專利名稱：一種基于脊型光波導的多模干涉耦合器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成光波導功分技術領域，特別是涉及一種基于脊型光波導的多模干涉耦合器。
背景技術：
光功分器/合波器是光學系統(tǒng)中非常重要的元件。有很多方法和結構可以實現(xiàn)功分功能，如Y分支、X分支、方向耦合器、星型耦合器、多模干涉(MMI)耦合器等，其中MMI耦合器具有尺寸小、容差大、低損耗、大帶寬、偏振無關以及高均勻性等優(yōu)越性，因而MMI耦合器最具吸引力。
經過多年的發(fā)展，用于制作光波導的材料有很多種材料，包括SiO2、Si、GaAs、InP、聚合物高分子材料等。尤其是自從基于絕緣體上的硅材料(SOI)材料的脊型光波導在1.3～1.5μm窗口內的傳輸損耗降低至0.1dB/cm以來，硅材料光集成技術得到迅速的發(fā)展，大量的SOI光波導集成器件已被研制出來。SOI材料具有很多優(yōu)點，尤其是和現(xiàn)有的集成電路具有很好的兼容性。這一點被非?？春?，因而得到廣泛的研究和應用。
脊型光波導是一種常見的波導類型，采用的材料通常有SOI、GaAs、InP等。傳統(tǒng)的脊型MMI耦合器結構如圖1所示，主要由輸入波導1、MMI區(qū)域2和輸出波導3組成。輸入波導1、輸出波導3和MMI區(qū)域2的刻蝕深度相同。由于單模條件的限制，均為淺刻蝕(刻蝕深度hr≤Hmax，Hmax為滿足單模條件的最大深度)。光從輸入波導1入射，進入MMI區(qū)域2，發(fā)生多模干涉效應，形成自成像效應，在MMI區(qū)域2的尾端形成N個像，在每個像的位置放置一條輸出波導，即可實現(xiàn)功分的功能。傳統(tǒng)脊型MMI耦合器有一些的缺點，如脊型MMI區(qū)域的成像質量和刻蝕深度有關。對于淺刻蝕的脊型波導，由于限制變弱，MMI區(qū)域的成像質量變差。成像質量不僅會影響到器件的插入損耗、通道均勻性，而且由于存在大折射率差的界面(如SOI波導)，成像質量不良會導致較強的反射。
當脊型波導的芯層材料(如SOI波導中的Si材料)和空氣的折射率相差非常大時，在垂直方向也通常存在多模干涉，這種垂直方向上的多模干涉會對MMI耦合器產生一些不良影響，如增大插入損耗等。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種基于脊型光波導的多模干涉耦合器，采用具有taper結構的深刻蝕(刻蝕深度hr＞Hmax)MMI耦合器來解決傳統(tǒng)MMI耦合器存在的插入損耗、通道均勻性等問題。
本發(fā)明采用的技術方案是包括至少一條輸入波導、一個MMI區(qū)域和至少一條輸出波導，輸入波導通過MMI區(qū)域與輸出波導連接；至少一條輸入波導從輸入到輸出由淺刻蝕區(qū)域、taper區(qū)域(錐形區(qū)域)組成；MMI區(qū)域為深刻蝕區(qū)域；至少一條輸出波導從輸入到輸出由taper區(qū)域、淺刻蝕區(qū)域組成；本發(fā)明的優(yōu)點1.輸入/輸出波導的末端設計為淺刻蝕區(qū)域(單模脊型波導)，可以方便與其他SOI集成光波導器件連接和提高標準單模光纖耦合的耦合效率。
2.MMI區(qū)域設計為深刻蝕區(qū)域，大大提高改善了MMI區(qū)域的自成像質量，解決了傳統(tǒng)MMI耦合器中由于淺刻蝕引起成像不完美等問題。
3.在垂直方向輸入場和MMI區(qū)域的模場匹配度提高，減小了激發(fā)的高階模分量，解決了垂直方向的多模干涉問題。
4.可以通過深刻蝕將MMI區(qū)域由脊型結構改成掩埋型結構，設計上比脊型MMI耦合器更為簡單方便。
5.由于輸入/輸出波導彎曲部分可為深刻蝕，可以大大減小彎曲半徑，從而減小器件尺寸，提高集成度。


圖1是傳統(tǒng)的MMI耦合器三維結構示意圖；圖2是本發(fā)明1×N MMI耦合器的結構示意圖；圖3是圖2中A的三維結構示意圖；圖4是本發(fā)明的第一種實施例圖；圖5是本發(fā)明的第二種實施例圖；圖6是本發(fā)明的第三種實施例圖；圖7是本發(fā)明的第四種實施例圖；圖8是脊型光波導截面圖；圖9是Taper區(qū)域的光場傳輸；圖10是Taper區(qū)域輸出端的模斑；圖11是傳統(tǒng)MMI耦合器的干涉成像；圖12是傳統(tǒng)MMI耦合器的輸出模斑；圖13是本發(fā)明MMI耦合器的干涉成像；
圖14是本發(fā)明MMI耦合器的輸出模斑。
具體實施例方式
如圖2、3、4、5、6、7所示，一種基于脊型光波導的多模干涉耦合器，包括至少一條輸入波導、一個MMI區(qū)域和至少一條輸出波導，輸入波導通過MMI區(qū)域與輸出波導連接。至少一條輸入波導從輸入到輸出由淺刻蝕區(qū)域8、taper區(qū)域9組成；MMI區(qū)域為深刻蝕區(qū)域11；至少一條輸出波導從輸入到輸出由taper區(qū)域13、淺刻蝕區(qū)域14組成；輸入或輸出波導中的taper波導區(qū)域9和MMI深刻蝕區(qū)域11之間連有深刻蝕波導區(qū)域10。
如圖4、5、6、7所示，輸入波導的淺刻蝕區(qū)域8和taper區(qū)域9連接在MMI深刻蝕區(qū)域11之前或輸入波導的淺刻蝕區(qū)域4和taper區(qū)域5連接在彎曲波導7之前。
如圖4、5、6、7所示，輸出波導的taper區(qū)域13和淺刻蝕區(qū)域14依次連接在MMI深刻蝕區(qū)域11之后或輸出波導的taper區(qū)域17和淺刻蝕區(qū)域18依次連接在彎曲波導15之后。
如圖4、5、6、7所示，輸入波導的淺刻蝕區(qū)域8、taper區(qū)域9和深刻蝕波導區(qū)10依次連接在MMI深刻蝕區(qū)域11之前或輸入波導的淺刻蝕區(qū)域4、taper區(qū)域5和深刻蝕波導區(qū)6依次連接在彎曲波導7之前。
如圖4、5、6、7所示，輸出波導的深刻蝕波導區(qū)域12、taper區(qū)域13和淺刻蝕區(qū)域14依次連接在MMI深刻蝕區(qū)域11之后或輸出波導的深刻蝕波導區(qū)域16、taper區(qū)域17和淺刻蝕區(qū)域18依次連接在彎曲波導15之后。
如圖3所示，taper區(qū)域為僅在垂直方向上或在水平方向和垂直方向上均有taper的結構。
如圖3所示，MMI深刻蝕區(qū)域11為深刻蝕的多模脊型波導或全刻蝕的掩埋型多模波導。
圖2為1×N MMI耦合器，1×N耦合器包括一條輸入波導、深刻蝕MMI區(qū)域和N條輸出波導。輸入波導包括淺刻蝕部分4、taper區(qū)域5和深刻蝕區(qū)域6。輸出波導包括淺刻蝕部分18、taper區(qū)域17、深刻蝕區(qū)域16和深刻蝕彎曲波導15。光從輸入波導4輸入，經過taper區(qū)域5，進入深刻蝕區(qū)域6，光場模斑由單模脊型波導4的本征模轉換為深刻蝕波導6的本征模，然后作為輸入場，入射到深刻蝕MMI區(qū)域11，發(fā)生多模干涉，產生自成像。在MMI末端，各個像分別耦合到相應的輸出波導的深刻蝕部分12，再經過taper區(qū)域16，模斑轉變?yōu)閱文＜剐筒▽?8的本征模。這樣實現(xiàn)了光均分的功能。
圖4為M×N MMI耦合器。M×N MMI耦合器包括M條輸入波導、深刻蝕MMI區(qū)域和N條輸出波導。輸入波導包括淺刻蝕部分4、taper區(qū)域5和深刻蝕區(qū)域6。輸出波導包括淺刻蝕部分18、taper區(qū)域17和深刻蝕區(qū)域16和深刻蝕彎曲波導15。光從輸入波導淺刻蝕區(qū)域4輸入，經過taper區(qū)域5，進入深刻蝕直波導6，光場模斑由單模脊型波導4的本征模轉換為深刻蝕直波導6的本征模，從深刻蝕彎曲波導7入射到深刻蝕MMI區(qū)域11，發(fā)生多模干涉，產生自成像。在MMI末端，各個像分別耦合到相應的輸出波導的深刻蝕彎曲波導15、深刻蝕直波導16，再經過taper區(qū)域17，模斑轉變?yōu)閱文＜剐筒▽?8的本征模。這樣實現(xiàn)了光均分的功能。
圖5為M×N MMI耦合器。M×N MMI耦合器包括M條輸入波導、深刻蝕MMI區(qū)域和N條輸出波導。輸入波導包括淺刻蝕部分4、taper區(qū)域5和深刻蝕區(qū)域6。輸出波導包括淺刻蝕彎曲波導15、淺刻蝕直波導14、taper區(qū)域13和深刻蝕區(qū)域12。光從輸入波導淺刻蝕區(qū)域4輸入，經過taper區(qū)域5，進入深刻蝕直波導6，光場模斑由單模脊型波導4的本征模轉換為深刻蝕直波導6的本征模，從深刻蝕彎曲波導7入射到深刻蝕MMI區(qū)域11，發(fā)生多模干涉，產生自成像。在MMI末端，各個像分別耦合到相應的輸出波導的深刻蝕直波導12，再經過taper區(qū)域13，模斑轉變?yōu)閱文＜剐筒▽?4的本征模，最后經過淺刻蝕彎曲波導15輸出。這樣實現(xiàn)了光均分的功能。
圖6為M×N MMI耦合器。M×N MMI耦合器包括M條輸入波導、深刻蝕MMI區(qū)域和N條輸出波導。輸入波導包括淺刻蝕彎曲波導7、淺刻蝕直波導8、taper區(qū)域9和深刻蝕區(qū)域10。輸出波導包括淺刻蝕部分18、taper區(qū)域17、深刻蝕區(qū)域16和深刻蝕彎曲波導15。光入射到淺刻蝕彎曲波導7，輸入到淺刻蝕區(qū)域8，經過taper區(qū)域9，進入深刻蝕直波導10，光場模斑由單模脊型波導8的本征模轉換為深刻蝕直波導10的本征模，從深刻蝕彎曲波導10入射到深刻蝕MMI區(qū)域11，發(fā)生多模干涉，產生自成像。在MMI末端，各個像分別耦合到相應的輸出波導的深刻蝕彎曲波導15、深刻蝕直波導16，再經過taper區(qū)域17，模斑轉變?yōu)閱文＜剐筒▽?8的本征模。這樣實現(xiàn)了光均分的功能。
圖7為M×N MMI耦合器。M×N MMI耦合器包括M條輸入波導、深刻蝕MMI區(qū)域和N條輸出波導。輸入波導包括淺刻蝕彎曲波導7、淺刻蝕直波導8、taper區(qū)域9和深刻蝕區(qū)域10。輸出波導包括淺刻蝕彎曲波導15、淺刻蝕直波導14、taper區(qū)域13和深刻蝕區(qū)域12。光入射到淺刻蝕彎曲波導7，輸入到淺刻蝕區(qū)域8，經過taper區(qū)域9，進入深刻蝕直波導10，光場模斑由單模脊型波導8的本征模轉換為深刻蝕直波導10的本征模，從深刻蝕彎曲波導10入射到深刻蝕MMI區(qū)域11，發(fā)生多模干涉，產生自成像。在MMI末端，各個像分別耦合到相應的輸出波導的深刻蝕直波導12，再經過taper區(qū)域13，模斑轉變?yōu)閱文＜剐筒▽?4的本征模，最后經過淺刻蝕彎曲波導15輸出。這樣實現(xiàn)了光均分的功能。
對于深刻蝕脊型MMI耦合器的設計，可以采用分區(qū)域設計的方法。用3D-BPM模擬光在taper區(qū)域和彎曲波導中的傳播，實現(xiàn)taper結構和彎曲波導的優(yōu)化設計。對于MMI區(qū)域的自成像效應，可以采用3D-MPA方法和3D-BPM方法。
設計一個1×4基于SOI材料的MMI耦合器。根據(jù)單模條件，選擇了如下結構參數(shù)脊寬Wr＝4μm，脊高hr＝2.0μm，Si層厚度h2＝5μm，Si層折射率n2＝3.455，SiO2層折射率n2＝1.46，計算波長λ＝1.55μm，上表面氧化了一層SiO2。SOI脊型光波導結構如圖8所示。MMI區(qū)域寬度為40μm，長度約為915μm.1.Taper區(qū)域光場傳輸從深刻蝕的區(qū)域通過taper結構過渡到脊型波導的過程，只要taper結構足夠長，能量幾乎沒有損失。在此，作為實施方案之一，設計taper的長度為800μm。圖9為taper區(qū)域光場傳輸過程，圖10為taper區(qū)域光輸出端模斑，從圖9、10中可見，深刻蝕區(qū)域波導本征模場經過taper區(qū)域后幾乎可以完全轉變?yōu)闇\刻蝕區(qū)域波導本征模場，輸出場能量保留了99.22％，損耗極小，可以忽略不計。2.MMI區(qū)域多模干涉及其輸出圖11、12為傳統(tǒng)SOI-MMI的干涉成像與輸出模斑。其MMI區(qū)域長度和用MPA方法計算值略有變化，約為960μm。從圖中可見傳統(tǒng)淺刻蝕MMI耦合器成像質量較差，各通道不均勻性和附加損耗都較大。
圖13、14為本發(fā)明SOI-MMI的干涉成像與輸出模斑。結果表明和傳統(tǒng)SOI-MMI耦合器相比，本發(fā)明MMI耦合器的性能有非常顯著的提高。
權利要求
1.一種基于脊型光波導的多模干涉耦合器，包括至少一條輸入波導、一個MMI區(qū)域和至少一條輸出波導，輸入波導通過MMI區(qū)域與輸出波導連接；其特征在于至少一條輸入波導從輸入到輸出由淺刻蝕區(qū)域(8)、taper區(qū)域(9)組成；MMI區(qū)域為深刻蝕區(qū)域(11)；至少一條輸出波導從輸入到輸出由taper區(qū)域(13)、淺刻蝕區(qū)域(14)組成。
2.如權利要求1所述的一種基于脊型光波導的多模干涉耦合器，其特征在于輸入或輸出波導中的taper波導區(qū)域(9)和MMI深刻蝕區(qū)域(11)之間連有深刻蝕波導區(qū)域(10)。
3.如權利要求1所述的一種基于脊型光波導的多模干涉耦合器，其特征在于輸入波導的淺刻蝕區(qū)域(8)和taper區(qū)域(9)連接在MMI深刻蝕區(qū)域(11)之前或輸入波導的淺刻蝕區(qū)域(4)和taper區(qū)域(5)連接在彎曲波導(7)之前。
4.如權利要求1所述的一種基于脊型光波導的多模干涉耦合器，其特征在于輸出波導的taper區(qū)域(13)和淺刻蝕區(qū)域(14)依次連接在MMI深刻蝕區(qū)域(11)之后或輸出波導的taper區(qū)域(17)和淺刻蝕區(qū)域(18)依次連接在彎曲波導(15)之后。
5.如權利要求1所述的一種基于脊型光波導的多模干涉耦合器，其特征在于輸入波導的淺刻蝕區(qū)域(8)、taper區(qū)域(9)和深刻蝕波導區(qū)(10)依次連接在MMI深刻蝕區(qū)域(11)之前或輸入波導的淺刻蝕區(qū)域(4)、taper區(qū)域(5)和深刻蝕波導區(qū)(6)依次連接在彎曲波導(7)之前。
6.如權利要求1所述的一種基于脊型光波導的多模干涉耦合器，其特征在于輸出波導的深刻蝕波導區(qū)域(12)、taper區(qū)域(13)和淺刻蝕區(qū)域(14)依次連接在MMI深刻蝕區(qū)域(11)之后或輸出波導的深刻蝕波導區(qū)域(16)、taper區(qū)域(17)和淺刻蝕區(qū)域(18)依次連接在彎曲波導(15)之后。
7.如權利要求1～6所述的一種基于脊型光波導的多模干涉耦合器，其特征在于所說的taper區(qū)域為僅在垂直方向上或在水平方向和垂直方向上均有taper的結構。
8.如權利要求1所述的一種基于脊型光波導的多模干涉耦合器，其特征在于MMI深刻蝕區(qū)域(11)為深刻蝕的多模脊型波導或全刻蝕的掩埋型多模波導。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于脊型光波導的多模干涉耦合器，包括至少一條輸入波導、一個MMI區(qū)域和至少一條輸出波導，輸入波導通過MMI區(qū)域與輸出波導連接。至少一條輸入波導從輸入到輸出由淺刻蝕區(qū)域、taper區(qū)域組成。MMI區(qū)域為深刻蝕區(qū)域。至少一條輸出波導從輸入到輸出由taper區(qū)域、淺刻蝕區(qū)域組成。還可以在taper波導區(qū)域和MMI深刻蝕區(qū)域之間連有深刻蝕波導區(qū)域。本發(fā)明解決了垂直方向的多模干涉問題，解決了傳統(tǒng)MMI耦合器存在的插入損耗、通道均勻性等問題。具有以下優(yōu)點便于與其他集成光波導器件連接，提高了自成像的質量。彎曲部分可為深刻蝕，從而減小了器件尺寸，提高了集成度。
文檔編號G02B6/136GK1431530SQ0311489
公開日2003年7月23日 申請日期2003年1月13日 優(yōu)先權日2003年1月13日
發(fā)明者戴道鋅, 何賽靈 申請人:浙江大學