CN114265150A - 一种支持片上远距离低损耗传输的紧凑线圈光波导 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种支持片上远距离低损耗传输的紧凑线圈光波导。包含一条宽度半径渐变S型弯曲波导、两条半径渐变线圈弯曲波导和两条宽度半径渐变弧形弯曲波导；宽度半径渐变S型弯曲波导置于两条半径渐变线圈弯曲波导的中心，宽度半径渐变S型弯曲波导的两端分别连接两条半径渐变线圈弯曲波导的内端，两条半径渐变线圈弯曲波导交替螺旋布置后的外端分别连接两条宽度半径渐变弧形弯曲波导。本发明光波导在保持输入光在基模传输的前提下能够以低损耗在片上进行远距离传输，在降低散射损耗和模间串扰的同时减小了光波导的尺寸，可用于可调光延迟线，光学相干断层扫描仪等系统。
Description
技术领域
本发明属于集成光学领域的一种光波导延迟线，尤其是涉及了一种支持片上远距离低损耗传输的紧凑线圈光波导。
背景技术
随着光子集成技术的发展，许多光学器件已经在片上实现了大规模集成并逐渐应用在高速通信、信号处理以及传感等方面。集成光学的目标是把如激光器、调制器、波导、探测器等所有光学器件高密度的集成在一个芯片上并能大规模制作，这要求所制作平台需要其波导层与外包层的高折射率差并与目前的CMOS工艺兼容性等特性，这使得绝缘体上硅(SOI)在众多平台中脱颖而出并在近年来得到了飞速的发展。与此同时，高折射率差会增大波导损耗的主要来源——由波导表面粗糙所带来的散射损耗。而对于一些如可调真延迟线、光学相干断层扫描系统、光学陀螺仪、微波光子相控阵波束成形和滤波器等需要较长的片上波导长度的光学器件，要求波导的传输损耗要足够小来满足需求，因此对于SOI上的光子集成器件，降低波导损耗是一个的首要任务。
作为光波导损耗的主要来源，散射损耗可以通过以下两种方式减少:第一种是通过改进制作工艺或者引入特殊工艺来处理波导使得波导的侧壁变得更加光滑。如通过基于氧化的无蚀刻工艺、化学氧化工艺或各向异性刻蚀等。但是这些特殊工艺通常与多晶圆流片厂的工艺不兼容导致无法用于进一步的大规模集成生产。另外一种方法是通过改善波导结构，例如引入脊型波导和超薄硅波导等结构使得波导中的模式光场与波导的侧壁的重叠面积变小，从而减小散射损耗。但是这些波导结构的制作需要在目前的标准波导制作工艺中引入额外的流程，更重要的是，这些波导结构的改变使得其束缚模场的能力变弱，导致其需要更大的弯曲半径以及波导间距来保证绝热传输，因此通常会使得器件的尺寸变大，无法实现紧凑布局。
除此之外，目前已报道的延迟线多数采用直波导与弯曲波导相结合的结构设计。虽然此方案设计简单，但是器件的整体尺寸偏大，且弯曲波导与直波导交界处的模式失配损耗会随着传播距离的增长而成倍的增加，这使得在目前标准工艺下难以实现能支持片上远距离传输且结构紧凑、传输损耗低的光波导延迟线。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术中存在的不足，提供了一种在标准工艺下支持片上远距离低损耗传输的紧凑线圈状光波导，利用多模宽波导以及渐变线圈弯曲波导来实现低损耗的基模传输，引入宽度半径渐变S型弯曲波导和输出/输入宽度半径渐变弧形弯曲波导来避免高阶模的激发，从而在现有的标准工艺下实现远距离传输、传播损耗低、结构紧凑的片上光波导。
为达到上述需求，本发明所采用的技术方案如下：
本发明包含一条宽度半径渐变S型弯曲波导、两条半径渐变线圈弯曲波导和两条宽度半径渐变弧形弯曲波导；宽度半径渐变S型弯曲波导置于两条半径渐变线圈弯曲波导的中心，宽度半径渐变S型弯曲波导的两端分别连接两条半径渐变线圈弯曲波导的内端，两条半径渐变线圈弯曲波导交替螺旋布置后的外端分别连接两条宽度半径渐变弧形弯曲波导。
所述的半径渐变线圈弯曲波导为多模波导。
所述的宽度半径渐变S型弯曲波导和宽度半径渐变弧形弯曲波导均不单一地仅为多模波导或者是单模波导。
所述的半径渐变线圈弯曲波导的弯曲半径满足等速螺线方程。
所述的宽度半径渐变S型弯曲波导的弯曲半径满足欧拉曲线方程。
所述的宽度半径渐变S型弯曲波导两端分别与两条半径渐变线圈弯曲波导的连接处，波导的宽度、弯曲半径均一致；在两条半径渐变线圈弯曲波导分别与两条宽度半径渐变弧形弯曲波导的连接处，波导的宽度、弯曲半径也均一致。
所述的宽度半径渐变S型弯曲波导的宽度随着弧长变化，宽度从中心向两端逐渐变大。
所述的两条宽度半径渐变弧形弯曲波导的宽度随着弧长变化，宽度从内端向外端逐渐变小。
所述的宽度半径渐变S型弯曲波导、两条半径渐变线圈弯曲波导和两条宽度半径渐变弧形弯曲波导均置于衬底硅上。
本发明通过宽度半径渐变S型弯曲波导和宽度半径渐变弧形弯曲波导的渐变结构设置使得光波导延迟线器件的尺寸更小、损耗更低。
本发明能够在保持输入光在基模传输的前提下能够以低损耗在片上进行远距离传输，在降低散射损耗和模间串扰的同时减小了光波导的整体尺寸，可用于可调光延迟线，光学相干断层扫描仪等系统。
本发明可以适用于硅基光子集成领域中任何需要光延迟线的器件及模块。
本发明具有的有益效果是：
本发明利用多模宽波导以及渐变线圈弯曲波导来进行基模传输，从而降低了对散射损耗影响较大的波导侧壁处的电场强度，而且渐变线圈弯曲波导减少了因为不同半径弯曲波导相接处的半径突变带来的模式失配损耗，从而实现低损耗基模传输来支持片上的远距离传播。
本发明在光波导中心引入宽度半径渐变的欧拉S型弯曲波导，在保证基模绝热传输的同时使得线圈光波导的结构更加紧凑，从而能实现更精密的长度改变量。
本发明通过在光波导的输入/输出处引入足够长的宽度半径渐变弧形弯曲波导来与普通单模波导相接，实现输入/输出端与延迟线的绝热连接。
本发明可以通过微调线圈波导间端对端的间隔，在保证不发生耦合串扰的情况下，设计出任意所需要的长度。
附图说明
图1是本发明低损耗紧凑线圈光波导的结构示意图。
图2是本发明低损耗紧凑线圈光波导的实施例1米长光波导示意图。
图3(a)是本发明的实施例：波导左右侧壁归一化散射损耗随波导宽度变化示意图。
图3(b)是本发明的实施例：波导上下表面归一化散射损耗随波导宽度变化示意图。
图3(c)是本发明的实施例：波导归一化总散射损耗随波导宽度变化示意图。
图4(a)是本发明的实施例：光波导截面示意图。
图4(b)是本发明的实施例：耦合距离随着波导端对端间距变化示意图。
图5是本发明的实施例：光波导中心宽度半径渐变S型弯曲波导结构示意图。
图6(a)是本发明的实施例：不同波导半径和波导宽度的光波导模场传播到相反弯曲半径方向的波导下的插入损耗。
图6(b)是本发明的实施例：不同波导半径和波导宽度的光波导模场传播到相反弯曲半径方向的波导下的模间串扰。
图7是本发明的实施例：本发明与单模波导的测试传播损耗对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，具体实施的器件结构包含一条宽度半径渐变S型弯曲波导1、两条半径渐变线圈弯曲波导2和两条宽度半径渐变弧形弯曲波导3；宽度半径渐变S型弯曲波导1置于两条半径渐变线圈弯曲波导2的中心，宽度半径渐变S型弯曲波导1的两端分别连接两条半径渐变线圈弯曲波导2的内端，两条半径渐变线圈弯曲波导2交替螺旋布置后的外端分别连接两条宽度半径渐变弧形弯曲波导3。
两条半径渐变线圈弯曲波导2相隔固定的间距交叉环形螺旋布置，一条半径渐变线圈弯曲波导2的外端与一条宽度半径渐变弧形弯曲波导3的内端连接，内端与宽度半径渐变S型弯曲波导1的一端连接，另外一根半径渐变线圈弯曲波导2的内端与宽度半径渐变S型弯曲波导1的另外一端连接，外端与另外一条宽度半径渐变弧形弯曲波导3连接，两条宽度半径渐变弧形弯曲波导3的外端分别作为输入端、输出端。
半径渐变线圈弯曲波导2为多模波导，宽度半径渐变S型弯曲波导1和宽度半径渐变弧形弯曲波导3均不单一地仅为多模波导或者是单模波导。
半径渐变线圈弯曲波导2的弯曲半径随弯曲角度变化满足等速旋线公式，半径渐变线圈弯曲波导2为多模宽波导，且其弯曲半径随弯曲角度变化满足等速旋线方程，使光保持低损耗传播而且避免模式失配而激发高阶模式。
宽度半径渐变S型弯曲波导1由端口的多模宽波导渐变为中心的单模窄波导，宽度半径渐变S型弯曲波导1的半径随弧长的变化满足欧拉螺旋线方程，即由端口的大弯曲半径波导渐变到小弯曲半径波导再渐变到中心的大弯曲半径波导，整个宽度半径渐变S型弯曲波导1呈中心对称布置。宽度半径渐变S型弯曲波导1使得光延迟线的结构紧凑且光传播过程不激发高阶模式。
两条宽度半径渐变弧形弯曲波导3的由多模宽波导渐变为输入/输出端口的单模窄波导，且其弯曲半径随弯曲角度变化满足等速旋线方程，使得光能够从输入端的单模窄波导光场绝热的转变为所发明光波导中多模宽波导光场，从光延迟线中多模宽波导光场绝热的转变为输出端的单模窄波导光场。
在宽度半径渐变S型弯曲波导1两端分别与两条半径渐变线圈弯曲波导2的连接处，两个波导的宽度、弯曲半径均一致；在两条半径渐变线圈弯曲波导2分别与两条宽度半径渐变弧形弯曲波导3的连接处，波导的宽度、弯曲半径均一致，保证连接处不发生模式失配而产生高阶模。
宽度半径渐变S型弯曲波导1呈对称结构布置。
半径渐变线圈弯曲波导2为多模宽波导，且其弯曲半径随弯曲角度变化满足等速旋线方程，使光保持低损耗传播而且避免模式失配而激发高阶模式。
宽度半径渐变S型弯曲波导1由端口的多模宽波导渐变为中心的单模窄波导，宽度随着弧长从中心向两端线性增大，宽度半径渐变S型弯曲波导1的半径随弧长的变化满足欧拉螺旋线方程，即由端口的大弯曲半径波导渐变到小弯曲半径波导再渐变到中心的大弯曲半径波导，整个宽度半径渐变S型弯曲波导1呈中心对称布置。宽度半径渐变S型弯曲波导1使得光延迟线的结构紧凑且光传播过程不激发高阶模式。
两条宽度半径渐变弧形弯曲波导3的由多模宽波导渐变为输入/输出端口的单模窄波导，具体实施中，宽度随着弧长从内端向外端线性增小，且其弯曲半径随弯曲角度变化满足等速旋线方程，使得光能够从输入端的单模窄波导光场绝热的转变为光波导中多模宽波导光场，从光波导中多模宽波导光场绝热的转变为输出端的单模窄波导光场。
具体实施中，宽度半径渐变弧形弯曲波导3中弧形所占圆周的圆心角可以为90度。
本发明的低损耗紧凑线圈光波导具体包括宽度半径渐变S型弯曲波导、半径渐变线圈弯曲波导和两条宽度半径渐变弧形弯曲波导，且均置于衬底硅上，基底和包层均为二氧化硅。具体光传播顺序为：输入宽度半径渐变弧形弯曲波导、半径渐变线圈弯曲波导、宽度半径渐变S型弯曲波导、半径渐变线圈弯曲波导、输出宽度半径渐变弧形弯曲波导。
波导宽度由相应的波导表面散射损耗确定。把不同波导宽度下的波导左右侧壁、上下表面的电场分别代入三维体电流公式进行计算可以得到其散射损耗的大小，最后将每个波导宽度、波导表面的散射损耗与单模波导的侧壁损耗做归一化处理，再相加得出总的波导散射损耗随波导宽度的变化示意图。图3(a)至(c)分别为归一化波导侧壁损耗、波导上下表面损耗以及波导总损耗随波导宽度的变化。可以看出，对于一个确定厚度的波导，侧壁散射损耗随着波导的变宽呈指数下降，而上下表面的散射损耗则是有一个上升之后趋向一个定值。除此之外，在波导较窄时，侧壁散射损耗占主要部分；当波导拓宽到一定宽度时，上下表面变成了主要散射损耗来源，因此在总的波导散射损耗中，散射损耗随着波导宽度的增加首先指数降低而后又趋于一个定值。因此在具体实施中可以根据波导工艺的表面粗糙度，选择总散射损耗趋于平缓变化的波导宽度。
线圈光波导尺寸的另外一个决定因素是波导端对端间距。如图4(a)所示为光波导的半径渐变线圈弯曲波导2截面示意图，由等速旋线方程的性质可得线圈线波导的端对端间距为固定值。波导端对端间距的值应该选择为相邻波导不发生明显的耦合串扰下尽可能的小，以保持光波导的结构紧凑。图4(b)为耦合长度随波导端对端间距变化示意图，可以根据实际延迟线长度需求选择相应的波导端对端间距。除此之外，由于光波导的长度随着圈数的增加是不连续的，因此我们可以通过微调半径渐变线圈弯曲波导2的波导端对端间距来改变光波导的半径增量，从而实现任意长度光波导的生成。
图5所示为延迟线中心的宽度半径渐变S型弯曲波导1及参数示意图。原则上，宽度半径渐变S型弯曲波导1的弯曲半径需要尽可能的小来保证延迟线的紧凑性，同时弯曲半径和宽度也要通过计算权衡来使得光在通过S型弯曲波导的时候有较低的插入损耗和模间串扰。因此宽度半径渐变S型弯曲波导1的设计需要满足以下原则：①渐变欧拉弯曲处(3)弯曲半径突变为原半径的相反数，因此渐变欧拉弯曲处(3)的弯曲半径和波导宽度需要通过计算选择最优值来避免模式失配；②渐变欧拉弯曲处(1)的弯曲半径以及波导宽度需要和此处交界处的半径渐变线圈弯曲波导2的弯曲半径和波导宽度一致来实现平滑连接；③渐变欧拉弯曲处(2)的弯曲半径需要通过计算选择，使得欧拉S型弯曲等效直径等于渐变欧拉弯曲处(1)的弯曲半径，从而使得宽度半径渐变S型弯曲波导1能与半径渐变线圈弯曲波导2能实现对接。在图6中，通过对不同波导半径和波导宽度的光波导模场传播到相反弯曲半径方向的波导下的插入损耗、模间串扰的仿真，可以根据尺寸、损耗需求选择相应波导宽度的弯曲半径。
本发明实施例如下：
本实施例中，采取基于绝缘体上硅作为低损耗延迟线的波导材料，其芯层为硅，包层为二氧化硅，衬底为硅。采用标准的220nm厚的标准硅基芯片制作工艺进行流片制作来验证本发明的普适性。图2所示为本发明硅基线圈光波导的实施例1米长光波导示意图。
首先，根据工艺参数，我们选择波导侧壁粗糙度为4.6nm，波导上下表面粗糙度0.42nm来代入计算出波导各表面的归一化散射损耗。由图3(c)所示，当波导宽度大于2μm时，波导总散射损耗变得对波导宽度增加不敏感，且为了保证结构的紧凑型，本实施例选取波导宽度为2μm的多模宽波导。从图3(c)所示，相比于单模波导，波导宽度为2μm时的波导总散射损耗降低了一个量级。
确定完波导宽度之后，根据多模宽波导的折射率，利用耦合长度公式计算出耦合长度随着波导端对端间距变化图，再根据光波导长度要求选择相应波导端对端间距。本发明要求支持片上远距离低损耗传输的光波导，长度需要达到米的量级，为实现小于-30dB的耦合串扰损耗，要求耦合长度大于1000m，结合如图4(b)的计算结果，本实施例的波导端对端间距选为1.5μm。
最后需要确定所发明光波导中心的宽度半径渐变S型弯曲波导的宽度与半径的变化情况，如图5所示，要求给定参数能在保证小的插入损耗以及模间串扰的前提下，尽量的减小宽度半径渐变S型弯曲波导的尺寸，保持结构紧凑。渐变欧拉弯曲处3弯曲半径突变为原半径的相反数，因此渐变欧拉弯曲处3的弯曲半径和波导宽度需要通过计算选择最优值来避免模式失配。通过仿真得出不同波导半径和波导宽度的光波导模场传播到相反弯曲半径方向的波导下的插入损耗和模间串扰，如图6所示。为了使得宽度半径渐变S型弯曲波导中心处的的插入损耗小于0.01dB，模间串扰小于-30dB，同时保持尺寸紧凑，我们选择渐变欧拉弯曲处(3)弯曲半径为20μm，波导宽度为0.6μm，使得此处没有明显的模式失配损耗。因此渐变欧拉弯曲处(1)弯曲半径也选为20μm，波导宽度为2μm，与半径渐变线圈弯曲波导宽度一致。渐变欧拉弯曲处(2)的弯曲半径选为8μm，使S型弯曲波导的等效直径为20μm。
图7所示为本实施例光波导与单模波导的测试传播损耗对比图。可以看出，光波导的传播损耗在C波段与对波长的变化不敏感，拟合波导损耗为0.28dB/cm。通过对同一芯片上的具体对比测试，本发明实施例1米长光波导器件的整体尺寸为3.53mm2，测量获得的损耗为0.28dB/cm。若将宽度半径渐变S型弯曲波导1和宽度半径渐变弧形弯曲波导3均改为始终等宽度的波导且半径渐变线圈弯曲波导2改为正常单模波导，则测量获得的损耗为5.5dB/cm。
由此实施可见，本发明实施例演示通过量化波导表面粗糙度带来的散射损耗，利用多模宽波导传递TE基模光来降低传播过程中的散射损耗，并引入半径渐变线圈弯曲波导和宽度半径渐变S型弯曲波导来降低模式失配损耗和保存结构紧凑，提供了一种兼容220nm厚硅基标准流片工艺、低损耗、结构紧凑、可实现任意长度、支持片上远距离传输等优点的低损耗光波导，适用于光子集成领域中任何需要低损耗长距离传输的器件及模块。
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。
Claims (9)
1.一种支持片上远距离低损耗传输的紧凑线圈光波导，其特征在于：
包含一条宽度半径渐变S型弯曲波导(1)、两条半径渐变线圈弯曲波导(2)和两条宽度半径渐变弧形弯曲波导(3)；宽度半径渐变S型弯曲波导(1)置于两条半径渐变线圈弯曲波导(2)的中心，宽度半径渐变S型弯曲波导(1)的两端分别连接两条半径渐变线圈弯曲波导(2)的内端，两条半径渐变线圈弯曲波导(2)交替螺旋布置后的外端分别连接两条宽度半径渐变弧形弯曲波导(3)。
2.根据权利要求1所述的一种支持片上远距离低损耗传输的紧凑线圈光波导，其特征在于：
所述的半径渐变线圈弯曲波导(2)为多模波导。
3.根据权利要求1所述的一种支持片上远距离低损耗传输的紧凑线圈光波导，其特征在于：
所述的宽度半径渐变S型弯曲波导(1)和宽度半径渐变弧形弯曲波导(3)均不单一地仅为多模波导或者是单模波导。
4.根据权利要求1所述的一种支持片上远距离低损耗传输的紧凑线圈光波导，其特征在于：
所述的半径渐变线圈弯曲波导(2)的弯曲半径满足等速螺线方程。
5.根据权利要求1所述的一种支持片上远距离低损耗传输的紧凑线圈光波导，其特征在于：
所述的宽度半径渐变S型弯曲波导(1)的弯曲半径满足欧拉曲线方程。
6.根据权利要求1所述的一种支持片上远距离低损耗传输的紧凑线圈光波导，其特征在于：
所述的宽度半径渐变S型弯曲波导(1)两端分别与两条半径渐变线圈弯曲波导(2)的连接处，波导的宽度、弯曲半径均一致；在两条半径渐变线圈弯曲波导(2)分别与两条宽度半径渐变弧形弯曲波导(3)的连接处，波导的宽度、弯曲半径也均一致。
7.根据权利要求1所述的一种支持片上远距离低损耗传输的紧凑线圈光波导，其特征在于：
所述的宽度半径渐变S型弯曲波导(1)的宽度随着弧长变化，宽度从中心向两端逐渐变大。
8.根据权利要求1所述的一种支持片上远距离低损耗传输的紧凑线圈光波导，其特征在于：
所述的两条宽度半径渐变弧形弯曲波导(3)的宽度随着弧长变化，宽度从内端向外端逐渐变小。
9.根据权利要求1所述的一种支持片上远距离低损耗传输的紧凑线圈光波导，其特征在于：
所述的宽度半径渐变S型弯曲波导(1)、两条半径渐变线圈弯曲波导(2)和两条宽度半径渐变弧形弯曲波导(3)均置于衬底硅上。
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