[实用新型]一种基于线性锥形多模干涉原理的十字交叉波导

说明书

技术领域

本实用新型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，我们必须考虑它的插入损耗和串扰。特别是对于高折射率材料如SOI（Silicon On Insulator），插入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，研制出具有低插入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插入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插入损耗和串扰（Hatakeyama，Loss-less multilevel crossing of busline waveguide in vertically coupled microring resonator filter，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插入损耗和串扰，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-based crossings for silicon wire waveguides，IEEE Photonics Technology Letters，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 wire waveguides，Japanese Journal ofApplied 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插入损耗大、串扰严重的问题，以及结构尺寸大和制作困难的不足，本实用新型给出了一种低损耗、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。

本实用新型的技术构思为：输入光的模式在本实用新型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。