专利名称：使用多模波导的单模光路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种集成光电子器件，特别是一种在光路中使用多模波导或 其他多模结构的单模光路。
背景技术：
过去，在设计光集成回路PIC时，要求其组成光波导为单模波导，以保证整
个回路在单模条件下运作，不会有高阶模式在回路中或耦合界面处被激发。如果 回路的组成波导不是单模波导，当高阶模式被激发后，多个导模会沿着波导传 播，而每个导模承载着光信号功率的一部分，结果严重的模式色散和随机的耦合 损耗(当不连续和耦合界面发生时)会使信号歧变，甚至使整个回路完全不能工 作。
但是，单模光波导的条件有的时候太苛刻使波导单模工作的根本是降低波 导对光波的约束，而这就直接导致了所需弯曲半径的增加，从而降低集成光回路 密度。 一个典型的例子是硅在绝缘体上(SOI)光波导，如图1所示。图1 (a) 是初始SOI园晶片，包括硅层8和埋入二氧化硅层2，以及在埋入二氧化硅层2 下面的体硅层7;由初始SOI园晶片加工成的脊波导1的横截面图如图1 (b)所 示，埋入二氧化硅层2作为其下覆盖层，在硅层8上通过刻蚀或局部氧化形成凸 字形的波导脊4及其两侧的脊波导平板区(slab region oftheridge waveguide) 5， 波导脊4下方为脊波导核心(ridge waveguide core) 3，它包括从波导脊4的上表 面到硅层8的下表面的区域，上覆盖层(t叩cladding) 6可以是空气或二氧化硅 或其他低折射率材料。
最后形成的脊波导l折射率配置为波导脊4、脊波导核心3、脊波导平板区 5的折射率iif，下覆盖层2折射率iv上覆盖层6折射率iv由于在SOI中强烈的材料折射率的对比(n尸3.48与rie或ns:1.44 1.8对比)，为了使波导满足单 模工作条件，在脊形波导设计时必须降低其在横向的有效折射率对比即波导平 板区5和脊波导核心3所在平板之间的有效平板波导模式折射率对比，当这一对 比小到一定程度，高阶模式将失去横向限制，从而成为辐射模式而非导模。
与目前普遍采用的二氧化硅和聚合物的材料系统相比，SOI结构中的材料折 射率对要高很多，为了达到单模条件(同时保持与普通单模光纤类似的横结面 积)，其横向有效模式折射率的对比要尤其小。这一点使SOI脊波导1不能允许 小的弯曲半径，集成光回路密度低。而如果要提高回路密度，必须大幅减小波导 的横结面积，这会使波导损耗增加，双折射现象严重，光路对制造精度的要求过 于苛刻。 发明内容
本实用新型的目的是提供一种使用多模波导的单模光路，要解决的技术问题 是在SOI集成光回路中允许小的弯曲半径，提高集成光回路密度。
本实用新型采用以下技术方案 一种使用多模波导的单模光路，所述使用多 模波导的单模光路由多模波导和滤模器光路串联连接组成光路单元。
本实用新型的多模波导通过深度刻蚀或端面镀膜形成光反射器或者多模耦合 端面。
本实用新型的多模波导是深度刻蚀的脊波导、完全刻蚀的矩形波导或具有高 折射率对比的波导结构。
本实用新型的滤模器为弱导的单模波导、多模干涉仪、波导针孔结构或被弯 曲的单模波导。
本实用新型的多模波导和滤模器之间设有模式变换器。
本实用新型的使用多模波导的单模光路采用一组以上光路单元与光路单元串 联的连接方式。
4本实用新型的使用多模波导的单模光路采用串联的连接方式后连接一组以上 的并联光路单元。
本实用新型的多模波导与滤模器所组成的光路单元采用一个滤模器和多个多 模波导段串联连接。
本实用新型与现有技术相比，光路中使用多模波导，整个光路可以工作在单 模状态，解除了波导本身必须是单模的限制，可以使用具有强横向折射率对比的 波导结构，縮小弯曲半径，增大光路密度，同时，光路的总体性能不受影响，缓 解了对制造精度要求过于苛刻的问题。
图l (a)为初始SOI园晶片硅片示意图。
图l (b)为现有硅在绝缘体上SOI脊波导示意图。
图2 (a)为传统的单模波导集成光路原理示意图。
图2 (b)为本实用新型集成光路原理示意图。
图3为本实用新型的实施例示意图。
图4为本实用新型另一个实施例示意图。
图5为反常三维模式变换器。
图6为一种模式变换器和用于弯曲的多模波导连接的集成光路单元。 图7为利用本实用新型构成的光分路器完整配置结构示意图。
具体实施方式
本实用新型的使用多模波导的单模光路，简称SMC，结构原理如下从本质
上，如果光路的某一段或某几段为多模波导，只要确保高阶模式在其入口不被激 发，在其后部放置滤膜器结构，整个光路就可以维持单模工作。
图2 (a)为传统的单模波导集成光路，图中全程为单模波导的平面光集成 回路11，输入端单模光纤13，输出端单模光纤14。图2 (b)为本实用新型利用 SMC结构的使用多模波导的集成光路，使用多模波导的平面光集成回路12，输入端单模光纤13，输出端单模光纤14。传统的全程为单模波导的平面光集成回路 11中，光纤-集成光路-光纤的总损耗可由式(la)给出，本实用新型利用SMC结 构的使用多模波导的集成光路12的光纤-集成光路-光纤的总损耗由式(lb)给 出
<formula>formula see original document page 6</formula>(1 b)
式(la)中，①F是光纤导模，甲SMW是单模波导的基模，W是单模波导的辐 射模式，而T^是这些辐射模式的从端到端的传输系数。原理上，如果集成光路芯
片的长度足够长，r|kR=0，从而式(la)的第二项不起实际作用，而在式(la)中 保持第二项，是为了说明SMC的原理。在式(lb)中，T;是多模波导的主
模，^"是高阶模式，而TlkMMW是这些高阶模式的传输系数。比较式(la)和式
(lb)，可以看到，只要使式(lb)和式(la)相等，本实用新型基于SMC的集 成光路就会在效果上与传统的基于单模波导的集成光路一样。而使式(lb)和式
(la)相等的方法也就一目了然必须强制使rikMMw-0，只要做到这一点，尽管 集成光路中有多模波导存在，光路仍可以工作在单模状态，而这一点可以通过在 光路中加滤模器来实现。这就是本实用新型的核心思想。
图3是本实用新型由波导透镜和针孔滤模器组合的实施例，与传统非导波光 学中的透镜加针孔相类似。在应用上，它将是一个功能芯片的耦合入口段；图 中光芯片轮廓21，光芯片21通过刻蚀形成的在边缘处的波导透镜22;波导针
孔23;未被刻蚀的硅区24;被刻蚀后再沉积二氧化硅的二氧化硅区25;图中还
给出了入射光束26示意。
从单模光纤入射的光束，被芯片边缘的波导透镜22所汇聚，然后通过一个无 横向限制的平面波导区域(实际上是具有无穷多模的多模波导段)，到达波导针
6孔23。这一波导针孔会将所有可能在芯片边缘激发的高阶模式滤掉，从而保证以 后光路的单模操作。
图4 (a)是本实用新型由入射多模波导段，多模干涉仪和弱导单模波导组合 的实施例，包括入射耦合端口波导32、多模干涉仪33、模斑变换器34、弱导单 模波导35。
入射耦合端口波导32为多模波导，滤模器由一段多模干涉仪33和弱导单模 波导35组成，模斑变换器34实现33和35之间的无损耗连接；多模干涉仪33确 保去除所有的偶阶模式，而弱导单模波导35确保滤除所有奇阶模式。弱导单模波 导35是一个单模脊波导，在其两边适当的距离处加载并行的硅区，所加载硅区与 波导脊的距离使对主模没有影响，但对高阶偶模有影响。
图4 (b);图4 (c);图4 (d)是可能在耦合端口激发的几种模式通过所 述滤模器的光场传播情况。图4 (b)主模通过滤模器的情况；图4 (c)奇模被多 模干涉仪33滤掉的情况；图4 (d)偶模被弱导单模波导35滤掉的情况。
图5是一个反常三维模式变换器，用于多模波导和滤模器之间的光学连接， 反常三维模式变换器是被二氧化硅或其他低折射率材料包围的硅片41，包括低位 平板44、高位平板45，肩部46、波导脊49，其入射端面42,出射端面47，入射 端面波导主模式43，出射端面波导主模式48，
面向光纤的入射端面42是一个深度刻蚀的脊形波导，其波导主模式43具有 和光纤模式相匹配的圆对衬和尺寸，这样的脊形波导是多模波导；其后波导脊49 横向尺寸逐渐变窄，而肩部46的横向尺寸逐渐变宽，这种逐渐变化的波导结构不 仅使入射端面波导主模式43逐渐变化成出射端面波导主模式48，同时其对光波 的横向限制减弱，在耦合端面可能激发的高阶模式会成为辐射模而衰减，从而起 到一定的滤模器的作用。
如图6所示，为一种模式变换器和用于弯曲的多模波导连接的集成光路单 元；除了降低耦合损耗外，SMC允许使用深度刻蚀的窄的脊波导来减小所需的弯曲半径，提高光路密度。图中起始硅平板51，起始于SOI圆晶片；浅刻蚀脊波 导52，深度刻蚀脊波导53;深度刻蚀脊波导53，由于对光在横向的强烈限制，
可以形成有很小的弯曲半径的弯曲54。图6的结构可以放在图4的器件之后，可 以将弱导单模波导35变换回强限制的多模波导53。
本实用新型SMC的结构可以在集成光路中多次使用，按不同的配置互连，图 7给出了利用本实用新型构成光分路器的完整配置。左边为输入端，右边为输出 端。多模波导段MWS l是为了提高与光纤的耦合效率，其后跟滤模器l，消除在 耦合过程中可能产生的高次模(图3，或图4，或图5所示的实施例就可以用在这 里)。多模波导和滤模器之间可设有模式变换器，以实现两者之间的低损耗光学 连接。当光纤与波导完全对准时，主要光功率都会耦合到波导的基模，到高次模 的很少，而到高次模的部分，如前所诉，相当于在与单模波导耦合时由模式失配 引起的辐射模损耗，而滤模器1在这里的作用就是保证这部分到高次模里的功率 和辐射模式一样被衰减掉。在滤模器1之后，多模波导段2是为了可能需要的模 式变换和弯曲。原理上，SMC的体系结构中，每个多模波导段之后，都可以跟一 个滤模器。但在实际运用中，并不一定要这样做。严格来说，在耦合界面后的滤 模器保证了在后续的多模波导段MWS中只有主模被激发，而没有高阶模式。如 果波导是理想的(没有由于制造引起的不连续)，这种只有主模传输的状态会一 直保持下去，后面的滤模器就不必要了。在实际光路设计里，由于不连续引起的 主模到高阶模式的转换总是不可避免，滤模器需要在光路中对多模敏感的部位加 入，以防止光路的功能被影响。这些滤模器不会对光路的总体损耗有影响，因为 即使在以单模波导为基础的光路中，不连续也会引起主模到辐射模式的转换，最 终的结果会和加了滤模器的SMC—样。使用多模波导的单模光路采用一组以上光 路单元与光路单元串联的连接方式，串联的连接方式后连接一组以上的并联光路 单元。所述多模波导与滤模器所组成的光路单元还可采用一个滤模器和多个多模 波导段串联连接。
权利要求1. 一种使用多模波导的单模光路，其特征在于所述使用多模波导的单模光路由多模波导和滤模器光路串联连接组成光路单元。
2. 根据权利要求1所述的使用多模波导的单模光路，其特征在于所述多 模波导通过深度刻蚀或端面镀膜形成光反射器或者多模耦合端面。
3. 根据权利要求2所述的使用多模波导的单模光路，其特征在于所述多 模波导是深度刻蚀的脊波导、完全刻蚀的矩形波导或具有高折射率对比 的波导结构。
4. 根据权利要求3使用多模波导的单模光路，其特征在于所述滤模器为 弱导的单模波导、多模干涉仪、波导针孔结构或被弯曲的单模波导。
5. 根据权利要求1至4中任一所述的使用多模波导的单模光路，其特征在于所述多模波导和滤模器之间设有模式变换器。
6. 根据权利要求5所述的使用多模波导的单模光路，其特征在于所述使 用多模波导的单模光路采用 一组以上光路单元与光路单元串联的连接方 式。
7. 根据权利要求6所述的使用多模波导的单模光路，其特征在于所述使 用多模波导的单模光路采用串联的连接方式后连接一组以上的并联光路 单元。
8. 根据权利要求5所述的使用多模波导的单模光路，其特征在于所述多 模波导与滤模器所组成的光路单元采用一个滤模器和多个多模波导段串 联连接。
专利摘要本实用新型公开了一种使用多模波导的单模光路，要解决的技术问题是在SOI集成光回路中允许小的弯曲半径，提高集成光回路密度。本实用新型采用以下技术方案一种使用多模波导的单模光路，所述使用多模波导的单模光路由多模波导和滤模器光路串联连接组成光路单元。本实用新型与现有技术相比，光路中使用多模波导，整个光路可以工作在单模状态，解除了波导本身必须是单模的限制，可以使用具有强横向折射率对比的波导结构，缩小弯曲半径，增大光路密度，同时，光路的总体性能不受影响，缓解了对制造精度要求过于苛刻的问题。
文档编号G02B6/12GK201237651SQ20082011666
公开日2009年5月13日 申请日期2008年6月3日 优先权日2007年6月4日
发明者冰 李 申请人:冰 李