[发明专利]一种硅基纳米线混合十字交叉器

说明书

技术领域

本发明属于集成光子学技术领域，具体来说，涉及一种硅基纳米线混合十字交叉器。

背景技术

波导交叉器作为光子集成回路中的一类功能器件，在信号路由和提高器件的集成度方面具有重要的作用。直接的平面波导交叉，由于光场在波导交叉中心处明显的衍射作用，使得损耗和串扰大为增加。尤其是对于高折射率差的材料如绝缘体上硅，损耗和串扰非常严重，这极大地影响了波导交叉器的性能，制约了它在集成光器件领域的应用。因此，研制出满足应用需求的波导交叉器，具有非常重要的意思。近年来，研究学者针对低损耗、低串扰的波导交叉器，进行了大量的研究。例如采用模式扩展型的交叉方案，将波导交叉处的模场限制在一个较大的范围内以减小损耗和串扰，但是双刻蚀的制造工艺增加了器件的制造成本。此外，运用垂直制造工艺来制造波导交叉器可获得较好的器件性能，不过相对于平面工艺，这种制造方法明显要复杂的多，制造成本也相对较高。目前这些方案虽然能不同程度的降低波导交叉器的损耗和串扰，提高器件的性能，但制造难度都较高，不适合大规模的应用，而且交叉设计方法都只针对单一类型的条形结构波导，这极大地限制了波导交叉器的应用范围。

目前槽波导作为一类结构新颖的波导，自从2004年被康奈尔大学的Michal Lipson教授团队首先提出来后，很快受到了许多研究人员的关注。这种波导的模场分布与条形波导的模场分布明显不同，条形波导的模场主要分布于波导的芯层，而对于槽波导，根据电磁场的边值关系，在垂直于高折射率差分布的材料分界面上，电场分量将出现不连续性，由于槽的宽度远小于槽两侧条形波导的特征衰减长度，使得电场在低折射率的槽中大大增强，相应的模场也将集中于微槽区域。基于这种独特的场增强效应，许多光子器件相继被提出或者制造出来，例如：光调制器、偏振分束器、微环谐振器、定向耦合器、波分复用器、生物/化学传感器等。这些器件表现出与条形波导器件明显不同的传输特性，为了实现这两种不同类型波导器件的优势互补，单片集成将是一个很好的解决方案，其中高效波导交叉器的应用将有利于单片集成密度的提高。因此，设计出结构简单、传输效率高、制造方便、价格相对低廉的硅基纳米线混合十字交叉器将很有意义。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种硅基纳米线混合十字交叉器，该十字交叉器具有传输效率高、结构紧凑、损耗低、制造难度低、价格相对低廉等优点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种硅基纳米线混合十字交叉器，该交叉器包括两个槽波导模式转换单元、两个条形波导模式转换单元、正弦型转换波导和十字交叉多模波导，两个槽波导模式转换单元和两个条形波导模式转换单元分别通过正弦型转换波导与十字交叉多模波导连接；每个槽波导模式转换单元与一个条形波导模式转换单元相对；每个槽波导模式转换单元包括用于光信号输入的槽波导和模式转换器，模式转换器连接在槽波导和正弦型转换波导之间；每个条形波导模式转换单元包括用于光信号输出的条形波导和单模波导，单模波导连接在条形波导和正弦型转换波导之间。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、传输效率高、损耗低。由于在波导交叉处引入了十字交叉多模波导结构，相对于现有的直接波导交叉而言，该结构可使得入射光场在波导交叉中心处加以汇聚以减小多模波导中入射光场的宽度，相应的降低由于波导交叉所带来的串扰和衍射损耗，传输效率也将明显提高，此外在输入波导、输出波导和十字交叉多模波导之间加入了相应的模式转换结构用于高效转换不同波导的模式，可进一步提高传输和耦合效率。

2、制造难度低、可靠性高。本发明中所采用到的波导结构，如十字交叉多模波导、正弦型转换波导、对数型的模式转换器、单模波导等的特征尺寸都比较大（都在微米或亚微米量级），这将放宽对实际光子器件制造设备特征尺寸的要求，降低制造难度，相应的器件可靠性也可以得到保证。

3、可以实现不同波导模式的高效转换。由于输入波导模式和输出波导模式不同，在本发明中加入了两种模式转换单元，分别是槽波导模式转换单元和条形波导模式转换单元，以及正弦型转换波导结构用以减小由于不同波导直接耦合所带来的反射损耗和端面耦合损耗，提高模式转换效率。

4、结构紧凑、制作方便、成本低廉。本发明由于采用了高折射率差的绝缘体上硅材料，使得器件整体结构具有较高的紧凑性。硅基纳米线波导结构材料便宜，并且与成熟的CMOS加工工艺兼容，制作方便，能够实现硅基单片集成，在集成光子学领域有着巨大的发展潜力。

附图说明