CN202929242U - 一种集成型光分路器结构 - Google Patents

Abstract

一种集成型光分路器结构，包括：衬底，在衬底上设有下包层，在下包层上设有芯层，芯层由输入波导、锥形波导、第一输出波导及第二输出波导组成，输入波导的输出端与锥形波导的输入端连接，锥形波导的输出端分别与第一输出波导的输入端及第二输出波导的输入端连接，其特征是，在锥形波导上设有沟槽，并且，沟槽位于锥形波导的中轴线上且与锥形波导的输出端相邻。在锥形波导中引入沟槽，提高了模场的匹配度，使集成型光分路器具有功分比均匀、插入损耗低，工作波长范围大的优点，同时器件结构紧凑、加工难度低、器件良品率高，拓展了器件的应用领域。

Description

一种集成型光分路器结构

技术领域

本实用新型涉及一种用于光通信系统、光计算机系统及光子/光电子集成回路的波导型光分路器，属于集成光学技术领域。

背景技术

光分路器是光通信系统、光计算机系统及集成光学器件的基础元件，在功分器和光干涉仪中它们被用作光分路器或者合路器，例如光开关、衰减器、调制器。光分路器主要有熔融拉锥型和平面波导型两种。熔融拉锥型光分路器的生产工艺因固化胶的热膨胀系数与石英基片、不锈钢管的不一致，在环境温度变化时热胀冷缩的程度就不一致，此种情况容易导致光分路器损坏。熔融拉锥型光分路器为分立元件，不易于与其它光子器件实现单片集成。

平面波导型光分路器是具有体积小、分路路数多等优点，易与波导型滤波器、激光器、探测器等光子器件实现单片集成。目前，平面波导型光分路器主要采用半导体工艺（光刻、腐蚀、显影）制作，输出分支间的间隙不能完全消除；并且，随着材料的折射率差增大，输出分支之间间隙的相对宽度相应变大，单模波导宽度进一步缩小，而输出分支之间的最小间隙仍保持不变，如此在单模波导中，输出分支间的相对宽度进一步变大。因而对于单模波导，高折射率差材料将导致模式匹配度降低，以至于附加损耗增大，进一步增加加工难度，降低器件的良品率，缩小工作波长范围，不易应用于密集波分复用光网络中。而在Y分支处引入反射镜，可以进一步使功分比均匀，但会带来更大的附加损耗继而增大插入损耗，一般要采用立体工艺，加工难度大。

实用新型内容

本实用新型提供一种具有结构紧凑、插入损耗低、功分均匀性高且工作波长范围大的集成型光分路器结构。

本实用新型采用如下技术方案：

一种集成型光分路器结构，包括：衬底，在衬底上设有下包层，在下包层上设有芯层，芯层由输入波导、锥形波导、第一输出波导及第二输出波导组成，输入波导的输出端与锥形波导的输入端连接，锥形波导的输出端分别与第一输出波导的输入端及第二输出波导的输入端连接，其特征是，在锥形波导上设有沟槽，并且，沟槽位于锥形波导的中轴线上且与锥形波导的输出端相邻。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

在锥形波导处引入沟槽（低折射率区），提高了模场的匹配度，使集成型光分路器具有功分比均匀、插入损耗低，工作波长范围大的优点。相对于在锥形波导处制作棱镜或生长低折射率楔区的光分路器，它的结构紧凑，加工难度低，器件良品率高，拓展了器件的应用领域。

附图说明

图1是一种集成型光分路器结构芯层第一个实例的结构图。

图2是锥形波导的结构图。

图3是锥形波导的横截面图。

图4是锥形波导的纵向截面图。

图5是波导的制备工艺流程图。

图6是沟槽宽度以及个数与分支输出能量的关系图。

图7是沟槽个数以及分支角度与分支输出能量的关系图。

图8是锥形波导输入端在工作波长为1.55μm时的模场分布图。

图9是锥形波导输出端在工作波长为1.55μm时的模场分布图。

图10是第一输出波导在工作波长为1.55μm时的输出模场分布图。

图11是第二输出波导在工作波长为1.55μm时的输出模场分布图。

图12是一种集成型光分路器结构芯层第二个实例的结构图。

图13是一种集成型光分路器结构第在工作波长为1.55μm时的光场分布图。

图中1.输入波导，2.锥形波导，3.沟槽，4.第一输出波导,5.第二输出波导，6.第一输出波导与第二输出波导之间的角度；Ⅰ.衬底，Ⅱ.下包层，Ⅲ.芯层,Ⅳ.上包层。

具体实施方式

一种集成型光分路器结构，包括：衬底Ⅰ，在衬底Ⅰ上设有下包层Ⅱ，在下包层Ⅱ上设有芯层Ⅲ，芯层Ⅲ由输入波导1、锥形波导2、第一输出波导4及第二输出波导5组成，输入波导1的输出端与锥形波导2的输入端连接，锥形波导2的输出端分别与第一输出波导4的输入端及第二输出波导5的输入端连接，其特征是，在锥形波导2上设有沟槽3，并且，沟槽3位于锥形波导2的中轴线上且与锥形波导2的输出端相邻。在本实施例中，

在下包层Ⅱ及芯层Ⅲ的上表面上设有上包层Ⅳ；沟槽3的数量为1~4条，即：沟槽3的数量为1、2、3或4条。

图1是本实用新型的第一个实例，由输入波导1，锥形波导2，第一输出波导4与第二输出波导5，沟槽3组成。1.55μm波长的单模光信号从输入波导1输入，经锥形波导2，小部分光损耗，剩余部分耦合到第一输出波导4与第二输出波导5中。

根据模式分析理论，在波的传播方向上即z向波导的横向尺寸不变，光波频率固定，即有传播因子exp[j(βz-ωt)],其中ω为圆频率，β为传播常数，由麦克斯韦方程组，得到如下波方程：

${\▿}^2\stackrel{\→}{E}+K_0^2{\mathrm{\ϵ}}_r\stackrel{\→}{E}=0---\left(1\right)$

其中K₀为自由空间波数，ε_r(x，y)描述了波导横截面折射率分布，各向异性介质中ε_r(x，y)为张量形式。跟据波导情况，方程可约化为相应的标量或半矢量方程，从而简化计算。模式分析的任务是对于给定的波导尺寸及一定的光波频率，确定传播常数β值及相应的模式分布。

束传播法（BPM）不仅能够处理弱导器件，而且能够处理具有突变折射分布的波导器件，目前已广泛应用于光电子器件光传输的模拟设计中，能够分析器件的光波传输特性，优化结构参数，对模场在器件中的传输演变具有直观可知的优点。BPM能够对导模和辐射模作统一处理，不需要另外讨论分支角大小的影响。而且在一定的条件下，仅利用旁轴近似下的波动方程即可处理广角光传输问题。BPM概念简洁（即直接向前传输）、计算效率高、程序通用性强，是许多商用模拟软件的依据。

在弱导近似下，由方程(1)可得单色光的标量亥姆霍兹（Helmholtz）方程

$\frac{{\∂}^2\mathrm{\Φ}}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^2\mathrm{\Φ}}{{\∂y}^2}+\frac{{\∂}^2\mathrm{\Φ}}{{\∂z}^2}+k{(x,y,z)}^2\mathrm{\Φ}=0---\left(2\right)$

其中标量电场E(x,y，z,t)写成

E(x,y,z,t)＝Φ(x,y,z)e^-jωt                (3)

形式，K(x,y,z)=k₀n(x,y,z),k₀为自由空间的波数，n(x,y，z)描述了折射率空间分布。令

$\mathrm{\Φ}(x,y,z)=u(x,y,z)e^{j\stackrel{\‾}{k}z}---\left(4\right)$

其中

是一个常数，代表场量Φ的平均相位变化，称之为参考波数，

称之为参考折射率，显然u为电场Φ的慢变项。将方程(4)代入方程(2)中，得到

$\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂z}^2}+2j\stackrel{\‾}{k}\frac{\∂u}{\∂z}+\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂y}^2}+(k^2-{\stackrel{\‾}{k}}^2)u=0---\left(5\right)$

考虑到u随z变化缓慢，方程(5)中左边第一项可以忽略不计，则有

$\frac{\∂u}{\∂z}=\frac{j}{2\stackrel{\‾}{k}}(\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂y}^2}+(k^2-{\stackrel{\‾}{k}}^2)u)---\left(6\right)$

方程(6)为三维BPM的基本方程，忽略有关y（或x）的项则可得更简单的二维BPM基本方程。从方程(6)可以看出，只要给定输入场u(x,y，z=0)，便可算出Z>0空间的场分布。

根据模式分析理论及束传播法可知，经过锥形波导中的沟槽的光信号会实现光信号的预分离，和第一输出波导4以及第二输出波导5的模式的匹配度提高，光分路器的耦合损耗降低。整个器件布局简单，加工难度小；第一输出波导4以及第二输出波导5的S型设计，使得输出波导更适宜光的分离，进一步减小了光信号的过量损耗。在图9中我们可以看到光在输出波导前就已经实现了光信号的均匀预分离，并顺势逐步平缓的实现了光信号的均匀分离。

图2为锥形波导2的结构图，沟槽3的嵌入，使得光信号在损耗很小的情况下实现了光信号的预分离，提高了锥形波导2输出与第一输出波导4以及第二输出波导5的光信号模式的匹配度。图3是波导的横截面图。图4是锥形波导的纵向截面图。图5是波导的制备工艺流程图，可以看出这种波导加工难度低，实用性强。

本实用新型的提供的集成型光功分器制作过程参照图5，首先，在硅基上铺上一层厚度为20μm折射率为1.46的纯二氧化硅。然后，在纯净的二氧化硅上面再次铺上一层参杂的二氧化硅，其和纯二氧化硅的相对折射率差为0.4%-1.5%之间。随后，利用标准微细加工工艺在参杂的二氧化硅上面涂覆一层光刻胶并光刻。最后，再光刻后的波导上面再次铺上一层20μm的二氧化硅。

在图6、7、8、9、10、11、13中可以看出相对于没有沟槽的集成型光分路器，本实用新型提供的集成型光功分器使集成型光分路器具有功分比均匀、插入损耗低，工作波长范围大的优点。相对于在锥形波导处制作棱镜或生长低折射率楔区的光分路器，它的结构紧凑，加工难度低，器件良品率高，拓展了器件的应用领域。

参照图6，沟槽宽度与分支输出能量的关系图，沟槽宽度为1μm左右时，插入损耗最小，并且沟槽个数为三个时插入损耗降到最低。

参照图7，沟槽个数和分支波导能量的关系图，增加了沟槽以后波导分支输出的能量明显增加，并且在分支角度为7度时插入损耗最低。

参照图8，输入波导的模场分布图。

参照图9，锥形波导输出端的模场分布图，从图中可以看出实现了低损耗状态下的光的预分离。

参照图10，第一输出波导在工作波长为1.55μm时的输出模场分布图。

参照图11，第二输出波导在工作波长为1.55μm时的输出模场分布图，和图10比较可以看出他们的模场分布几乎相同，显示出分路器的功分均匀性很高。

参照图13，为工作波长为1.55μm时输入模场在集成型光分路器中的传输演变情况。可以看出在锥形波导2处，光信号缓步实现了光的预分离，然后光信号低损耗的进入了第一输出波导4与第二输出波导5，两条输出波导的输出模场幅度几乎一致，功分比均匀。

Claims (3)

1.一种集成型光分路器结构，包括：衬底（Ⅰ），在衬底（Ⅰ）上设有下包层（Ⅱ），在下包层（Ⅱ）上设有芯层（Ⅲ），芯层（Ⅲ）由输入波导（1）、锥形波导（2）、第一输出波导（4）及第二输出波导（5）组成，输入波导（1）的输出端与锥形波导（2）的输入端连接，锥形波导（2）的输出端分别与第一输出波导（4）的输入端及第二输出波导（5）的输入端连接，其特征是，在锥形波导（2）上设有沟槽（3），并且，沟槽（3）位于锥形波导（2）的中轴线上且与锥形波导（2）的输出端相邻。

2.根据权利要求1所述的集成型光分路器结构，其特征是，在下包层（Ⅱ）及芯层（Ⅲ）的上表面上设有上包层（Ⅳ）。

3.根据权利要求1或2所述的集成型光分路器结构，其特征是，沟槽（3）的数量为1~4条。

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