[发明专利]一种基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的制作方法

摘要

一种基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的制作方法，包括以下步骤：(1)选择二氧化硅作为基底材料，上部生长一层硅片；(2)在硅片上进行融刻，制作基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构，包括竖向部分和横向部分，竖向部分和横向部分结构上完全一致，依次包括前端直波导区域、前端锥形模式匹配器区域、椭圆形多模干涉区域、后端锥形模式匹配器区域、后端直波导区域组成，横向和竖向部分垂直交叉且中心对称，对称中心在椭圆形多模干涉区域的中心；硅片的下部分保留硅基，同时椭圆形十字交叉波导的器件结构完全掩埋于二氧化硅中。本发明串扰和损耗抑制效果好、结构紧凑、制作工艺简单、易于实现、且通用性、鲁棒性好、成本低廉。

主权项

1.一种基于椭圆形多模干涉原理的十字交叉波导的制作方法，其特征在于：所述制作方法包括以下步骤：(1)选择二氧化硅作为基底材料，上部生长一层硅片；(2)在所述的硅片上进行融刻，制作基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构，所述器件结构包括竖向部分和横向部分，所述竖向部分和横向部分结构上完全一致，依次包括前端直波导区域、前端锥形模式匹配器区域、椭圆形多模干涉区域、后端锥形模式匹配器区域、后端直波导区域组成，所述横向和竖向部分垂直交叉且中心对称，对称中心在椭圆形多模干涉区域的中心；所述硅片的下部分保留硅基，同时椭圆形十字交叉波导的器件结构完全掩埋于二氧化硅中；所述步骤(2)中，所述基于多模干涉原理的椭圆形十字交叉波导的器件结构设计方法包括：(2.1)假设椭圆型MMI耦合器的初始宽度为W_i，终止宽度为W_t，z代表光波的传输方向，椭圆型MMI耦合器的宽度方程为：其中a表示长轴，L代表椭圆型MMI耦合器的传播长度，而n_r、n_c分别代表椭圆型MMI耦合器芯层、包层的有效折射率；在工作波长为λ的椭圆型MMI区域支持m个模式的传输，其模式数为v＝0,1,2,…,m‑1，横向波数k_vx、传输常数β_v的关系满足色散方程其中得到纵向传播常数β_v：取椭圆宽口宽度为1.8微米则横向波数k_vx与k₀n_r的比值为从公式(2)和(3)中看出阶数为v＝0和v＝2的模式采用傍轴近似，由此得到通过傍轴近似后的传播常数β_v：二阶模与基模的传输常数之差Δβ₀₁(z)＝(3πλ)/(4n_rW_e²(z))，W_e(z)为多模干涉区的有效宽度，W_e(z)＝W_g+W(z)，它考虑了古斯‑汉森位移TE模σ＝0，TM模σ＝1，在位置为z＝L处的相位差为：定义拍长：L_π(L)＝πL/Δφ(L)   (6)此处只考虑基模与二阶模的干涉；(2.2)椭圆形MMI的中心宽度约为1.8微米，其中容纳的模式数不超过6个，由于波导沿中心线对称，所以只有3个偶对称的模式；考虑基模和二阶模，由此得出的场分布函数为：第一个自映像应满足关系z＝L处的相位差为：其中当a＞＞L_MMI时，方程退化为：此时椭圆型MMI近似为矩形，与矩形MMI的对称干涉周期公式计算结果吻合；当W_g→0⁺时，公式(8)等号右侧第二项趋近于零，方程退化为：因此对于对称干涉，第一个自映像位置为(2.3)经matlab计算宽度为1.8微米的矩形干涉器L＝7.0892微米，而短轴为1.8微米的椭圆型干涉器L＝6.86微米；(2.4)根据步骤(2.1)‑(2.3)理论计算的第一个自映像位于6.86微米处，结合COMSOL软件仿真，并考虑加入了前端锥形模式匹配器区域和后端锥形模式匹配器区域后对所形成自映像位置的影响，得出优化的光束最小束腰距离为6.5微米，由对称性可知，要使得光以单模形式进入，转化成多模，再以单模形式通过十字交叉波导，再转化成多模，再以单模形式输出，整个椭圆形多模干涉区域的长度为13微米。