專利名稱：一種基于線性錐形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是用于含有十字交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光器件中，像含有十字交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振濾波器和微環(huán)諧振波分復(fù)用器等。
背景技術(shù)：
硅基納米波導(dǎo)是制造集 成型光通信器件的重要材料之一，其波導(dǎo)芯區(qū)和包層的折射率差很大，因此有利于將光約束在芯區(qū)，波導(dǎo)的尺寸可以制作得很小，更適應(yīng)大規(guī)模集成光路高密度集成的要求。并且由于采用硅基波導(dǎo)，與目前標準的COMS工藝兼容。光波導(dǎo)是基本的光子互連器件。對于亞微米級別硅基納米波導(dǎo)，其傳輸損耗非常小，大約為
I.7dB/cm，但是當兩波導(dǎo)相互交叉，形成十字交叉架構(gòu)的波導(dǎo)時，由于在交叉架構(gòu)中光的散射會帶來額外的損耗。對于傳統(tǒng)的平面十字交叉結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)，我們必須考慮它的插入損耗和串擾。特別是對于高折射率材料如SOI (Silicon On Insulator),插入損耗和串擾非常嚴重，這不僅影響了十字交叉波導(dǎo)的性能，也制約了它在光器件領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，研制出具有低插入損耗和低串擾的十字交叉波導(dǎo)是應(yīng)用領(lǐng)域的實際需求，具有非常重要的意義。近年來，有些研究者對十字交叉波導(dǎo)進行了研究，特別是對降低十字交叉波導(dǎo)的插入損耗和串擾的方法進行了研究。例如采用多層的垂直結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)能很好的降低由于十字交叉引入的插入損耗和串擾(Hatakeyama, Loss-less multilevel crossingof busline waveguide in vertically coupled microring resonator filter, IEEEPhotonics Technology Letters, 2004,16 (2) : 473-475),但是多層垂直結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的制作工藝相對平面波導(dǎo)要復(fù)雜的多，不僅制作困難、且成本高。另外，為了降低由十字交叉結(jié)構(gòu)引入的插入損耗和串擾，提出了將多模干涉MMI (multimode interference)用于十字交叉波導(dǎo)中，現(xiàn)有的方案有基于矩形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(Chen，H. and A. ff. Poon,Low-Ioss multimode-interference-based crossings for silicon wire waveguides,IEEE Photonics Technology Letters，2006，18 (21) : 2260-2262)、基于橢圓多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(Fukazawa, T.，et al. , Low loss intersection of Si photonicwire waveguides, Japanese Journal of Applied Physics, 2004,43 (2) : 646-647)。這些方案雖然能降低十字交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的散射損耗并且抑制串擾，但十字交叉結(jié)構(gòu)長度都大于10微米，不利于大規(guī)模集成光路的單片集成。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中十字交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的插入損耗大、串擾嚴重的問題，以及結(jié)構(gòu)尺寸大和制作困難的不足，本發(fā)明給出了一種低損耗、低串擾、尺寸小的基于線性錐形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)。為了解決上述技術(shù)問題提供的技術(shù)方案為一種基于線性錐形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)，所述十字交叉波導(dǎo)包括豎直部分和橫向部分，豎直部分和橫向部分均由依次連接的前直波導(dǎo)區(qū)域、前錐形波導(dǎo)區(qū)域、錐形多模干涉區(qū)域、后錐形波導(dǎo)區(qū)域和后直波導(dǎo)區(qū)域組成，所述橫向部分和豎直部分垂直交叉，且交叉區(qū)域處于錐形多模干涉區(qū)域。進一步，所述豎直部分或橫向部分的前直波導(dǎo)區(qū)域的一端為光輸入端口，光依次經(jīng)過前錐形波導(dǎo)區(qū)域、錐形多模干涉區(qū)域、后錐形波導(dǎo)區(qū)域和后直波導(dǎo)區(qū)域，所述后直波導(dǎo)區(qū)域的一端為光輸出端口。再進一步，所述前直波導(dǎo)區(qū)域、前錐形波導(dǎo)區(qū)域、錐形多模干涉區(qū)域、后錐形波導(dǎo)區(qū)域和后直波導(dǎo)區(qū)域均采用SOI材料，其中，硅和二氧化硅的折射率分別為3. 48和I. 46，波導(dǎo)芯區(qū)和包層的折射率差為2. 02。 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為輸入光的模式在本發(fā)明一種基于線性錐形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中是變化的。單模的輸入光在直波導(dǎo)和錐形波導(dǎo)區(qū)域是單模的，但進入到錐形多模干涉區(qū)域中會依次出現(xiàn)多模、單模和多模情況，且多模是對稱的，接著進入到錐形波導(dǎo)區(qū)域又成為單模，最后以單模輸出。值得注意的是在十字交叉中心處出現(xiàn)單模情況。線性錐形十字型波導(dǎo)是基于波導(dǎo)模場從輸入平面到它的中心和輸出平面的自映像。在十字交叉點中心的自映像抑制了波前的擴展，從而減小了交叉點的散射損耗和串擾。由于輸入場在波導(dǎo)中心，它只會激發(fā)對稱的偶次模場，因而在多模對稱模式中，自映像是對稱干涉。本發(fā)明的有益效果是1、在十字交叉波導(dǎo)的交叉處引入了兩個垂直交叉錐形多模干涉區(qū)域，相對于其它形狀的波導(dǎo)垂直交叉(如直波導(dǎo)垂直交叉)，它具有散射損耗小、串擾低的特點。2、引入兩個垂直交叉錐形多模干涉區(qū)域能減小該波導(dǎo)的尺寸，有利于提高光路集成度。


圖I是本發(fā)明基于線性錐形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是用時域有限差分法FDTD (finite-different time-domain)模擬得到的工作波長在1500nm到1600nm之間，傳統(tǒng)平面十字交叉結(jié)構(gòu)的直波導(dǎo)和本發(fā)明一種基于線性錐形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)的串擾對比圖。圖3是用FDTD模擬得到的工作波長在1500nm到1600nm之間，傳統(tǒng)平面十字交叉結(jié)構(gòu)的直波導(dǎo)和本發(fā)明一種基于線性錐形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)的回波損耗對比圖。圖4是用FDTD模擬得到的工作波長在1500nm到1600nm之間，傳統(tǒng)平面十字交叉結(jié)構(gòu)的直波導(dǎo)和本發(fā)明一種基于線性錐形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)串擾對比圖的插入損耗對比圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明參照圖f圖4，一種基于線性錐形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)由兩個相同部分組成。其中一個部分由直波導(dǎo)區(qū)域、錐形波導(dǎo)區(qū)域、錐形多模干涉區(qū)域、錐形波導(dǎo)區(qū)域和直波導(dǎo)區(qū)域組成。兩部分垂直交叉，且交叉區(qū)域處于錐形多模干涉區(qū)域。所有的區(qū)域模塊都是基于SOI材料，硅和二氧化硅的折射率分別為3. 48和I. 46。其波導(dǎo)芯區(qū)和包層的折射率差為2. 02，由于波導(dǎo)芯區(qū)和包層的折射率差很大，因此有利于將光約束在芯區(qū)，波導(dǎo)的尺寸可以制作得很小，更適應(yīng)大規(guī)模集成光路高密度集成的要求。如圖1，直波導(dǎo)區(qū)域的寬度為W1，錐形波導(dǎo)區(qū)域的小口徑寬度為W1、大口徑寬度為W2，錐形多模干涉區(qū)域的大口徑寬度為W3、長度為L1、小口徑寬度為W4，另一錐形波導(dǎo)區(qū)域的大口徑寬度為W5，長度為L2。在錐形多模干涉區(qū)域，我們可以理論計算得到兩個最低階模式的拍長為
權(quán)利要求
1.一種基于線性錐形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)，其特征在于所述十字交叉波導(dǎo)包括豎直部分和橫向部分，豎直部分和橫向部分均由依次連接的前直波導(dǎo)區(qū)域、前錐形波導(dǎo)區(qū)域、錐形多模干涉區(qū)域、后錐形波導(dǎo)區(qū)域和后直波導(dǎo)區(qū)域組成，所述橫向部分和豎直部分垂直交叉，且交叉區(qū)域處于錐形多模干涉區(qū)域。
2.如權(quán)利要求I所述的基于線性錐形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)，其特征在于所述豎直部分或橫向部分的前直波導(dǎo)區(qū)域的一端為光輸入端口，光依次經(jīng)過前錐形波導(dǎo)區(qū)域、錐形多模干涉區(qū)域、后錐形波導(dǎo)區(qū)域和后直波導(dǎo)區(qū)域，所述后直波導(dǎo)區(qū)域的一端為光輸出端口。
3.如權(quán)利要求I或2所述的基于線性錐形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)，其特征在于所述前直波導(dǎo)區(qū)域、前錐形波導(dǎo)區(qū)域、錐形多模干涉區(qū)域、后錐形波導(dǎo)區(qū)域和后直波導(dǎo)區(qū)域均采用SOI材料，其中，硅和二氧化硅的折射率分別為3. 48和I. 46，波導(dǎo)芯區(qū)和包層的折射率差為2. 02。
全文摘要
一種基于線性錐形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)，所述十字交叉波導(dǎo)包括豎直部分和橫向部分，豎直部分和橫向部分均由依次連接的前直波導(dǎo)區(qū)域、前錐形波導(dǎo)區(qū)域、錐形多模干涉區(qū)域、后錐形波導(dǎo)區(qū)域和后直波導(dǎo)區(qū)域組成，所述橫向部分和豎直部分垂直交叉，且交叉區(qū)域處于錐形多模干涉區(qū)域。本發(fā)明給出了一種低損耗、低串擾、尺寸小的基于線性錐形多模干涉原理的十字交叉波導(dǎo)。
文檔編號G02B6/122GK102749676SQ20121020202
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者樂孜純, 李銳, 董文 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)