專利名稱：具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器和光分路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成光電子器件，特別是一種模式變換器和光分路器。
背景技術(shù)：
以絕緣襯底上的硅SOI為基片的光波導(dǎo)和平面光集成回路PLC，可以幫助降低光芯片的成本，并實現(xiàn)多功能單片集成。但在基于SOI或其他高材料折射率對比的平面光集成回路中，分支節(jié)處的散射損耗是構(gòu)造低損耗器件的障礙。發(fā)明專利200810092207. 0公開了一種基于并行模式變換器的SOI光分路器，見圖 1。該光分路器由入射耦合光波導(dǎo)1、單通道模式變換器2、橫向自由傳播區(qū)3和模式變換器 4依次連接組成。單通道模式變換器2由兩層脊波導(dǎo)構(gòu)成，光纖和波導(dǎo)之間的耦合效率不高。橫向自由傳播區(qū)3由深度刻蝕形成，存在橫向輪廓限制，厚度的突變使得光場在傳輸方向上變得不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器和光分路器，解決的技術(shù)問題是在SOI光集成回路中提高光纖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節(jié)處的光損耗，在已有的基于并行模式變換器的SOI光分路器基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高性能。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)一種具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器，包括平板波導(dǎo)和其上所設(shè)的脊波導(dǎo)。所述脊波導(dǎo)輸入端為位于所述平板波導(dǎo)上的單脊波導(dǎo)，所述脊波導(dǎo)的層數(shù)為三層或三層以上。所述脊波導(dǎo)各層的寬度從輸入端到輸出端逐漸變窄，寬度減小到一定值后，該脊波導(dǎo)層截斷，所述脊波導(dǎo)總層數(shù)減少一層，從而使得所述脊波導(dǎo)的高度逐步變小。越靠近平板波導(dǎo)的脊波導(dǎo)層截斷的位置離輸入端越遠(yuǎn)。所述模式變換器的輸出端由單層平板波導(dǎo)或單層脊波導(dǎo)構(gòu)成。—種光分路器，以絕緣體上硅為基片，由入射耦合光波導(dǎo)、具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器、橫向自由傳播區(qū)、并行模式變換器、多路并行的分支彎曲脊波導(dǎo)、多路并行的輸出光波導(dǎo)依次連接組成。所述具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器的脊波導(dǎo)的層數(shù)為二層或二層以上， 脊波導(dǎo)各層的寬度從輸入端到輸出端逐漸變窄，寬度減小到一定值后，該脊波導(dǎo)層截斷，即所述脊波導(dǎo)層數(shù)減少一層，從而使得所述具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器的脊波導(dǎo)的厚度逐漸變小，越靠近所述光平板波導(dǎo)的具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器。脊波導(dǎo)層截斷的位置離輸入端越遠(yuǎn)，所述模式變換器輸出端由單層平板波導(dǎo)或單層脊波導(dǎo)構(gòu)成。其中所述光分路器的橫向自由傳播區(qū)由前述平板波導(dǎo)構(gòu)成，無橫向限制。所述光分路器的并行模式變換器的各路并行脊波導(dǎo)的寬度從輸入端到輸出端逐漸增加。所述光分路器的分支彎曲脊波導(dǎo)包括彎曲脊波導(dǎo)和位于其上的單層脊波導(dǎo)，所述
3單層脊波導(dǎo)由所述并行模式變換器各路并行脊波導(dǎo)延伸而成，其寬度逐漸變小，直至截斷； 所述彎曲脊波導(dǎo)由前述平板波導(dǎo)向底部刻蝕形成，各路彎曲脊波導(dǎo)各自具有一定的彎曲半徑，彎曲脊波導(dǎo)的末端平行接前述多路互相并行。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器和光分路器具有這樣的有益效果1、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，模式變換器的多層結(jié)構(gòu)提高了光纖到SOI光器件的耦
合效率。2、在光分路器的橫向自由傳播區(qū)域，對橫向結(jié)構(gòu)的輪廓不做任何限制，可以減少一次刻蝕工藝，同時提高模式在光器件中傳輸?shù)姆€(wěn)定性。3、光分路器的分支彎曲脊波導(dǎo)的彎曲脊波導(dǎo)由平板波導(dǎo)向底部刻蝕形成，通過厚度的減小來實現(xiàn)彎曲半徑的減小，從而減小整個光器件的尺寸。


圖1是發(fā)明專利200810092207. 0公開的一種基于并行模式變換器的SOI光分路
器圖2是本發(fā)明公開的一種具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器的結(jié)構(gòu)示意圖，以三層脊波導(dǎo)為例。圖3 (a)-(f)是對應(yīng)圖2模式變換器沿傳輸方向上a_f處橫截面的光場分布圖。圖4是本發(fā)明公開的一種光分路器整體結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖5是本發(fā)明公開的一種光分路器中的并行模式變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是圖4中A處的局部放大示意圖。
具體實施例方式下面通過具體實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說明圖2給出了本發(fā)明實施例中的模式變換器，以三層脊波導(dǎo)為例。在硅晶圓上深刻蝕形成脊波導(dǎo)5和平板波導(dǎo)6，其中，脊波導(dǎo)5的輸入端50為深刻蝕形成的位于平板波導(dǎo) 6上的單脊波導(dǎo)，再經(jīng)過多次刻蝕形成從深到淺的3個脊波導(dǎo)層51、52、53。具體過程可以是，在脊波導(dǎo)5上實施深刻蝕形成脊波導(dǎo)層51，然后對脊波導(dǎo)層51進(jìn)行中深度刻蝕，形成脊波導(dǎo)層52，最后在脊波導(dǎo)層52上淺刻蝕形成脊波導(dǎo)層53。在這個模式變換器中，脊波導(dǎo)層51、52、53的寬度從輸入端到輸出端逐漸變窄，它們在末端的寬度值相同，一般為制造工藝的最小可允許寬度。脊波導(dǎo)層51、52、53在依次達(dá)到末端寬度值后截斷，脊波導(dǎo)5的層數(shù)依次減少，從而使脊波導(dǎo)5的高度逐漸減小。脊波導(dǎo)層51、52、53的寬度變化趨勢是，由上層至下層寬度變化逐漸變慢，越靠近光平板波導(dǎo)的脊波導(dǎo)層截斷的位置離輸入端越遠(yuǎn)。光場在高度方向上被逐層壓低，最后完全壓到平板波導(dǎo)6中。圖3給出了光場經(jīng)過本實施例的模式變換器的過程中，在各個與傳播方向垂直的截面上的模場分布。圖3(a)到(f)給出了圖2的模式變換器在傳播方向上從前到后，a、b、 c、d、e、f六個不同位置的截面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和該截面上的光場分布。圖3 (a)是截面a上的光場分布。隨著脊波導(dǎo)層的寬度逐漸變窄，光場逐漸被向下壓，如圖3(b)和圖3(c)。脊波導(dǎo)層53首先截斷，模式變換器層數(shù)由四層變成三層，如圖3 (d)所示，光場被壓至脊波導(dǎo)層51、脊波導(dǎo)層52、和平板波導(dǎo)6三層中。隨著脊波導(dǎo)層52的寬度變小直至截斷，光場被全部壓至脊波導(dǎo)層51和平板波導(dǎo)6中，如圖3(e)所示。最后，隨著脊波導(dǎo)層51的寬度變小直到截斷，光場被完全壓到平板波導(dǎo)6中，如圖3(f)所示。如圖4所示，本發(fā)明公開的一種光分路器，由入射耦合光波導(dǎo)7、具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器8、橫向自由傳播區(qū)9和并行模式變換器10、分支彎曲脊波導(dǎo)11和輸出耦合光波導(dǎo)12組成。入射耦合光波導(dǎo)7是深度刻蝕形成的脊波導(dǎo)，其橫截面結(jié)構(gòu)如圖2的起始端 5相同，其導(dǎo)模的主模與光纖導(dǎo)模的主模高效耦合。具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器10其脊波導(dǎo)5的層數(shù)可以是兩層或兩層以上，其三層結(jié)構(gòu)如圖2所示。模式變換器10被用來將光場逐層壓至平板波導(dǎo)6的開放自由區(qū)域，這里叫做橫向自由傳播區(qū)9。橫向自由傳播區(qū)9的橫向沒有刻蝕輪廓，光在平板波導(dǎo)6中傳播時不受任何橫向限制，只受垂直方向的限制。其垂直的光場分布遵循平板波導(dǎo)模式，而橫向的光場在橫向自由傳播區(qū)9中傳過一定長度后， 越來越接近高斯柱面波，圖4是的弧形虛線13是光在橫向自由傳播區(qū)9的波前。限制在平板波導(dǎo)6的光波，經(jīng)過橫向無限制的自由傳播，到達(dá)并行耦合的并行模式變換器10，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。并行模式變換器10由平板波導(dǎo)6和設(shè)在其上的脊波導(dǎo) 101組成。脊波導(dǎo)101的上表面和具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器8的脊波導(dǎo)層51的上表面， 可以位于同一高度，即由同一刻蝕形成的刻蝕面；脊波導(dǎo)101也可以是單獨(dú)刻蝕形成的不同高度的脊波導(dǎo)。脊波導(dǎo)101的寬度從并行模式變換器10的輸入端到輸出端逐漸變大。通過調(diào)節(jié)各通道脊波導(dǎo)101的寬度和間隔可以使并行模式變換器的超模式場分布和來自橫向自由傳播區(qū)9的光束的場分布相匹配，完成單路光束到多路光束的轉(zhuǎn)換。本實施例中的光分路器在利用并行模式變換器10完成單路光束到多路光束的轉(zhuǎn)換后，為了減小彎曲半徑，厚度更小的波導(dǎo)來完成彎曲部分。單層脊波導(dǎo)111由并行模式變換器10各路并行脊波導(dǎo)101延伸而成。彎曲脊波導(dǎo)112由平板波導(dǎo)6向底部刻蝕至平板波導(dǎo)61形成，各路彎曲脊波導(dǎo)各自具有一定的彎曲半徑，如圖6所示。彎曲脊波導(dǎo)112的末端平行接輸出耦合光波導(dǎo)12。在完成彎曲結(jié)構(gòu)后，在輸出端各條波導(dǎo)平行分布，并各自通過圖4中所描述的輸出耦合光波導(dǎo)12中的單通道模式變換器轉(zhuǎn)換成多層結(jié)構(gòu)。輸出耦合光波導(dǎo)部分12的單通道模式變換器結(jié)構(gòu)與本實施例中光分路器起始處的具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器8結(jié)構(gòu)相同，最后各平行分支以圖2所描述的深刻蝕脊波導(dǎo)5輸出。以上實施方式對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員可根據(jù)上述說明對本發(fā)明做出種種變化例。因而，實施方式中的某些細(xì)節(jié)不應(yīng)構(gòu)成對本發(fā)明的限定，本發(fā)明將以所附權(quán)利要求書界定的范圍作為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器，包括平板波導(dǎo)和其上所設(shè)的脊波導(dǎo)，其特征在于所述脊波導(dǎo)輸入端為位于所述平板波導(dǎo)上的單脊波導(dǎo)； 所述脊波導(dǎo)的層數(shù)為三層或三層以上；所述脊波導(dǎo)各層的寬度從輸入端到輸出端逐漸變窄，寬度減小到一定值后，該脊波導(dǎo)層截斷，即所述脊波導(dǎo)層數(shù)減少一層，從而使得所述脊波導(dǎo)的高度逐步變小； 越靠近所述平板波導(dǎo)的脊波導(dǎo)層截斷的位置離輸入端越遠(yuǎn)； 所述模式變換器輸出端由單層平板波導(dǎo)或單層脊波導(dǎo)構(gòu)成。
2.一種光分路器，以絕緣體上硅為基片，由入射耦合光波導(dǎo)、具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器、橫向自由傳播區(qū)、并行模式變換器、多路并行的分支彎曲脊波導(dǎo)、多路并行的輸出光波導(dǎo)依次連接組成；所述具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器的脊波導(dǎo)的層數(shù)為二層或二層以上，所述具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器的脊波導(dǎo)各層的寬度從輸入端到輸出端逐漸變窄，寬度減小到一定值后，該脊波導(dǎo)層截斷，即所述脊波導(dǎo)層數(shù)減少一層，從而使得所述具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器的脊波導(dǎo)的厚度逐漸變小，越靠近所述光平板波導(dǎo)的具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器的脊波導(dǎo)層截斷的位置離輸入端越遠(yuǎn)，所述模式變換器輸出端由單層平板波導(dǎo)或單層脊波導(dǎo)構(gòu)成；其特征在于所述橫向自由傳播區(qū)由前述平板波導(dǎo)構(gòu)成，無橫向限制；所述并行模式變換器的各路并行脊波導(dǎo)的寬度從輸入端到輸出端逐漸增加。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光分路器的多路并行的分支彎曲脊波導(dǎo)，其特征在于所述分支彎曲脊波導(dǎo)包括彎曲脊波導(dǎo)和位于其上的單層脊波導(dǎo)，所述單層脊波導(dǎo)由所述并行模式變換器各路并行脊波導(dǎo)延伸而成，其寬度逐漸變小，直至截斷；所述彎曲脊波導(dǎo)由前述平板波導(dǎo)向底部刻蝕形成，各路彎曲脊波導(dǎo)各自具有一定的彎曲半徑，彎曲脊波導(dǎo)的末端互相平行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有多層結(jié)構(gòu)的模式變換器和光分路器。所述模式變換器包括平板波導(dǎo)和其上所設(shè)的脊波導(dǎo)，所述脊波導(dǎo)的層數(shù)為三層或三層以上；所述脊波導(dǎo)各層的寬度從輸入端到輸出端逐漸變窄，寬度減小到一定值后，該脊波導(dǎo)層截斷，即所述脊波導(dǎo)層數(shù)減少一層，從而使得所述脊波導(dǎo)的高度逐漸變??；越靠近所述光平板波導(dǎo)的脊波導(dǎo)層截斷的位置離輸入端越遠(yuǎn)；所述模式變換器輸出端由單層平板波導(dǎo)或單層脊波導(dǎo)構(gòu)成。所述光分路器的橫向自由傳播區(qū)由平板波導(dǎo)構(gòu)成，無橫向限制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開的技術(shù)可以提高光纖到光器件的耦合效率，減少一次刻蝕工藝，同時提高模式在光器件中傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
文檔編號G02B6/14GK102156324SQ201010620060
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月28日
發(fā)明者李冰, 楊晶, 洪小剛 申請人:上海圭光科技有限公司