亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构及其设计方法

本发明属于光通信，具体涉及基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构，还涉及上述交叉波导结构的设计方法。

背景技术：

1、在现代信息社会，传统电互连正面临带宽和功耗的双重瓶颈。作为核心解决方案的光子集成芯片，为应对日益增长的数据传输需求，需不断缩小器件尺寸、提升集成密度，使单一芯片承载更复杂的功能。

2、在如此高密度的光子集成芯片上，光波导的交叉不可避免。相较于多模干涉原理设计的交叉波导，采用亚波长光栅聚焦特性的交叉波导，因其具有结构尺寸小的优势，将会大幅度提高器件的集成度。在硅基平台上，利用亚波长光栅的几何结构参数，在亚波长尺度下实现对介质等效折射率与光场相位匹配的精准调控，实现在交叉波导的耦合区对光斑进行聚焦，以降低交叉区域的串扰。采用亚波长光栅结构调控交叉波导耦合区的折射率，可设计低损耗、低串扰高透射率和te0或tm0模式传输的交叉波导。

3、基于此，本申请提出了基于亚波长光栅聚焦特性设计的交叉波导。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构，该交叉波导集成度高、透射率高、传输损耗和串扰低。

2、本发明的另一目的是提供上述交叉波导结构的设计方法，通过对耦合区域x，y方向上的折射率进行调控，提高了器件的透射率，减小了器件传输损耗和串扰。

3、本发明所采用的技术方案是，基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构，包括整体包层和主体结构，主体结构设置于整体包层上；主体结构包括耦合结构，环绕耦合结构周向的四个侧面分别设置两路输入波导和两路输出波导，输入波导和输出波导均垂直于耦合结构侧面设置且均与耦合结构中心位置相连接，两路输入波导设置于耦合结构相邻的两个侧面上；

4、耦合结构上端面还设置有刻蚀矩形孔洞。

5、本发明的特点还在于：

6、整体包层厚度为2μm~5μm；耦合结构的初始长度和初始宽度均为1.4μm~2μm，厚度为0.3μm~0.6μm；输入波导宽度为1.4μm~2μm，长度为1μm~5μm，厚度为0.3μm~0.6μm；输出波导的宽度为1.4μm~2μm，长度为1μm~5μm，厚度为0.3μm~0.6μm。

7、整体包层采用二氧化硅材料，整体包层的尺寸不小于主体结构的尺寸，主体结构采用硅材料，刻蚀矩形孔洞的材料为二氧化硅。

8、输入波导的输入模式为te0或tm0光源。

9、本发明所采用的第二个技术方案是，基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构的设计方法，具体步骤如下：

10、步骤1、在fdtd软件上设置互相垂直的直波导交叉波导初始结构，耦合结构无刻蚀矩形孔洞；

11、步骤2、计算刻蚀矩形孔洞占空比的变化对耦合结构x，y方向上有效折射率的影响曲线；

12、步骤3、依据步骤2的占空比-有效折射率影响曲线结果，在互相垂直的直波导交叉波导初始结构的耦合结构上设置刻蚀矩形孔洞，得到初始交叉波导结构；

13、步骤4、优化初始交叉波导结构得到性能最优的交叉波导结构，即完成了亚波长光栅聚焦特性交叉波导结构的设计。

14、本发明所采用的第二个技术方案的特点还在于：

15、步骤3中亚波长光栅聚焦特性交叉波导结构的具体结构如下：包括整体包层和主体结构，主体结构设置于整体包层上；主体结构包括耦合结构，环绕耦合结构周向的四个侧面分别设置两路输入波导和两路输出波导，输入波导和所述输出波导均垂直于耦合结构侧面设置且均与耦合结构中心位置相连接，两路输入波导设置于耦合结构相邻的两个侧面上。

16、整体包层厚度为2μm~5μm；耦合结构的初始长度和初始宽度均为1.4μm~2μm，厚度为0.3μm~0.6μm；输入波导宽度为1.4μm~2μm，长度为1μm~5μm，厚度为0.3μm~0.6μm；刻蚀矩形孔洞占空比变化范围为0.4~0.8；输出波导的宽度为1.4μm~2μm，长度为1μm~5μm，厚度为0.3μm~0.6μm；

17、整体包层采用二氧化硅材料；主体结构采用硅材料；刻蚀矩形孔洞的材料为二氧化硅；输入波导的输入模式为te0或tm0光源。

18、步骤2中刻蚀矩形孔洞占空比的变化对耦合结构x，y方向上有效折射率的影响曲线计算过程如下：

19、步骤2.1、在fdtd软件中设置工作中心波长为1550nm，x和y方向周期相等，占空比变化趋势相同，满足亚波长条件周期小于工作中心波长，周期为200nm；

20、步骤2.2、计算工作波长与周期比值1550/200<10，使用二阶有效介质理论公式提高计算精度，通过公式零阶有效介质理论公式（1），公式（2），二阶有效介质理论公式（3）和公式（4）计算te模式和tm模式下有效折射率随占空比变化曲线；

21、（1）

22、（2）

23、（3）

24、（4）

25、其中，，，分别是te，tm模式经过零阶和二阶有效介质理论计算得到的等效折射率，，分别是波导折射率和刻蚀矩形孔洞折射率，，，分别表示周期，中心波长，占空比；

26、初始亚波长光栅聚焦特性交叉波导结构优化步骤如下：

27、步骤4.1、通过输入波导光透射率与输出波导光透射率计算得到传输损耗l，输出波导光透射率与相邻波导光透射率计算得到传输损耗c；

28、步骤4.2、不同有效折射率的梯度分布对光的聚焦能力不同，通过计算得到的占空比-有效折射率分布曲线，改变亚波长光栅占空比的变化来调节耦合结构x，y方向上有效折射率；

29、步骤4.3、通过不断变化的占空比对交叉波导传输损耗和串扰的影响，获得不同占空比下，交叉波导的传输损耗l和传输串扰c，最低传输损耗l和传输串扰c对应的交叉波导结构为性能最优。

30、步骤4的亚波长光栅聚焦特性交叉波导结构的耦合结构2上端面设置有刻蚀矩形孔洞5，刻蚀矩形孔洞占空比变化范围为0.4~0.8。

31、本发明的有益效果是：

32、（1）本发明的基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构，交叉波导主体的耦合结构通过采用亚波长光栅结构调控折射率，从而使耦合结构的功能变为凸透镜结构，通过此结构实现对光的聚焦和te0或tm0光场的匹配，经过三个波导端口，实现较低的损耗和串扰。

33、（2）本发明基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构的设计方法，将亚波长光栅结构对光聚焦的特性引入交叉波导结构优化过程中，通过调整亚波长光栅周期和占空比进行折射率梯度优化，不仅提高了交叉波导结构的集成度和输出波导的透射率，也实现了当输入不同模式时，交叉波导结构具的较低的传输损耗和串扰。

1.基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构，其特征在于，包括整体包层（1）和主体结构（6），所述主体结构（6）设置于整体包层（1）上；所述主体结构（6）包括耦合结构（2），环绕耦合结构（2）周向的四个侧面分别设置两路输入波导（3）和两路输出波导（4），所述输入波导（3）和所述输出波导（4）均垂直于耦合结构（2）侧面设置且均与耦合结构（2）中心位置相连接，两路所述输入波导（3）设置于耦合结构（2）相邻的两个侧面上；

2.根据权利要求1所述的基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构，其特征在于，整体包层（1）厚度为2μm~5μm；耦合结构（2）的初始长度和初始宽度均为1.4μm~2μm，厚度为0.3μm~0.6μm；输入波导（3）宽度为1.4μm~2μm，长度为1μm~5μm，厚度为0.3μm~0.6μm；刻蚀矩形孔洞（5）占空比变化范围为0.4~0.8；输出波导（4）的宽度为1.4μm~2μm，长度为1μm~5μm，厚度为0.3μm~0.6μm。

3.根据权利要求2所述的基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构，其特征在于，所述整体包层（1）采用二氧化硅材料，整体包层（1）的尺寸不小于主体结构（6）的尺寸，主体结构（6）采用硅材料，刻蚀矩形孔洞（5）的材料为二氧化硅。

4.根据权利要求3所述的基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构，其特征在于，所述输入波导（3）的输入模式为te0或tm0光源。

5.根据权利要求1-4任一项所述基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：

6.根据权利要求5所述的基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构的设计方法，其特征在于，步骤1中所述的初始亚波长光栅聚焦特性交叉波导结构的具体结构如下：包括整体包层（1）和主体结构（6），所述主体结构（6）设置于整体包层（1）上；所述主体结构（6）包括耦合结构（2），环绕耦合结构（2）周向的四个侧面分别设置两路输入波导（3）和两路输出波导（4），所述输入波导（3）和所述输出波导（4）均垂直于耦合结构（2）侧面设置且均与耦合结构（2）中心位置相连接，两路所述输入波导（3）设置于耦合结构（2）相邻的两个侧面上。

7.根据权利要求6所述的基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构的设计方法，其特征在于，所述整体包层（1）厚度为2μm~5μm；耦合结构（2）的初始长度和初始宽度均为1.4μm~2μm，厚度为0.3μm~0.6μm；输入波导（3）宽度为1.4μm~2μm，长度为1μm~5μm，厚度为0.3μm~0.6μm；输出波导（4）的宽度为1.4μm~2μm，长度为1μm~5μm，厚度为0.3μm~0.6μm；

8.根据权利要求7所述的基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构的设计方法，其特征在于，步骤2中所述刻蚀矩形孔洞（5）占空比的变化对耦合结构（2）x，y方向上有效折射率的影响曲线计算过程如下：

9.根据权利要求8所述的基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构的设计方法，其特征在于，步骤4中所述初始交叉波导结构优化步骤如下：

10.根据权利要求9所述的基于亚波长光栅聚焦特性的交叉波导结构的设计方法，其特征在于，步骤4所述亚波长光栅聚焦特性交叉波导结构的耦合结构（2）上端面设置有刻蚀矩形孔洞（5），刻蚀矩形孔洞（5）占空比变化范围为0.4~0.8。