CN102749676B - 一种基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导 - Google Patents

Abstract

一种基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导，所述十字交叉波导包括竖直部分和横向部分，竖直部分和横向部分均由依次连接的前直波导区域、前锥形波导区域、锥形多模干涉区域、后锥形波导区域和后直波导区域组成，所述横向部分和竖直部分垂直交叉，且交叉区域处于锥形多模干涉区域。本发明给出了一种低损耗、低串扰、尺寸小的基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导。

Description

一种基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导

技术领域

本发明属于光通信技术领域，尤其是用于含有十字交叉波导结构的光器件中，像含有十字交叉波导结构的微环谐振滤波器和微环谐振波分复用器等。

技术背景

硅基纳米波导是制造集成型光通信器件的重要材料之一，其波导芯区和包层的折射率差很大，因此有利于将光约束在芯区，波导的尺寸可以制作得很小，更适应大规模集成光路高密度集成的要求。并且由于采用硅基波导，与目前标准的COMS工艺兼容。光波导是基本的光子互连器件。对于亚微米级别硅基纳米波导，其传输损耗非常小，大约为1.7dB/cm，但是当两波导相互交叉，形成十字交叉架构的波导时，由于在交叉架构中光的散射会带来额外的损耗。对于传统的平面十字交叉结构的波导，我们必须考虑它的***损耗和串扰。特别是对于高折射率材料如SOI（Silicon On Insulator），***损耗和串扰非常严重，这不仅影响了十字交叉波导的性能，也制约了它在光器件领域中的应用。因此，研制出具有低***损耗和低串扰的十字交叉波导是应用领域的实际需求，具有非常重要的意义。近年来，有些研究者对十字交叉波导进行了研究，特别是对降低十字交叉波导的***损耗和串扰的方法进行了研究。例如采用多层的垂直结构的波导能很好的降低由于十字交叉引入的***损耗和串扰（Hatakeyama，Loss-less multilevelcrossing of busline waveguide in vertically coupled microring resonatorfilter，IEEE Photonics Technology Letters，2004，16(2):473-475），但是多层垂直结构波导的制作工艺相对平面波导要复杂的多，不仅制作困难、且成本高。另外，为了降低由十字交叉结构引入的***损耗和串扰，提出了将多模干涉MMI（multimode interference）用于十字交叉波导中，现有的方案有基于矩形多模干涉原理的十字交叉波导结构（Chen,H.and A.W.Poon，Low-loss multimode-interference-basedcrossings for silicon wire waveguides，IEEE Photonics TechnologyLetters，2006，18(21):2260-2262）、基于椭圆多模干涉原理的十字交叉波导结构（Fukazawa,T.,et al.,Low loss intersection of Si photonic wirewaveguides，Japanese Journal of Applied Physics，2004，43(2):646-647）。这些方案虽然能降低十字交叉波导结构的散射损耗并且抑制串扰，但十字交叉结构长度都大于10微米，不利于大规模集成光路的单片集成。

发明内容

为克服现有技术中十字交叉波导结构的***损耗大、串扰严重的问题，以及结构尺寸大和制作困难的不足，本发明给出了一种低损耗、低串扰、尺寸小的基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导。

为了解决上述技术问题提供的技术方案为：

一种基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导，所述十字交叉波导包括竖直部分和横向部分，竖直部分和横向部分均由依次连接的前直波导区域、前锥形波导区域、锥形多模干涉区域、后锥形波导区域和后直波导区域组成，所述横向部分和竖直部分垂直交叉，且交叉区域处于锥形多模干涉区域。

进一步，所述竖直部分或横向部分的前直波导区域的一端为光输入端口，光依次经过前锥形波导区域、锥形多模干涉区域、后锥形波导区域和后直波导区域，所述后直波导区域的一端为光输出端口。

再进一步，所述前直波导区域、前锥形波导区域、锥形多模干涉区域、后锥形波导区域和后直波导区域均采用SOI材料，其中，硅和二氧化硅的折射率分别为3.48和1.46，波导芯区和包层的折射率差为2.02。

本发明的技术构思为：输入光的模式在本发明一种基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导结构中是变化的。单模的输入光在直波导和锥形波导区域是单模的，但进入到锥形多模干涉区域中会依次出现多模、单模和多模情况，且多模是对称的，接着进入到锥形波导区域又成为单模，最后以单模输出。值得注意的是在十字交叉中心处出现单模情况。线性锥形十字型波导是基于波导模场从输入平面到它的中心和输出平面的自映像。在十字交叉点中心的自映像抑制了波前的扩展，从而减小了交叉点的散射损耗和串扰。由于输入场在波导中心，它只会激发对称的偶次模场，因而在多模对称模式中，自映像是对称干涉。

本发明的有益效果是：1、在十字交叉波导的交叉处引入了两个垂直交叉锥形多模干涉区域，相对于其它形状的波导垂直交叉（如直波导垂直交叉），它具有散射损耗小、串扰低的特点。2、引入两个垂直交叉锥形多模干涉区域能减小该波导的尺寸，有利于提高光路集成度。

附图说明

图1是本发明基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导的结构示意图。

图2是用时域有限差分法FDTD（finite-different time-domain)模拟得到的工作波长在1500nm到1600nm之间，传统平面十字交叉结构的直波导和本发明一种基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导的串扰对比图。

图3是用FDTD模拟得到的工作波长在1500nm到1600nm之间，传统平面十字交叉结构的直波导和本发明一种基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导的回波损耗对比图。

图4是用FDTD模拟得到的工作波长在1500nm到1600nm之间，传统平面十字交叉结构的直波导和本发明一种基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导串扰对比图的***损耗对比图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明：

参照图1~图4，一种基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导由两个相同部分组成。其中一个部分由直波导区域、锥形波导区域、锥形多模干涉区域、锥形波导区域和直波导区域组成。两部分垂直交叉，且交叉区域处于锥形多模干涉区域。

所有的区域模块都是基于SOI材料，硅和二氧化硅的折射率分别为3.48和1.46。其波导芯区和包层的折射率差为2.02，由于波导芯区和包层的折射率差很大，因此有利于将光约束在芯区，波导的尺寸可以制作得很小，更适应大规模集成光路高密度集成的要求。

如图1，直波导区域的宽度为W₁，锥形波导区域的小口径宽度为W₁、大口径宽度为W₂，锥形多模干涉区域的大口径宽度为W₃、长度为L₁、小口径宽度为W₄，另一锥形波导区域的大口径宽度为W₅，长度为L₂。

在锥形多模干涉区域，我们可以理论计算得到两个最低阶模式的拍长为：

$L_{\mathrm{\π}}^p\left(z\right)=\frac{\mathrm{\π}}{{({\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\β}}_1)}_p\left(z\right)}=\frac{{4n}_r(W_i+W_g)(W_i+W_g-2\mathrm{kz})}{3\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

式中的β为传播常数，W为口径大小，z为传输距离，κ＝tan(θ)为锥形多模干涉区域的渐变率、其中θ为锥角，λ为工作波长，n_γ为该区域的折射率大小。线性锥形十字型波导是基于波导模场从输入平面到它的中心和输出平面的自映像。在十字交叉点中心的自映像抑制了波前的扩展，从而减小了交叉点的散射损耗和串扰。由于输入场在波导中心，它只会激发对称的偶次模场，因而在多模对称模式中，自映像是对称干涉。满足这种情况的自映像条件为

$\exp \left[j{({\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\β}}_1)}_{p}z\right]=\exp \left[j\frac{\mathrm{\υ}(\mathrm{\υ}+2)\mathrm{\π}}{{3L}_{\mathrm{\π}}^p\left(z\right)}z\right],$ v为偶数(2)

对于偶数模，当p=1,2,3,…产生自映像。

正是由于锥形多模干涉耦合器的自映像抵消了十字交叉中心的波前膨胀，抑制了交叉处的散射损耗和串扰。

在结构尺寸W₁为0.3μm，W₂为0.8μm，W₃为1.1μm，L₁为3.9μm，W₄为0.8μm，W₅为0.6μm，L₂为1μm，我们对本发明在FDTD下进行了仿真，得到的仿真结果为图2，图3，图4。

如图2所示，工作波长在1500nm到1600nm之间，本发明一种线性基于锥形多模干涉原理的十字交叉波导比传统平面十字交叉结构的直波导更有利于抑制串扰，降低了30dB到22dB的串扰。

如图3所示，工作波长在1500nm到1600nm之间，本发明一种基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导比传统平面十字交叉结构的直波导改善了53dB到20dB回波损耗。

如图4所示，工作波长在1500nm到1600nm之间，本发明一种基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导比传统平面十字交叉结构的直波导改善了0.9dB的***损耗。

另外，锥形多模干涉区域的长度仅为3.9μm，本发明横截面的整个尺寸大小为6μm×6μm，这很大地提高光路集成度。而且我们用FDTD模拟的带宽传输是在波长为1500nm到1600nm之间，这也是波分多路复用WDM（Wavelength Division Multiplex）技术采用的光信号传输波段。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导，其特征在于：所述十字交叉波导包括竖直部分和横向部分，竖直部分和横向部分均由依次连接的前直波导区域、前锥形波导区域、锥形多模干涉区域、后锥形波导区域和后直波导区域组成，所述横向部分和竖直部分垂直交叉，且交叉区域处于锥形多模干涉区域；所述前直波导区域、前锥形波导区域、锥形多模干涉区域、后锥形波导区域和后直波导区域均采用SOI材料，其中，硅和二氧化硅的折射率分别为3.48和1.46，波导芯区和包层的折射率差为2.02。

2.如权利要求1所述的基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导，其特征在于：所述竖直部分或横向部分的前直波导区域的一端为光输入端口，光依次经过前锥形波导区域、锥形多模干涉区域、后锥形波导区域和后直波导区域，所述后直波导区域的一端为光输出端口。