[发明专利]一种带有偏移和沟槽的S形弯曲波导

说明书

本发明提出一种带有偏移和沟槽的S弯曲波导结构，其包括输入直波导、两段曲率相反且半径相同的弯曲波导、输出直波导、各波导连接处的偏移和填充有低折射率介质的沟槽。其特征是所述带有偏移和沟槽的S弯曲光波导结构在S形波导中输入直波导和第一段弯曲波导段连接处、曲率相反半径相同的弯曲波导段连接处和第二弯曲波导段与输出直波导段连接处分别引入一定的偏移，在两个弯曲弧段外侧分别加入两个形状相同的沟槽，沟槽内填充空气，波导芯宽一致，波导芯层和包层折射率存在较小差值。具有较小折射率差的S形波导在较小弯曲半径下会产生显著的弯曲损耗，通过引入合适尺寸的偏移和沟槽可以相应得减少S弯曲波导中存在的过渡损耗和辐射损耗，从而达到S形弯曲波导的低损耗传输。本发明有利于实现光互连中紧凑尺寸和低损耗的光路设计。

技术领域

本发明涉及光波导器件，光互连单元，光通信技术领域，特别涉及一种低损耗S形弯曲波导。

背景技术

相比传统铜基电互连，光互连在电磁干扰、带宽可扩展性、功耗和系统密度等方面具有出色的性能，形成复杂板上光互连的关键弯曲波导元件包括L弯曲、V弯曲、U弯曲及S弯曲等。其中，S形弯曲波导在板上或芯片间不同位置模块或器件的连接及互连中起到至关重要的作用。用于波导结构制备的材料主要有Si/SiO₂，SiN/SiO₂和聚合物等。波导芯层与包层的折射率差对波导的弯曲损耗有很大影响。高折射率差材料系统如Si/SiO₂，SiN/SiO₂等能够实现全内反射以将光限制在波导中，在几微米左右弯曲半径下可实现低损耗传输，但高折射率差波导受波导侧壁粗糙度影响大，传播损耗与侧壁粗糙度的三次方成正比，且模式失配和对准灵敏度会导致光纤与波导间产生较大的耦合损耗。相比之下，低折射率差材料如聚合物，其芯层与包层的折射率差异很小，使得波导与光纤边界条件相似，能够提供低的传输损耗和低的波导-光纤耦合损耗，且聚合物波导具有出色的灵活性和方便的集成特性，是一种有吸引力的光链路传输介质，被广泛应用于波导器件及互连结构的设计与制备。

低折射率差聚合物S形弯曲波导广泛用于光电路中不同位置波导器件或互连单元的连接。在厘米级弯曲半径下，低折射率差聚合物S形弯曲波导可以达到低损耗传输的要求，较大尺寸结构不利于紧凑光路设计和高密度互连。为实现紧凑、高密度光互连中不同位置器件或互连单元之间高性能光通信，降低低折射率差S形弯曲波导的弯曲损耗至关重要。目前，尚未研究如何降低低折射率差聚合物S形弯曲波导的弯曲损耗。因此，有必要提出如何在较小弯曲半径下实现低折射率差S弯曲波导低损耗传输的方法。

发明内容

为了解决上述问题, 本发明提出一种带有偏移和沟槽的S弯曲波导结构，其包括输入直波导、两段曲率相反且半径相同的弯曲波导、输出直波导、各波导连接处的偏移和填充有空气的沟槽。其特征是所述带有偏移和沟槽的S弯曲光波导结构在S形波导中输入直波导和第一段弯曲波导段连接处、曲率相反半径相同的弯曲波导段连接处和第二弯曲波导段与输出直波导段连接处分别引入一定的偏移，在两个弯曲弧段外侧分别加入两个形状相同的沟槽，沟槽内填充空气介质，波导芯宽一致，波导芯层和包层折射率存在较小差值。

按上述方案，所述的低折射率差聚合物S形弯曲波导，其特征在于所述 的S形弯曲波导损耗满足如下线性关系式：

其中BendingLoss表示S形波导的总弯曲损耗，P_in表示S形弯曲波导输入直波 导端口处输入的功率,P_out表示S形弯曲波导输出直波导端口处输出的功率。

按上述方案，所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导输出直波导的功率比其输入直波导的功率要小。

所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于波导芯层与包层的折射率差为0.01，沟槽内空气介质折射率为1.0。

所述的带有偏移和沟槽的S形弯曲波导，其特征在于波导宽度为5μm。