專利名稱：并行模式變換器和由其構(gòu)成的光分路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成光電子器件，特別是一種模式變換器和由其構(gòu)成的低損 耗光分路器。
背景技術(shù)：
以絕緣襯底上的硅SOI為基片的光波導(dǎo)和平面光集成回路PLC，可以幫助降 低光芯片的成本，并實(shí)現(xiàn)多功能單片集成。但在基于SOI或其他高材料折射率對(duì) 比基片的平面光集成回路中，在分支結(jié)處的散射損耗是構(gòu)造低損耗器件的障礙。 通用的以二氧化硅為基片的光分路器的額外損耗小于0.5dB，而一個(gè)典型的SOI 的光分路器的額外損耗是大于ldB，大的分支結(jié)損耗是高材料折射率對(duì)比的直接 結(jié)果。
圖l是SOI脊波導(dǎo)的橫截面示意圖。圖l (a)是初始SOI園晶片，包括硅層 8和埋入二氧化硅層2，以及在埋入二氧化硅層2下面的體硅層7;由初始SOI園 晶片加工成的脊波導(dǎo)1的橫截面圖如圖1 (b)所示，埋入二氧化硅層2作為其下 覆蓋層，在硅層8上通過刻蝕或局部氧化形成凸字形的波導(dǎo)脊4及其兩側(cè)的脊波 導(dǎo)平板區(qū)(slabregionoftheridgewaveguide) 5，波導(dǎo)脊4下方為脊波導(dǎo)核心
(ridge waveguide core) 3，它包括從波導(dǎo)脊4的上表面到硅層8的下表面的區(qū) 域，上覆蓋層(top cladding) 6可以是空氣或二氧化硅或其他低折射率材料。最 后形成的脊波導(dǎo)l折射率配置為波導(dǎo)脊4、脊波導(dǎo)核心3、脊波導(dǎo)平板區(qū)5的折 射率nf，下覆蓋層2折射率iv上覆蓋層6折射率nc。
由于在SOI中強(qiáng)烈的材料折射率的對(duì)比(n產(chǎn)3.48與ne或ns = 1.44 ~ 1.8對(duì) 比)，光在行進(jìn)到波導(dǎo)脊的分支結(jié)處時(shí)，原來在硅材料里的光波會(huì)被突然出現(xiàn)在 前方的二氧化硅或其它低折射率材料散射。如圖2 (a)所示，給出了目前基于S0I的1X2光分路器的折射率分布示意圖，圖中，波導(dǎo)脊的硅區(qū)折射率分布12， 二氧化硅區(qū)的折射率分布13，分支結(jié)ll,光散射示意14;圖2 (b)和圖2 (c) 是光場傳輸?shù)哪M結(jié)果圖，圖中，光強(qiáng)沿器件軸線的分布15，光強(qiáng)分布的俯視圖 16，圖中的x軸是光在器件中的傳播方向(光軸方向)，Z軸為光場強(qiáng)度，Y軸 為器件的橫向，在光強(qiáng)沿器件軸線的分布15中可以看出，在靠近分支結(jié)21處對(duì) 光場的散射損耗，即光場強(qiáng)度的衰落。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種并行模式變換器和由其構(gòu)成的光分路器，解決的技 術(shù)問題是在SOI集成光回路中降低光分路器的分支節(jié)處的光場損耗。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案 一種并行模式變換器，在光平板波導(dǎo)上設(shè)有波導(dǎo) 脊，所述光平板波導(dǎo)上分布有并行的多路波導(dǎo)脊，所述各個(gè)并行的多路波導(dǎo)脊， 在輸入端至輸出端脊波導(dǎo)寬度逐漸變寬。
本發(fā)明并行的多路波導(dǎo)脊呈平行分布或扇形分布。 本發(fā)明并行多路波導(dǎo)脊的起點(diǎn)與入射光波前對(duì)齊或不對(duì)齊。 本發(fā)明并行的多路波導(dǎo)脊之間，其各自對(duì)應(yīng)的脊波導(dǎo)模式相互耦合。 一種光分路器，以絕緣體上硅為基片，由入射耦合光波導(dǎo)、單通道模式變換 器、橫向自由傳播區(qū)和模式變換器依次連接組成，所述模式變換器的光平板波導(dǎo) 上設(shè)有并行的多路波導(dǎo)脊，所述波導(dǎo)脊的寬度由輸入端至輸出端逐漸變寬。 本發(fā)明光分路器并行的多路波導(dǎo)脊呈平行分布或扇形分布。 本發(fā)明光分路器的并行多路波導(dǎo)脊的起點(diǎn)與入射光波前對(duì)齊。 本發(fā)明光分路器并行多路波導(dǎo)脊的起點(diǎn)與入射光波前不對(duì)齊。 本發(fā)明光分路器的入射耦合光波導(dǎo)為深刻蝕的脊波導(dǎo)。
本發(fā)明光分路器的單通道模式變換器為在深刻蝕脊波導(dǎo)的波導(dǎo)脊上淺刻蝕成 縱向?qū)挾戎鸩娇s小的淺刻蝕波導(dǎo)脊，橫向自由傳播區(qū)為淺刻蝕脊波導(dǎo)去掉波導(dǎo)脊 后的平板波導(dǎo)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，并行模式變換器在硅基片上深刻蝕和淺刻蝕，以形 成在輸入端至輸出端波導(dǎo)脊寬度逐漸變寬的并行多路脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，降低分支節(jié)處 散射損耗，光分路器采用并行多路脊波導(dǎo)，在通過并行模式變換器的過程中，光 波的分路在從單通道波導(dǎo)模式到多通道并行耦合波導(dǎo)的超模式之間的模式變換的 過程中實(shí)現(xiàn)，光波在這個(gè)變換過程中，可以避免被硅通道之間的二氧化硅所散 射，光分路器的額外損耗就可以被大幅度降低，并與通常低折射率對(duì)比的集成光 路的性能相媲美。


圖l (a)是現(xiàn)有技術(shù)以SOI為基片的光波導(dǎo)初始SOI園晶片示意圖。 圖l (b)是現(xiàn)有技術(shù)以SOI為基片的光波導(dǎo)示意圖。 圖2 (a)是現(xiàn)有技術(shù)基于S0I的1X2光分路器的折射率分布示意圖。 圖2 (b)是現(xiàn)有技術(shù)基于SOI的1X2光分路器的光強(qiáng)沿器件軸線傳輸?shù)哪?擬結(jié)果圖。圖2 (c)是現(xiàn)有技術(shù)基于SOI的1X2光分路器的光強(qiáng)分布的俯視模擬結(jié)果圖。圖3為深刻蝕和淺刻蝕所形成不同脊波導(dǎo)的示意圖，以淺刻蝕單模波導(dǎo)至深 刻蝕多模波導(dǎo)的模式變換器為例。圖4 (a)是本發(fā)明實(shí)施例光分路器(一)中單通道模式變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4 (b)是圖4 (a)的末端波導(dǎo)其模式光強(qiáng)分布和其橫截面的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。圖5 (a)是本發(fā)明實(shí)施例并行模式變換器的立體圖。圖5 (b)是圖5 (a)并行模式變換器的起始點(diǎn)的光強(qiáng)分布圖。圖5 (c)是圖5 (a)并行模式變換器的終點(diǎn)光強(qiáng)分布圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例光分路器(一)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是圖6光分路器的起始端橫截面示意圖。圖8是本發(fā)明實(shí)施例光分路器(二)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
我們用圖3說明由深、淺兩步刻蝕形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，圖3是為深刻蝕和淺刻 蝕所形成不同脊波導(dǎo)之間模式變換結(jié)構(gòu)的示意圖，圖中起始硅平板24，起始于 SOI圓晶片；在其上實(shí)施淺刻蝕形成脊波導(dǎo)22，其波導(dǎo)脊寬度前寬后窄；淺刻蝕 后波導(dǎo)脊兩側(cè)位高位平板區(qū)25;深度刻蝕形成與淺刻蝕脊波導(dǎo)22后部聯(lián)接的深 刻蝕脊波導(dǎo)23，同時(shí)限制淺刻蝕脊波導(dǎo)22兩側(cè)的高位平板區(qū)的橫向尺寸，這里 把這個(gè)有限的高位平板區(qū)稱為肩部21;肩部21與深刻蝕脊波導(dǎo)23兩側(cè)為低位波 導(dǎo)平板26，其為深度刻蝕形成的波導(dǎo)平板區(qū)；在這個(gè)具體例子中，淺刻蝕脊波導(dǎo) 22具有和一個(gè)單模淺刻蝕脊波導(dǎo)相同的主模式，其逐漸收縮的肩部21形成一個(gè) 模式變換器，使淺刻蝕脊波導(dǎo)22的主模平滑過渡到深度刻蝕脊波導(dǎo)23的主模。 在深度刻蝕脊波導(dǎo)23中，由于對(duì)光在橫向的強(qiáng)烈限制，可以有很小的彎曲半徑。在有了圖3的描述和定義后，圖4 (a)給出了后面本發(fā)明實(shí)施例中光分路器 (一)中要用到的單通道模式變換器。硅平板24起始于SOI圓晶片；深刻蝕形成 深刻蝕波導(dǎo)脊31，淺刻蝕形成淺刻蝕波導(dǎo)脊32;位于淺刻蝕波導(dǎo)脊32兩側(cè)的高 位平板層25;高位平板層25上淺刻蝕波導(dǎo)脊32的垂直位置又稱為脊層33。圖4 (b)給出了光場經(jīng)過本實(shí)施例的變換器后在末端處的模式的光強(qiáng)分布與末端波導(dǎo) 橫截面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中末端處的模式的光強(qiáng)分布35，末端波導(dǎo)結(jié)構(gòu)說明如 下刻蝕之后，在硅上覆蓋低折射率材料34，如二氧化硅，脊層33是介于原始 硅平板頂面和由淺刻蝕所形成的表面之間。在這個(gè)模式變換器中，淺刻蝕波導(dǎo)脊 32在末端的寬度Wt—般為制造工藝的最小可允許寬度，由圖4 (b)可看出，通 過這個(gè)模式變換器，逐漸變窄地淺刻蝕波導(dǎo)脊32會(huì)將光場幾乎全部壓至到高位平 板層25，而在脊層33中不留有光能量。在SOI波導(dǎo)分路器中，額外的損耗來自于硅通道間二氧化硅對(duì)光的散射。本 發(fā)明的模式變換器可以避免這一損耗，其在SOI上的實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，多個(gè)波導(dǎo)脊構(gòu)成并行模式變換器43，其中由淺刻蝕形成的各通道波 導(dǎo)脊41的位置和寬度隨波的傳播方向漸變，被刻蝕的波導(dǎo)脊以外的區(qū)域在后續(xù)工 藝中會(huì)被二氧化硅沉積覆蓋。圖5 (b)和圖5 ( (c)所示，從并行模式變換器的 起始點(diǎn)到終點(diǎn)，光場從主要限制于高位平板層25內(nèi)的模式42到多通道淺脊波導(dǎo) 超模式44的變換，多通道淺脊波導(dǎo)超模式44的光場在高位平板層和脊層中都有 分布，并且光場相對(duì)分立地分布在各個(gè)通道中，分路的作用顯示了出來。而在這 個(gè)并行模式變換而達(dá)成的分路中，光場避免了被低折射率材料的直接分割，從而 避免了散射損耗。。如圖6所示，光分路器由入射耦合光波導(dǎo)56、單通道模式變換器55、橫向自 由傳播區(qū)52和并行通道模式變換器57依次連接組成。圖中不同圖線分別代表 虛線二維高斯光束的波前，點(diǎn)畫線深度刻蝕輪廓線，線包圍的區(qū)域以外是被刻蝕的區(qū)域， 實(shí)線淺刻蝕輪廓線，線包圍的區(qū)域之外是被刻蝕的區(qū)域。由淺刻蝕形成的淺波導(dǎo)脊51;在深度刻蝕輪廓包圍內(nèi)施加淺刻蝕而形成的高位平板的光的橫向自由傳播空間區(qū)52;被深度刻蝕之后的區(qū)域53，其在后續(xù)工藝 中會(huì)被二氧化硅沉積覆蓋；光分路后的其中一個(gè)光通道波導(dǎo)的光場模式分布54。 入射耦合光波導(dǎo)56是深度刻蝕形成的深脊波導(dǎo)，其橫截面結(jié)構(gòu)如圖4 (a) 的起始端所示，其導(dǎo)模的主模與光纖的導(dǎo)模主模高效耦合，其后的單通道模式變 換器55結(jié)構(gòu)如圖4 (a)所示，被用來將光場壓至在由第二步淺刻蝕形成的高位 平板層25內(nèi)。之后，是一個(gè)高位平板25的開放自由區(qū)域，這里叫做橫向自由傳 播區(qū)52，是由對(duì)高位平板25實(shí)施深度刻蝕形成的扇形張開的區(qū)域，光在其中傳 播時(shí)不受任何橫向限制，只受平板的垂直方向的限制。其垂直的光場分布將尊循 高位平板層的平板波導(dǎo)模式，而橫向?yàn)楦咚狗植嫉闹娌?。限制在高位平板?5 內(nèi)的光波，經(jīng)過橫向無限制的自由傳播，到達(dá)并行耦合的多通道脊波導(dǎo)模式變換 器一并行模式變換器57。通過調(diào)節(jié)各通道波導(dǎo)脊的寬度和間隔可以使并行多通道脊波導(dǎo)的超模式場分布和來自橫向自由傳播區(qū)52的光束的場分布相匹配，于是單 路光束到多路光束的轉(zhuǎn)換就可以在很低的損耗下完成。在并行模式變換57之后， 再通過如圖3所示的淺刻蝕脊波導(dǎo)到深刻蝕脊波導(dǎo)變換器的結(jié)構(gòu)，分路的光束可 以被進(jìn)一步分離。在制造上，分路器由兩步刻蝕形成第一步深度刻蝕定義邊 界，與入射耦合的深脊波導(dǎo)輪廓，高位平板自由區(qū)的輪廓等，第二步淺度刻蝕定 義淺脊波導(dǎo)的輪廓，形成高位平板層25。在圖6的光分路器實(shí)施例中，并行模式變換器在起始點(diǎn)的橫截面的示例如圖 7所示。這一示例所取橫截面的位置在并行模式變換器的起始點(diǎn)，面對(duì)高位平板 層橫向自由傳播區(qū)52。需要特別指出的是，在這個(gè)起始點(diǎn)位置，淺刻蝕形成的淺 波導(dǎo)脊63的寬度很小，以至于光場主要限制在高位平板層25內(nèi)，這樣就可以和 來自高位平板層的橫向自由傳播區(qū)52的光場分布很好的匹配。這是為什么并行模 式變換器結(jié)構(gòu)可以避免在傳統(tǒng)光波導(dǎo)分路器中的散射損耗的根本原因。各通道波 導(dǎo)脊之間的間距64以及淺波導(dǎo)脊63的寬度62將根據(jù)這個(gè)匹配的需要來設(shè)計(jì)，可 以是不均勻的。從起始點(diǎn)開始，并行模式變換器的波導(dǎo)脊63的寬度將逐漸變寬。光場于是就 會(huì)逐漸從高位平板層25擴(kuò)散到脊層33，同時(shí)在橫向的約束會(huì)越來越強(qiáng)。在并行 模式變換器的另一端，光場會(huì)被幾乎完全分離在各個(gè)單獨(dú)的波導(dǎo)通道中，這時(shí)各 個(gè)通道之間的弱耦合仍然存在，之后通過深度刻蝕引入更強(qiáng)的橫向約束從而使它 們完全隔離。如圖8所示，并行模式變換器中各通道波導(dǎo)脊71的起始位置為從兩邊到中間 依次往后排列；橫向自由傳播區(qū)52與圖6所示的一樣，由淺刻蝕形成的高位平板 層構(gòu)成；主要變化是并行模式變換器的各通道波導(dǎo)脊71的起始點(diǎn)的位置并不與從 高位平板層自由傳播區(qū)52來的柱面波的波前72對(duì)齊越靠中間的通道的起始點(diǎn) 越后開始，通過這樣形成一個(gè)分布式的并行模式變換器73。通過這個(gè)方式，邊緣的脊波導(dǎo)通道先從高位平板層中吸收光，以彌補(bǔ)其處于邊緣位置的不足，從而輸 出端光功率在各個(gè)通道中的分布均勻，或達(dá)到所需的在各通道中的功率分布。本發(fā)明的光分路器，采用了深刻蝕和淺刻蝕形成不同脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的并行模式 變換器，.降低分支節(jié)處散射損耗，并行多路脊波導(dǎo)，在輸入端通過減小波導(dǎo)脊寬 度或者波導(dǎo)脊之間的間距，使各波導(dǎo)脊強(qiáng)烈耦合在一起，其超模式具有類似高斯 光斑的分布；所述并行多路脊波導(dǎo)，在輸出端通過加大波導(dǎo)脊寬度或者波導(dǎo)脊之 間的間距，使各波導(dǎo)脊之間的耦合減弱，其超模式為相對(duì)分離的多路光斑，從而 降低光分路器光場損耗。
權(quán)利要求
1.一種并行模式變換器，在光平板波導(dǎo)上設(shè)有波導(dǎo)脊，其特征在于所述光平板波導(dǎo)上分布有并行的多路波導(dǎo)脊，所述各個(gè)并行的多路波導(dǎo)脊，在輸入端至輸出端脊波導(dǎo)寬度逐漸變寬。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的并行模式變換器，其特征在于所述并行的多路波導(dǎo) 脊呈平行分布或扇形分布。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的并行模式變換器，其特征在于所述并行多路波導(dǎo) 脊的起點(diǎn)與入射光波前對(duì)齊或不對(duì)齊。
4. 根據(jù)權(quán)利要去1或2所述的并行模式變換器，其特征在于所述并行的多路波 導(dǎo)脊之間，其各自對(duì)應(yīng)的脊波導(dǎo)模式相互耦合。
5. —種光分路器，以絕緣體上硅為基片，由入射耦合光波導(dǎo)、單通道模式變換 器、橫向自由傳播區(qū)和模式變換器依次連接組成，其特征在于所述模式變換 器的光平板波導(dǎo)上設(shè)有并行的多路波導(dǎo)脊，所述波導(dǎo)脊的寬度由輸入端至輸出 端逐漸變寬。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光分路器，其特征在于所述并行的多路波導(dǎo)脊呈平行 分布或扇形分布。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光分路器，其特征在于所述并行多路波導(dǎo)脊的起點(diǎn)與 入射光波前對(duì)齊。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光分路器，其特征在于所述并行多路波導(dǎo)脊的起點(diǎn)與 入射光波前不對(duì)齊。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光分路器，其特征在于所述入射耦合光波導(dǎo)為深刻蝕 的脊波導(dǎo)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光分路器，其特征在于所述單通道模式變換器為在深 刻蝕脊波導(dǎo)的波導(dǎo)脊上淺刻蝕成縱向?qū)挾戎鸩娇s小的淺刻蝕波導(dǎo)脊，橫向自由 傳播區(qū)為淺刻蝕脊波導(dǎo)去掉波導(dǎo)脊后的平板波導(dǎo)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種并行模式變換器和由其構(gòu)成的光分路器，解決的技術(shù)問題是在SOI集成光回路中降低光分路器的分支節(jié)處的光場損耗。本發(fā)明的并行模式變換器，在光平板波導(dǎo)上分布有并行的多路波導(dǎo)脊，各個(gè)并行的多路波導(dǎo)脊，在輸入端至輸出端脊波導(dǎo)寬度逐漸變寬。光分路器由入射耦合光波導(dǎo)、單通道模式變換器、橫向自由傳播區(qū)和模式變換器依次連接組成，模式變換器的光平板波導(dǎo)上設(shè)有并行的多路波導(dǎo)脊，波導(dǎo)脊的寬度由輸入端至輸出端逐漸變寬。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，輸入端至輸出端波導(dǎo)脊寬度逐漸變寬的并行多路脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，降低分支節(jié)處散射損耗，光波在這個(gè)變換過程中，可以避免被硅通道之間的二氧化硅所散射。
文檔編號(hào)G02B6/125GK101320111SQ20081009220
公開日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2008年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月4日
發(fā)明者冰 李 申請(qǐng)人:冰 李