CN1180284C - 一种基于脊型光波导的多模干涉耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脊型光波导的多模干涉耦合器，包括至少一条输入波导、一个MMI区域和至少一条输出波导，输入波导通过MMI区域与输出波导连接。至少一条输入波导从输入到输出由浅刻蚀区域、taper区域组成。MMI区域为深刻蚀区域。至少一条输出波导从输入到输出由taper区域、浅刻蚀区域组成。还可以在taper区域和MMI深刻蚀区域之间连有深刻蚀区域。本发明解决了垂直方向的多模干涉问题，解决了传统MMI耦合器存在的插入损耗、通道均匀性等问题。具有以下优点：便于与其他集成光波导器件连接，提高了自成像的质量。弯曲部分可为深刻蚀，从而减小了器件尺寸，提高了集成度。
Description
技术领域
本发明涉及集成光波导功分技术领域，特别是涉及一种基于脊型光波导的多模干涉耦合器。
背景技术
光功分器/合波器是光学系统中非常重要的元件。有很多方法和结构可以实现功分功能，如Y分支、X分支、方向耦合器、星型耦合器、多模干涉(MMI)耦合器等，其中MMI耦合器具有尺寸小、容差大、低损耗、大带宽、偏振无关以及高均匀性等优越性，因而MMI耦合器最具吸引力。
经过多年的发展，用于制作光波导的材料有很多种材料，包括SiO2、Si、GaAs、InP、聚合物高分子材料等。尤其是自从基于绝缘体上的硅材料(SOI)材料的脊型光波导在1.3～1.5μm窗口内的传输损耗降低至0.1dB/cm以来，硅材料光集成技术得到迅速的发展，大量的SOI光波导集成器件已被研制出来。SOI材料具有很多优点，尤其是和现有的集成电路具有很好的兼容性。这一点被非常看好，因而得到广泛的研究和应用。
脊型光波导是一种常见的波导类型，采用的材料通常有SOI、GaAs、InP等。传统的脊型MMI耦合器结构如图1所示，主要由输入波导1、MMI区域2和输出波导3组成。输入波导1、输出波导3和MMI区域2的刻蚀深度相同。由于单模条件的限制，均为浅刻蚀(刻蚀深度hr≤Hmax，Hmax为满足单模条件的最大深度)。光从输入波导1入射，进入MMI区域2，发生多模干涉效应，形成自成像效应，在MMI区域2的尾端形成N个像，在每个像的位置放置一条输出波导，即可实现功分的功能。传统脊型MMI耦合器有一些的缺点，如脊型MMI区域的成像质量和刻蚀深度有关。对于浅刻蚀的脊型波导，由于限制变弱，MMI区域的成像质量变差。成像质量不仅会影响到器件的插入损耗、通道均匀性，而且由于存在大折射率差的界面(如SOI波导)，成像质量不良会导致较强的反射。
当脊型波导的芯层材料(如SOI波导中的Si材料)和空气的折射率相差非常大时，在垂直方向也通常存在多模干涉，这种垂直方向上的多模干涉会对MMI耦合器产生一些不良影响，如增大插入损耗等。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于脊型光波导的多模干涉耦合器，采用具有taper结构的深刻蚀(刻蚀深度hr＞Hmax)MMI耦合器来解决传统MMI耦合器存在的插入损耗、通道均匀性等问题。
本发明采用的技术方案是：一种基于脊型光波导的多模干涉耦合器，包括至少一条输入波导、一个MMI区域和至少一条输出波导，输入波导通过MMI区域与输出波导连接；其特征在于至少一条输入波导从输入到输出由第二浅刻蚀区域、第二taper区域组成；MMI区域为深刻蚀区域；至少一条输出波导从输入到输出由第三taper区域、第三浅刻蚀区域组成。
本发明的优点：
1.输入/输出波导的末端设计为浅刻蚀区域(单模脊型波导)，可以方便与其他SOI集成光波导器件连接和提高标准单模光纤耦合的耦合效率。
2.MMI区域设计为深刻蚀区域，大大提高改善了MMI区域的自成像质量，解决了传统MMI耦合器中由于浅刻蚀引起成像不完美等问题。
3.在垂直方向输入场和MMI区域的模场匹配度提高，减小了激发的高阶模分量，解决了垂直方向的多模干涉问题。
4.可以通过深刻蚀将MMI区域由脊型结构改成掩埋型结构，设计上比脊型MMI耦合器更为简单方便。
5.由于输入/输出波导弯曲部分可为深刻蚀，可以大大减小弯曲半径，从而减小器件尺寸，提高集成度。
附图说明
图1传统的MMI耦合器三维结构示意图；
图2本发明1×NMMI耦合器的结构示意图；
图3为图2中A的三维结构示意图；
图4本发明的第一种实施例图；
图5本发明的第二种实施例图；
图6本发明的第三种实施例图；
图7本发明的第四种实施例图；
图8脊型光波导截面图；
图9Taper区域的光场传输；；
图10Taper区域输出端的模斑；
图11传统MMI耦合器的干涉成像；
图12传统MMI耦合器的输出模斑；
图13本发明MMI耦合器的干涉成像；
图14本发明MMI耦合器的输出模斑。
具体实施方式
如图2、3、4、5、6、7所示，一种基于脊型光波导的多模干涉耦合器，包括至少一条输入波导、一个MMI区域和至少一条输出波导，输入波导通过MMI区域与输出波导连接。至少一条输入波导从输入到输出由第二浅刻蚀区域8、第二taper区域9组成；MMI区域为深刻蚀区域11；至少一条输出波导从输入到输出由第三taper区域13、第三浅刻蚀区域14组成；
输入波导中的第二taper区域9和MMI深刻蚀区域11之间连有第二深刻蚀区域10。或输出波导中的第三taper区域13和MMI深刻蚀区域11之间连有第三深刻蚀区域12。
如图4、5、6、7所示，输入波导的第二浅刻蚀区域8和第二taper区域9连接在MMI深刻蚀区域11之前或输入波导的第一浅刻蚀区域4和第一taper区域5连接在第一弯曲波导7之前。
如图4、5、6、7所示，输出波导的第三taper区域13和第三浅刻蚀区域14依次连接在MMI深刻蚀区域11之后或输出波导的第四taper区域17和第四浅刻蚀区域18依次连接在第二弯曲波导15之后。
如图4、5、6、7所示，输入波导的第二浅刻蚀区域8、第二taper区域9和第二深刻蚀区域10依次连接在MMI深刻蚀区域11之前或输入波导的第一浅刻蚀区域4、第一taper区域5和第一深刻蚀区域6依次连接在第一弯曲波导7之前。
如图4、5、6、7所示，输出波导的第三深刻蚀区域12、第三taper区域13和第三浅刻蚀区域14依次连接在MMI深刻蚀区域11之后或输出波导的第四深刻蚀区域16、第四taper区域17和第四浅刻蚀区域18依次连接在第二弯曲波导15之后。
如图3所示，第一taper区域为仅在垂直方向上或在水平方向和垂直方向上均有taper的结构。
如图3所示，MMI深刻蚀区域11为深刻蚀的多模脊型波导或全刻蚀的掩埋型多模波导。
图2为1×NMMI耦合器，1×N耦合器包括一条输入波导、深刻蚀MMI区域和N条输出波导。输入波导包括第一浅刻蚀区域4、第一taper区域5和第一深刻蚀区域6。输出波导包括第四浅刻蚀区域18、第四taper区域17、第四深刻蚀区域16和第二弯曲波导15。光从输入波导第一浅刻蚀区域4输入，经过第一taper区域5，进入第一深刻蚀区域6，光场模斑由单模脊型波导第一浅刻蚀区域4的本征模转换为第一深刻蚀区域6的本征模，然后作为输入场，入射到MMI深刻蚀区域11，发生多模干涉，产生自成像。在MMI末端，各个像分别耦合到相应的输出波导的第三深刻蚀区域12，再经过第四taper区域16，模斑转变为单模脊型波导第四浅刻蚀区域18的本征模。这样实现了光均分的功能。
图4为M×N MMI耦合器。M×N MMI耦合器包括M条输入波导、MMI深刻蚀区域和N条输出波导。输入波导包括第一浅刻蚀区域4、第一taper区域5和第一深刻蚀区域6。输出波导包括第四浅刻蚀区域18、第四taper区域17和第四深刻蚀区域16和第二弯曲波导15。光从输入波导第一浅刻蚀区域4输入，经过第一taper区域5，进入第一深刻蚀区域6，光场模斑由单模脊型波导第一浅刻蚀区域4的本征模转换为第一深刻蚀区域6的本征模，从第一弯曲波导7入射到MMI深刻蚀区域11，发生多模干涉，产生自成像。在MMI末端，各个像分别耦合到相应的输出波导的第二弯曲波导15、第四深刻蚀区域16，再经过第四taper区域17，模斑转变为单模脊型波导第四浅刻蚀区域18的本征模。这样实现了光均分的功能。
图5为M×N MMI耦合器。M×N MMI耦合器包括M条输入波导、MMI深刻蚀区域和N条输出波导。输入波导包括第一浅刻蚀区域4、第一taper区域5和第一深刻蚀区域6。输出波导包括浅第二弯曲波导15、第三浅刻蚀区域14、第三taper区域13和第三深刻蚀区域12。光从输入波导第一浅刻蚀区域4输入，经过第一taper区域5，进入第一深刻蚀区域6，光场模斑由单模脊型波导第一浅刻蚀区域4的本征模转换为第一深刻蚀区域6的本征模，从第一弯曲波导7入射到MMI深刻蚀区域11，发生多模干涉，产生自成像。在MMI末端，各个像分别耦合到相应的输出波导的第三深刻蚀区域12，再经过第三taper区域13，模斑转变为单模脊型波导第三浅刻蚀区域14的本征模，最后经过第二弯曲波导15输出。这样实现了光均分的功能。
图6为M×N MMI耦合器。M×N MMI耦合器包括M条输入波导、MMI深刻蚀区域和N条输出波导。输入波导包括第二弯曲波导7、第二浅刻蚀区域8、第二taper区域9和第二深刻蚀区域10。输出波导包括第四浅刻蚀区域18、第四taper区域17、第四深刻蚀区域16和第二弯曲波导15。光入射到第一弯曲波导7，输入到第二浅刻蚀区域8，经过第二taper区域9，进入第二深刻蚀区域10，光场模斑由单模脊型波导第二浅刻蚀区域8的本征模转换为第二深刻蚀区域10的本征模，从第二深刻蚀区域10入射到MMI深刻蚀区域11，发生多模干涉，产生自成像。在MMI末端，各个像分别耦合到相应的输出波导的第二弯曲波导15、第四深刻蚀区域16，再经过第四taper区域17，模斑转变为单模脊型波导第四浅刻蚀区域18的本征模。这样实现了光均分的功能。
图7为M×N MMI耦合器。M×N MMI耦合器包括M条输入波导、MMI深刻蚀区域和N条输出波导。输入波导包括第二弯曲波导7、第二浅刻蚀区域8、第二taper区域9和第二深刻蚀区域10。输出波导包括第二弯曲波导15、第三浅刻蚀区域14、第三taper区域13和第三深刻蚀区域12。光入射到第一弯曲波导7，输入到第二浅刻蚀区域8，经过第二taper区域9，进入第二深刻蚀区域10，光场模斑由单模脊型波导第二浅刻蚀区域8的本征模转换为第二深刻蚀区域10的本征模，从第二深刻蚀区域10入射到MMI深刻蚀区域11，发生多模干涉，产生自成像。在MMI末端，各个像分别耦合到相应的输出波导的第三深刻蚀区域12，再经过第三taper区域13，模斑转变为单模脊型波导第三浅刻蚀区域14的本征模，最后经过第二弯曲波导15输出。这样实现了光均分的功能。
对于深刻蚀脊型MMI耦合器的设计，可以采用分区域设计的方法。用3D-BPM模拟光在taper区域和弯曲波导中的传播，实现taper结构和弯曲波导的优化设计。对于MMI区域的自成像效应，可以采用3D-MPA方法和3D-BPM方法。
设计一个1×4基于SOI材料的MMI耦合器。根据单模条件，选择了如下结构参数：脊宽Wr＝4μm，脊高hr＝2.0μm，Si层厚度h2＝5μm，Si层折射率n2＝3.455，SiO2层折射率n2＝1.46，计算波长λ＝1.55μm，上表面氧化了一层SiO2。SOI脊型光波导结构如图8所示。MMI区域宽度为40μm，长度约为915μm.。
1.Taper区域光场传输
从深刻蚀的区域通过taper结构过渡到脊型波导的过程，只要taper结构足够长，能量几乎没有损失。在此，作为实施方案之一，设计taper的长度为800μm。图9为taper区域光场传输过程，图10为taper区域光输出端模斑，从图9、10中可见，深刻蚀区域波导本征模场经过taper区域后几乎可以完全转变为浅刻蚀区域波导本征模场，输出场能量保留了99.22％，损耗极小，可以忽略不计。
2.MMI区域多模干涉及其输出
图11、12为传统SOI-MMI的干涉成像与输出模斑。其MMI区域长度和用MPA方法计算值略有变化，约为960μm。从图中可见传统浅刻蚀MMI耦合器成像质量较差，各通道不均匀性和附加损耗都较大。
图13、14为本发明SOI-MMI的干涉成像与输出模斑。结果表明和传统SOI-MMI耦合器相比，本发明MMI耦合器的性能有非常显著的提高。
Claims (8)
1.一种基于脊型光波导的多模干涉耦合器，包括至少一条输入波导、一个MMI区域和至少一条输出波导，输入波导通过MMI区域与输出波导连接；其特征在于至少一条输入波导从输入到输出由第二浅刻蚀区域(8)、第二taper区域(9)组成；MMI区域为深刻蚀区域(11)；至少一条输出波导从输入到输出由第三taper区域(13)、第三浅刻蚀区域(14)组成。
2.如权利要求1所述的一种基于脊型光波导的多模干涉耦合器，其特征在于输入波导中的第二taper区域(9)和MMI深刻蚀区域(11)之间连有第二深刻蚀区域(10)或输出波导中的第三taper区域(13)和MMI深刻蚀区域(11)之间连有第三深刻蚀区域(12)。
3.如权利要求1所述的一种基于脊型光波导的多模干涉耦合器，其特征在于输入波导的第二浅刻蚀区域(8)和第二taper区域(9)连接在MMI深刻蚀区域(11)之前或输入波导的第一浅刻蚀区域(4)和第一taper区域(5)连接在第一弯曲波导(7)之前。
4.如权利要求1所述的一种基于脊型光波导的多模干涉耦合器，其特征在于输出波导的第三taper区域(13)和第三浅刻蚀区域(14)依次连接在MMI深刻蚀区域(11)之后或输出波导的第四taper区域(17)和第四浅刻蚀区域(18)依次连接在第二弯曲波导(15)之后。
5.如权利要求1所述的一种基于脊型光波导的多模干涉耦合器，其特征在于输入波导的第二浅刻蚀区域(8)、第二taper区域(9)和第二深刻蚀区域(10)依次连接在MMI深刻蚀区域(11)之前或输入波导的第一浅刻蚀区域(4)、第一taper区域(5)和第一深刻蚀区域(6)依次连接在第一弯曲波导(7)之前。
6.如权利要求1所述的一种基于脊型光波导的多模干涉耦合器，其特征在于输出波导的第三深刻蚀区域(12)、第三taper区域(13)和第三浅刻蚀区域(14)依次连接在MMI深刻蚀区域(11)之后或输出波导的第四深刻蚀区域(16)、第四taper区域(17)和第四浅刻蚀区域(18)依次连接在第二弯曲波导(15)之后。
7.如权利要求1～6其中任何一项所述的一种基于脊型光波导的多模干涉耦合器，其特征在于所说的第一taper区域(5)、第二taper区域(9)、第三taper区域(13)或第四taper区域(17)为仅在垂直方向上或在水平方向和垂直方向上均有taper的结构。
8.如权利要求1所述的一种基于脊型光波导的多模干涉耦合器，其特征在于MMI深刻蚀区域(11)为深刻蚀的多模脊型波导或全刻蚀的掩埋型多模波导。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
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