专利名称：具有多层结构的模式变换器和光分路器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集成光电子器件，特别是一种模式变换器和光分路器。
背景技术：
以绝缘衬底上的硅SOI为基片的光波导和平面光集成回路PLC，可以帮助降低光芯片的成本，并实现多功能单片集成。但在基于SOI或其他高材料折射率对比的平面光集成回路中，分支节处的散射损耗是构造低损耗器件的障碍。发明专利200810092207. 0公开了一种基于并行模式变换器的SOI光分路器，见图 1。该光分路器由入射耦合光波导1、单通道模式变换器2、横向自由传播区3和模式变换器 4依次连接组成。单通道模式变换器2由两层脊波导构成，光纤和波导之间的耦合效率不高。横向自由传播区3由深度刻蚀形成，存在横向轮廓限制，厚度的突变使得光场在传输方向上变得不稳定。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有多层结构的模式变换器和光分路器，解决的技术问题是在SOI光集成回路中提高光纤到光器件的耦合效率、提高光分路器的分光效率、降低光分路器的分支节处的光损耗，在已有的基于并行模式变换器的SOI光分路器基础上进一步提高性能。本发明通过下述技术方案予以实现一种具有多层结构的模式变换器，包括平板波导和其上所设的脊波导。所述脊波导输入端为位于所述平板波导上的单脊波导，所述脊波导的层数为三层或三层以上。所述脊波导各层的宽度从输入端到输出端逐渐变窄，宽度减小到一定值后，该脊波导层截断，所述脊波导总层数减少一层，从而使得所述脊波导的高度逐步变小。越靠近平板波导的脊波导层截断的位置离输入端越远。所述模式变换器的输出端由单层平板波导或单层脊波导构成。—种光分路器，以绝缘体上硅为基片，由入射耦合光波导、具有多层结构的模式变换器、横向自由传播区、并行模式变换器、多路并行的分支弯曲脊波导、多路并行的输出光波导依次连接组成。所述具有多层结构的模式变换器的脊波导的层数为二层或二层以上， 脊波导各层的宽度从输入端到输出端逐渐变窄，宽度减小到一定值后，该脊波导层截断，即所述脊波导层数减少一层，从而使得所述具有多层结构的模式变换器的脊波导的厚度逐渐变小，越靠近所述光平板波导的具有多层结构的模式变换器。脊波导层截断的位置离输入端越远，所述模式变换器输出端由单层平板波导或单层脊波导构成。其中所述光分路器的横向自由传播区由前述平板波导构成，无横向限制。所述光分路器的并行模式变换器的各路并行脊波导的宽度从输入端到输出端逐渐增加。所述光分路器的分支弯曲脊波导包括弯曲脊波导和位于其上的单层脊波导，所述
3单层脊波导由所述并行模式变换器各路并行脊波导延伸而成，其宽度逐渐变小，直至截断； 所述弯曲脊波导由前述平板波导向底部刻蚀形成，各路弯曲脊波导各自具有一定的弯曲半径，弯曲脊波导的末端平行接前述多路互相并行。由于采用上述技术方案，本发明提供的一种具有多层结构的模式变换器和光分路器具有这样的有益效果1、本发明与现有技术相比，模式变换器的多层结构提高了光纤到SOI光器件的耦
合效率。2、在光分路器的横向自由传播区域，对横向结构的轮廓不做任何限制，可以减少一次刻蚀工艺，同时提高模式在光器件中传输的稳定性。3、光分路器的分支弯曲脊波导的弯曲脊波导由平板波导向底部刻蚀形成，通过厚度的减小来实现弯曲半径的减小，从而减小整个光器件的尺寸。
图1是发明专利200810092207. 0公开的一种基于并行模式变换器的SOI光分路
器图2是本发明公开的一种具有多层结构的模式变换器的结构示意图，以三层脊波导为例。图3 (a)-(f)是对应图2模式变换器沿传输方向上a_f处横截面的光场分布图。图4是本发明公开的一种光分路器整体结构的俯视图。图5是本发明公开的一种光分路器中的并行模式变换器的结构示意图。图6是图4中A处的局部放大示意图。
具体实施例方式下面通过具体实施例并结合附图对本发明进行详细地说明图2给出了本发明实施例中的模式变换器，以三层脊波导为例。在硅晶圆上深刻蚀形成脊波导5和平板波导6，其中，脊波导5的输入端50为深刻蚀形成的位于平板波导 6上的单脊波导，再经过多次刻蚀形成从深到浅的3个脊波导层51、52、53。具体过程可以是，在脊波导5上实施深刻蚀形成脊波导层51，然后对脊波导层51进行中深度刻蚀，形成脊波导层52，最后在脊波导层52上浅刻蚀形成脊波导层53。在这个模式变换器中，脊波导层51、52、53的宽度从输入端到输出端逐渐变窄，它们在末端的宽度值相同，一般为制造工艺的最小可允许宽度。脊波导层51、52、53在依次达到末端宽度值后截断，脊波导5的层数依次减少，从而使脊波导5的高度逐渐减小。脊波导层51、52、53的宽度变化趋势是，由上层至下层宽度变化逐渐变慢，越靠近光平板波导的脊波导层截断的位置离输入端越远。光场在高度方向上被逐层压低，最后完全压到平板波导6中。图3给出了光场经过本实施例的模式变换器的过程中，在各个与传播方向垂直的截面上的模场分布。图3(a)到(f)给出了图2的模式变换器在传播方向上从前到后，a、b、 c、d、e、f六个不同位置的截面波导结构和该截面上的光场分布。图3 (a)是截面a上的光场分布。随着脊波导层的宽度逐渐变窄，光场逐渐被向下压，如图3(b)和图3(c)。脊波导层53首先截断，模式变换器层数由四层变成三层，如图3 (d)所示，光场被压至脊波导层51、脊波导层52、和平板波导6三层中。随着脊波导层52的宽度变小直至截断，光场被全部压至脊波导层51和平板波导6中，如图3(e)所示。最后，随着脊波导层51的宽度变小直到截断，光场被完全压到平板波导6中，如图3(f)所示。如图4所示，本发明公开的一种光分路器，由入射耦合光波导7、具有多层结构的模式变换器8、横向自由传播区9和并行模式变换器10、分支弯曲脊波导11和输出耦合光波导12组成。入射耦合光波导7是深度刻蚀形成的脊波导，其横截面结构如图2的起始端 5相同，其导模的主模与光纤导模的主模高效耦合。具有多层结构的模式变换器10其脊波导5的层数可以是两层或两层以上，其三层结构如图2所示。模式变换器10被用来将光场逐层压至平板波导6的开放自由区域，这里叫做横向自由传播区9。横向自由传播区9的横向没有刻蚀轮廓，光在平板波导6中传播时不受任何横向限制，只受垂直方向的限制。其垂直的光场分布遵循平板波导模式，而横向的光场在横向自由传播区9中传过一定长度后， 越来越接近高斯柱面波，图4是的弧形虚线13是光在横向自由传播区9的波前。限制在平板波导6的光波，经过横向无限制的自由传播，到达并行耦合的并行模式变换器10，其结构如图4所示。并行模式变换器10由平板波导6和设在其上的脊波导 101组成。脊波导101的上表面和具有多层结构的模式变换器8的脊波导层51的上表面， 可以位于同一高度，即由同一刻蚀形成的刻蚀面；脊波导101也可以是单独刻蚀形成的不同高度的脊波导。脊波导101的宽度从并行模式变换器10的输入端到输出端逐渐变大。通过调节各通道脊波导101的宽度和间隔可以使并行模式变换器的超模式场分布和来自横向自由传播区9的光束的场分布相匹配，完成单路光束到多路光束的转换。本实施例中的光分路器在利用并行模式变换器10完成单路光束到多路光束的转换后，为了减小弯曲半径，厚度更小的波导来完成弯曲部分。单层脊波导111由并行模式变换器10各路并行脊波导101延伸而成。弯曲脊波导112由平板波导6向底部刻蚀至平板波导61形成，各路弯曲脊波导各自具有一定的弯曲半径，如图6所示。弯曲脊波导112的末端平行接输出耦合光波导12。在完成弯曲结构后，在输出端各条波导平行分布，并各自通过图4中所描述的输出耦合光波导12中的单通道模式变换器转换成多层结构。输出耦合光波导部分12的单通道模式变换器结构与本实施例中光分路器起始处的具有多层结构的模式变换器8结构相同，最后各平行分支以图2所描述的深刻蚀脊波导5输出。以上实施方式对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施方式中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种具有多层结构的模式变换器，包括平板波导和其上所设的脊波导，其特征在于所述脊波导输入端为位于所述平板波导上的单脊波导； 所述脊波导的层数为三层或三层以上；所述脊波导各层的宽度从输入端到输出端逐渐变窄，宽度减小到一定值后，该脊波导层截断，即所述脊波导层数减少一层，从而使得所述脊波导的高度逐步变小； 越靠近所述平板波导的脊波导层截断的位置离输入端越远； 所述模式变换器输出端由单层平板波导或单层脊波导构成。
2.一种光分路器，以绝缘体上硅为基片，由入射耦合光波导、具有多层结构的模式变换器、横向自由传播区、并行模式变换器、多路并行的分支弯曲脊波导、多路并行的输出光波导依次连接组成；所述具有多层结构的模式变换器的脊波导的层数为二层或二层以上，所述具有多层结构的模式变换器的脊波导各层的宽度从输入端到输出端逐渐变窄，宽度减小到一定值后，该脊波导层截断，即所述脊波导层数减少一层，从而使得所述具有多层结构的模式变换器的脊波导的厚度逐渐变小，越靠近所述光平板波导的具有多层结构的模式变换器的脊波导层截断的位置离输入端越远，所述模式变换器输出端由单层平板波导或单层脊波导构成；其特征在于所述横向自由传播区由前述平板波导构成，无横向限制；所述并行模式变换器的各路并行脊波导的宽度从输入端到输出端逐渐增加。
3.根据权利要求2所述的光分路器的多路并行的分支弯曲脊波导，其特征在于所述分支弯曲脊波导包括弯曲脊波导和位于其上的单层脊波导，所述单层脊波导由所述并行模式变换器各路并行脊波导延伸而成，其宽度逐渐变小，直至截断；所述弯曲脊波导由前述平板波导向底部刻蚀形成，各路弯曲脊波导各自具有一定的弯曲半径，弯曲脊波导的末端互相平行。
全文摘要
本发明公开了一种具有多层结构的模式变换器和光分路器。所述模式变换器包括平板波导和其上所设的脊波导，所述脊波导的层数为三层或三层以上；所述脊波导各层的宽度从输入端到输出端逐渐变窄，宽度减小到一定值后，该脊波导层截断，即所述脊波导层数减少一层，从而使得所述脊波导的高度逐渐变小；越靠近所述光平板波导的脊波导层截断的位置离输入端越远；所述模式变换器输出端由单层平板波导或单层脊波导构成。所述光分路器的横向自由传播区由平板波导构成，无横向限制。与现有技术相比，本发明公开的技术可以提高光纤到光器件的耦合效率，减少一次刻蚀工艺，同时提高模式在光器件中传输的稳定性。
文档编号G02B6/14GK102156324SQ201010620060
公开日2011年8月17日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者李冰, 杨晶, 洪小刚 申请人:上海圭光科技有限公司