專利名稱:脊波導(dǎo)耦合的y型分支器和由其構(gòu)成的1×n分支器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成光電子器件，特別是一種脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器和由其構(gòu)成的IXN的分支器。
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，而其中“Y型分支器”是光波導(dǎo)和PLC中一種運(yùn)用廣泛的分流結(jié)構(gòu)。在基于SOI或其他高材料折射率對(duì)比的光波導(dǎo)和PLC中，光在行進(jìn)到分支結(jié)處時(shí)，光波會(huì)被忽然出現(xiàn)在前方的二氧化硅或其他低折射率材料散射，在分支結(jié)處產(chǎn)生較大的額外損耗。通用的以二氧化娃為基片的Y型分支器的額外損耗小于O. 5dB,而一個(gè)典型的基于SOI的Y型分支器的額外損耗大于ldB，可見(jiàn)如何降低這一額外損耗是構(gòu)造低損耗器件的難題。
公開(kāi)號(hào)為CN 101546014A的專利申請(qǐng)?zhí)岢隽四Ｊ綕u變?cè)淼拇髮拵型分支器，其結(jié)構(gòu)包含一條漸變輸入光波導(dǎo)和兩條S型錐形輸出光波導(dǎo)，三條波導(dǎo)完全不連通。這個(gè)Y型分支器試圖利用模式耦合漸變?cè)斫档蛡鹘y(tǒng)Y型分支器由于支節(jié)處尖角的光刻限制而形成的額外損耗，但其結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不合理并不適用于高折射率對(duì)比材料，由于三條波導(dǎo)完全不連通，除非尺寸極小，高折射率對(duì)比材料波導(dǎo)無(wú)法發(fā)生有效耦合，而S型錐形光波導(dǎo)這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，使器件性能很難優(yōu)化，此外模式耦合漸變要求很長(zhǎng)的耦合距離，這要求S型的曲率小，而小的S型曲率又無(wú)法滿足Y分支張開(kāi)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明醞釀成形于2006年12月，本發(fā)明的目的是提供一種脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器和由其構(gòu)成的IXN分支器，通過(guò)波導(dǎo)脊型結(jié)構(gòu)的精巧設(shè)計(jì)，使光場(chǎng)可以通過(guò)連通的平板層實(shí)現(xiàn)無(wú)散射的分流和分離，以降低Y型分支器中分支結(jié)構(gòu)分支結(jié)處的散射損耗，并減小器件結(jié)構(gòu)尺寸。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器，由脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成，所述脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由在高折射率材料的平板層上制作脊型結(jié)構(gòu)并覆蓋低折射率材料而形成；
所述Y型分支器從輸入到輸出依次由輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成；
所述輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由輸入波導(dǎo)脊和平板層組成，所述輸入波導(dǎo)脊從起始端到結(jié)束端寬度由寬逐漸變窄，且結(jié)束端的寬度不大于其平板層的高度；
所述輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由兩支輸出波導(dǎo)脊和平板層組成，所述兩支輸出波導(dǎo)脊分列所述輸入波導(dǎo)脊的兩側(cè)，其寬度從起始端到結(jié)束端由窄逐漸變寬，且起始端的寬度不大于其平板層的高度，所述兩支輸出波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸分別與所述輸入波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸成一定張角；[0010]所述分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由兩支分支波導(dǎo)脊和平板層組成，所述兩支分支波導(dǎo)脊分別與所述兩支輸出波導(dǎo)脊相連；
所述輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的平板層連通，且各個(gè)平板層的高度相同，而所述輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)脊和所述輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)脊不連通，且各波導(dǎo)脊之間由溝槽隔離；
所述輸入波導(dǎo)脊的寬度變化率與所述兩支輸出波導(dǎo)脊的寬度變化率和張角相對(duì)應(yīng)，即當(dāng)所述輸入波導(dǎo)脊寬度變化率較大時(shí)，所述兩支輸出波導(dǎo)脊的寬度變化率和張角也相應(yīng)較大。
如前所述的脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器，在一些實(shí)施例中，所述兩支輸出波導(dǎo)脊的 波導(dǎo)軸與輸入波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸之間的張角為零。
如前所述的脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器，所述兩支輸出波導(dǎo)脊關(guān)于所述輸入波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸對(duì)稱或者不對(duì)稱。如前所述的脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器所述兩支輸出波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸與輸入光場(chǎng)在其起始端處的波前法線方向一致，或者所述兩支輸出波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸上任意一點(diǎn)的切線方向與輸入光場(chǎng)在該點(diǎn)處的波前法線方向始終一致。
如前所述的脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器，當(dāng)所述兩支輸出波導(dǎo)脊的起始端位于所述輸入波導(dǎo)脊的起始端和結(jié)束端之間時(shí)，前述各溝槽底部到各平板層的垂直距離與其下方的平板層高度相等或者不相等，且隔離所述輸入波導(dǎo)脊和所述兩支輸出波導(dǎo)脊的溝槽關(guān)于所述輸入波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸對(duì)稱或者不對(duì)稱。所述各溝槽底部到所述各平板層底部的垂直距離沿光傳播方向一致或者變化。當(dāng)所述垂直距離沿光傳播方向變化時(shí)，其變化趨勢(shì)為先增大后減小。
如前所述的脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器，所述兩支輸出波導(dǎo)脊的起始端也可以與所述輸入波導(dǎo)脊的結(jié)束端在同一與光傳播方向垂直的截面上。
如前所述的脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器，其中，所述輸入波導(dǎo)脊的邊緣和與其相鄰的所述兩支輸出波導(dǎo)脊邊緣平行或者不平行。
一種由前述的脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器構(gòu)成的IXN分支器，其中，所述IXN分支器由N-I個(gè)所述Y型分支器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。
本發(fā)明公開(kāi)的技術(shù)方案，其有益效果包括
I、降低了分支結(jié)處的額外損耗，且本發(fā)明結(jié)構(gòu)對(duì)偏振和波長(zhǎng)均不敏感，其性能可與常用低折射率對(duì)比材料的集成光路相媲美。
本發(fā)明公開(kāi)的Y型分支器的光場(chǎng)能量轉(zhuǎn)移是通過(guò)連通三個(gè)脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的平板層實(shí)現(xiàn)，散射損耗少。當(dāng)光波在本發(fā)明的分支器結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，在輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的相互配合下，光場(chǎng)能量在輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的脊區(qū)所占的比例逐漸減小，分布在平板層的光場(chǎng)能量比例逐漸增加，并且光場(chǎng)在平板層的橫向?qū)挾戎饾u擴(kuò)大，光場(chǎng)能量通過(guò)平板層逐漸進(jìn)入輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，最終成為輸出漸變脊波導(dǎo)的導(dǎo)模輸出。在這一過(guò)程中，輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)脊區(qū)的光場(chǎng)能量會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到平板層，在輸入波導(dǎo)脊結(jié)束端處，輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)脊區(qū)的光場(chǎng)能量所占比例已經(jīng)很小，因此減少了輸入波導(dǎo)脊結(jié)束端處光波前方的忽然出現(xiàn)的二氧化硅或其他低折射率材料對(duì)整個(gè)光場(chǎng)的散射，降低了分支結(jié)處的額外損耗。
2、有利于波導(dǎo)尺寸的減小。[0023]輸入波導(dǎo)脊的寬度變化率與兩支輸出波導(dǎo)脊的寬度變化率和張角相對(duì)應(yīng)。當(dāng)輸入波導(dǎo)脊脊寬變化率大時(shí)，所述兩支輸出波導(dǎo)脊的寬度變化率和所述張角也相應(yīng)較大，因此器件尺寸相應(yīng)較小。反之，所述兩支輸出波導(dǎo)脊的寬度變化率和張角則相應(yīng)較小，器件尺寸相應(yīng)較大。
所述輸入波導(dǎo)脊和輸出波導(dǎo)脊之間的溝槽，其底部到平板層底部的垂直距離影響著本發(fā)明的分支器結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)能量轉(zhuǎn)移速度及輸出光場(chǎng)的兩個(gè)光斑的分開(kāi)速度。在光場(chǎng)能量開(kāi)始經(jīng)平板層從輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)，增大所述垂直距離能使光場(chǎng)能量更快地轉(zhuǎn)移到輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在大部分光場(chǎng)能量轉(zhuǎn)移到輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)減小所述垂直距離，能使輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中光場(chǎng)的兩個(gè)光斑能快速分開(kāi)，并成為輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)模，再經(jīng)分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)輸出，因此相對(duì)于溝槽底部到各平板層底部的垂直距離與其下方的平板層高度相等的情況，整個(gè)器件的結(jié)構(gòu)尺寸能得到較大幅度地減小。


·[0025]圖I是本發(fā)明公開(kāi)的脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖2是圖I所示脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器的俯視圖。
圖3(a)_(c)是對(duì)應(yīng)圖I脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器光傳輸方向上a_c處橫截面的光場(chǎng)分布圖。
圖4給出了常見(jiàn)脊波導(dǎo)的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是圖4所示的脊波導(dǎo)不同尺寸對(duì)應(yīng)的橫截面光場(chǎng)分布圖。
圖7是本發(fā)明公開(kāi)的Y型分支器在圖I中b截面處的橫截面示意圖。
圖8是本發(fā)明公開(kāi)的脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器的第二個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖9是本發(fā)明公開(kāi)的脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器的第三個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖10是本發(fā)明公開(kāi)的脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器構(gòu)成的I XN分支器的俯視圖，以1X4為例。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明
圖I給出了本發(fā)明的Y型分支器一個(gè)實(shí)施例。圖I所示的Y型分支器是在SOI晶圓片上或其他高折射率材料的平板層上制作脊型結(jié)構(gòu)，并覆蓋SiO2或其他低折射率材料形成的，從輸入到輸出依次由輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)I、輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2和分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)3組成。其中，輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)I由輸入波導(dǎo)脊10和平板層11組成，輸入波導(dǎo)脊10從起始端到結(jié)束端寬度由寬逐漸變窄，且結(jié)束端的寬度不大于平板層11的高度Hll ;輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2由兩支輸出波導(dǎo)脊20、21和平板層22組成，兩支輸出波導(dǎo)脊20、21分列所述輸入波導(dǎo)脊10的兩側(cè)，其寬度從起始端到結(jié)束端由窄逐漸變寬，且起始端的寬度不大于平板層22的高度H22 ;分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)3由兩支分支波導(dǎo)脊30、31和平板層32組成，兩支分支波導(dǎo)脊30、31分別與所述兩支輸出波導(dǎo)脊20、21相連。輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)I、輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2和分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)3的平板層11、22、32連通，其高度H11、H22、H32均相等，但輸入波導(dǎo)脊10和輸出波導(dǎo)脊20、21不連通。[0036]圖I所示的實(shí)施例中，制作脊型結(jié)構(gòu)的平板層下面有低折射率材料作為下覆蓋層存在，從而使平板層成為平板波導(dǎo)層。
分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)3的兩支分支波導(dǎo)脊30和31之間的張角和輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中兩支輸出波導(dǎo)脊20和21之間的張角相對(duì)應(yīng)，即分支波導(dǎo)脊30的波導(dǎo)軸和輸出波導(dǎo)脊20的波導(dǎo)軸重合，分支波導(dǎo)脊31的波導(dǎo)軸和輸出波導(dǎo)脊21的波導(dǎo)軸重合。在輸入波導(dǎo)脊10寬度變化率較小的情況下，分支波導(dǎo)脊30的波導(dǎo)軸和分支波導(dǎo)脊31的波導(dǎo)軸之間、輸出波導(dǎo)脊20的波導(dǎo)軸和輸出波導(dǎo)脊21的波導(dǎo)軸之間的張角可以是O。在此種情況下，分支波導(dǎo)脊30和31的后面，連接S型彎曲波導(dǎo)以完成分支。
圖2為圖I所示實(shí)施例的俯視圖。如圖2所示，輸入波導(dǎo)脊10和輸出波導(dǎo)脊20之間由溝槽4隔離、輸入波導(dǎo)脊10和輸出波導(dǎo)脊21之間由溝槽5隔離。輸出波導(dǎo)脊20、21的起始端在輸入波導(dǎo)脊10的起始端和結(jié)束端之間，且輸出波導(dǎo)脊20、21關(guān)于輸入波導(dǎo)脊10的波導(dǎo)軸Xl對(duì)稱。輸入波導(dǎo)脊10的邊緣與相鄰的輸出波導(dǎo)脊20、21的邊緣不平行，其最小間距一般為制造工藝的最小可允許寬度。輸入波導(dǎo)脊10的結(jié)束端寬度WlO不大于圖I中平板層11的高度H11，輸出波導(dǎo)脊20,21的起始寬度W20、W21不大于圖I中平板層22高度H22，X2是輸出波導(dǎo)脊20的波導(dǎo)軸，X3是輸出波導(dǎo)脊21的波導(dǎo)軸，X2、X3與輸入波導(dǎo)脊10的波導(dǎo)軸Xl的夾角分別為α I、α 2，且α I大于或等于O、α 2大于或等于O。圖2中虛線代表傳播光場(chǎng)的波前，Χ2、Χ3的方向與兩支輸出波導(dǎo)脊的起始端處波前的法線方向一致。輸入波導(dǎo)脊10的寬度變化率與輸出波導(dǎo)脊20、21的寬度變化率和輸出波導(dǎo)脊20、21與輸入波導(dǎo)脊10的波導(dǎo)軸Xl的張角α I、α 2相對(duì)應(yīng),即當(dāng)輸入波導(dǎo)脊10的寬度變化率較大時(shí),波前弧度相應(yīng)較大,意味著與波前的法線方向一致的波導(dǎo)軸Χ2、Χ3與Xl的張角較大，即輸出波導(dǎo)脊20、21的張角α 1+α 2較大，故而有利于Y型分支器的結(jié)構(gòu)尺寸的減小，同時(shí)，為盡量避免能量損耗，輸出波導(dǎo)脊
20、21的寬度變化率也必須相應(yīng)較大。
圖3 (a)-(c)給出了圖I所示的Y型分支器在光傳播方向上從前到后a、b、c三個(gè)不同位置的截面上的光場(chǎng)能量分布。如圖3(a)所示，此時(shí)光場(chǎng)能量分布在輸入脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)I內(nèi)。隨著輸入波導(dǎo)脊10寬度逐漸變窄，以及輸出波導(dǎo)脊20、21的出現(xiàn)，光場(chǎng)能量在輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)I的脊區(qū)所占的比例逐漸減小，分布在平板層的光場(chǎng)能量比例逐漸增加，并且光場(chǎng)在平板層的橫向?qū)挾戎饾u擴(kuò)大，光場(chǎng)能量通過(guò)平板層逐漸進(jìn)入輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2，且兩支輸出波導(dǎo)脊20、21內(nèi)光場(chǎng)能量所占的比例也逐漸增加，如圖3(b)所示。隨著輸入波導(dǎo)脊10的結(jié)束和輸出波導(dǎo)脊20、21的寬度變寬，光場(chǎng)能量通過(guò)平板層22絕大部分進(jìn)入輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2并成為輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2的導(dǎo)模，繼而被分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)3輸出，如圖3(c)所示。在這一過(guò)程中，輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)I脊區(qū)的光場(chǎng)能量會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到平板層，在輸入波導(dǎo)脊10結(jié)束端處，輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)I脊區(qū)的光場(chǎng)能量所占比例已經(jīng)很小，因此減少了輸入波導(dǎo)脊結(jié)束端處光波前方的忽然出現(xiàn)的二氧化硅或其他低折射率材料對(duì)整個(gè)光場(chǎng)的散射，降低了分支結(jié)處的額外損耗。此外由于整個(gè)Y型分支器關(guān)于輸入波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸Xl對(duì)稱分布，因此分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)3輸出的兩個(gè)光斑對(duì)稱，實(shí)現(xiàn)了 Y型分支器的均勻分光輸出。
圖I和圖2所示的實(shí)施例中，輸出波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸X2、X3和輸出波導(dǎo)脊起始端光場(chǎng)波前的法線方向一致。這種結(jié)構(gòu)便于設(shè)計(jì)。根據(jù)輸入波導(dǎo)脊沿光場(chǎng)傳播方向的寬度變化的不同，光場(chǎng)的波前法線可能不會(huì)嚴(yán)格按一族輻射狀的直線延伸，此時(shí)為了更好地降低損耗，可以采用更精細(xì)的設(shè)計(jì)，因此在另一些實(shí)施例中，兩支輸出波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸上任意一點(diǎn)的切線方向與輸入光場(chǎng)在該點(diǎn)處的波前法線方向始終一致。
圖4給出了常見(jiàn)脊波導(dǎo)截面的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是圖4給出的常見(jiàn)脊波導(dǎo)不同脊寬W、脊高h(yuǎn)和平板層高度H對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)分布圖。如圖5(a)_(c)所示，對(duì)于一定平板層高度H及脊高h(yuǎn)的脊波導(dǎo)，隨著脊寬w的減小，模斑在脊區(qū)(圖4中灰色區(qū)域)的那部分能量所占比例也會(huì)減小。圖5(a)-(c)中脊波導(dǎo)截面的尺寸H = 3um,h = 2um,w分別是5um、3um、lum，脊區(qū)的能量分別占總能量的23^^9.6^^0. 05 %，可見(jiàn)在脊高h(yuǎn)和平板層高度H—定的情況下，脊波導(dǎo)中分布在脊區(qū)的能量所占的比例會(huì)隨著脊寬w的逐漸減小而減小。因此，當(dāng)本發(fā)明的輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)I的輸入波導(dǎo)脊10結(jié)束端寬度WlO不大于平板層11高度時(shí)，可使分支結(jié)處的額外損耗降到允許的范圍。一般地，本發(fā)明的輸入波導(dǎo)脊10的結(jié)束端寬度和輸出波導(dǎo)脊20、21的起始端寬度都可定為制造工藝的最小可允許寬度。同時(shí)由于脊寬小的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)模斑的能量主要分布在平板層，且兩支小脊寬的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)疊加后的模 斑的能量也主要分布在平板層，因此本發(fā)明中小脊寬的輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模式能與兩支小脊寬的輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的疊加模式很好地匹配，從而實(shí)現(xiàn)如圖I所示的漸變輸入脊波導(dǎo)和漸變輸出脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間(分支結(jié)處)的超低損耗光場(chǎng)能量傳輸。
圖5(d)_(e)中，脊波導(dǎo)的波導(dǎo)脊頂面到平板層底面垂直距離一定的情況下，w =3um,H分別是2. 5um、3um、3. 5um,脊區(qū)的能量分別占總能量的24%、9. 6%、3. 4%?？梢?jiàn),在脊波導(dǎo)的波導(dǎo)脊頂面到平板層底面垂直距離和脊寬一定的情況下，脊波導(dǎo)中分布在脊區(qū)的能量所占的比例會(huì)隨著平板層高度H的逐漸增大而減小。脊區(qū)中能量所占比例越小，光傳播時(shí)由于波導(dǎo)脊結(jié)束端處低折射率材料的出現(xiàn)而導(dǎo)致的散射損耗越小。
在一些實(shí)施例中，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)本發(fā)明中所述的溝槽結(jié)構(gòu)參數(shù)，有助于降低光場(chǎng)傳輸能量損耗和減小器件結(jié)構(gòu)尺寸。這里用圖6來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。圖7為本發(fā)明公開(kāi)的Y型分支器在圖I中b截面處的橫截面示意圖。如圖6所示，輸入波導(dǎo)脊10和兩支輸出波導(dǎo)脊20、21之間由兩條溝槽4、5隔離，溝槽4、5的垂直深度分別為d4、d5，溝槽4、5底部到平板層底部的垂直距離分別為H4、H5，其中H4、H5與平板層的高度H22三者之間可以相等，也可以互不相等，亦即d4、d5可以分別等于、小于或大于與溝槽4、5相鄰的波導(dǎo)脊的脊高，其大小在相鄰的波導(dǎo)脊脊高的O. 5 I. 5倍范圍內(nèi)。如前文所述，在脊波導(dǎo)的波導(dǎo)脊頂面到平板層底面垂直距離和脊寬一定的情況下，脊波導(dǎo)中分布在脊區(qū)的能量所占的比例會(huì)隨著平板層高度H的逐漸增大而減小，因此在實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以根據(jù)光場(chǎng)能量分配的需要，在光傳播方向不同位置處設(shè)計(jì)不同的H4、H5，以實(shí)現(xiàn)超低損耗光場(chǎng)能量傳輸和更小的結(jié)構(gòu)尺寸。如在光場(chǎng)能量從輸入漸變波導(dǎo)脊結(jié)構(gòu)向輸出漸變波導(dǎo)脊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，增大H4、H5，使得光場(chǎng)能量轉(zhuǎn)移的更快，在光場(chǎng)能量絕大部分已轉(zhuǎn)移到輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后，減小H4、H5，使得輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)的兩光斑能更快的分開(kāi)。當(dāng)然，也可以設(shè)計(jì)不對(duì)稱的H4和H5來(lái)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)能量在分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)輸出端的不對(duì)稱輸出。
本發(fā)明公開(kāi)的Y型分支器的輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的兩支輸出波導(dǎo)脊可以關(guān)于輸入波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸對(duì)稱或不對(duì)稱。圖8給出了本發(fā)明的Y型分支器的兩支輸出波導(dǎo)脊位置不對(duì)稱的一個(gè)實(shí)施例。如圖8所不，兩支輸出波導(dǎo)脊20、21的起始端位于光傳播方向的不同位置。輸出波導(dǎo)脊21的起始端在光傳播方向上前于輸出波導(dǎo)脊20的起始端。這樣,在光傳播方向上，隨著輸出波導(dǎo)脊21的出現(xiàn)，輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)I內(nèi)的光場(chǎng)能量先通過(guò)平板層進(jìn)入輸出波導(dǎo)脊21內(nèi)。當(dāng)輸出波導(dǎo)脊20出現(xiàn)后，輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)I的光場(chǎng)能量將同時(shí)通過(guò)平板層進(jìn)入兩支輸出波導(dǎo)脊20、21內(nèi)。通過(guò)這種方式，可以調(diào)節(jié)兩支分支波導(dǎo)脊輸出端的光場(chǎng)能量分布的比例，實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱輸出。
此外，在輸出波導(dǎo)脊設(shè)計(jì)方面，除了通過(guò)將同樣結(jié)構(gòu)尺寸的輸出波導(dǎo)脊20、21設(shè)計(jì)成關(guān)于輸入波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸不對(duì)稱來(lái)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)能量在分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)輸出端的不對(duì)稱輸出外，還可以通過(guò)設(shè)計(jì)兩支輸出波導(dǎo)脊結(jié)構(gòu)參數(shù)不相同的輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)能量在分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)輸出端的不對(duì)稱輸出，例如，可以將兩支輸出波導(dǎo)脊的長(zhǎng)度，起始端和結(jié)束端的脊寬度，與輸入波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸的張角等分別設(shè)計(jì)成不一樣來(lái)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)能量的不對(duì)稱輸出。
另外需要指出的是，圖7實(shí)施例中的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因?yàn)檩敵霾▽?dǎo)脊20、21的起始端位置不同，它們的寬度變化率和與輸入波導(dǎo)脊10之間的隔離溝槽4、5的寬度也可以做相應(yīng)調(diào)整，以優(yōu)化分支器性能。例如，當(dāng)輸出波導(dǎo)脊21的起始位置落后于輸出波導(dǎo)脊20時(shí)，輸 出波導(dǎo)脊21和輸入波導(dǎo)脊10之間的隔離溝槽5的寬度可以同時(shí)大于輸出波導(dǎo)脊20和輸入波導(dǎo)脊10之間的隔離溝槽4的寬度，輸出波導(dǎo)脊21的寬度變化率也可以大于輸出波導(dǎo)脊20的寬度變化率。
由于本發(fā)明公開(kāi)的Y型分支器的光場(chǎng)能量轉(zhuǎn)移是通過(guò)平板層實(shí)現(xiàn)的，因此本發(fā)明公開(kāi)的Y型分支器的輸出脊波導(dǎo)的起始端可以在輸入脊波導(dǎo)的結(jié)束端之前、之后或與之齊平。圖9給出了本發(fā)明的Y型分支器的輸入波導(dǎo)脊的結(jié)束端與兩支輸出波導(dǎo)脊的輸出端齊平的一個(gè)實(shí)施例。如圖9所示，該實(shí)施例中的輸入波導(dǎo)脊10的結(jié)束端與輸出波導(dǎo)脊20、21的起始端在同一截面d上。兩支輸出波導(dǎo)脊20、21由溝槽6隔離，溝槽6底部到平板層22底部的垂直距離與H22相等。在一些實(shí)施例中，溝槽6底部到平板層22底部的垂直距離與H22不相等。隨著輸入波導(dǎo)脊10的寬度從起始端到結(jié)束端逐漸變小，平板層11的光場(chǎng)能量所占比例逐漸增加，光場(chǎng)的橫向?qū)挾戎饾u擴(kuò)大。在輸入波導(dǎo)脊10結(jié)束端的截面d上，輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)I中的光場(chǎng)能量已絕大多數(shù)轉(zhuǎn)移到平板層，并且光場(chǎng)在橫向已經(jīng)延伸至輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2的平板層22內(nèi)。此時(shí)設(shè)計(jì)將輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2的兩支輸出波導(dǎo)脊所對(duì)應(yīng)的脊波導(dǎo)模式的疊加在截面d上與輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)I的模式匹配，那么光場(chǎng)就能實(shí)現(xiàn)超低損耗傳輸，隨后在輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)2內(nèi)實(shí)現(xiàn)分支，并經(jīng)由分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)輸出。此外，當(dāng)輸入波導(dǎo)脊10的脊寬變化率增大，光場(chǎng)的波前弧度也將增大，而波導(dǎo)軸X2和X3與兩支輸出波導(dǎo)脊的起始端處的光場(chǎng)波前的法線方向一致，因此X2和X3的張角也相應(yīng)地增加，這就可以在滿足輸出漸變脊波導(dǎo)和輸入漸變脊波導(dǎo)在截面d上的模式匹配前提下實(shí)現(xiàn)超低損耗光場(chǎng)能量傳輸?shù)耐瑫r(shí)，減小Y型分支器的結(jié)構(gòu)尺寸。
圖10給出了一種由本發(fā)明公開(kāi)的Y型分支器級(jí)聯(lián)構(gòu)成的1X4分支結(jié)構(gòu)，其包括3個(gè)Y型分支器、3個(gè)彎曲波導(dǎo)7和兩個(gè)輸出直波導(dǎo)8。通過(guò)這個(gè)方式可將N-I個(gè)所述Y型分支器級(jí)聯(lián)構(gòu)成IXN分支器。
以上實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員可根據(jù)上述說(shuō)明對(duì)本發(fā)明做出種變化例。因而，實(shí)施方式中的某些細(xì)節(jié)不應(yīng)構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定，本發(fā)明將以所附權(quán)利要求
書界定的范圍作為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器，其特征在于 所述Y型分支器由脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成，所述脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由在高折射率材料的平板層上制作脊型結(jié)構(gòu)并覆蓋低折射率材料而形成； 所述Y型分支器從輸入到輸出依次由輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成； 所述輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由輸入波導(dǎo)脊和平板層組成，所述輸入波導(dǎo)脊從起始端到結(jié)束端寬度由寬逐漸變窄，且結(jié)束端的寬度不大于其平板層的高度； 所述輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由兩支輸出波導(dǎo)脊和平板層組成，所述兩支輸出波導(dǎo)脊分列所述輸入波導(dǎo)脊的兩側(cè)，其寬度從起始端到結(jié)束端由窄逐漸變寬，且起始端的寬度不大于其平板層的高度，所述兩支輸出波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸分別與所述輸入波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸成一定張角； 所述分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由兩支分支波導(dǎo)脊和平板層組成，所述兩支分支波導(dǎo)脊分別與所述兩支輸出波導(dǎo)脊相連； 所述輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的平板層連通，且各個(gè)平板層的高度相同，而所述輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)脊和所述輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)脊不連通，且各波導(dǎo)脊之間由溝槽隔離； 所述輸入波導(dǎo)脊的寬度變化率與所述兩支輸出波導(dǎo)脊的寬度變化率和張角相對(duì)應(yīng)，即當(dāng)所述輸入波導(dǎo)脊寬度變化率較大時(shí)，所述兩支輸出波導(dǎo)脊的寬度變化率和張角也相應(yīng)較大，反之亦然。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的Y型分支器，其特征在于所述兩支輸出波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸與輸入波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸之間的張角為零。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的Y型分支器，其特征在于所述兩支輸出波導(dǎo)脊關(guān)于所述輸入波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸對(duì)稱或者不對(duì)稱。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的Y型分支器，其特征在于所述兩支輸出波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸與輸入光場(chǎng)在其起始端處的波前法線方向一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的Y型分支器，其特征在于所述兩支輸出波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸上任意一點(diǎn)的切線方向與輸入光場(chǎng)在該點(diǎn)處的波前法線方向始終一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求
4或5所述的Y型分支器，其特征在于所述兩支輸出波導(dǎo)脊的起始端位于所述輸入波導(dǎo)脊的起始端和結(jié)束端之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的Y型分支器，其特征在于隔離所述輸入波導(dǎo)脊和所述兩支輸出波導(dǎo)脊的溝槽關(guān)于所述輸入波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸對(duì)稱或者不對(duì)稱。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的Y型分支器，其特征在于所述各溝槽底部到各平板層底部的垂直距離與其下方的平板層高度相等或者不相等。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的Y型分支器，其特征在于所述各溝槽底部到所述各平板層底部的垂直距離沿光傳播方向一致。
10.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的Y型分支器，其特征在于所述各溝槽的底部到所述各平板層底部的垂直距離沿光傳播方向先增大后減小。
11.根據(jù)權(quán)利要求
I至5中任一權(quán)利要求
所述的Y型分支器，其特征在于所述兩支輸出波導(dǎo)脊的起始端可以與所述輸入波導(dǎo)脊的結(jié)束端在同一與光傳播方向垂直的截面上。
12.根據(jù)權(quán)利要求
I或2或3所述的Y型分支器，其特征在于所述輸入波導(dǎo)脊的邊緣和與其相鄰的所述兩支輸出波導(dǎo)脊邊緣平行或者不平行。
13.一種由權(quán)利要求
I或2或3所述的Y型分支器構(gòu)成的IXN分支器，其特征在于所述I XN分支器由N-I個(gè)所述 Y型分支器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。
專利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器和由其構(gòu)成的1×N分支器。所述Y型分支器從輸入到輸出依次由輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和分支脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成，三個(gè)結(jié)構(gòu)的平板層均連通。輸出漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的兩支輸出波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸分別與輸入漸變脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的輸入波導(dǎo)脊的波導(dǎo)軸成一定張角，且兩個(gè)結(jié)構(gòu)的三個(gè)波導(dǎo)脊互不連通。輸入波導(dǎo)脊的寬度變化率同時(shí)與兩支輸出波導(dǎo)脊的寬度變化率和張角相對(duì)應(yīng)，即當(dāng)輸入波導(dǎo)脊寬度變化率較大時(shí)，兩支輸出波導(dǎo)脊的寬度變化率和張角也相應(yīng)較大，反之亦然。所述1×N分支器由N-1個(gè)所述脊波導(dǎo)耦合的Y型分支器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開(kāi)的技術(shù)可以降低分支結(jié)處的額外損耗，減小器件尺寸。
文檔編號(hào)G02B6/125GKCN102866457SQ201110265974
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2011年8月29日
發(fā)明者李冰, 洪小剛, 楊晶, 張麗 申請(qǐng)人:上海圭光科技有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan