一种光波导

本发明属于光通信，具体涉及一种光波导。

背景技术：

1、光子芯片是光集成领域的研究热点，具有高带宽、高速率、高集成度以及与cmos工艺兼容等优点，在光通信与光互连、光计算、激光雷达(lidar)和光量子领域具有重要应用价值。

2、光子芯片中，光在波导中传输。波导是由两种不同折射率的介质构成波导的芯层与包层，由于芯层的折射率大于包层的折射率，光被限定在波导的芯层中，沿着波导的路径传输。波导也可以只有一个芯层，以空气为包层，芯层折射率大于空气折射率。为了实现芯片的高集成度，光波导的路径不可能是一条直线，弯曲路径是不可避免的，弯曲路径的转弯部分常常是90度的急转弯。转弯半径的大小决定了光芯片的集成度，转弯半径越小，光芯片的集成度将越高。但是，随着转弯半径越来越小，波导中的导模将变成泄露模，光将辐射出波导，产生极大的弯曲损耗，这就限制了光波导的转弯半径进一步降低以及芯片集成度进一步提高，导致光子芯片难以实现类似电子芯片的高集成度。

3、现有文献中报道了多种方法来降低波导的弯曲损耗，如2017公开的论文《弯曲波导研究进展及其应用》记载了降低波导的弯曲损耗的一些方法，包括采用渐变弯曲半径、在弯曲波导中设置空气槽以及波导中采用梯度渐变材料等。这些方法往往会导致波导制作工艺复杂化、成本高，而难以实施。

4、因此，研究开发一种可以有效降低波导弯曲损耗，同时实施工艺难度低的方法对于实现高集成度光子芯片是至关重要的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的至少一种缺陷，提供了一种光波导，特别是具有极小弯曲半径的弯曲光波导，其可以有效降低波导弯曲损耗，同时实施工艺难度较低。

2、本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种光波导，包括弯曲波导段、第一直线波导段和第二直线波导段，弯曲波导段的一端与第一直线波导段相连，弯曲波导段的另一端与第二直线波导段相连，所述弯曲波导段的弯曲外侧或弯曲波导段的弯曲内外两侧设有第一金属条，第一金属条与弯曲波导段芯层之间设有第一间隙，第一金属条的高度大于弯曲波导段芯层横截面的高度，并且小于或等于4倍的弯曲波导段芯层横截面的高度。

3、进一步地，所述第一间隙不大于二分之一工作光波波长。

4、进一步地，所述第一金属条沿着弯曲波导段相同的路径弯曲。

5、进一步地，第一直线波导段的外侧或第一直线波导段的内外两侧设有第二金属条，第二金属条与第一直线波导段芯层之间设有第二间隙；第二金属条的高度大于第一直线波导段芯层横截面的高度，并且小于或等于4倍的第一直线波导段芯层横截面的高度。

6、进一步地，第二直线波导段的外侧或第二直线波导段的内外两侧设有第三金属条，第三金属条与第二直线波导段芯层之间设有第三间隙；第三金属条的高度大于第二直线波导段芯层横截面的高度，并且小于或等于4倍的第二直线波导段芯层横截面的高度。

7、进一步地，第一金属条的一端与第二金属条相连，第一金属条的另一端与第三金属条相连。

8、进一步地，光由第一直线波导段输入经弯曲波导段后由第二直线波导段输出。

9、进一步地，第二金属条的长度大于或等于工作光波波长。

10、进一步地，第三金属条的长度大于或等于工作光波波长。

11、进一步地，第三金属条的长度为工作光波波长的正整数倍。

12、进一步地，其中，λ0为工作光波波长，l1为第二金属条的长度，l1第一直线波导段的长度；

13、其中，λ0为工作光波波长，l2为第三金属条的长度，l2第二直线波导段的长度。

14、进一步地，沿着第一直线波导段的路径，所述第二间隙的宽度不变或渐变，当第二间隙的宽度渐变时，沿远离弯曲波导段的方向所述第二间隙的宽度逐近变大；所述第二间隙靠近弯曲波导段的一端的宽度等于第一间隙宽度；第二间隙远离弯曲波导段的一端的宽度等于第一间隙宽度或大于第一间隙宽度且小于4倍的第一间隙宽度。

15、进一步地，沿着第二直线波导段的路径，所述第三间隙的宽度不变或渐变，当第三间隙的宽度渐变时，沿远离弯曲波导段的方向所述第三间隙的宽度逐近变大；所述第三间隙靠近弯曲波导段的一端的宽度等于第一间隙的宽度；第三间隙远离弯曲波导段的一端的宽度等于第一间隙宽度或大于第一间隙宽度且小于4倍的第一间隙宽度。

16、进一步地，间隙填充有空气或介质，介质的折射率小于光波导芯层折射率。

17、进一步地，弯曲波导段的弯曲半径小于5微米。

18、进一步地，金属条的宽度大于100纳米。

19、进一步地，金属条的宽度小于工作光波波长。

20、本发明至少具有如下有益效果：

21、本发明在光波导弯曲侧面设置金属条，这样设置的有益效果为：光波导的光学结构由原结构的芯层、包层变成了芯层、包层、间隙层、金属层的结构，光场在波导中会形成新的传导模式(导模)，导模的能量大部分在光波导原来的芯层传播，少部分在金属与波导的间隙中传播。由于金属特有的光学属性，光波在金属中消逝场的深度极浅。当波导发生弯曲时，即便弯曲半径极小，导模也不会变成泄露模，因而可以降低光波导的弯曲损耗，实现极小弯曲半径的转弯，提高光芯片的集成度。

22、本发明的第一金属条、第二金属条、第三金属条的高度h1大于光波导芯层横截面的高度h，并且小于或等于4倍的光波导芯层横截面的高度，这样设置的有益效果为：本发明中，金属条只施加在光波导外侧，或者外侧与内侧。而光场模式的分布是在波导的整个横截面空间，当波导弯曲时，加大金属条的高度可以有效降低光场从波导上下两个表面泄露出波导，从而有效降低弯曲损耗。

23、本发明的第二金属条的长度大于或等于工作光波波长。第三金属条的长度大于或等于工作光波波长，且为工作光波波长的正整数倍。光波导的第一直线波导段的长度大于或等于第二金属条的长度加二分之一工作光波波长。光波导的第二直线波导段的长度大于或等于第三金属条的长度加二分之一工作光波波长，这样设置的有益效果为：金属条的设置导致原波导的传播常数与设置金属条后的光波导的传播常数失配，因此，原波导的模式需要一定的传播距离来转变成新的模式，过短的距离导致新的模式无法形成，这会产生较大的插入损耗，设置一定的长度，可以降低插入损耗。另一方面，由于新模式在芯层传输的光与在间隙传输的光存在耦合振荡特征，第三金属条的长度为波长的整数倍时，光可以在第二光波导直线段中取得最大值，进一步降低损耗。但过长的第三金属条也会引入过大的传输损耗，优选的，第二直线金属的长度为2倍工作光波波长。

24、本发明的第二间隙与第三间隙的宽度设置为渐变，这样设置的有益效果为：原波导的传播常数与设置金属条后的光波导的传播常数失配较大，会导致端面损耗，通过缓变间隙层的宽度，减小端面的传播常数失配，进一步降低插入损耗。

技术特征：

1.一种光波导，包括弯曲波导段、第一直线波导段和第二直线波导段，弯曲波导段的一端与第一直线波导段相连，弯曲波导段的另一端与第二直线波导段相连，其特征在于：所述弯曲波导段的弯曲外侧或弯曲波导段的弯曲内外两侧设有第一金属条，第一金属条与弯曲波导段芯层之间设有第一间隙，第一金属条的高度大于弯曲波导段芯层横截面的高度，并且小于或等于4倍的弯曲波导段芯层横截面的高度。

2.如权利要求1所述的光波导，其特征在于：所述第一金属条沿着弯曲波导段相同的路径弯曲。

3.如权利要求1所述的光波导，其特征在于：第一直线波导段的外侧或第一直线波导段的内外两侧设有第二金属条，第二金属条与第一直线波导段芯层之间设有第二间隙；第二金属条的高度大于第一直线波导段芯层横截面的高度，并且小于或等于4倍的第一直线波导段芯层横截面的高度；

4.如权利要求3所述的光波导，其特征在于：第一金属条的一端与第二金属条相连，第一金属条的另一端与第三金属条相连；

5.如权利要求3所述的光波导，其特征在于：其中，λ0为工作光波波长，l1为第二金属条的长度，l1第一直线波导段的长度；

6.如权利要求3所述的光波导，其特征在于：沿着第一直线波导段的路径，所述第二间隙的宽度不变或渐变，当第二间隙的宽度渐变时，沿远离弯曲波导段的方向所述第二间隙的宽度逐近变大；所述第二间隙靠近弯曲波导段的一端的宽度等于第一间隙宽度；第二间隙远离弯曲波导段的一端的宽度等于第一间隙宽度或大于第一间隙宽度且小于4倍的第一间隙宽度；

7.如权利要求1至6任一所述的光波导，其特征在于：所述第一间隙不大于二分之一工作光波波长。

8.如权利要求1至6任一所述的光波导，其特征在于：间隙填充有空气或介质，介质的折射率小于光波导芯层折射率。

9.如权利要求1至6任一所述的光波导，其特征在于：弯曲波导段的弯曲半径小于5微米。

10.如权利要求1至6任一所述的光波导，其特征在于：金属条的宽度大于100纳米。

技术总结
本发明公开了一种光波导，包括弯曲波导段，弯曲波导段的一端与第一直线波导段相连，另一端与第二直线波导段相连，弯曲波导段的弯曲外侧或弯曲波导段的弯曲内外两侧设有第一金属条，第一金属条与弯曲波导段芯层之间设有第一间隙，第一直线波导段的外侧或内外两侧设有第二金属条，第二金属条与第一直线波导段芯层之间设有第二间隙；第二直线波导段的外侧或内外两侧设有第三金属条，第三金属条与第二直线波导段芯层之间设有第三间隙。第一金属条的一端与第二金属条相连，另一端与第三金属条相连，金属条的高度大于光波导芯层横截面的高度，并且小于或等于4倍的光波导芯层横截面的高度。本发明可以有效降低波导弯曲损耗，同时实施工艺难度较低。

技术研发人员：毕哲宇,王文峰,徐丽敏,高彦棚,赵江,彭旷,张军
受保护的技术使用者：湖北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15