一种基于欧拉弯曲宽波导的硅基阵列波导光栅

1.本发明涉及了光通信领域的一种阵列波导光栅，尤其涉及一种基于欧拉弯曲宽波导的硅基阵列波导光栅。


背景技术：

2.随着通信产业的不断发展，人们对于通信容量的需求愈来愈大。密集波分复用技术是最有望解决海量通信需求的技术之一。目前，二氧化硅材料的阵列波导光栅凭借其低损耗与低串扰的优良性能已经实现了大规模商用化。然而，由于该材料的低折射率差，普通的弯曲半径需要控制在毫米量级，因此其存在尺寸大的缺陷，这在一定程度上限制了单位面积上通信容量的发展。
3.绝缘体上硅材料拥有高折射率差，弯曲半径可以达到几十甚至几个微米量级，有助于器件的小型化。同时其制作工艺与cmos工艺相兼容，可以使用已经非常成熟的半导体加工技术来制作。但是其同样存在严重的缺陷，制作过程中波导宽度的随机变化造成的随机相位误差会引入高水平的串扰；高折射率差带来的模式失配也更加明显，损耗较大。
4.2013年，比利时根特大学课题组将硅基的阵列波导宽度从单模的500纳米增宽到800纳米，在一定程度上增大了工艺容差，这使得阵列波导光栅的损耗和串扰性能均得到了提升。但是，其在弯曲波导部分仍采用500nm宽度的单模波导，因此成效有限。


技术实现要素：

5.针对背景技术中存在的不足，本发明提供一种基于欧拉弯曲和宽波导的紧凑型硅基阵列波导光栅。在阵列波导与自由传输区的过渡部分采用双层刻蚀和绝热锥形脊波导的设计。阵列波导区域则利用多模宽波导以及曲率渐变的欧拉弯曲来实现低损耗的基模传输，可以在现有的标准工艺下增大工艺容差，降低通道间串扰和器件的整体损耗。
6.本发明采用的技术方案是：
7.本发明包括依次连接的输入区、阵列波导区域和输出区，所述输入区和输出区结构相同，且以阵列波导区域为中心对称分布地连接在阵列波导区域的两端；所述输入区主要由沿波导传输方向依次连接的输入波导、第一自由传输区、第一过渡区域和第一绝热锥形波导组成，所述输出区主要由沿波导传输方向依次连接的第二绝热锥形波导、第二过渡区域、第二自由传输区和输出波导组成，且第一绝热锥形波导和第二绝热锥形波导分别连接到阵列波导区域的两端；所述阵列波导区域主要由三个多模宽波导区和两个欧拉弯曲宽波导区依次交替连接组成，且两个相邻多模宽波导区之间均连接有一个欧拉弯曲宽波导区，且阵列波导区域的弯曲部分由欧拉弯曲宽波导区组成，且阵列波导区域的两端均通过多模宽波导区分别连接到输入区和输出区。
8.所述欧拉弯曲宽波导区主要由多根欧拉弯曲宽波导间隔地前后阵列组成，且多根欧拉弯曲宽波导的弯曲半径均相同，且欧拉弯曲宽波导的曲率变化满足阿基米德螺旋线方程。
9.分别连接到输入区和输出区的两个多模宽波导区均主要由多根多模宽波导以相同的间隔前后阵列组成，位于两个欧拉弯曲宽波导区之间的多模宽波导区主要由多根多模宽波导间隔地前后阵列组成。
10.所述第一过渡区域和第二过渡区域结构相同，所述第一过渡区域主要由多根绝热锥形脊波导构成，所述绝热锥形脊波导加工成双层刻蚀结构。
11.所述第一自由传输区和第二自由传输区均为结构相同的罗兰圆结构，且第一自由传输区的输出端和第二自由传输区的输入端均分别在同一段圆弧上。
12.所述输入波导和输出波导均为多根，且多根输入波导以相同的间隔均布地连接到第一自由传输区，且多根输出波导以相同的间隔均布地连接到第二自由传输区。
13.所述波导光栅中相邻波导的长度差为一定值。
14.所述绝热锥形脊波导控制输入光以基模的形式耦合进入阵列波导区域。
15.输入光在绝热锥形波导中始终保持基模形式。
16.所述的波导光栅中的波导均置于衬底硅上。本发明的有益效果是：本发明实现了一种基于欧拉弯曲和宽波导的紧凑型硅基阵列波导光栅，具备低损耗低串扰，紧凑等优异性能，有望用于提升单位面积内的光通信容量；阵列波导区域利用多模宽波导以及曲率渐变的欧拉弯曲来实现低损耗的基模传输；本发明能减小由于模式失配和工艺误差引起的相位误差，可用于光通信系统中。
附图说明
17.图1是本发明整体结构示意图；
18.图2是本发明欧拉弯曲示意图；
19.图3是本发明双层刻蚀结构的示意图；
20.图4是本实施例仿真的频谱响应图。
21.图中所示：1-输入波导，2-输出波导，3-第一自由传输区，4-多模宽波导区，5-欧拉弯曲宽波导区，7-绝热锥形脊波导，8-第一绝热锥形波导。
具体实施方式
22.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
23.如图1所示，本发明包括依次连接的输入区、阵列波导区域和输出区，输入区和输出区结构相同，且以阵列波导区域为中心对称分布地连接在阵列波导区域的两端；
24.输入区主要由沿波导传输方向依次连接的输入波导1、第一自由传输区3、第一过渡区域和第一绝热锥形波导8组成，输出区主要由沿波导传输方向依次连接的第二绝热锥形波导、第二过渡区域、第二自由传输区和输出波导2组成，且第一绝热锥形波导8和第二绝热锥形波导分别连接到阵列波导区域的两端；
25.阵列波导区域主要由三个多模宽波导区4和两个欧拉弯曲宽波导区5依次交替连接组成，且两个相邻多模宽波导区4之间均连接有一个欧拉弯曲宽波导区5，且阵列波导区域的弯曲部分由曲率半径渐变的欧拉弯曲宽波导区5组成，且阵列波导区域的两端均通过多模宽波导区4分别连接到输入区和输出区。
26.欧拉弯曲宽波导区5主要由多根欧拉弯曲宽波导间隔地前后阵列组成，且多根欧
拉弯曲宽波导的弯曲半径均相同，且欧拉弯曲宽波导的曲率变化满足阿基米德螺旋线方程。
27.分别连接到输入区和输出区的两个多模宽波导区4均主要由多根多模宽波导以相同的间隔前后阵列组成，位于两个欧拉弯曲宽波导区5之间的多模宽波导区4主要由多根多模宽波导间隔地前后阵列组成，且该多模宽波导区4的多根多模宽波导的间隔可根据相邻阵列波导的长度差计算得到。
28.具体的，阵列波导区域由多模宽波导区4的组成保证基模传输，利用多模宽波导来传输基模，使得阵列波导由于加工造成的侧壁粗糙度而引起的相位误差降低；同时根据耦合模理论，宽波导之间不易发生耦合，使得结构较为紧凑。欧拉弯曲宽波导区5中的欧拉弯曲宽波导均为宽波导，由于欧拉弯曲宽波导的曲率渐变，且欧拉弯曲宽波导的曲率随弯曲角度变化满足阿基米德螺旋线方程，避免了光在传输过程中的模式失配，可以不激发高阶模式。
29.第一过渡区域和第二过渡区域结构相同，第一过渡区域主要由多根绝热锥形脊波导7构成，绝热锥形脊波导7加工成双层刻蚀结构。
30.第一自由传输区3和第二自由传输区均为结构相同的罗兰圆结构，且第一自由传输区3的输出端和第二自由传输区的输入端均分别在同一段圆弧上。
31.输入波导1和输出波导2均为多根，且多根输入波导1以相同的间隔均布地连接到第一自由传输区3，且多根输出波导2以相同的间隔均布地连接到第二自由传输区。
32.波导光栅中相邻波导的长度差为一定值，使其存在恒定的光程差。
33.通过合理选择绝热锥形脊波导7的宽度，利用绝热锥形脊波导7控制输入光以基模的形式耦合进入阵列波导区域，以降低模式失配的程度，降低损耗，同时滤去少量存在的高阶模，降低串扰。
34.输入光在绝热锥形波导8中始终保持基模形式。
35.波导光栅中的波导均置于衬底硅上。
36.具体的，将一段宽光谱的输入光从一根输入波导1中输入，且输入光场强度为高斯分布，输入光经过输入区的第一自由传输区3时发生衍射，发生衍射后的输入光再耦合进入阵列波导区域中进行传输；由于阵列波导区域中相邻两个波导存在恒定的长度差，因此不同波长的光会存在不同的相位差，使得输入光在输出区的第二自由传输区内发生多光束干涉；又由于不同波长的光在罗兰圆不同的位置处成像，因此发生多光束干涉后的输入光经第二自由传输区从多根输出波导2输出后获得具有不同波长的光，实现对输入光的分光功能。反之，将具有不同特定波长的光从多根输出波导2中对应的波导进行输入，由于光路的可逆性，具有不同特定波长的光将从一根输入波导1输出，从而实现对不同特定波长的光的合束功能。
37.本发明具体实施例如下：
38.选用基于硅绝缘体材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm，浅刻蚀层厚度为150nm，折射率为3.4744；其下包层、上包层材料均为二氧化硅sio2，厚度均为2μm、折射率均为1.4404。本实施例中阵列波导光栅的关键参数具体如表1所示。
39.表1
[0040][0041][0042]
如图2所示，本实施例中欧拉弯曲宽波导的欧拉弯曲为90度，且欧拉弯曲宽波导的中间点为最小半径r
min
，且最小半径r
min
大小为20um，边缘部分为最大半径r
max
，且最大半径r
max
大小为2000um，中间部分半径渐变，且中间部分的有效半径r
eff
大小为37.0901um。
[0043]
如图3所示，综合考虑高度h1为220nm的第一自由传输区3与高度h2为150nm的浅刻蚀部分的模式匹配度以及因加工最小尺寸的限制造成的反射情况，第一过渡区域锥形脊波导的一端宽度从w1＝1.13um渐变到w2＝0.45um，长度l1为16um，中部脊波导宽度保持w2＝0.45um不变，第一过渡区域锥形脊波导的另一端的宽度从w4＝1.33um渐变到w2＝0.45um，长度l2为25um。第一绝热锥形波导的宽度从w2＝0.45um渐变到w3＝2um，长度l3为25um。以上参数可以确保输入光99.4％以上的能量在阵列波导区域中以基模传输。
[0044]
如图4所示，本实施例中阵列波导光栅的损耗为0.69～1.66db，均匀性在1db以内，串扰低于36db。
[0045]
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。