一种基于不对称定向耦合器的平行多模交叉结构的制作方法

1.本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种基于不对称定向耦合器的平行多模交叉结构。


背景技术：

2.现代光子技术的发展对器件的集成性，片上器件密度、功能、性能等要求越来越高，这使得单芯片上光波导之间交叉次数大大增加。近年来，绝缘体上硅(soi)平台上的模分复用(mdm)技术为进一步提高片上光互连的传输光谱效率和容量提供了一种更有前途和更有吸引力的方法。同时，soi(silicon onisolator)材料作为光集成研究的热点材料具有导光特性好，然而soi的芯包折射率差较大使其导模的空间发散角很大，从而导致光在波导交叉的部分会产生显著的散射。soi光波导单次直接交叉会导致严重的串扰和多模激发，大量交叉产生的损耗和串扰对单芯片而言将难以接受。
3.对于光波导交叉单元，散射功率与波导材料的折射率差成正比。在高折射率差的材料中，因光波导交叉而产生损耗和串扰问题显得尤为尖锐。波导交叉作为密集集成的mdm光网络的重要组成部分，近些年报道的多模波导交叉主要基于不同的方案：mmi耦合器，二维纳米结构，麦克斯韦鱼眼透镜。然而，这些结构会出现难于满足多个模式的交叉或工艺、制造难度大等问题。


技术实现要素：

4.本发明的首要目的在于提供一种基于不对称定向耦合器的平行多模交叉结构，该多模交叉结构至少包括以下方案。
5.一种基于不对称定向耦合器的平行多模交叉结构，其包括第一多模波导、为直波导的第二多模波导、第三多模波导、位于第一多模波导和第二多模波导之间的第一单模波导队列和位于第二多模波导和第三多模波导之间的第二单模波导队列；
6.所述第一多模波导由第1直波导段和第1锥形波导段、第2直波导段和第2 锥形波导段
……
、第t-1直波导段和第t-1锥形波导段依次首尾连接而成，t≥2；
7.所述第三多模波导由第1锥形波导段和第1直波导段、第2锥形波导段和第2直波导段
……
、第t-1锥形波导段和第t-1直波导段依次首尾连接而成；
8.所述第一单模波导队列包括第1子单模波导、第2子单模波导
……
、第t 子单模波导；所述第1子单模波导至第t-1子单模波导均由第一波导段、180
°
弯曲波导段、第二波导段依次首尾连接而成；所述第t子单模波导由180
°
弯曲波导段和第二波导段依次首尾连接而成；
9.所述第二单模波导队列包括第1子单模波导、第2子单模波导
……
、第t 子单模波导；所述第1子单模波导由第二波导段和180
°
弯曲波导段依次首尾连接而成，第2子单模波导至第t子单模波导均由第二波导段、180
°
弯曲波导段、第一波导段依次首尾连接而成；所述第1子单模波导的180
°
弯曲波导段连接至所述第三多模波导的第1锥形波导段；
10.所述多模波导的直波导与所述子单模波导的第一波导段及第二波导段各构成一个adc；
11.带有t个模式的光信号传输进入第一多模波导，经adc解复用转化为基模，所述基模经由第一单模波导队列传输至第二多模波导，经adc复用同时转化为第二多模波导中第t+1模式的反向传输光信号，该第t+1模式的光信号经adc 解复用转换为基模，所述基模经由第二单模波导队列传输至第三多模波导，经 adc复用同时转化为第三多模波导中t个模式的光信号。
12.所述多模波导的宽度至少支持前t+1个tei模式的传输，其中，i＝0，1，
……
，t。
13.所述第一波导段与所述第二波导段分别选用n段直角梯形波导段连接而成，所述直角梯形波导的直角边靠近且平行于所述adc中的直波导，n≥2；所述直角梯形波导段的参数选用粒子群算法优化获得。
14.所述adc同时用于复用和解复用。
15.所述第一单模波导队列中的第二直波导段、第二多模波导和第二单模波导队列中的第二直波导段之间的模式转换采用了三波导定向耦合器结构。
16.所述第一多模波导和所述第一单模波导队列与所述第三多模波导和所述第二单模波导队列关于第二多模波导呈轴中心对称。
17.所述第一单模波导队列中，所述第1子单模波导至第t-1子单模波导的第一直波导段与180
°
弯曲波导段之间还设置有第一s型波导段和第三直波导段，其 180
°
弯曲波导段与第二直波导段之间还设置有第二s型波导段。
18.所述第一多模波导的第t-1锥形波导段与第t子单模波导之间还设置有第一 s型波导段。
19.所述第二单模波导队列中，所述第2子单模波导至第t子单模波导的第二直波导段与180
°
弯曲波导段之间还设置有第二s型波导段，其180
°
弯曲波导段与第一直波导段之间还设置有第三直波导段和第一s型波导段。
20.所述第二单模波导队列中的第1子单模波导与所述第三多模波导的第1锥形波导段之间还设置有第一s型波导段。
21.与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
22.本发明提供的多模交叉结构针对现代光子技术高集成度的要求，避免采用大量单模光波导交叉产生较大的传输损耗和串扰，采用了锥形adc级联来构建多模交叉单元，使得多个横向传播模式在一个交叉结构上同时实现低损耗、低串扰的交叉功能，器件结构十分紧凑。本发明实现多个横向模式高效交叉，解决了传统波导交叉方案无法同时实现横纵向模式交叉的难题。
附图说明
23.图1是本发明一实施例的多模交叉结构示意图。
24.图2是本发明一实施例经粒子群算法优化获得的adc结构示意图。
25.图3是本发明一实施例多模交叉结构的光学显微镜图。
26.图4是本发明一实施例多模交叉结构的横向基模、一阶、二阶及三阶的光场分布图。
27.图5是本发明一实施例多模交叉结构的四模交叉模拟光场分布图。
具体实施方式
28.接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。
29.本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。
30.另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。
31.不对称定向耦合器一般分为常规adc和锥形adc两种。常规adc的两根波导都是矩形构成，而锥形adc相较于常规adc中矩形波导宽度w来说它的w呈线性变化，即输入锥形波导的内侧与宽波导保持平行，即锥形adc两波导间隙保持不变，只有锥形波导的外侧由类似线性的倾斜变化。该结构中用粒子群算法对锥形波导外侧进行仿真取值，得到了最优的宽度取值。然后利用s型弯曲波导、锥形和180
°
弯曲波导连接拼装构成多模交叉结构。该结构不仅适用于更多横向模式的传输，在纵向模式的交叉传输中同样适用。因为当今复用(解复用)[mux(demux)]器件的成熟，所以我们可以轻易扩展至更多横向模式。甚至得益于偏振分束器(pbs)的成熟，我们的交叉可以轻易扩展至更多的偏振态。
[0032]
可选的是，光交叉结构中的s型波导段(即s型弯曲波导)存在于每一个 adc中，它用于拉开两个耦合波导的距离。光波导的锥形结构用于各adc的级联连接，按照光的进出端口的顺序不同可以分为正锥形(taper)与倒锥形 (inverse taper)结构。在倒锥形结构中，光从宽度较大的端口输入，从宽度较小的端口输出，在光的传输方向上光波导宽度是逐渐减小的；正锥形的结构与之相反，光从宽度较小的端口输入，从宽度较大的端口输出，在光的传输方向上光波导宽度是逐渐增大的。而180
°
弯曲波导用于一条总线波导(即多模波导) 经过基模
→
n+1模
→
基模的模式转换实现交叉的连接，使得光交叉结构趋于完整。
[0033]
本发明一实施例提供一种基于adc的多模平行多模交叉结构，其包括第一多模波导10、第二多模波导20、第三多模波导30、第一单模波导队列45和第二单模波导队列50，第一单模波导队列40设置于第一多模波导10和第二多模波导20之间，第二单模波导队列50设置于第二多模波导20和第三多模波导30 之间。
[0034]
该实施例中，该交叉结构选用四个横电偏振模式，第一多模波导10由第1 直波导段、第1锥形波导段、第2直波导段、第2锥形波导段、第3直波导段、第3锥形波导段依次首尾连接而成。第一单模波导队列40包括从左到右依次排列的第1子单模波导、第2子单模波导、第3子单模波导和第4子单模波导。
[0035]
该实施例中，第1子单模波导由第一波导段、第一s型波导段、第一直波导段、180
°
弯曲波导段、第二s型波导段和第二波导段依次首尾连接而成。第 2子单模波导由第一波导段、第一s型波导段、第一直波导段、180
°
弯曲波导段、第二s型波导段和第二波导段依次首
尾连接而成。第3子单模波导由第一波导段、第一s型波导段、180
°
弯曲波导段、第二s型波导段和第二波导段依次首尾连接而成。第4子单模波导由第一s型波导段、180
°
弯曲波导段和第二波导段依次首尾连接而成。
[0036]
第二多模波导为直线波导。第三多模波导由第1锥形波导段、第1直波导段、第2锥形波导段、第2直波导段、第3锥形波导段和第3直波导段首尾连接而成。
[0037]
第二单模波导队列50包括从左到右依次排列的第1子单模波导、第2子单模波导、第3子单模波导和第4子单模波导。第1子单模波导由第二波导段、 180
°
弯曲波导段和第一s型弯曲波导首尾连接而成，第2子单模波导由第二波导段、第二s型弯曲波导段、180
°
弯曲波导段、第一s型弯曲波导段和第一波导段首尾依次连接而成。第3子单模波导由第二波导段、第二s型弯曲波导段、 180
°
弯曲波导段、第一直波导段、第一s型弯曲波导段和第一波导段首尾依次连接而成。第4子单模波导由第二直波导段、第二s型弯曲波导段、180
°
弯曲波导段、第一直波导段、第一s型弯曲波导段和第一波导段首尾依次连接而成。该实施例中，第一单模波导队列40和第二单模波导队列50关于第二多模波导 20呈轴中心对称。在其它实施例中，直波导段与180
°
弯曲波导段之间可以选择性的设置s型弯曲波导，s型弯曲波导段与180
°
弯曲波导段之间可选择性地设置直波导。s型弯曲波导用来拉开两耦合波导的距离。
[0038]
第一多模波导的直波导段与第一单模波导队列中子单模波导的第一波导段和第二波导段分别构成adc，并同时用于基模复用和多模解复用。在一优选实施例中，第一波导段和第二波导段分别选用n段直角梯形(锥形中的一种)波导段连接而成，直角梯形波导的直角边靠近且平行于adc中的直波导，其中n ≥2。采用直角梯形波导的锥形设计能够提升模式转换效率、增加带宽、提高工艺容差。在其它实施例中，第一波导和第二波导也可以选用直波导段。多模波导的宽度至少支持前t+1个tei或tmi模式的传输，其中，i＝0，1，
……
，t。 adc的参数选用粒子群算法优化获得。其中一条多模波导经过adc转化为基模穿越另一根多模波导实现交叉，基模与多模波导交叉部分由基模
→
n+1模(n 模交叉结构)
→
基模来实现交叉功能。在另一实施例中，第一多模波导与第一单模波导队列和第三多模波导与第二单模波导队列关于第二多模波导呈轴中心对称。
[0039]
该实施例中，选用硅作为波导层，波导层被二氧化硅包裹，以硅作为波导层的厚度为220nm，硅的折射率为3.42，二氧化硅的折射率为1.46。硅波导中所支持的传输模式数量与硅波导的宽度正相关，因而对于多模波导，其宽度的选取应当足够支撑所需的所有模式。通过使用常见的全矢量有限差分方法 (fvfd)或者有限元方法(fem)，可以对三维矩形波导的模式进行数值计算，得到特定厚度及宽度的硅波导中所有模式的有效折射率及光场(电场和磁场) 的空间分布。例如，该实施例中需要设计横电(te)偏振下4模式的波导交叉器件，并且根据本发明的设计原理，需要使用第五个模式进行交叉时的模式转换，故总线多模波导的宽度需至少支持前5个tei模式(i＝0,1,2,3,4)，故宽度可设置在1.8～1.9微米以上以保证5个te模式的传输，宽度越大高阶模式的传输损耗越小。同时，波导宽度越小，其对各模式的光场束缚越弱，作为adc两臂的波导越容易发生相互间的模式耦合，有利于提高耦合效率，减小耦合长度，从而缩减整个adc器件的长度，提高集成度。因此，作为adc其中一臂的多模波导，其宽度应尽可能减小，故本实施例中用于对te0和te4间转换的adc4中的多模波导宽度优选的可取1.9um。类似的，从te0到te1、te2及te3之间转换的adci(i＝1,2,3)中的多模波导宽度优选的分别取0.75um，1.15um及 1.55um，以保证对应的模式可以低损耗地传
播，并尽可能减小adc的耦合长度。 adc中两波导的间隙越小越有利于提高耦合效率，减小长度，但由于工艺精度限制通常不小于0.1um，故通常设置为0.1～0.2um之间。本实施例中adc
1-4
中的两波导的间隙分别为0.15um、0.15um、0.15um和0.1um。本发明中adc的另一臂采用了n(本例中n＝9)段直角梯形波导组成的不规则单模波导来代替常规单模直波导，以达到提高耦合效率，增大容差，提升带宽等效果。该n段锥形波导全部由直角梯形构成，其直角边均为临近多模波导的一边，见图2。当 adc中的多模波导宽度及波导间隙确定以后，可以使用常规的优化算法来计算单模波导的结构参数，本发明中使用的是粒子群优化(pso)方法。采用粒子群算法优化adc结构的主要目的是解决以下两个技术问题。其一，与传统adc 相比较，通过粒子群优化的锥形adc有着更好的耦合效率、带宽以及更大的制造容差。其二，与传统adc相比较，通过粒子群优化的锥形adc有着更短的耦合长度，在级联的过程中能够极大程度的减小交叉结构的占地面积。具体的，需要通过pso方法得到n段锥形波导的末端宽度w
i0-n
。作为优化算法的初始条件，设置w
i0
＝0.35um，然后设定算法的边界条件，即限定宽度w
i1-n
的变化范围为0.2～0.6um。设定n段锥形波导等长，总长度变化范围在7-10um。然后，设定算法的目标评价函数fom为从te0到待转换模式tei的能量转换效率，fom 越大，说明adc器件的模式转换效率越高，性能越好。设置好初始及边界条件之后，通过pso算法的迭代计算，可以逐步提高fom数值。通常可以设定迭代次数或者fom数值来结束算法。本例中设定迭代次数到达400次时终止优化算法，此时通常fom可以高达98～99％以上，即可达到非常高的模式转换效率。四个adc的尺寸参数见下表1。
[0040]
表1
[0041][0042]
s型弯曲波导的长度和高度分别是5um和1um；锥形波导连接着每个adc 中的直波导，锥形波导的长度不低于3um；180
°
弯曲波导的半径不低于3.5um。四模波导交叉的总占地面积为25um
×
25um2。该结构的两根总线波导的交叉路径不同，一条总线波导经过基模
→
n+1模
→
基模转换实现交叉，而另一根总线波导直接输出。
[0043]
根据以上设计结构，使用fdtd solutions进行三维模拟以得到该结构的精确传输结果。如图4中的(a)至(d)图，分别为横电偏振模式的te0、te1、 te2及te3的导模电场分布。如图5中，分别为上述各模式的模拟光场分布。而后，将分别对以上4种情况进行模拟及实验证明，得到了他们的透射光谱图。在此仅提供各模式的插入损耗的数据图。
[0044]
从模拟结果显示，交叉器件在整个波段范围内(1530-1580nm)所有模式的插入损耗低于1.2db，串扰小于-20db。在波长1550nm处，所有模式的传输效率都达到了90％以上。
实验结果同样证明了交叉器件的串扰均小于-20db并且拥有着不俗的插入损耗。
[0045]
以上实例仅仅只是四个横电偏振模式的交叉结果，根据上述分析还可以进一步增加模式数量、横磁偏振模式来继续改进器件。通过以上设计可以实现高集成度、低损耗、低串扰的多模式交叉，并可以轻易的进行更多模式交叉的扩展。
[0046]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。