[发明专利]一种基于周期性介质波导的多模交叉结构及其设计方法

权利要求书

1.一种基于周期性介质波导的多模交叉结构，其包括呈十字交叉型排列的直线传输波导，所述直线传输波导包括直波导、倒锥形波导、位于所述倒锥形波导尖端的半圆柱形波导，以及距离所述半圆柱形波导一定距离的圆柱形波导阵列，所述倒锥形波导相对于其尖端的一端与所述直波导连接，且所述直波导的宽度与所述倒锥形波导相对于其尖端的一端的宽度相等，所述圆柱形波导阵列包括若干个间距逐渐增大，且半径逐渐减小的圆柱形波导，所述圆柱形波导沿所述倒锥形波导的中心轴线排列，半径最小的所述圆柱形波导设置于所述十字交叉处，所述呈十字交叉型排列的直线传输波导的x方向与y方向结构完全相同，所述倒锥形波导中，沿x轴方向的输出波导与输入波导完全关于yz面对称；其中，所述直线传输波导结构能够在纵向即垂直于芯片表面的高度方向上支持至少两个模式的传输。

2.根据权利要求1的所述多模交叉结构，其特征在于，沿所述十字交叉型排列的x或y方向上，设置有两个所述倒锥形波导。

3.根据权利要求1的所述多模交叉结构，其特征在于，所述直线传输波导以硅作为波导层，所述波导层被二氧化硅包覆。

4.一种基于周期性介质波导的多模交叉结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设计多模式介质波导的直线传输波导结构，根据材料折射率确定直线传输波导中的直波导的宽度及高度，使所述直线传输波导结构能够在纵向即垂直于芯片表面的高度方向上支持至少两个模式的传输，且具有低弯曲半径的特性；

S2：设计紧凑型多模交叉单元，包括直线传输波导中的倒锥形波导、位于倒锥形波导尖端的半圆柱型波导、以及距离所述半圆柱型波导一定距离的圆柱形波导阵列，通过改变倒锥形的尖端宽度及长度、圆柱形介质波导的半径及数量，确定具有最高传输效率的参数方案，以达到该多模交叉结构能够满足的所有性能要求；

步骤S2具体包括：

S2.1：确定直波导的高度及宽度，以确保光能够高效传输至少两个纵向模式，将所述宽度设为输入倒锥形波导的起始宽度及输出锥形波导的最终宽度；

S2.2：确定倒锥形波导及锥形波导的尖端宽度，并将该宽度作为尖端处半圆柱波导的直径；

S2.3：参考一维光子晶体在特定周期参数下的带隙以及倒锥形波导的线性变化趋势，确定第一个圆柱形介质波导的半径以及与倒锥形波导尖端的距离；

S2.4：根据S2.3中确定圆柱形介质波导半径及间距的方法，来确定下一个圆柱形波导的参数，并通过观察其透过率曲线对圆柱形波导的半径及间距作细微调整，以此类推，直到确定达到最高光通过效率的圆柱形波导数量、半径及相邻两个圆柱的间距，最终确定输入波导的所有参数，输出波导与输入波导关于yz面对称；

S2.5：确定位于交叉处的两圆柱形波导的间距，通过三维电磁波仿真软件计算在一系列交叉处间距具有不同数值时所述多模交叉结构的透过率及串扰的大小，绘制出一个曲线，确定最佳的间距方案，从而构成第一波导通路；

S2.6：根据以上参数设计紧凑型低损耗低串扰交叉结构，将具有完全相同结构参数的第二路输入波导、周期性圆柱形波导、输出波导与上述第一波导通路垂直90度放置，使两路波导的对称中心重合，在其对称中心处形成交叉。