基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导制造技术

本发明专利技术公开了一种基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导，该十字交叉波导设置于包层绝缘体上，其材质为硅，包括：四个单模波导、四个亚波长光栅以及中心交叉多模波导，其中，两个单模波导对称地设置于中心交叉多模波导的左右两侧，另两个单模波导对称地设置于中心交叉多模波导的前后两侧，两个单模波导的中心的连线与另两个单模波导的中心的连线垂直，中心交叉多模波导与四个单模波导之间均设置有亚波长光栅，亚波长光栅中的光栅条纹的排列方向与在对应的单模波导中传输的光波的传播方向相同。该十字交叉波导偏振不敏感，可以实现较小的尺寸以及更高的集成度，同时，加工难度和加工成本均较低。

Cross-section Waveguide Based on Subwavelength Grating and Multimode Interference Principle of Silicon-based Waveguide

【技术实现步骤摘要】
基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导
本专利技术实施例涉及集成光学领域，尤其涉及一种基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导。
技术介绍
随着对数据需求的持续增长，人们开始把目光转向硅光子集成技术，希望突破集成化电子技术发展的局限，大幅增加数据容量和提高数据传输速度。在集成化光路中，光波导之间的交叉不可避免。因此，如何设计高效的交叉波导十分重要。目前，可以采用双层刻蚀的方法来设计交叉波导。在目前的交叉波导结构中，浅刻蚀层被设计成椭圆形，该结构可以在保持绝缘体上的硅(Silicon-on-insulator，SOI)波导高折射率对比的同时，可以提升波导交叉处的性能表现。但是，目前的交叉波导都仅针对横电模(TransverseElectricField，TE)模式的光波进行了优化，没有考虑横磁模(TransverseMagneticField，TM)模式的光波，具有偏振敏感性。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导，以解决目前的交叉波导具有偏振敏感性的技术问题。本专利技术提供一种基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导，所述十字交叉波导设置于包层绝缘体上，所述十字交叉波导的材质为硅，所述十字交叉波导包括：四个单模波导、四个亚波长光栅以及中心交叉多模波导；其中，两个单模波导对称地设置于所述中心交叉多模波导的左右两侧，另两个单模波导对称地设置于所述中心交叉多模波导的前后两侧，所述两个单模波导的中心的连线与所述另两个单模波导的中心的连线垂直；所述中心交叉多模波导与所述四个单模波导之间均设置有所述亚波长光栅，所述亚波长光栅中的光栅条纹的排列方向与在对应的单模波导中传输的光波的传播方向相同。如上所述的十字交叉波导中，所述十字交叉波导还包括四个锥形波导，所述四个锥形波导分别设置于所述单模波导与对应的亚波长光栅之间，且越靠近于所述中心交叉多模波导，所述锥形波导的截面的宽度越小。如上所述的十字交叉波导中，所述亚波长光栅包括：渐变亚波长光栅和等长亚波长光栅；所述渐变亚波长光栅设置于远离所述中心交叉多模波导的一侧，所述等长亚波长光栅设置于靠近所述中心交叉多模波导的一侧；所述渐变亚波长光栅中越靠近所述中心交叉多模波导的位置，所述渐变亚波长光栅的光栅条纹的长度越长，所述渐变亚波长光栅中最长的光栅条纹的长度与所述等长亚波长光栅中的光栅条纹的长度相等。如上所述的十字交叉波导中，所述锥形波导的至少一部分区域与对应的渐变亚波长光栅重合，并且，所述锥形波导位于对应的渐变亚波长光栅的长度方向的中间位置。如上所述的十字交叉波导中，所述渐变亚波长光栅和所述等长亚波长光栅的光栅尺寸相同，所述光栅尺寸为亚波长光栅中一条光栅条纹的宽度与一条光栅刻痕的宽度之和。如上所述的十字交叉波导中，所述单模波导中最靠近所述中心交叉多模波导的一端与所述中心交叉多模波导的中心点之间的长度根据所述中心交叉多模波导的自成像拍长确定，所述自成像拍长根据公式确定；其中，i表示在所述十字交叉波导中传输的光波的模式：当i表示的光波的模式为横电模时，β0(i)表示横电模模式的光波的零阶模在所述十字交叉波导中的传播常数，β2(i)表示横电模模式的光波的二阶模在所述十字交叉波导中的传播常数，L(i)表示横电模模式的光波在所述十字交叉波导中传输时，所述中心交叉多模波导的自成像拍长；当i表示的光波的模式为横磁模时，β0(i)表示横磁模模式的光波的零阶模在所述十字交叉波导中的传播常数，β2(i)表示横磁模模式的光波的二阶模在所述十字交叉波导中的传播常数，L(i)表示横磁模模式的光波在所述十字交叉波导中传输时，所述中心交叉多模波导的自成像拍长。如上所述的十字交叉波导中，所述单模波导的宽度为500纳米、厚度为220纳米。如上所述的十字交叉波导中，所述中心交叉多模波导的长度和宽度均为2微米。如上所述的十字交叉波导中，当在所述十字交叉波导中传输的光波的模式为横电模时，所述等长亚波长光栅的等效折射率根据公式确定；其中，nTE表示当在所述十字交叉波导中传输的光波的模式为横电模时，所述等长亚波长光栅的等效折射率，f表示所述等长亚波长光栅的占空比，n1表示组成所述十字交叉波导的硅的折射率，n2表示所述包层绝缘体的折射率；当在所述十字交叉波导中传输的光波的模式为横磁模时，所述等长亚波长光栅的等效折射率根据公式确定；其中，nTM表示当在所述十字交叉波导中传输的光波的模式为横磁模时，所述等长亚波长光栅的等效折射率。如上所述的十字交叉波导中，所述中心交叉多模波导为全硅；或者，所述中心交叉多模波导上刻蚀有任意图案。本专利技术实施例提供一种基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导，该十字交叉波导设置于包层绝缘体上，该十字交叉波导的材质为硅，该十字交叉波导包括：四个单模波导、四个亚波长光栅以及中心交叉多模波导，其中，两个单模波导对称地设置于中心交叉多模波导的左右两侧，另两个单模波导对称地设置于中心交叉多模波导的前后两侧，两个单模波导的中心的连线与另两个单模波导的中心的连线垂直，中心交叉多模波导与四个单模波导之间均设置有亚波长光栅，亚波长光栅中的光栅条纹的排列方向与在对应的单模波导中传输的光波的传播方向相同。一方面，通过在单模波导和中心交叉多模波导之间设置亚波长光栅，实现了偏振不敏感的特征，能够支持光网络的偏振复用技术，另一方面，该十字交叉波导基于SOI结构，可以实现较小的尺寸以及更高的集成度，同时，由于和传统的CMOS技术兼容，器件的加工成本也较低，再一方面，该十字交叉波导仅需采用单次刻蚀的工艺，工艺难度低，加工难度和加工成本均较低。附图说明图1为交叉光路的应用场景的示意图；图2为本专利技术实施例提供的基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导的整体结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导的俯视图；图4为图3中区域A从方向B-B剖切的剖面图；图5为本专利技术实施例提供的基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导在交叉光路中的应用示意图；图6为横电模模式的光波和横磁模模式的光波经过本专利技术实施例提供的十字交叉波导传输后的光波的电场剖面图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部结构。在复杂的集成光路中，交叉光路用来高效地传输光信号，抑制串扰。交叉光路是光开关的重要组成部分。图1为交叉光路的应用场景的示意图。如图1所示，假设现有一路光波需要从光路1传输至光路2，有另一路光波需要从光路3传输至光路4。光路1中传输的光波和光路3中传输的光波在交叉光路相遇后又分开，光路1中传输的光波继续传输至光路2中，光路3中传输的光波继续传输至光路4中。交叉光路可以抑制光路1中传输的光波和光路3中传输的光波之间的串扰，提高光波传输的完整性。十字交叉波导是交叉光路的基本组成部分。图2为本专利技术实施例提供的基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导的整体结构示意图。图3为本专利技术实施例提供的基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导的俯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导，其特征在于，所述十字交叉波导设置于包层绝缘体上，所述十字交叉波导的材质为硅，所述十字交叉波导包括：四个单模波导、四个亚波长光栅以及中心交叉多模波导；其中，两个单模波导对称地设置于所述中心交叉多模波导的左右两侧，另两个单模波导对称地设置于所述中心交叉多模波导的前后两侧，所述两个单模波导的中心的连线与所述另两个单模波导的中心的连线垂直；所述中心交叉多模波导与所述四个单模波导之间均设置有所述亚波长光栅，所述亚波长光栅中的光栅条纹的排列方向与在对应的单模波导中传输的光波的传播方向相同。

【技术特征摘要】
1.一种基于硅基波导亚波长光栅和多模干涉原理的十字交叉波导，其特征在于，所述十字交叉波导设置于包层绝缘体上，所述十字交叉波导的材质为硅，所述十字交叉波导包括：四个单模波导、四个亚波长光栅以及中心交叉多模波导；其中，两个单模波导对称地设置于所述中心交叉多模波导的左右两侧，另两个单模波导对称地设置于所述中心交叉多模波导的前后两侧，所述两个单模波导的中心的连线与所述另两个单模波导的中心的连线垂直；所述中心交叉多模波导与所述四个单模波导之间均设置有所述亚波长光栅，所述亚波长光栅中的光栅条纹的排列方向与在对应的单模波导中传输的光波的传播方向相同。2.根据权利要求1所述的十字交叉波导，其特征在于，所述十字交叉波导还包括四个锥形波导，所述四个锥形波导分别设置于所述单模波导与对应的亚波长光栅之间，且越靠近于所述中心交叉多模波导，所述锥形波导的截面的宽度越小。3.根据权利要求2所述的十字交叉波导，其特征在于，所述亚波长光栅包括：渐变亚波长光栅和等长亚波长光栅；所述渐变亚波长光栅设置于远离所述中心交叉多模波导的一侧，所述等长亚波长光栅设置于靠近所述中心交叉多模波导的一侧；所述渐变亚波长光栅中越靠近所述中心交叉多模波导的位置，所述渐变亚波长光栅的光栅条纹的长度越长，所述渐变亚波长光栅中最长的光栅条纹的长度与所述等长亚波长光栅中的光栅条纹的长度相等。4.根据权利要求3所述的十字交叉波导，其特征在于，所述锥形波导的至少一部分区域与对应的渐变亚波长光栅重合，并且，所述锥形波导位于对应的渐变亚波长光栅的长度方向的中间位置。5.根据权利要求3所述的十字交叉波导，其特征在于，所述渐变亚波长光栅和所述等长亚波长光栅的光栅尺寸相同，所述光栅尺寸为亚波长光栅中一条光栅条纹的宽度与一条光栅刻痕的宽度之和。6.根据权利要求1-5任一项所述的十字交叉波导，其特征在于，所述单模波导中最靠近所述中心交叉多模波导...

【专利技术属性】
技术研发人员：付红岩，吴赛龙，穆鑫，魏子贤，
申请(专利权)人：清华伯克利深圳学院筹备办公室，
类型：发明
国别省市：广东,44