[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

说明书

本发明涉及一种基于周期性介质波导的多模交叉结构及其设计方法，该多模交叉结构包括呈十字交叉型排列的直线传输波导，直线传输波导包括直波导、倒锥形波导、位于倒锥形波导尖端的半圆柱形波导，以及距离半圆柱形波导一定距离的圆柱形波导阵列，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，圆柱形波导沿所述倒锥形波导的中心轴线排列，该结构采用具有周期结构的耦合谐振光波导CROWs来构建多模交叉单元，使得多个纵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，解决了传统波导交叉方案无法利用单个交叉结构实现两个以上的纵向模式同时高效交叉的难题。

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种基于周期性介质波导的多模交叉结构及其设计方法。

背景技术

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。同时，SOI（Silicon On Isolator）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。

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。目前提出解决该问题的方法有亚波长衍射光栅、阻抗匹配的“超材料”、多模干涉和桥式结构等。但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。

周期性介质波导具有光子带隙，带隙范围内任何频率的电磁波都不允许通过周期性介质波导，即周期性介质波导传播特性与波长有关，只有特定的波长的电磁波才能够在周期性介质波导中传输。周期性介质波导分为一维、二维和三维，由于二维和三维的结构制造难度大，常规的采用一维周期性介质波导。常见的一维周期性介质波导有光栅、耦合谐振光波导（Coupled Resonant Optical Waveguide,CROWs）等。因为CROWs其波导材料在空间上不是连续的，所以光集中在高折射率区域并且通过在每两个相邻支柱之间跳跃而沿着CROWs传播。当两个CROWs构成光交叉结构时，中心交叉处是低折射率材料（如空气），两个正交的CROWs中的光线很难耦合，实现较低的串扰。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的首要目的在于提供一种基于周期性介质波导的多模交叉结构及其设计方法，基于此目的，本发明至少提供如下技术方案：

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。

进一步的，半径最小的所述圆柱形波导设置于所述十字交叉处。

进一步的，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。

进一步的，沿所述十字交叉型排列的x或y方向上，设置有至少两个所述倒锥形波导。

进一步的，所述倒锥形波导中，x轴方向后半部分的输出波导与输入波导完全关于yz面对称。

进一步的，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。

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；