基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导制造技术

一种基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导，包括竖向部分和横向部分，所述竖向部分和横向部分结构上完全一致，依次包括前端直波导区域、前端锥形模式匹配器区域、椭圆形多模干涉区域、后端锥形模式匹配器区域、后端直波导区域组成，所述横向和竖向部分垂直交叉且中心对称，对称中心在椭圆形多模干涉区域的中心。本发明专利技术提供一种串扰和损耗抑制效果好、结构紧凑、制作工艺简单、易于实现、且通用性、鲁棒性好、成本低廉的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导。

Elliptic crossed waveguide based on multimode interference principle

A cross elliptical waveguide based on multimode interference principle, including vertical and horizontal part part, consistent the vertical part and the transverse part of the structure, including front straight waveguide region, nose cone pattern matching region, oval multimode interference region, back cone pattern matching device area, rear straight waveguide region, the the horizontal and vertical section and vertical cross center symmetry, symmetry center at the center of the oval multimode interference region. The invention provides a crosstalk and loss of inhibition, compact structure, simple manufacturing process, easy implementation and versatility, robustness, low cost based on elliptical cross waveguide multimode interference principle.

【技术实现步骤摘要】
基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导
本专利技术属于光通信
，尤其是用于集成光路，以及含有十字光波导的微纳米级集成光通信器件中，涉及一种基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导。
技术介绍
光波导是集成光路的基本单元，基于Silicon-On-Insulator(SOI)材料的光波导，因其所具有的约束光信号能力强、传输损耗低、制作工艺与标准COMS工艺兼容、可批量制作等优点，已成为集成光学器件和系统(特别是片上系统)中最常用的光波导材料。十字交叉光波导结构是光信号传输以及构建SOI基集成光学器件的常用结构，比如实现多通道的光通信、或是基于微环谐振腔的滤波和波分复用，必须使用大量的十字交叉波导单元。然而SOI结构的高折射率差会使其导模的空间角变的很大，从而使得光在光波导的交叉部位产生严重的散射。普通SOI基矩形十字交叉波导的单次损耗和串扰分别为1dB至1.5dB和-10dB至-15dB。很显然，光信号多次经过这种普通十字交叉波导所累积的损耗和串扰是难以接受的，因此，专利技术一种低串扰低损耗、结构紧凑、与标准微结构制作技术适配的波导交叉单元是非常有意义的。本专利技术的目的，就是专利技术一种抑制串扰和损耗的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导及其制作方法。与本专利技术最接近的已有技术包括：(1)在椭圆形硅基波导基层之上制作锥形多模干涉耦合器(MMI)，实现光波在十字交叉波导的自聚焦，进而减小串扰和损耗(WimBogaerts,et.al.,Low-loss,low-cross-talkcrossingsforsilicon-on-insulatornanophotonicwaveguides,OPTICSLETTERS,32(19):2801-2803,2007)。该技术的多模干涉区是锥形的，实现自聚焦；椭圆形波导则作为波导基层对光束整形，结构十分复杂。理论上该技术十字波导交叉单元的透过率为96.8％，损耗和串扰分别为-0.16dB和-40dB，比传统矩形十字交叉波导损耗和串扰性能得到很大程度的改善。然而该技术采用双刻蚀技术，器件结构的设计和制作工艺(需要两次融刻)十分复杂，无法批量制作；其次，该技术的串扰性能尚需进一步优化；最后，该技术针对不同波导直径的技术适应性(即技术通用性)不高。(2)用矩形MMI十字交叉波导代替矩形十字交叉波导(XianyaoLi,et.al.,Demonstrationofahighlyefficientmultimodeinterferencebasedsiliconwaveguidecrossing,OpticsCommunications,312:148-152,2014)。该技术十字波导交叉单元的透过率为98％，损耗和串扰分别为-0.07dB和-43dB，比传统矩形十字交叉波导损耗和串扰性能得到很大程度的改善。该技术以矩形MMI为基础实现光波在波导交叉处的自聚焦，采用单次刻蚀技术，工艺较为简单。但是矩形MMI的自聚焦周期很长，使得器件尺寸很大、集成度低、能耗高，抑制串扰的性能也有待进一步提高。上述已有技术存在的共同缺陷是：器件尺寸庞大、结构复杂、难以批量制作、通用性差，无法满足实际应用需求。同时串扰性能也有待进一步提高。
技术实现思路
为了克服已有技术器件尺寸大、结构复杂、难以批量制作、通用性差，损耗和串扰性能不够理想的不足，本专利技术提供一种串扰和损耗抑制效果好、结构紧凑、制作工艺简单、易于实现、且通用性、鲁棒性好、成本低廉的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导，包括竖向部分和横向部分，所述竖向部分和横向部分结构上完全一致，依次包括前端直波导区域、前端锥形模式匹配器区域、椭圆形多模干涉区域、后端锥形模式匹配器区域、后端直波导区域组成，所述横向和竖向部分垂直交叉且中心对称，对称中心在椭圆形多模干涉区域的中心。进一步，所述竖向部分或横向部分的前端直波导区域的前端为光的输入端口，光波由输入端口输入，依次经过前端直波导区域、前端锥形模式匹配器区域、椭圆形多模干涉区域、后端锥形模式匹配器区域、后端直波导区域，然后输出，所述后端直波导区域的后端为输出端口。再进一步，前端直波导区域的宽度选为0.45微米和0.5微米两种，对应的两种直波导宽度下的锥形模式匹配器区域尺寸为小口宽度0.45微米，大口宽度1.18微米，长度为4.3微米和小口宽度0.5微米，大口宽度1.26微米，长度为4微米；椭圆形多模干涉波导由长轴为15微米，短轴为0.9微米的椭圆结构截取中间段前后各保留6.5微米的波导结构构成。所述基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的材料为SOI，其中芯层折射率为3.48，包层折射率为1.48。本专利技术的技术思想为：输入光的模式在本专利技术的椭圆形多模干涉波导中是周期性变化的。单模的输入光在前端直波导和前端锥形模式匹配器中是单模的，但进入到椭圆形多模干涉区域中，会依次出现单模，多模，单模，多模再到单模的情况，光波以单模的形式从椭圆形多模干涉区域输出到后端锥形模式匹配器中，并且光波将一直以单模的形式从前端锥形模式匹配器传输到后端直波导中进而从输出端口输出。值得注意的是在十字交叉波导的中心处出现单模情况，这是由于椭圆形多模干涉波导结构的自映像效应，在十字交叉点中心的自映像很好的抑制了波前的扩展，从而减小了整个器件的损耗和串扰，同时，所述的椭圆形十字交叉波导结构是中心对称的，它只会激发偶次模场，所以在多模对称的模式中，自映像也称为对称干涉。同样重要的是锥形模式匹配器的结构，既要保证光波在锥形模式匹配器中以单模的形式存在又要保证光波在锥形模式匹配器中光斑变化到一个合适的大小，有利于解决光直接从直波导输入到椭圆形波导多模干涉区域带来的模式失配问题，同时锥形模式匹配器与椭圆形MMI相接的宽度和锥形模式匹配器的长度将影响光自映像光斑的质量。本专利技术的有益效果主要表现在：1.结构简单、稳定，系统通用性好。2.运用所述的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构代替传统矩形十字交叉波导有利于降低损耗和串扰，所述的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构的传输效率不低于96.8％，串扰优于-45dB。3.并且，所述的基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的器件结构与矩形MMI波导交叉结构比，它的自映像点前移致使整个器件的结构更加紧凑。4.同时，所述的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构与锥形MMI波导交叉结构相比，它的结构对称，只有偶次模式，在微纳米级MMI波导中传输效率更高。附图说明图1为本专利技术一种基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构的二维示意图，其中，(a)为直波导宽度0.45微米对应的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构尺寸图，(b)为直波导宽度0.5微米对应的基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构尺寸图。图2为本专利技术应用的椭圆形MMI结构理论分析图。图3为本专利技术实施例提供的三维总结构俯视图和主视图，其中，(a)为俯视图，(b)为主视图。图4为本专利技术在通信波段1550nm波长时直波导宽度分别为0.45微米和0.5微米的基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的器件结构中横向波导中心轴线上的电场模图，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导，包括竖向部分和横向部分，所述竖向部分和横向部分结构上完全一致，其特征在于：依次包括前端直波导区域、前端锥形模式匹配器区域、椭圆形多模干涉区域、后端锥形模式匹配器区域、后端直波导区域组成，所述横向和竖向部分垂直交叉且中心对称，对称中心在椭圆形多模干涉区域的中心。

【技术特征摘要】
1.一种基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导，包括竖向部分和横向部分，所述竖向部分和横向部分结构上完全一致，其特征在于：依次包括前端直波导区域、前端锥形模式匹配器区域、椭圆形多模干涉区域、后端锥形模式匹配器区域、后端直波导区域组成，所述横向和竖向部分垂直交叉且中心对称，对称中心在椭圆形多模干涉区域的中心。2.如权利要求1所述的基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导，其特征在于：所述竖向部分或横向部分的前端直波导区域的前端为光的输入端口，光波由输入端口输入，依次经过前端直波导区域、前端锥形模式匹配器区域、椭圆形多模干涉区域、后端锥形模式匹配器区域、后端直波导区域，然后输出，所述后端直波导区域的后端...

【专利技术属性】
技术研发人员：乐孜纯，孙琛，徐自力，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33