CN120065415B - 一种用于硅光芯片的不同材料的波导交叉器件 - Google Patents

一种用于硅光芯片的不同材料的波导交叉器件

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Abstract

本发明公开了一种用于硅光芯片的不同材料的波导交叉器件，其包括相互交叉的上层波导和下层波导，下层波导依次包括第一宽度固定段、第一宽度渐变段、第二宽度固定段、第二宽度渐变段、第三宽度固定段；第一宽度渐变段和第二宽度渐变段呈线性渐变梯形结构，第一宽度渐变段的宽度从第二宽度固定段开始逐渐变小，直至其宽度与第二宽度固定段的宽度相同；第二宽度渐变段的宽度从所述第二宽度固定段开始逐渐变大，直至其宽度与所述第三宽度固定段的宽度相同。本发明的波导交叉结构设计，实现了在硅基波导的低传输损耗、低反射，以及和氮化硅波导之间的低串扰。

Description

一种用于硅光芯片的不同材料的波导交叉器件
技术领域
本发明涉及硅光芯片技术领域，特别是涉及一种用于硅光芯片的不同材料
的波导交叉器件。
背景技术
随着技术的发展，硅光芯片的器件密集程度不断地在增加，并且由于功能、性能等的需要，在器件中会涉及到不同的材料。因此，在硅光芯片上，波导之间的十字交叉结构无法避免。在芯片设计当中，硅基波导作为主要的器件，其传输的光波在经过交叉结构时，损耗必须非常小（约0.01dB），光波反射也必须非常小（<-26dB），如此，才不会引起器件的劣化，以及增加硅光芯片的整体插损。
图1（a）-1（b）为现有量产硅光芯片上的典型波导交叉结构。由于波导之间的垂直距离非常的接近，一般只有80-90nm左右，所以波导之间的会发生串扰，这种串扰不可避免地会对硅光芯片上的波导性能产生影响，主要光波在经过波导交叉结构时造成高损耗以及高反射。如果器件结构的需要，在无法避免的情况下，且波导交叉的数量必须有很多个，那么由于高损耗和高反射，会导致该硅基芯片基本上无法使用。同时由于硅基芯片上的波导制作工艺的原因，相对氮化硅基波导来说，其波导损耗会高出数倍。因此，硅基波导对于损耗的容忍度更低。
需要设计一种波导结构，使得其损耗更低，满足器件的需求。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种用于硅光芯片的不同材料的波导交叉器件，其包括相互交叉的上层波导和下层波导，下层波导依次包括第一宽度固定段、第一宽度渐变段、第二宽度固定段、第二宽度渐变段、第三宽度固定段；第一宽度渐变段和第二宽度渐变段呈线性渐变梯形结构，第一宽度渐变段的宽度从第二宽度固定段开始逐渐变小，直至其宽度与第二宽度固定段的宽度相同；第二宽度渐变段的宽度从第二宽度固定段开始逐渐变大，直至其宽度与第三宽度固定段的宽度相同。
优选地，第一宽度固定段和第三宽度固定段的宽度相同。
优选地，第一宽度渐变段最宽处的宽度与第一宽度固定段宽度相同；第二宽度渐变段最宽处的宽度与第三宽度固定段的宽度相同。
优选地，第一宽度渐变段和第二宽度渐变段的长度相同。
优选地，第一宽度渐变段和第二宽度渐变段的长度为50µm-500µm。
优选地，第二宽度固定段位于上层波导的下方，其长度与上层波导的宽度相同。
优选地，第二宽度固定段的宽度为300nm。
优选地，上层波导的宽度为700nm-800nm。
优选地，第一宽度固定段和第二宽度固定段的宽度为400nm-500nm。
优选地，上层波导为氮化硅波导，下层波导为硅基波导。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1（a）-1（b）为现有技术中双层波导交叉器件的结构图，其中图1（a）示出了双层波导的结构关系，图1（b）示出了双层波导上下两层之间的距离；
图2（a）-2（b）为本发明的双层波导交叉器件的示意性结构图，其中图2（a）为其整体结构图，图2（b）为下层波导的结构图；
图3（a）-3（d）为图1所示的双层波导交叉器件仿真计算的损耗结果，其中图3（a）为波导器件的光波传输路径，图3（b）为器件光波从端口1至端口2的损耗，图3（c）为器光波从端口1至端口1的反射，图3（d）为器件光波从端口1至端口3或4的串扰；
图4（a）-4（c）为图2所示的本发明的双层波导交叉器件示例性结构的仿真计算的损耗结果；图4（a）为器件光波从端口1至端口2的损耗，图4（b）为器光波从端口1至端口1的反射，图4（c）为器件光波从端口1至端口3或4的串扰；
图5（a）-5（b）为本发明的双层波导交叉器件另外两个示例性结构的仿真计算的损耗结果，其中图5（a）为第二宽度固定段1-3的宽度为200nm的损耗，图5（b）为第二宽度固定段1-3的宽度为400nm的损耗。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种不同材料的波导交叉结构进行详细的说明。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。
如图2（a）和2（b）所示，为本发明提出的一种应用于硅光芯片的不同材料的波导交叉器件，其包括相互交叉的上层波导1和下层波导2，上层波导1与下层波导2之间的垂直距离优选为80nm-90nm。上层波导的材料优选为氮化硅，下层波导的材料优选为硅基材料。如图1（a）-1（b）所示，现有技术中两层交叉波导结构器件的损耗较大，上下两层波导均为宽度一致的设计，本发明则将交叉结构波导进行创造性的设计，将下层波导1设计为渐变结构。
如图2（a）-2（b）所示出的，上层波导1和下层波导2间隔一定的距离。下层波导1依次包括第一宽度固定段1-1、第一宽度渐变段1-2、第二宽度固定段1-3、第二宽度渐变段1-4、第三宽度固定段1-5。第一宽度固定段1-1和第三宽度固定段1-5的宽度设计为相同的宽度，第一宽度渐变段1-2和第二宽度渐变段1-4最宽处的宽度与第一和第三宽度固定段1-1、1-5的宽度相同，该宽度优选为400nm-500nm。第一宽度渐变段1-2和第二宽度渐变段1-4呈线性渐变梯形结构，两者的长度优选为相同，且其长度优选为50µm-500µm。第一宽度渐变段1-2的宽度从第二宽度固定段1-1开始逐渐变小，直至其宽度与第二宽度固定段1-3的宽度相同；第二宽度渐变段1-4的宽度从第二宽度固定段1-3开始逐渐变大，直至其宽度与第三宽度固定段1-5的宽度相同。第二宽度固定段1-3位于上层波导2的下方，其长度与上层波导2的宽度相同。上层波导2的宽度为700nm-800nm。第二宽度固定段1-3的宽度并不是越窄越好，优选为300nm；如果将该段的宽度设计的更窄或更宽，将会导致损耗增加，与本发明的设计背道而驰。
下层波导1的厚度优选为210nm-220nm，上层波导2的厚度优选为200-500nm。
通过上面的结构设计，实现了在硅基波导的低传输损耗、低反射，以及和氮化硅波导之间的低串扰。
图3（a）-3（d）为图1（a）-1（b）所示的现有交叉结构波导仿真设计得出的损耗计算结果。图1（b）的示例中，上、下层波导之间的距离为80nm，上层波导（氮化硅波导）的宽度为700nm，下层波导（硅基波导）的宽度为400nm。从仿真设计的计算可以看出，图1（a）-1（b）示出的现有技术的典型的交叉结构，其损耗可高达0.04dB，光波反射可高达21.5dB，如图3（b）-3（c）所示。如图3（d）所示，不同波导之间的串扰可忽略。
图4（a）-4（c）为图2（a）-2（b）所示的本发明的交叉结构波导仿真设计得出的损耗计算结果。图4（a）-4（c）的波导结构，上、下层波导之间的距离为与图1（b）相同，也为80nm，上层波导（氮化硅波导）的宽度为700nm，下层波导（硅基波导）的第一固定段1-1和第三固定1-5的宽度为400nm，第二固定段1-3的宽度为300nm，第一和第二宽度渐变段1-2和1-4的长度为50µm。从图中可以看出，通过本发明设计后的波导交叉结构，其损耗降低到了0.01dB，如图4（a）所示，完全满足对于交叉结构波导损耗的要求；如图4（b）所示，光波反射降低到了-38dB。不同波导之间的串扰抑制为57dB，如图4（c）所示，其性能更佳。
图5（a）-5（b）示出了与图2（a）-2（b）的实施例其他结构及尺寸相同的情况下，第二宽度固定段1-3的宽度为200nm和400nm的仿真计算结果，从计算结果可以看出，损耗分别达到了0.8dB和0.85dB，损耗太大，不能够满足波导设计的要求。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种用于硅光芯片的不同材料的波导交叉器件，其包括相互交叉的上层波导和下层波导，其特征在于：所述下层波导依次包括第一宽度固定段、第一宽度渐变段、第二宽度固定段、第二宽度渐变段、第三宽度固定段；所述第一宽度渐变段和第二宽度渐变段呈线性渐变梯形结构，所述第一宽度渐变段的宽度从所述第二宽度固定段开始逐渐变小，直至其宽度与所述第二宽度固定段的宽度相同；所述第二宽度渐变段的宽度从所述第二宽度固定段开始逐渐变大，直至其宽度与所述第三宽度固定段的宽度相同；所述第二宽度固定段位于所述上层波导的下方，其长度与所述上层波导的宽度相同；所述第二宽度固定段的宽度为300nm；所述第一宽度渐变段和第二宽度渐变段的长度相同，为50µm-500µm。
2.根据权利要求1所述的一种用于硅光芯片的不同材料的波导交叉器件，其特征在于：所述第一宽度固定段和第三宽度固定段的宽度相同。
3.根据权利要求1所述的一种用于硅光芯片的不同材料的波导交叉器件，其特征在于：所述第一宽度渐变段最宽处的宽度与第一宽度固定段宽度相同，所述第二宽度渐变段最宽处的宽度与第三宽度固定段的宽度相同。
4.根据权利要求1所述的一种用于硅光芯片的不同材料的波导交叉器件，其特征在于：所述上层波导的宽度为700nm-800nm。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于硅光芯片的不同材料的波导交叉器件，其特征在于：所述第一宽度固定段和第三宽度固定段的宽度为400nm-500nm。
6.根据权利要求1所述的一种用于硅光芯片的不同材料的波导交叉器件，其特征在于：所述上层波导为氮化硅波导，所述下层波导为硅基波导。
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