一种低损耗传输的三维直角弯曲波导制造技术

本发明专利技术公开一种低损耗传输的三维直角弯曲波导，所述三维直角弯曲波导为波导高度发生变化的三维结构，包括至少一个

【技术实现步骤摘要】
一种低损耗传输的三维直角弯曲波导、设计方法及加工工艺


[0001]本专利技术属于硅光集成领域，具体涉及一种低损耗传输的三维直角弯曲波导
、
设计方法及加工工艺
。

技术介绍

[0002]在光子集成电路中，波导是必不可少的光波传输器件，根据波导的形状可分为直波导和弯曲波导
。
光在传输的过程中，为改变光束的传播方向，经常会用到弯曲波导，弯曲波导是提光学元件集成度的重要器件
。
但是，光波在弯曲波导中传输时，由于弯曲和偏折的原因会产生较大的辐射损耗
。
因此，实现高传输效率的弯曲波导的制备，需要分析光束在弯曲波导部分的模式传输特性和损耗特性，以降低其能量损失
。
弯曲波导的损耗主要归纳为传输损耗和辐射损耗，当传输损耗低于一定阈值时，辐射损耗将起一定的主导作用
。
弯曲波导的辐射损耗理论体系已比较完善
。
辐射损耗的产生原因有（1）：光在波导中出传输时，由于光的约束限制变弱，光会向周围包覆层辐射能量产生辐射泄露，即模式泄露引起的辐射损耗；（2）是当波导发生弯曲或者波导的传输方向发生偏折，光波不能被完全限制在波导内，因此产生辐射损耗
。
降低弯曲波导的损耗一是可以通过分析波导的材料，二是通过优化弯曲波导的结构
。
近年来，绝缘体上的硅（
SOI
）因其顶部硅限制层和二氧化硅层折射率差别较大，可对波导内的光具有较强的限制作用
。
因此，
SOI
成为制作弯曲波导的热门材料
。
[0003]与多模波导相比，单模弯曲波导具有更小的传输损耗
。
根据矩形波导的单模条件，制作单模
SOI
波导时，需要1微米厚度以下的波导芯层
。
但是，这个尺寸的波导结构与光纤耦合时，由于模斑尺寸的不匹配，容易产生较大的模式失配损耗
。
因此，可适当增加波导芯层的厚度以减少波导的损耗
。
相关研究人员通过采用不同弯曲半径和弯曲角度组成弯曲波导，以减少波导的弯曲损耗
。
或者采用阿基米德弯曲螺线优化弯曲波导的形状，可在一定程度上减少弯曲波导的损耗
。
但是，因其制作工艺复杂，限制了其广泛的应用
。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的问题或缺陷，本专利技术要解决的是光波在常用的二维弯曲波导中传输时，由于弯曲而产生较大辐射损耗的问题
。
[0005]一种低损耗传输的三维直角弯曲波导，其特征在于：所述三维直角弯曲波导为三维结构，包括至少一个
90
°
弯曲部；所述
90
°
弯曲部的波导截面为非对称结构，波导截面从内向外的高度为渐变型且波导传输中心外侧的高度大于波导传输中心内侧高度；所述波导截面从内向外的高度为渐变型是指波导传输中心内外侧的高度不是一个固定值，而是沿着波导曲率半径方向逐渐变化，波导截面高度自传输中心内侧至外侧逐渐升高，呈现一个渐增的梯度变化（这个渐变的高度设计是为了抵消波导传输过程中因传输中心外侧导模的相速度增加而引起的有效折射率的降低，从而达到减少弯曲中心外侧辐射损耗的目的，通过渐变高度的设计，可以使得波导输入端和输出端的有效折射率逐渐接近，减小弯曲波导传输中心内外侧等效折射率的差异，降低模式泄露损耗）
。
[0006]进一步的，所述三维直角弯曲波导截面为梯形或五边形；梯形结构和五边形结构的弯曲波导基于增加波导传输中心内外侧的高度差，以抵消弯曲中心外侧相速度增加而导致的波导中心外侧有效折射率的减少形成辐射模而引起的损耗，进而实现低损耗光波传输的弯曲波导
。
[0007]进一步的，所述三维直角弯曲波导制作在绝缘体上的硅基片上，所述硅基片由下至上依次为底硅层
、
中间二氧化硅氧埋层以及顶部硅器件层（所述硅基片为一种绝缘体上的硅
SOI
衬底，底硅层厚度为
400
微米，二氧化硅氧埋层厚度为1微米，顶部硅器件层厚度为
220
纳米至4微米）
。
[0008]做为本专利技术的另一方面，还涉及一种低损耗传输的三维直角弯曲波导设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立弯曲波导的场振幅衰减系数
α
的数学模型；步骤2：通过场振幅衰减系数
α
的数学模型分析有利于光路集成并满足减少辐射损耗的弯曲波导，以实现光波在弯曲波导内以导模模式高效传输的设计结构；步骤3：根据步骤2的设计模式提出截面非对称的
90
°
弯曲波导，
90
°
弯曲部的波导截面高度为渐变型且波导传输中心外侧高度大于波导传输中心内侧高度的波导设计
。
[0009]进一步的，所述建立弯曲波导的场振幅衰减系数
α
的数学模型的方法为
。
[0010]光波在弯曲波导中传输时，为保持传输中波形的完整性，光波在波导中的等相位面将会变为以曲率中心为起点的一系列辐射状平面
。
相速度的大小将与离开曲率中心的距离成正比，在弯曲波导中心内侧，导模以小于介质中光的相速度而传播，即在该区域能量被波导限制约束
。
然而，在波导中心外侧，随着距离曲率中心的距离增加，导模的相速度越来越大，等效于波导的有效折射率越来越小，波导对光场的限制也越来越弱，当距离增加到一定程度时，波导的等效折射率等于外侧限制层的折射率，此时波导对光场不再有限制和约束的作用，波导中的光场以泄露模式进行传播，此时波导由于泄露产生的辐射损耗大大增加
。
根据上面的理论得到弯曲波导的场振幅衰减系数
α
以下公式所示
:
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1） （2）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中，
A
1、
A2为计算系数，
R
为弯曲波导的弯曲半径，
β
为传输常数；
W
为波导导波层的厚度；
N1和
N2为折射率不同的介质层；为真空中的波长，为弧度频率，为自由空间的介电常数，为自由空间的磁导率；
,
，
k
和
p
为与不同介质层折射率以及
等效折射率相关的计算系数，，
。
[0011]进一步的所述步骤2中通过场振幅衰减系数
α
的数学模型分析满足减少辐射损耗并有利于大规模光路集成的弯曲波导，以实现光波在弯曲波导内以导模模式高效传输的设计方法为：通过步骤2的数学模型可知增加弯曲波导的弯曲半径可降低弯曲波导的场振幅衰减系数进而降低其传输损耗，但是过大的弯曲半径不利于大规模的光路集成，因此可提出三维高度变化的弯曲波导的设计，既可避本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种低损耗传输的三维直角弯曲波导，其特征在于：所述三维直角弯曲波导为三维结构，包括至少一个
90
°
弯曲部；所述
90
°
弯曲部的波导截面为非对称结构，波导截面从内向外的高度为渐变型且波导传输中心外侧高度大于波导传输中心内侧高度；所述弯曲波导截面从内向外的高度为渐变型是指波导传输中心内外侧的高度不是一个固定值，而是沿着波导曲率半径逐渐变化，波导截面高度从波导传输中心内侧到中心外侧，呈现一个渐增的梯度变化
。2.
根据权利要求1所述的低损耗传输的三维直角弯曲波导，其特征在于：所述三维直角弯曲波导截面为梯形或五边形；梯形结构和五边形结构的弯曲波导基于增加波导传输中心内外侧的高度差，以抵消因导模传输时在弯曲中心外侧相速度的增加而导致波导中心外侧有效折射率的减少产生辐射模式引起的损耗，进而实现低损耗光波传输的弯曲波导
。3.
根据权利要求1所述的低损耗传输的三维直角弯曲波导，其特征在于：所述三维直角弯曲波导制作在绝缘体上的硅衬底上，所述绝缘体上的硅衬底由下至上依次为底硅层
、
中间二氧化硅埋层以及顶部硅器件层
。4.
根据权利要求1所述的低损耗传输的三维直角弯曲波导的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立弯曲波导的场振幅衰减系数
α
的数学模型；步骤2：通过场振幅衰减系数
α
的数学模型分析有利于光路传输和集成并满足减少辐射损耗的弯曲波导，以实现光波在弯曲波导内以导模模式高效传输的设计；步骤3：根据步骤2的设计模式提出截面非对称的
90
°
弯曲波导，
90
°
弯曲部的波导截面高度为渐变型且波导传输中心外侧高度大于波导传输中心内侧高度的波导设计
。5.
根据权利要求4所述的低损耗传输的三维直角弯曲波导的设计方法，其特征在于，所述建立弯曲波导的场振幅衰减系数
α
的数学模型的方法为：光波在弯曲波导中传输时，为保持传输中波形的完整性，光波在波导中的等相位面将会变为以曲率中心为起点的一系列辐射状平面；相速度的大小将与离开曲率中心的距离成正比，在弯曲波导中心内侧，导模以小于介质中光的相速度而传播，即在该区域能量被波导限制约束；然而，在波导中心外侧，随着距离曲率中心的距离增加，导模的相速度越来越大，等效于波导的有效折射率越来越小，波导对光场的限制也越来越弱，当距离增加到一定程度时，波导的等效折射率等于外侧限制层的折射率，此时波导对光场不再有限制和约束的作用，波导中的光场以泄露模式进行传播，此时波导由于泄露产生的辐射损耗大大增加；根据上面的理论得到弯曲波导的场振幅衰减系数
α
以下公式所示
:
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中，
A
1、...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓宇，于圣韬，桂成群，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：