例的光波导10根据弯曲波导辐射损耗的原理，通过阶梯折射率结构，即刻蚀于包层200的沟槽400，以抑制弯曲波导层300的弯曲损耗，相比现有优化弯曲波导层尺寸的方法更加简单且效果明显；而且支持小半径低损耗弯曲波导层300，如此可以扩大环形谐振器的自由频谱范围，以减小器件尺寸。

图19所示为本申请光波导10设计方法一实施例的流程示意图。本申请实施例的光波导10设计方法包括步骤S100至S300：

在步骤S100中，获取衬底层100、包层200和弯曲波导层300的特征参数。

在步骤S200中，将包层200设于衬底层100上方，将弯曲波导层300设于包层200内。

在步骤S300中，刻蚀沟槽400于包层200，形成光波导10。

其中，沟槽400自包层200的外表面向衬底层100的方向凹陷，在衬底层100的延伸方向上，沟槽400位于弯曲波导层300的外侧。

具体地，衬底层100、包层200和弯曲波导层300的特征参数包括但不限于衬底层100的长度、宽度、厚度和材料，包层200的长度、宽度、厚度和材料及弯曲波导层300的长度、宽度、厚度、材料和弯曲半径。其中，衬底层100的材料包括但不限于硅、化合物半导体和铌酸锂；包层200的材料包括但不限于化合物半导体、氮化硅、氧化硅、碳化硅和聚合物；弯曲波导层300的材料包括但不限于化合物半导体、硅、氮化硅、碳化硅、锗硅、铌酸锂和碳化锗。

在一些实施例中，根据获取衬底层100、包层200和弯曲波导层300的特征参数，形成对应的衬底层100、包层200和弯曲波导层300。

图20所示为图19所示的光波导10设计方法的步骤S100一实施例的流程示意图。在一些实施例中，步骤S100可以包括步骤S110和步骤S120：

在步骤S110中，确定弯曲波导层300的弯曲半径和厚度。

在步骤S120中，根据弯曲波导层300的弯曲半径和厚度，确定弯曲波导层300的宽度。

在一些实施例中，在步骤S110中，可以根据器件性能确定弯曲波导层300的弯曲半径和厚度。具体地，在环形滤波器的设计中，自由频谱范围与弯曲波导层300的弯曲半径有关，弯曲半径越小，自由频谱范围越大。

可选地，LIGENTEC可以提供材料为氮化硅的弯曲波导层300，其厚度可以是0.15μm、400μm或800μm。在一个实施例中，确定弯曲波导层300的弯曲半径为40μm，弯曲波导层300的厚度为0.15μm。根据弯曲半径和厚度，在0.6μm~2μm的范围内，确定宽度为0.8μm。需要说明的，LIGENTEC为提供氮化硅材料的工艺平台。

图21所示为图19所示的光波导10设计方法的步骤S300一实施例的流程示意图。在一些实施例中，步骤300可以包括步骤310、步骤320和步骤330：

在步骤310中，确定用于填充沟槽400的填充层的材料。

在步骤320中，根据填充层的材料，优化沟槽400的特征参数。

在步骤330中，根据沟槽400的特征参数，刻蚀沟槽400于包层200，并填充填充层于沟槽400，形成光波导10。

在一些实施例中，沟槽400的特征参数包括但不限于沟槽400的横向截面形状、沟槽400靠近弯曲波导层300的侧壁与弯曲波导层300的距离、沟槽400的刻蚀深度和沟槽400的宽度。其中，沟槽400的刻蚀深度为沟槽400自包层200的上表面向衬底层100延伸的距离；沟槽400的宽度为沟槽400靠近弯曲波导层300的侧壁与相对的侧壁之间的距离。

图22所示为图21所示的光波导10设计方法的步骤S310一实施例的流程示意图。在一些实施例中，步骤310可以包括步骤311和步骤312：

在步骤311中，确定包层200的材料。

在步骤312中，根据包层200的材料，选取折射率小于包层200的材料折射率的材料，作为填充层的材料。

在一些实施例中，包层200的材料折射率小于弯曲波导层300的材料折射率。在一些实施例中，包层200的材料包括化合物半导体、氮化硅、氧化硅、碳化硅和聚合物中的至少一种。在本实施例中，化合物半导体包括但不限于InP和GaAs。

在一些实施例中，折射率小于包层200的材料折射率的材料，即填充层的材料，包括空气、氟化物、聚合物和树脂中的至少一种，保证填充层的材料折射率小于包层200的材料折射率即可，本申请不作限制。

图23所示为图21所示的光波导10设计方法的步骤S320一实施例的流程示意图。在一些实施例中，步骤320可以包括步骤321和步骤322：

在步骤321中，根据填充层的材料，利用包层刻蚀结构模型确定沟槽400靠近弯曲波导层300的侧壁与弯曲波导层300的距离。

在步骤322中，根据填充层的材料和沟槽400靠近弯曲波导层300的侧壁与弯曲波导层300的距离，确定沟槽400的刻蚀深度。

在一些实施例中，包层刻蚀结构模型可以通过Lumerical或其他模式仿真软件建立。

继续参考图23，在一些实施例中，步骤320还可以包括步骤323：

在步骤323中，根据填充层的材料、沟槽400靠近弯曲波导层300的侧壁与弯曲波导层300的距离和沟槽400的刻蚀深度，确定沟槽400的宽度。

在一个实施例中，在包层刻蚀结构模型中，首先确定填充层的材料为空气，默认沟槽400的宽度无限大，沟槽400的刻蚀深度等于包层200的厚度（10μm），在0~2.5μm的范围内利用包层200刻蚀结构模型仿真沟槽400靠近弯曲波导层300的侧壁与弯曲波导层300的距离，得到沟槽400靠近弯曲波导层300的侧壁与弯曲波导层300的距离为0.5μm。在填充层的材料为空气，沟槽400靠近弯曲波导层300的侧壁与弯曲波导层300的距离为0.5μm的基础上，在0~10μm的范围内利用包层200刻蚀结构模型仿真沟槽400的刻蚀深度，得到沟槽400的刻蚀深度为10μm。最后，在填充层的材料为空气，沟槽400靠近弯曲波导层300的侧壁与弯曲波导层300的距离为0.5μm，且沟槽400的刻蚀深度为10μm的基础上，利用包层200刻蚀结构模型仿真沟槽400的宽度，得到沟槽400的宽度为无限大。刻蚀具有上述特征参数的沟槽400于包层200，形成光波导10。

对于方法实施例而言，由于其基本对应于装置实施例，所以相关之处参见装置实施例的部分说明即可。方法实施例和装置实施例互为补充。

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 (17)

1.一种光波导，其特征在于，包括：

衬底层；

包层，设于所述衬底层上方；

弯曲波导层，设于所述包层内；

沟槽，刻蚀于所述包层，所述沟槽自所述包层的外表面向所述衬底层的方向凹陷，在所述衬底层的延伸方向上，所述沟槽位于所述弯曲波导层的外侧；其中，

所述光波导的弯曲损耗随所述沟槽的刻蚀深度增大而减小，所述光波导的弯曲损耗随所述沟槽的宽度增大而减小，且所述光波导的弯曲损耗随所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层的距离减小而先减小后增加，且所述沟槽的横向截面形状包括矩形或三角形；

所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层中心的距离根据以下关系式确定：

其中，为所述包层材料折射率，/>为模式有效折射率，y为所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层中心的距离，R为所述弯曲波导层的弯曲半径。

2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述沟槽填充有填充层，所述填充层的材料折射率小于所述包层的材料折射率。

3.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，所述填充层的材料包括空气、氟化物、聚合物和树脂中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层的距离是通过包层刻蚀结构模型，根据所述填充层的材料确定的。

5.根据权利要求4所述的光波导，其特征在于，所述沟槽的刻蚀深度是根据所述填充层的材料和所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层的距离确定的。

6.根据权利要求5所述的光波导，其特征在于，所述沟槽的宽度是根据所述填充层的材料、所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层的距离和所述沟槽的刻蚀深度确定的。

7.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述沟槽的刻蚀深度大于或等于所述弯曲波导层与所述包层的外表面的距离，且小于或等于所述包层的厚度。

8.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述包层的材料折射率小于所述弯曲波导层的材料折射率。

9.根据权利要求8所述的光波导，其特征在于，所述包层的材料包括化合物半导体、氮化硅、氧化硅、碳化硅和聚合物中的至少一种。

10.根据权利要求8所述的光波导，其特征在于，所述弯曲波导层的材料包括化合物半导体、硅、氮化硅、碳化硅、锗硅和铌酸锂中的至少一种。

11.一种光波导设计方法，其特征在于，包括：

获取衬底层、包层和弯曲波导层的特征参数；

将所述包层设于所述衬底层上方，将所述弯曲波导层设于所述包层内；

刻蚀沟槽于所述包层，形成光波导；其中，

所述沟槽自所述包层的外表面向所述衬底层的方向凹陷，在所述衬底层的延伸方向上，所述沟槽位于所述弯曲波导层的外侧，所述光波导的弯曲损耗随所述沟槽的刻蚀深度增大而减小，所述光波导的弯曲损耗随所述沟槽的宽度增大而减小，且所述光波导的弯曲损耗随所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层的距离减小而先减小后增加，且所述沟槽的横向截面形状包括矩形或三角形；

所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层中心的距离根据以下关系式确定：

其中，为所述包层材料折射率，/>为模式有效折射率，y为所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层中心的距离，R为所述弯曲波导层的弯曲半径。

12.根据权利要求11所述的光波导设计方法，其特征在于，所述刻蚀沟槽于所述包层，形成光波导，包括：

确定用于填充所述沟槽的填充层的材料；

根据所述填充层的材料，优化所述沟槽的特征参数；

根据所述沟槽的特征参数，刻蚀所述沟槽于所述包层，并填充所述填充层于所述沟槽，形成所述光波导。

13.根据权利要求12所述的光波导设计方法，其特征在于，所述确定用于填充所述沟槽的填充层的材料，包括：

确定所述包层的材料；

根据所述包层的材料，选取折射率小于所述包层的材料折射率的材料，作为所述填充层的材料。

14.根据权利要求13所述的光波导设计方法，其特征在于，所述包层的材料包括化合物半导体、氮化硅、氧化硅、碳化硅和聚合物中的至少一种，所述折射率小于所述包层的材料折射率的材料包括空气、氟化物、聚合物和树脂中的至少一种。

15.根据权利要求12所述的光波导设计方法，其特征在于，所述根据所述填充层的材料，优化所述沟槽的特征参数，包括：

根据所述填充层的材料，利用包层刻蚀结构模型确定所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层的距离；

根据所述填充层的材料和所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层的距离，确定所述沟槽的刻蚀深度。

16.根据权利要求15所述的光波导设计方法，其特征在于，所述根据所述填充层的材料，优化所述沟槽的特征参数，还包括：

根据所述填充层的材料、所述沟槽靠近所述弯曲波导层的侧壁与所述弯曲波导层的距离和所述沟槽的刻蚀深度，确定所述沟槽的宽度。

17.根据权利要求11所述的光波导设计方法，其特征在于，所述获取衬底层、包层和弯曲波导层的特征参数，包括：

确定所述弯曲波导层的弯曲半径和厚度；

根据所述弯曲波导层的弯曲半径和厚度，确定所述弯曲波导层的宽度。