脊波导耦合的Y型分支器和由其构成的1×N分支器

技术领域

本发明涉及一种集成光电子器件，特别是一种脊波导耦合的Y型分支器和由其 构成的1×N的分支器。

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，而其中“Y型分支器”是光波导和PLC 中一种运用广泛的分流结构。在基于SOI或其他高材料折射率对比的光波导和PLC 中，光在行进到分支结处时，光波会被忽然出现在前方的二氧化硅或其他低折射率 材料散射，在分支结处产生较大的额外损耗。通用的以二氧化硅为基片的Y型分 支器的额外损耗小于0.5dB，而一个典型的基于SOI的Y型分支器的额外损耗大 于1dB，可见如何降低这一额外损耗是构造低损耗器件的难题。

公开号为CN 101546014A的专利申请提出了模式渐变原理的大宽带Y型分支 器，其结构包含一条渐变输入光波导和两条S型锥形输出光波导，三条波导完全 不连通。这个Y型分支器试图利用模式耦合渐变原理降低传统Y型分支器由于支 节处尖角的光刻限制而形成的额外损耗，但其结构严重不合理并不适用于高折射率 对比材料，由于三条波导完全不连通，除非尺寸极小，高折射率对比材料波导无法 发生有效耦合，而S型锥形光波导这种简单的结构，使器件性能很难优化，此外 模式耦合渐变要求很长的耦合距离，这要求S型的曲率小，而小的S型曲率又无 法满足Y分支张开的要求。

发明内容

本发明酝酿成形于2006年12月，本发明的目的是提供一种脊波导耦合的Y型 分支器和由其构成的1×N分支器，通过波导脊型结构的精巧设计，使光场可以通 过连通的平板层实现无散射的分流和分离，以降低Y型分支器中分支结构分支结 处的散射损耗，并减小器件结构尺寸。

本发明采用以下技术方案实现：

一种脊波导耦合的Y型分支器，由脊波导结构组成，所述脊波导结构由在高 折射率材料的平板层上制作脊型结构并覆盖低折射率材料而形成；

所述Y型分支器从输入到输出依次由输入渐变脊波导结构、输出渐变脊波导 结构和分支脊波导结构组成；

所述输入渐变脊波导结构由输入波导脊和平板层组成，所述输入波导脊从起始 端到结束端宽度由宽逐渐变窄，且结束端的宽度不大于其平板层的高度；

所述输出渐变脊波导结构由两支输出波导脊和平板层组成，所述两支输出波导 脊分列所述输入波导脊的两侧，其宽度从起始端到结束端由窄逐渐变宽，且起始端 的宽度不大于其平板层的高度，所述两支输出波导脊的波导轴分别与所述输入波导 脊的波导轴成一定张角；

所述分支脊波导结构由两支分支波导脊和平板层组成，所述两支分支波导脊分 别与所述两支输出波导脊相连；

所述输入渐变脊波导结构、输出渐变脊波导结构和分支脊波导结构的平板层连 通，且各个平板层的高度相同，而所述输入渐变脊波导结构的波导脊和所述输出渐 变脊波导结构的波导脊不连通，且各波导脊之间由沟槽隔离；

所述输入波导脊的宽度变化率与所述两支输出波导脊的宽度变化率和张角相 对应，即当所述输入波导脊宽度变化率较大时，所述两支输出波导脊的宽度变化率 和张角也相应较大。

如前所述的脊波导耦合的Y型分支器，在一些实施例中，所述两支输出波导 脊的波导轴与输入波导脊的波导轴之间的张角为零。

如前所述的脊波导耦合的Y型分支器，所述两支输出波导脊关于所述输入波 导脊的波导轴对称或者不对称。如前所述的脊波导耦合的Y型分支器所述两支输 出波导脊的波导轴与输入光场在其起始端处的波前法线方向一致，或者所述两支输 出波导脊的波导轴上任意一点的切线方向与输入光场在该点处的波前法线方向始 终一致。

如前所述的脊波导耦合的Y型分支器，当所述两支输出波导脊的起始端位于 所述输入波导脊的起始端和结束端之间时，前述各沟槽底部到各平板层的垂直距离 与其下方的平板层高度相等或者不相等，且隔离所述输入波导脊和所述两支输出波 导脊的沟槽关于所述输入波导脊的波导轴对称或者不对称。所述各沟槽底部到所述 各平板层底部的垂直距离沿光传播方向一致或者变化。当所述垂直距离沿光传播方 向变化时，其变化趋势为先增大后减小。

如前所述的脊波导耦合的Y型分支器，所述两支输出波导脊的起始端也可以 与所述输入波导脊的结束端在同一与光传播方向垂直的截面上。

如前所述的脊波导耦合的Y型分支器，其中，所述输入波导脊的边缘和与其 相邻的所述两支输出波导脊边缘平行或者不平行。

一种由前述的脊波导耦合的Y型分支器构成的1×N分支器，其中，所述1×N 分支器由N-1个所述Y型分支器级联构成。

本发明公开的技术方案，其有益效果包括：

1、降低了分支结处的额外损耗，且本发明结构对偏振和波长均不敏感，其性 能可与常用低折射率对比材料的集成光路相媲美。

本发明公开的Y型分支器的光场能量转移是通过连通三个脊波导结构的平板 层实现，散射损耗少。当光波在本发明的分支器结构中传播时，在输入渐变脊波导 结构和输出渐变脊波导结构的相互配合下，光场能量在输入渐变脊波导结构的脊区 所占的比例逐渐减小，分布在平板层的光场能量比例逐渐增加，并且光场在平板层 的横向宽度逐渐扩大，光场能量通过平板层逐渐进入输出渐变脊波导结构，最终成 为输出渐变脊波导的导模输出。在这一过程中，输入渐变脊波导结构脊区的光场能 量会逐渐转移到平板层，在输入波导脊结束端处，输入渐变脊波导结构脊区的光场 能量所占比例已经很小，因此减少了输入波导脊结束端处光波前方的忽然出现的二 氧化硅或其他低折射率材料对整个光场的散射，降低了分支结处的额外损耗。

2、有利于波导尺寸的减小。

输入波导脊的宽度变化率与两支输出波导脊的宽度变化率和张角相对应。当输 入波导脊脊宽变化率大时，所述两支输出波导脊的宽度变化率和所述张角也相应较 大，因此器件尺寸相应较小。反之，所述两支输出波导脊的宽度变化率和张角则相 应较小，器件尺寸相应较大。

所述输入波导脊和输出波导脊之间的沟槽，其底部到平板层底部的垂直距离影 响着本发明的分支器结构的光场能量转移速度及输出光场的两个光斑的分开速度。 在光场能量开始经平板层从输入渐变脊波导结构转移到输出渐变脊波导结构时，增 大所述垂直距离能使光场能量更快地转移到输出渐变脊波导结构，在大部分光场能 量转移到输出渐变脊波导结构时减小所述垂直距离，能使输出渐变脊波导结构中光 场的两个光斑能快速分开，并成为输出渐变脊波导结构的导模，再经分支脊波导结 构输出，因此相对于沟槽底部到各平板层底部的垂直距离与其下方的平板层高度相 等的情况，整个器件的结构尺寸能得到较大幅度地减小。

附图说明

图1是本发明公开的脊波导耦合的Y型分支器的一个实施例的示意图。

图2是图1所示脊波导耦合的Y型分支器的俯视图。

图3(a)-(c)是对应图1脊波导耦合的Y型分支器光传输方向上a-c处横截面的 光场分布图。

图4给出了常见脊波导的截面结构示意图。

图5是图4所示的脊波导不同尺寸对应的横截面光场分布图。

图7是本发明公开的Y型分支器在图1中b截面处的横截面示意图。

图8是本发明公开的脊波导耦合的Y型分支器的第二个实施例的示意图。

图9是本发明公开的脊波导耦合的Y型分支器的第三个实施例的示意图。

图10是本发明公开的脊波导耦合的Y型分支器构成的1×N分支器的俯视图， 以1×4为例。

具体实施方式

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1给出了本发明的Y型分支器一个实施例。图1所示的Y型分支器是在SOI 晶圆片上或其他高折射率材料的平板层上制作脊型结构，并覆盖SiO₂或其他低折 射率材料形成的，从输入到输出依次由输入渐变脊波导结构1、输出渐变脊波导结 构2和分支脊波导结构3组成。其中，输入渐变脊波导结构1由输入波导脊10和 平板层11组成，输入波导脊10从起始端到结束端宽度由宽逐渐变窄，且结束端的 宽度不大于平板层11的高度H11；输出渐变脊波导结构2由两支输出波导脊20、 21和平板层22组成，两支输出波导脊20、21分列所述输入波导脊10的两侧，其 宽度从起始端到结束端由窄逐渐变宽，且起始端的宽度不大于平板层22的高度 H22；分支脊波导结构3由两支分支波导脊30、31和平板层32组成，两支分支波 导脊30、31分别与所述两支输出波导脊20、21相连。输入渐变脊波导结构1、输 出渐变脊波导结构2和分支脊波导结构3的平板层11、22、32连通，其高度H11、 H22、H32均相等，但输入波导脊10和输出波导脊20、21不连通。

图1所示的实施例中，制作脊型结构的平板层下面有低折射率材料作为下覆盖 层存在，从而使平板层成为平板波导层。

分支波导结构3的两支分支波导脊30和31之间的张角和输出渐变脊波导结构 中两支输出波导脊20和21之间的张角相对应，即分支波导脊30的波导轴和输出 波导脊20的波导轴重合，分支波导脊31的波导轴和输出波导脊21的波导轴重合。 在输入波导脊10宽度变化率较小的情况下，分支波导脊30的波导轴和分支波导脊 31的波导轴之间、输出波导脊20的波导轴和输出波导脊21的波导轴之间的张角 可以是0。在此种情况下，分支波导脊30和31的后面，连接S型弯曲波导以完成 分支。

图2为图1所示实施例的俯视图。如图2所示，输入波导脊10和输出波导脊 20之间由沟槽4隔离、输入波导脊10和输出波导脊21之间由沟槽5隔离。输出 波导脊20、21的起始端在输入波导脊10的起始端和结束端之间，且输出波导脊 20、21关于输入波导脊10的波导轴X1对称。输入波导脊10的边缘与相邻的输出 波导脊20、21的边缘不平行，其最小间距一般为制造工艺的最小可允许宽度。

输入波导脊10的结束端宽度W10不大于图1中平板层11的高度H11，输出 波导脊20、21的起始宽度W20、W21不大于图1中平板层22高度H22，X2是 输出波导脊20的波导轴，X3是输出波导脊21的波导轴，X2、X3与输入波导脊 10的波导轴X1的夹角分别为α1、α2，且α1大于或等于0、α2大于或等于0。图 2中虚线代表传播光场的波前，X2、X3的方向与两支输出波导脊的起始端处波前 的法线方向一致。输入波导脊10的宽度变化率与输出波导脊20、21的宽度变化率 和输出波导脊20、21与输入波导脊10的波导轴X1的张角α1、α2相对应，即当 输入波导脊10的宽度变化率较大时，波前弧度相应较大，意味着与波前的法线方 向一致的波导轴X2、X3与X1的张角较大，即输出波导脊20、21的张角α1+α2 较大，故而有利于Y型分支器的结构尺寸的减小，同时，为尽量避免能量损耗， 输出波导脊20、21的宽度变化率也必须相应较大。

图3(a)-(c)给出了图1所示的Y型分支器在光传播方向上从前到后a、b、c 三个不同位置的截面上的光场能量分布。如图3(a)所示，此时光场能量分布在输 入脊波导结构1内。随着输入波导脊10宽度逐渐变窄，以及输出波导脊20、21 的出现，光场能量在输入渐变脊波导结构1的脊区所占的比例逐渐减小，分布在平 板层的光场能量比例逐渐增加，并且光场在平板层的横向宽度逐渐扩大，光场能量 通过平板层逐渐进入输出渐变脊波导结构2，且两支输出波导脊20、21内光场能 量所占的比例也逐渐增加，如图3(b)所示。随着输入波导脊10的结束和输出波导 脊20、21的宽度变宽，光场能量通过平板层22绝大部分进入输出渐变脊波导结构 2并成为输出渐变脊波导结构2的导模，继而被分支脊波导结构3输出，如图3(c) 所示。在这一过程中，输入渐变脊波导结构1脊区的光场能量会逐渐转移到平板层， 在输入波导脊10结束端处，输入渐变脊波导结构1脊区的光场能量所占比例已经 很小，因此减少了输入波导脊结束端处光波前方的忽然出现的二氧化硅或其他低折 射率材料对整个光场的散射，降低了分支结处的额外损耗。此外由于整个Y型分 支器关于输入波导脊的波导轴X1对称分布，因此分支脊波导结构3输出的两个光 斑对称，实现了Y型分支器的均匀分光输出。

图1和图2所示的实施例中，输出波导脊的波导轴X2、X3和输出波导脊起始 端光场波前的法线方向一致。这种结构便于设计。根据输入波导脊沿光场传播方向 的宽度变化的不同，光场的波前法线可能不会严格按一族辐射状的直线延伸，此时 为了更好地降低损耗，可以采用更精细的设计，因此在另一些实施例中，两支输出 波导脊的波导轴上任意一点的切线方向与输入光场在该点处的波前法线方向始终 一致。

图4给出了常见脊波导截面的结构示意图，图5是图4给出的常见脊波导不同 脊宽w、脊高h和平板层高度H对应的光场分布图。如图5(a)-(c)所示，对于一 定平板层高度H及脊高h的脊波导，随着脊宽w的减小，模斑在脊区(图4中灰色 区域)的那部分能量所占比例也会减小。图5(a)-(c)中脊波导截面的尺寸：H＝3um， h＝2um，w分别是5um、3um、1um，脊区的能量分别占总能量的23％、9.6％、0.05％， 可见在脊高h和平板层高度H一定的情况下，脊波导中分布在脊区的能量所占的比 例会随着脊宽w的逐渐减小而减小。因此，当本发明的输入渐变脊波导结构1的输 入波导脊10结束端宽度W10不大于平板层11高度时，可使分支结处的额外损耗 降到允许的范围。一般地，本发明的输入波导脊10的结束端宽度和输出波导脊20、 21的起始端宽度都可定为制造工艺的最小可允许宽度。同时由于脊宽小的脊波导 结构模斑的能量主要分布在平板层，且两支小脊宽的脊波导结构叠加后的模斑的能 量也主要分布在平板层，因此本发明中小脊宽的输入渐变脊波导结构的模式能与两 支小脊宽的输出渐变脊波导结构的叠加模式很好地匹配，从而实现如图1所示的 渐变输入脊波导和渐变输出脊波导结构之间(分支结处)的超低损耗光场能量传输。

图5(d)-(e)中，脊波导的波导脊顶面到平板层底面垂直距离一定的情况下， w＝3um，H分别是2.5um、3um、3.5um，脊区的能量分别占总能量的24％、9.6％、 3.4％。可见，在脊波导的波导脊顶面到平板层底面垂直距离和脊宽一定的情况下， 脊波导中分布在脊区的能量所占的比例会随着平板层高度H的逐渐增大而减小。脊 区中能量所占比例越小，光传播时由于波导脊结束端处低折射率材料的出现而导致 的散射损耗越小。

在一些实施例中，通过优化设计本发明中所述的沟槽结构参数，有助于降低光 场传输能量损耗和减小器件结构尺寸。这里用图6来说明这个问题。图7为本发 明公开的Y型分支器在图1中b截面处的横截面示意图。如图6所示，输入波导 脊10和两支输出波导脊20、21之间由两条沟槽4、5隔离，沟槽4、5的垂直深度 分别为d4、d5，沟槽4、5底部到平板层底部的垂直距离分别为H4、H5，其中H4、 H5与平板层的高度H22三者之间可以相等，也可以互不相等，亦即d4、d5可以 分别等于、小于或大于与沟槽4、5相邻的波导脊的脊高，其大小在相邻的波导脊 脊高的0.5～1.5倍范围内。如前文所述，在脊波导的波导脊顶面到平板层底面垂直 距离和脊宽一定的情况下，脊波导中分布在脊区的能量所占的比例会随着平板层高 度H的逐渐增大而减小，因此在实际优化设计过程中，可以根据光场能量分配的需 要，在光传播方向不同位置处设计不同的H4、H5，以实现超低损耗光场能量传输 和更小的结构尺寸。如在光场能量从输入渐变波导脊结构向输出渐变波导脊结构转 移的过程中，增大H4、H5，使得光场能量转移的更快，在光场能量绝大部分已转 移到输出渐变脊波导结构后，减小H4、H5，使得输出渐变脊波导结构内的两光斑 能更快的分开。当然，也可以设计不对称的H4和H5来实现光场能量在分支脊波 导结构输出端的不对称输出。

本发明公开的Y型分支器的输出渐变脊波导结构的两支输出波导脊可以关于 输入波导脊的波导轴对称或不对称。图8给出了本发明的Y型分支器的两支输出 波导脊位置不对称的一个实施例。如图8所示，两支输出波导脊20、21的起始端 位于光传播方向的不同位置。输出波导脊21的起始端在光传播方向上前于输出波 导脊20的起始端。这样，在光传播方向上，随着输出波导脊21的出现，输入渐变 脊波导结构1内的光场能量先通过平板层进入输出波导脊21内。当输出波导脊20 出现后，输入渐变脊波导结构1的光场能量将同时通过平板层进入两支输出波导脊 20、21内。通过这种方式，可以调节两支分支波导脊输出端的光场能量分布的比 例，实现不对称输出。

此外，在输出波导脊设计方面，除了通过将同样结构尺寸的输出波导脊20、21 设计成关于输入波导脊的波导轴不对称来实现光场能量在分支脊波导结构输出端 的不对称输出外，还可以通过设计两支输出波导脊结构参数不相同的输出渐变脊波 导结构，来实现光场能量在分支脊波导结构输出端的不对称输出，例如，可以将两 支输出波导脊的长度，起始端和结束端的脊宽度，与输入波导脊的波导轴的张角等 分别设计成不一样来实现光场能量的不对称输出。

另外需要指出的是，图7实施例中的不对称结构，因为输出波导脊20、21的 起始端位置不同，它们的宽度变化率和与输入波导脊10之间的隔离沟槽4、5的宽 度也可以做相应调整，以优化分支器性能。例如，当输出波导脊21的起始位置落 后于输出波导脊20时，输出波导脊21和输入波导脊10之间的隔离沟槽5的宽度 可以同时大于输出波导脊20和输入波导脊10之间的隔离沟槽4的宽度，输出波导 脊21的宽度变化率也可以大于输出波导脊20的宽度变化率。

由于本发明公开的Y型分支器的光场能量转移是通过平板层实现的，因此本发 明公开的Y型分支器的输出脊波导的起始端可以在输入脊波导的结束端之前、之 后或与之齐平。图9给出了本发明的Y型分支器的输入波导脊的结束端与两支输 出波导脊的输出端齐平的一个实施例。如图9所示，该实施例中的输入波导脊10 的结束端与输出波导脊20、21的起始端在同一截面d上。两支输出波导脊20、21 由沟槽6隔离，沟槽6底部到平板层22底部的垂直距离与H22相等。在一些实施 例中，沟槽6底部到平板层22底部的垂直距离与H22不相等。随着输入波导脊10 的宽度从起始端到结束端逐渐变小，平板层11的光场能量所占比例逐渐增加，光 场的横向宽度逐渐扩大。在输入波导脊10结束端的截面d上，输入渐变脊波导结 构1中的光场能量已绝大多数转移到平板层，并且光场在横向已经延伸至输出渐变 脊波导结构2的平板层22内。此时设计将输出渐变脊波导结构2的两支输出波导 脊所对应的脊波导模式的叠加在截面d上与输入渐变脊波导结构1的模式匹配，那 么光场就能实现超低损耗传输，随后在输出渐变脊波导结构2内实现分支，并经由 分支脊波导结构输出。此外，当输入波导脊10的脊宽变化率增大，光场的波前弧 度也将增大，而波导轴X2和X3与两支输出波导脊的起始端处的光场波前的法线 方向一致，因此X2和X3的张角也相应地增加，这就可以在满足输出渐变脊波导 和输入渐变脊波导在截面d上的模式匹配前提下实现超低损耗光场能量传输的同 时，减小Y型分支器的结构尺寸。

图10给出了一种由本发明公开的Y型分支器级联构成的1×4分支结构，其 包括3个Y型分支器、3个弯曲波导7和两个输出直波导8。通过这个方式可将 N-1个所述Y型分支器级联构成1×N分支器。

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。