[发明专利]一种基于抛物线型MMI的超紧凑硅基波导交叉结构

说明书

本发明公开了一种基于抛物线型MMI的超紧凑硅基波导交叉结构，该结构由形状相同但垂直相交的两支波导组成，其中横支波导(H)由横支输入波导、抛物线型横支MMI和横支输出波导组成，竖支波导(V)由竖支输入波导、抛物线型竖支MMI和竖支输出波导组成。这种结构的特征在于，抛物线型横支MMI和抛物线型竖支MMI都采用相同的两端宽中间窄的抛物线型MMI结构。与现有MMI型波导交叉结构相比，本发明所述结构保持了MMI型波导交叉结构低损耗和低串扰的优势，同时由于MMI具有抛物线型结构，本发明所述结构具有更紧凑的尺寸，可以实现更大规模集成光路的制作。

技术领域

本发明涉及一种基于抛物线型MMI的超紧凑硅基波导交叉结构，属于集成光学、微电子与光电子学领域。

背景技术

随着微电子技术的发展，微电子芯片上的信号互连带来的问题日益突出，“电子瓶颈”成为限制微电子芯片性能持续提高的难题，通过引入光互连技术成为解决这一难题的有效途径。

自1969年美国贝尔实验室的Miller博士提出“集成光学”的概念以来，集成光学理论与技术得到了快速发展。经过研究者五十年来的研究开发，一些集成光学器件，譬如光分路器、光开关、光调制器等，已经广泛应用于光通信、光传感、光计算与光存储等诸多领域。

得益于波导芯部与包层之间的高折射率差，SOI(Silicon On Insulator)波导具有强大的光限制能力，可以实现更小的器件尺寸，在此基础上实现光路的大规模集成，因此，硅基光子学成了目前集成光学领域的前沿方向之一。

波导交叉结构是集成光路中常用的基础单元，这种结构的损耗、串扰等性能直接关系到包含该结构的集成光路的性能。对波导交叉结构而言，光在交叉处由于失去了横向的限制而发生衍射，这种衍射效应使得一部分光会辐射出去，造成波导的损耗；同时，辐射出去的一部分光进入与之交叉的波导，造成波导间信号的串扰。如果结构设计不够合理，损耗和串扰会影响器件的性能。光波导折射率差越高，损耗和串扰越大。相关文献(Fukazawa,Hirano et al.2004)和仿真结果显示，直接由单模Si波导组成的波导交叉结构损耗高达0.9～1.4dB，串扰高达-10～-15dB。不仅如此，波导交叉结构优化对器件尺寸的优化也具有关键作用。

为了优化波导交叉结构的性能，降低波导交叉处的损耗和串扰，研究者们提出了多种波导交叉结构优化设计方案。现有的波导交叉结构包括：亚波长光栅型、超材料型、麦克斯韦鱼眼透镜型、光子晶体型和谐振腔型、多模干涉型等。

(1)亚波长光栅(SWG)型：将SWG结构应用到波导交叉可以降低交叉处的有效折射率差，因而可以减弱交叉波导处的衍射效应，减小波导的损耗和波导间的串扰。相关研究(Bock,Cheben et al.2010)报导了其损耗为0.023dB，串扰为-40dB。这种结构的缺点是亚波长光栅的制作工艺要求相对较高。

(2)超材料型：这种方案通过引入超材料减小衍射效应，提高波导交叉结构性能。2010年报导(Ding,Tang et al.2010)了将阻抗匹配超材料应用于波导的交叉位置处，测试结果显示其损耗为0.04dB，串扰为-40dB，缺点是超材料成本高昂难以量产。

(3)麦克斯韦鱼眼透镜(MFE)型：基于麦克斯韦鱼眼透镜型的波导交叉可同时处理多个模式，2019年有研究(Badri,Rasooli Saghai et al.2019)显示这种结构可同时处理最低阶的3个模式(TE0,TE1,TE2)，插损分别可控制到0.24dB、0.55dB、0.45dB，串扰分别低于-72dB、-61dB、-27dB，可用于模分复用(MDM)系统。要实现麦克斯韦鱼眼透镜，可以采用渐变光子晶体或调整Si波导厚度的方式，工艺要求极高。