WO2016134547A1 - 一种光波导终结装置、光通信设备及终结光波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光波导终结装置，包括盘状结构波导，所述盘状结构波导的外侧壁设有接口，所述接口用于外接光波导端口，所述光波导端口发射的光波从所述接口衍射入所述盘状结构波导的内部，并沿所述盘状结构波导的内侧壁传播直至消减终结。相应地，本发明实施例还公开了一种光通信设备。采用本发明，可以实现终结光波导端口发射出的光波，防止该光波反射回光波导端口，并且具有占用空间小和成本低的特点。

Description

一种光波导终结装置、光通信设备及终结光波的方法 技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光波导终结装置、光通信设备及终结光波的方法。

背景技术

传播光波的介质被称为光波导(OW，Optical Waveguide)，其构成的器件被称为光波导器件，广泛应用于光通信设备。光波导器件通过光波导端口与其它器件连接，闲置或多余的光波导端口需要对其进行防反射处理，若没有进行防反射处理，从该光波导端口发射出的光波会在光波导器件中产生反射，反射回该光波导端口的光会对相关器件的性能造成影响，例如改变激光器的输出光谱。

现有防反射处理的方法是在闲置或多余的光波导端口处连接多模波导(Multimode Waveguide，MMW)，可将光衍射到MMW内，当光传播到MMW的边缘时，部分光会散射到MMW外面，剩下的光会反射到MMW的另一个边缘再反射，每次到达边缘时会散射一部分到外面而损耗，直至消减终结。

然而，光波在MMW内部不断反射的过程中，无法避免仍有少量的反射光还是会回到光波导端口，对相关器件的性能造成影响。进一步地，虽然可通过增大MMW的体积来减少反射回光波导端口的光，但增大MMW的体积会占用芯片更多的空间，不利于芯片微小化发展。

发明内容

本发明实施例提供了一种光波导终结装置、光通信设备及终结光波的方法，可以实现终结光波导端口发射出的光波，防止该光波反射回光波导端口，并且具有占用空间小和成本低的特点。

本发明实施例第一方面提供了一种光波导终结装置，所述光波导终结装置包括盘状结构波导，所述盘状结构波导的外侧壁设有接口，所述接口用于外接光波导端口，所述光波导端口发射的光波从所述接口衍射入所述盘状结构波导 的内部，并沿所述盘状结构波导的内侧壁传播直至消减终结。

在第一方面的第一种可能实现方式中，所述光波导端口的光波发射方向，与光波衍射入所述盘状结构波导后首次传播到的所述盘状结构波导的内侧壁的夹角在指定范围内。

结合第一方面以及第一方面的第一种可能实现方式，在第二种可能实现方式中，所述光波衍射入所述盘状结构波导后首次传播到的所述盘状结构波导的内侧壁为弧形的内侧壁；

所述光波导端口的光波发射方向，与光波衍射入所述盘状结构波导后首次传播到的所述盘状结构波导的内侧壁的夹角在指定范围内，包括：

所述光波导端口的光波发射方向，与所述弧形的内侧壁相切。

结合第一方面或第一方面的第一种可能实现方式，在第三种可能实现方式中，所述盘状结构波导为螺旋盘结构，其半径随旋转角度线性或非线性减小，所述旋转角度为0度到360度。

结合第一方面以及第一方面的第三种可能实现方式，在第四种可能实现方式中，所述光波导端口的内部设有平行的两个内侧壁，其中一个内侧壁与所述盘状结构波导的半径最大的内侧壁相切，另一个内侧壁与所述盘状结构波导的半径最小的内侧壁相切。

结合第一方面或第一方面的第一种可能实现方式，在第五种可能实现方式中，所述盘状结构波导为圆盘结构，其半径为固定值。

结合第一方面的可能实现方式，在第六种可能实现方式中，所述盘状结构波导的内部设置有吸收区，所述吸收区用于吸收光波。

结合第一方面以及第一方面的第六种可能实现方式，在第七种可能实现方式中，所述吸收区为圆盘状。

结合第一方面以及第一方面的第六种可能实现方式，在第八种可能实现方式中，所述吸收区通过在所述盘状结构波导的内部的指定区域进行P/N掺杂形成。

结合第一方面的可能实现方式，在第九种可能实现方式中，所述光波导终结装置还包括吸收层，所述吸收层设置于所述盘状结构波导的上盘面和/或下盘面，用于吸收光波。

结合第一方面以及第一方面的第九种可能实现方式，在第十种可能实现方 式中，所述光波导终结装置还包括透光分隔层，所述透光分隔层设置于所述吸收层与所述盘状结构波导之间。

结合第一方面以及第一方面的第九种可能实现方式，在第十一种可能实现方式中，所述吸收层为Ge/III-V吸收层，所述Ge/III-V表示锗或III-V族元素的半导体。

结合第一方面以及第一方面的第二至第十一任意一种可能实现方式，在第十二种可能实现方式中，所述盘状结构波导的折射率大于外界物质的折射率。

本发明实施例第二方面提供了一种光通信设备，包括光波导端口、基板、套层以及如第一方面所述的光波导终结装置，其中：

所述光波导端口与所述光波导终结装置的接口连接，所述光波导端口和所述光波导终结装置设置于所述基板上，所述套层包裹在由所述光波导端口、所述光波导终结装置和所述基板构成的组件的表面。

本发明实施例第三方面提供了一种终结光波的方法，包括：

接收光波导端口发射的光波；

将所述光波沿预设的盘状结构波导的内侧壁传播，并通过所述盘状结构波导的内侧壁消减所述光波，直至其消减终结。

在第三方面的第一种可能实现方式中，所述接收光波导端口发射的光波之后，还包括：

通过所述盘状结构波导的内部设置的吸收区吸收所述光波。

结合第三方面以及第三方面的第一种可能实现方式，在第二种可能实现方式中，所述接收光波导端口发射的光波之后，还包括：

通过设置于所述盘状结构波导的上盘面和/或下盘面的吸收层，吸收所述光波。

本发明实施例提供的光波导终结装置包括盘状结构波导，该盘状结构波导的外侧设有接口，用于外接其它光波导端口，光波导端口发射的光波从该接口衍射入盘状结构波导的内部，并沿盘状结构波导的内侧壁传播，一方面，传播过程中有部分光会从边缘衍射到盘状结构外部，光波会逐渐损耗直至消减终 结，另一方面，传播过程中光波沿内侧壁维持单向传播，避免光波反射回光波导端口，由上可见，本发明实施例可以实现终结光波导端口发射出的光波，防止该光波反射回光波导端口。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)是本发明实施例提供的一种光波导端口的结构示意图；

图1(b)是本发明实施例提供的一种光波导端口的平面示意图；

图1(c)是本发明实施例提供的一种波长与反射率的关系示意图；

图2(a)是本发明实施例提供的一种光波导端口及多模波导的结构示意图；

图2(b)是本发明实施例提供的一种多模波导反射光的仿真示意图；

图3是本发明实施例提供的一种光波导终结装置的结构示意图；

图4(a)是本发明实施例提供的一种光波导终结装置的平面示意图；

图4(b)是本发明实施例提供的一种光波导终结装置光波传播的仿真图；

图4(c)是本发明实施例提供的另一种光波导终结装置光波传播的仿真图；

图5(a)是本发明实施例提供的另一种光波导终结装置的平面示意图；

图5(b)是本发明实施例提供的又一种光波导终结装置光波传播的仿真图；

图5(c)是本发明实施例提供的又一种光波导终结装置光波传播的仿真图；

图6是本发明实施例提供的另一种光波导终结装置的结构示意图；

图7(a)是本发明实施例提供的又一种光波导终结装置的结构示意图；

图7(b)是本发明实施例提供的又一种光波导终结装置的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种光通信设备的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种终结光波的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于理解本发明实施例，先介绍下与光波导相关的背景技术。传播光波的介质被称为光波导，其构成的器件被称为光波导器件，光波导器件与其它器件相连的端口为光波导端口。下面以硅的光波导(简称为硅波导)为例，说明为何未进行防反射处理的闲置或多余的光波导端口会对光波导器件造成影响，应理解地，原理和结论不仅限于硅的光波导。请参阅图1(a)，图中宽为430nm，高为220nm的光波导端口，设置于BOX(Buried Oxide)基板上，光波在光波导端口内由左向右传播，当光波传播到右边缘时，由于折射率差的原因，一部分光发射出去，而另一部分光会从右向左反射回来，如图1(b)所示。反射回来的光将会对光波导器件造成影响，例如改变激光器的输出光谱等。另外，请参阅图1(c)，图中坐标轴的横坐标表示光波的波长，纵坐标表示反射率，如曲线所示，通信波段(C-band，其波长范围为1520nm至1570nm)的光波的反射率均高于13.5％，可见对光波导端口进行防反射处理尤为重要。

现有防反射处理的方法是在闲置或多余的光波导端口处连接多模波导(Multimode Waveguide，MMW)，可将光衍射到MMW内，当光传播到MMW的边缘时，部分光会散射到MMW外面，剩下的光会反射到MMW的另一个边缘再反射，每次到达边缘时会散射一部分到外面而损耗，直至消减终结。仍以硅的光波导为例说明，请参阅图2(a)，光波导端口耦合到MMW一边的中央，射入MMW的光在MMW内壁上不断反射损耗，如图2(b)所示，最终可把光波的反射率控制在5％以内。应理解地，光波导端口的口径不变，若MMW的体积越大，则反射回光波导端口的光波越少。可见，光波在MMW内部不断反射的过程中，仍不能避免有少量的反射光还是会回到光波导端口，即使可通过增大MMW的体积来减少反射回光波导端口的光，但增大MMW的 体积也会占用芯片更多的空间，不利于芯片微小化发展，另外多重反射光所产生的干涉效应也会对光波导器件造成影响。因此，如何在保证不占用更多空间的前提下，防止光波的反射回光波导端口，同时避免产生干涉效应，是本发明实施例所要解决的问题。

应理解地，光通信是以光波为载波的通信方式，本发明实施例中的光波可以是各种波段的光波，尤其是通信波段的光波。还应理解地，光波是一种电磁波，至少包括横电TE(Transverse Electric)模波和/或横磁TM(Transverse Magnetic)模波。

图3是本发明实施例中的一种光波导终结装置的结构示意图。如图所示本实施例中的光波导终结装置包括盘状结构波导10，其中：

盘状结构波导10的外侧壁设有接口11，接口11用于外接光波导端口，光波导端口发射的光波从接口11衍射入盘状结构波导10的内部，并沿盘状结构波导10的内侧壁传播直至消减终结。

其中，盘状结构波导10的材料可以是各种光波导材料，如硅，这里不作限定，优选地，盘状结构波导10的材料可与光波导端口的材料相同。另外，盘状结构波导10的内侧壁可形成回音壁模WGM(Whispering-gallery Mode)，使光波可贴着盘状结构波导10的内侧壁连续反射，从而实现沿内侧壁传播的效果。需要指出的是，盘状结构波导10的折射率大于外界物质的折射率。

在传播过程中，光波每次在盘状结构波导10的内侧壁反射时，一部分光会穿透内侧壁到盘状结构波导10的外面去，因此光波在多次反射后会逐渐损耗直至终结，可见本发明实施例的光波导终结装置可实现终结光波导端口发射的光波。

本实施例中，光波导端口的光波发射方向，与光波衍射入盘状结构波导10后首次传播到的盘状结构波导10的内侧壁的夹角在指定范围内。目的在于，确保光波首次传播到盘状结构波导10的内侧壁后不会反射回光波导端口，具体地，反射光波的传播方向由反射角确定，根据光的反射定律，反射角由入射角确定，而入射角可理解为上述入射光波和内侧壁的夹角，因此上述夹角的指定范围的设定应保证反射光波不会回到光波导端口，除此之外，还应考虑光波 的波长范围和盘状结构波导10的材料对反射的影响。应理解地，该夹角的指定范围由设计人员预先确定，这里不作限定，例如，波长为1520nm的通信光波，材料为硅的盘状结构波导10，可设定该夹角的指定范围为0度到15度。可选地，若光波衍射入盘状结构波导10后首次传播到的盘状结构波导10的内侧壁为弧形的内侧壁，则光波导端口的光波发射方向与该弧形的内侧壁相切。

作为优选的一种实施方式，盘状结构波导10为螺旋盘结构，其半径随旋转角度线性或非线性减小，所述旋转角度为0度到360度。例如，请参阅图4(a)，图中盘状结构波导10的半径(黑色实线箭头)随着旋转角度(黑色虚线箭头)线性减小，直至旋转一周，图中灰色箭头为光波在传播过程中的光路。本实施方式的优点在于，确保光波在盘状结构波导10内部可沿其内侧壁单向地循环传播直至终结，在整个传播过程中光路也不会回到光波导端口，避免衍射入盘状结构波导10的光波再次反射回光波导端口，具有该优点的原因在于，螺旋盘结构具有一个轮回的内侧壁，只要让光波在其内部传播的光路贴合其内侧壁循环传播，即可避免光路回到光波导端口，下面介绍下让光路贴合内侧壁传播的方法：根据光的反射定律，光的反射角等于入射角，当入射角和反射角越小，两者所连成的光路越与盘状结构波导10的内侧壁的弧度相近，即光路越贴合盘状结构波导10的内侧壁，因而本实施例中，当光波导端口的光波发射方向与该盘状结构波导10的内侧壁相切时，可使光波在传播过程中每次的入射角最小，以使光路更贴合内侧壁，效果最优。除此之外，相对于现有MMW的方形设计，本实施方式的螺旋盘结构占用的面积更小，具有占用空间小和成本低的特点。

进一步可选地，光波导端口和盘状结构波导10的接口11的耦合方式可以是：光波导端口的内部设有平行的两个内侧壁，其中一个内侧壁与盘状结构波导10的半径最大的内侧壁相切，另一个内侧壁与盘状结构波导10的半径最小的内侧壁相切，如图4(a)所示。

请参阅图4(b)和图4(c)，分别为光波中TE模波和TM模波在上述实施方式下的仿真图，其中，TE模波的电场方向平行于波导平面，TM模波的电场方向垂直于波导平面，所述波导平面为图中x轴和y轴所确定的平面。仿真结果显示，从盘状结构波导10反射回光波导端口的光波几乎没有，防反射 处理的效果远远优于现有MMW。

作为次选的一种实施方式，盘状结构波导为圆盘结构，其半径为固定值。例如，请参阅图5(a)，图中盘状结构波导10的半径(黑色实线箭头)不随旋转角度(黑色虚线箭头)变化，为固定值。应理解地，该固定值大于光波导端口的内径，具体取值由设计人员预先确定，这里不作限定，例如，假设光波导端口的内径为1um，那么可设定盘状结构波导10的半径(即固定值)为5um。同理，本实施方式的优点也是可避免衍射入盘状结构波导10的光波再次反射回光波导端口，并具有占用空间小和成本低的特点，原因与上述螺旋盘结构实施方式相似，这里不再赘述。

请参阅图5(b)和图5(c)，分别为光波中TE模波和TM模波在上述实施方式下的仿真图，其中，TE模波的电场方向平行于波导平面，TM模波的电场方向垂直于波导平面，所述波导平面为图中x轴和y轴所确定的平面。仿真结果显示，虽然防反射处理的效果略差于图4(a)的实施方式，但仍远远优于现有MMW。

图6是本发明实施例中另一种光波导终结装置的结构示意图，本实施例是针对图3所提供的光波导终结装置的进一步扩展。如图所示，本发明实施例中的盘状结构波导10的内部还设置有吸收区12，所述吸收区12用于吸收光波。

应理解地，吸收区12吸收光波的优点在于，可损耗在盘状结构波导10内传播的光波，加快光波的终结。

本实施例中，吸收区12可以是圆盘状，进一步可选地，吸收区12的外侧壁与盘状结构波导10的内侧壁之间可形成用于传播光波的轮回通道，该设计的优点在于，吸收区12可吸收掉没有沿盘状结构波导10的内侧壁传播的散射光，确保光路维持单向传播，避免散射光回到光波导端口。需要指出的是，吸收区12的形状并不限定于圆盘状，例如还可以是椭圆状、散开的星状或不规则状等。

具体实现中，吸收区12可通过在盘状结构波导10的内部的指定区域进行P/N掺杂形成。

图7(a)是本发明实施例中又一种光波导终结装置的结构示意图，本实施例是针对图3或图6所提供的光波导终结装置的进一步扩展。如图所示，本发明实施例中的光波导终结装置还包括吸收层20，吸收层20设置于盘状结构波导10的上盘面和/或下盘面，用于吸收光波。

本实施例中，吸收层20可以是单层结构，也可以是多层结构，这里不作限定。在光波导终结装置中设置吸收层20的优点在于，可吸收传播到盘状结构波导10的上盘面和/或下盘面的光波，避免散射光回到光波导端口。

可选地，吸收层20可以为Ge/III-V吸收层，所述Ge/III-V表示锗或III-V族元素的半导体。需要指出的是，吸收层20并不限定于Ge/III-V吸收层，也可以是其它材料吸收层。

作为一种可选的实施方式，光波导终结装置还包括透光分隔层30，透光分隔层30设置于吸收层20与盘状结构波导10之间。例如，请参阅图7(b)，图中透光分隔层30连接在吸收层20与盘状结构波导10之间，用于将盘状结构波导10的光波传播至吸收层20。本实施方式的优点在于，在不影响吸收层20吸收光波的前提下，可避免吸收层20与盘状结构波导10直接接触。

图8是本发明实施例中一种光通信设备的结构示意图，如图所示本发明实施例中的光通信设备包括光波导端口200、基板300、套层400以及如图3、图6、图7(a)和图7(b)任一项所述的光波导终结装置100，其中：

光波导端口200与光波导终结装置100的接口连接，光波导端口200和光波导终结装置100设置于所述基板300上，套层400包裹在由光波导端口200、光波导终结装置100和基板300构成的组件的表面。特别地，套层400的折射率小于光波导终结装置100中盘状结构波导10的折射率。

图9是本发明实施例中一种终结光波的方法的流程示意图，本发明实施例实现于图3、图6、图7(a)或图7(b)所述的光波导终结装置。如图所示本实施例中的终结光波的方法的流程可以包括：

S101，接收光波导端口发射的光波。

S102，将所述光波沿预设的盘状结构波导的内侧壁传播，并通过所述盘状 结构波导的内侧壁消减所述光波，直至其消减终结。

其中，所述预设的盘状结构波导的结构如图3提供的盘状结构波导10，这里不再赘述。

本实施例中，光波导端口的光波发射方向，与光波衍射入盘状结构波导后首次传播到的盘状结构波导的内侧壁的夹角在指定范围内。进一步地，若光波衍射入盘状结构波导后首次传播到的盘状结构波导的内侧壁为弧形的内侧壁，则光波导端口的光波发射方向与该弧形的内侧壁相切。

可选地，接收光波导端口发射的光波之后，还可以通过盘状结构波导的内部设置的吸收区吸收光波。所述吸收区的结构如图6提供的吸收区12，这里不再赘述。

又可选地，接收光波导端口发射的光波之后，还可以通过设置于盘状结构波导的上盘面和/或下盘面的吸收层，吸收所述光波。所述吸收层的结构如图7(a)或图7(b)提供的吸收层20，这里不再赘述。

本发明实施例提供的光波导终结装置包括盘状结构波导，该盘状结构波导的外侧设有接口，用于外接其它光波导端口，光波导端口发射的光波从该接口衍射入盘状结构波导的内部，并沿盘状结构波导的内侧壁传播，一方面，传播过程中有部分光会从边缘衍射到盘状结构外部，光波会逐渐损耗直至消减终结，另一方面，传播过程中光波沿内侧壁维持单向传播，避免光波反射回光波导端口；进一步地，盘状结构波导内还可以设置有用于吸收光波的吸收区，以及光波导终结装置还可以包括用于吸收光波的吸收层，用于吸收掉盘状结构波导内的散射光。由上可见，本发明实施例可以实现终结光波导端口发射出的光波，防止该光波反射回光波导端口。

本发明装置中的部件或层块可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (17)

1. 一种光波导终结装置，其特征在于，所述光波导终结装置包括盘状结构波导，所述盘状结构波导的外侧壁设有接口，所述接口用于外接光波导端口，所述光波导端口发射的光波从所述接口衍射入所述盘状结构波导的内部，并沿所述盘状结构波导的内侧壁传播直至消减终结。
2. 如权利要求1所述的光波导终结装置，其特征在于，所述光波导端口的光波发射方向，与光波衍射入所述盘状结构波导后首次传播到的所述盘状结构波导的内侧壁的夹角在指定范围内。
3. 如权利要求2所述的光波导终结装置，其特征在于，所述光波衍射入所述盘状结构波导后首次传播到的所述盘状结构波导的内侧壁为弧形的内侧壁；

   所述光波导端口的光波发射方向，与光波衍射入所述盘状结构波导后首次传播到的所述盘状结构波导的内侧壁的夹角在指定范围内，包括：

   所述光波导端口的光波发射方向，与所述弧形的内侧壁相切。
4. 如权利要求1或2所述的光波导终结装置，其特征在于，所述盘状结构波导为螺旋盘结构，其半径随旋转角度线性或非线性减小，所述旋转角度为0度到360度。
5. 如权利要求4所述的光波导终结装置，其特征在于，所述光波导端口的内部设有平行的两个内侧壁，其中一个内侧壁与所述盘状结构波导的半径最大的内侧壁相切，另一个内侧壁与所述盘状结构波导的半径最小的内侧壁相切。
6. 如权利要求1或2所述的光波导终结装置，其特征在于，所述盘状结构波导为圆盘结构，其半径为固定值。
7. 如权利要求1所述的光波导终结装置，其特征在于，所述盘状结构波导的内部设置有吸收区，所述吸收区用于吸收光波。
8. 如权利要求7所述的光波导终结装置，其特征在于，所述吸收区为圆盘状。
9. 如权利要求7所述的光波导终结装置，其特征在于，所述吸收区通过在所述盘状结构波导的内部的指定区域进行P/N掺杂形成。
10. 如权利要求1所述的光波导终结装置，其特征在于，所述光波导终结装置还包括吸收层，所述吸收层设置于所述盘状结构波导的上盘面和/或下盘面，用于吸收光波。
11. 如权利要求10所述的光波导终结装置，其特征在于，所述光波导终结装置还包括透光分隔层，所述透光分隔层设置于所述吸收层与所述盘状结构波导之间。
12. 如权利要求10所述的光波导终结装置，其特征在于，所述吸收层为Ge/III-V吸收层，所述Ge/III-V表示锗或III-V族元素的半导体。
13. 如权利要求1-12任一项所述的光波导终结装置，其特征在于，所述盘状结构波导的折射率大于外界物质的折射率。
14. 一种光通信设备，其特征在于，所述光通信设备包括光波导端口、基板、套层以及如权利要求1-13任一项所述的光波导终结装置，其中：

    所述光波导端口与所述光波导终结装置的接口连接，所述光波导端口和所述光波导终结装置设置于所述基板上，所述套层包裹在由所述光波导端口、所述光波导终结装置和所述基板构成的组件的表面。
15. 一种终结光波的方法，其特征在于，所述方法包括：

    接收光波导端口发射的光波；

    将所述光波沿预设的盘状结构波导的内侧壁传播，并通过所述盘状结构波导的内侧壁消减所述光波，直至其消减终结。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述接收光波导端口发射的光波之后，还包括：

    通过所述盘状结构波导的内部设置的吸收区吸收所述光波。
17. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述接收光波导端口发射的光波之后，还包括：

    通过设置于所述盘状结构波导的上盘面和/或下盘面的吸收层，吸收所述光波。

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