高密度波导超晶格的转弯装置.pdf

最近，发明人有一种技术可以使得阵列波导间距在低至半波长时串扰仍然很低。基本思路之一就是将波导阵列的各波导设计为不同宽度，将几个不同宽度的波导形成一个波导子阵列。再将此波导子阵列周期性排列形成一个任意大的波导阵列，称为波导超晶格。发明人的研究表明，通过适当设计，即使波导间距低至半波长，波导超晶格中任意波导间的串扰仍然很低。但在间距如此小的时候波导超晶格进行转弯，从其中一个波导泄露出来的模场将与其他波导产生较强的耦合，从而使得串扰增大。在本发明中，发明人使用含有弯曲波导的特殊耦合结构将高密度波导超晶格拓宽为间距较大的波导阵列后再进行转弯以及先使高密度波导超晶格依次错开一定距离后再转弯。这些方法使得高密度波导超晶格在转弯时串扰很低。

1.  一种用于高密度波导超晶格转弯的装置，其特征是在高密度波导超晶格的末端，利用一段包含弯曲波导的耦合结构，将高密度波导超晶格拓宽为需求的较大间距的波导阵列，利用弯曲波导实现拐弯；再将前述耦合结构逆向使用，将较大间距的波导阵列还原回高密度波导超晶格。

2.  根据权利要求1所述的转弯装置，其特征是上述高密度波导超晶格中至少一个波导的耦合结构包含一个S形波导。

3.  根据权利要求2所述的转弯装置，其特征是上述相邻的S形波导的起点错开一定距离。

4.  根据权利要求2或3所述的转弯装置，其中的S形波导包含第一段弯曲波导、一段直波导与第二段弯曲波导或者是其中的S形波导包含第一段弯曲波导、与第二段弯曲波导。

5.  根据权利要求2-3之一所述的转弯装置，其中相邻的S形波导的第一段弯曲波导的起点错开一定距离或其中相邻的S形波导的起点错开一定距离。

6.  根据权利要求2-3之一所述的转弯装置，其中的S形波导包含一段余弦函数形状的波导。

7.  一种用于高密度波导超晶格转弯的装置，其特征是在高密度波导超晶格的末端，每个波导逐次开始转弯，相邻波导的转弯起点错开一定距离。

8.  根据权利要求7中所述的转弯装置，其特征是所述转弯装置与第二个相同的转弯装置尾对尾相接使用，将波导阵列还原回高密度波导超晶格。

9.  根据权利要求7中所述的装置，在两个转弯装置之间有一段直波导阵列或直波导超晶格。

10.  根据权利要求7中所述的转弯装置，其特征是高密度波导超晶格由于转弯起点依次错开被拓宽为较大间距的波导阵列，用于耦合。

高密度波导超晶格的转弯装置
技术领域
本发明涉及高密度波导超晶格(间距可低至半波长的波导阵列)的克服串扰的转弯问题。
背景技术
硅基光子学在低损耗、大规模光子集成领域拥有极大地潜力。现有的硅基光子技术还达不到每微米一根波导的集成度，或者虽然达到了高密度的光子集成但却牺牲了其他方面的性能，例如插损和串扰等。所以，寻找一种能够在实现高集成度的目的的同时，对其他方面性能的影响最低的方法是现在光子系统领域的中心议题。众所周知，波导间距越小，相互之间串扰越大，这是限制集成度提高的一个基本因素。尽管采用高折射率差的硅基波导可以比较容易地将波导间距降低至几微米而串扰并不明显，但是在此基础上继续降低波导间距会使得串扰激增到无法忍受的值。
对于两根波导，当它们靠近时，它们的耦合常数一般用κ表示。根据非对称波导定向耦合器的光功率耦合公式[1]
P1→2P1=1(Δβ/2κ)2+1sin2((Δβ/2)2+κ2L)]]>
可知，当波导间传输常数的差距Δβ大到一定程度(Δβ>>κ)时，波导间的光功率耦合比例即串扰将降低到较小的值。但此技术只对于两根波导适用，不适用于推广至大型波导阵列。发明人的研究表明在间距较密的大型波导阵列中，不仅直接相邻的两根波导有强烈耦合，次近邻、第三近邻甚至更远的相邻波导间的模式场的交叠积分也足够大，因而也有较明显的耦合，也即有明显串扰。
本申请发明人提出了一种技术[2,3]可以使得波导阵列的间距在低至半波长时串扰仍然很低。基本思路之一就是将波导阵列的各波导设计为不同宽度，将几个不同宽度的波导形成一个波导子阵列，。再将此波导子阵列周期性排列形成一个任意大的波导阵列。用半导体器件物理术语，上述波导子阵列也可称为波导超元胞，在此基础上构造的上述波导阵列也可称为波导超晶格。发明人的研究表明当波导超元胞包含5个波导时，通过一种称为“交错—复合”的波导超元胞设计，即使波导间距低至半波长，波导超晶格中任意波导间的串扰仍然很低。
但此时将产生一个新的问题，那就是间距如此小的高密度波导超晶格如何转弯？产生这个问题的原因是在波导间距如此小的时候进行转弯，从其中一个波导泄露出来的模场将与其他波导产生较强的耦合，从而使得串扰增大。
对于这个问题，发明人将在本申请中提出应对的解决办法。
现有技术文献参考如下：
[1]Saleh,B.E.A.&Teich,M.C.,Fundamentals of Photonics.(Wiley-Interscience,New York,1991).
[2]Wei Jiang,"Waveguide Superlattices For High Density Photonics Integrations,"U.S.Provisional  Application no.61/877,052,filed on September 12,2013.
[3]Wei Jiang,"Waveguide Superlattices For High Density Photonics Integrations,"PCT application No.PCT/US2014/055442,filed on September 12,2014.
发明内容：
本发明的目的是解决高密度波导超晶格的转弯问题。
本发明的技术方案如下述：
一种用于高密度波导超晶格转弯的装置，在高密度波导超晶格的末端，利用一段包含弯曲波导的耦合结构，将高密度波导超晶格拓宽为需求的较大间距的波导阵列，利用弯曲波导实现拐弯；再将前述耦合结构逆向使用，将较大间距的波导阵列还原回高密度波导超晶格。
上述高密度波导超晶格中至少一个波导的耦合结构包含一个S形波导。
上述相邻的S形波导的起点错开一定距离。
其中的S形波导包含第一段弯曲波导、一段直波导与第二段弯曲波导或者是其中的S形波导包含第一段弯曲波导、与第二段弯曲波导。
其中相邻的S形波导的第一段弯曲波导的起点错开一定距离或其中相邻的S形波导的起点错开一定距离。
其中的S形波导包含一段余弦函数形状的波导。
在高密度波导超晶格的末端，每个波导逐次开始转弯，相邻波导的转弯起点错开一定距离。
所述转弯装置与第二个相同的转弯装置尾对尾相接使用，将波导阵列还原回高密度波导超晶格。
在两个转弯装置之间有一段直波导阵列或直波导超晶格。
高密度波导超晶格由于转弯起点依次错开被拓宽为较大间距的波导阵列，用于耦合。
有益效果：在解决高密度波导超晶格转弯的问题时，采用先把高密度波导超晶格拓宽为间距较大的波导阵列再进行转弯。其中在将间距拓宽的过程中使用了弯曲波导，但本发明采用弯曲波导起点错开的方法使得每个弯曲波导与毗邻弯曲波导间距变大，从而使得由于弯曲而引起的额外的模场泄露与其他弯曲波导的耦合很弱，可以忽略，不会影响高密度波导超晶格串扰很低的特点。再按上述拓宽波导间距的方法逆向操作，将较宽间距的波导阵列还原为高密度波导超晶格。其中与高密度波导超晶格相连的弯曲波导同样采用错开起点的方法，而转弯过程发生在间距较大的波导阵列部分，这是很容易做到的。
附图说明
图1为高密度波导超晶格先拓宽后转弯的装置示意图；
图2为高密度波导超晶格逐次错开后转弯的装置示意图；
图3为高密度波导超晶格逐次错开后转弯并还原的装置示意图；
其中：100.高密度波导超晶格先拓宽后转弯的装置；110.高密度波导超晶格；120.耦合结构；130.较大间距的阵列波导；140.拐弯波导；200.高密度波导超晶格逐次错开后转弯的装置；210.高密度波导超晶格；220.拐弯波导；300.高密度波导超晶格逐次错开后转弯并还原的装置；310.高密度波导超晶格；320.拐弯波导。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
本发明的基本思想是先将高密度波导超晶格以特殊手段拓宽为较大间距的波导阵列，然后转弯或高密度波导超晶格逐次错开后，再开始转弯。
1.高密度波导超晶格先拓宽后转弯；
采用如图1所示方案设计高密度波导超晶格的转弯装置100，实现高密度硅基波导超晶格110的转弯。(实际上高密度波导超晶格可能由多个波导超元胞组成，每个波导超元胞由几条不同宽度波导组成，波导间距很小，此处以5条波导为例，仅作说明用途。)
此实例中，光波长在1500纳米至1570纳米之间，波导以硅为芯，二氧化硅为包层，高密度波导超晶格110的每条波导均为单模，宽度为200到500nm间选取的五个不等值，波导间距0.78μm。利用S形波导作为耦合结构120拓宽波导间距(由两段弯曲波导和一段直波导组成)，其中弯曲波导半径取20微米，弯曲角度为60度，相邻的第一段弯曲波导的起点错开10μm，波导间距拓宽为5μm，利用拐弯波导140实现此波导间距较大的波导阵列130的转弯，此时由于波导间距较大，拐弯波导140泄露的模场与其他波导的耦合很弱，可忽略不计。之后再按如上所述拓宽波导间距的方法逆向操作，将较宽间距的波导阵列还原为高密度的波导超晶格。实现了高密度硅基波导超晶格的转弯。其中S形波导120可以利用第一段弯曲波导张开角度，之后利用直波导拉开波导间距离，再利用第二段弯曲波导选择后接直波导的延伸方向。
在另一种具体设计实例中，某些或全部S形波导120可以由两段弯曲波导组成而无需加入一段直波导。在其他具体设计实例中，S形波导120还可以设计为一段余弦函数形状的波导。在这些设计中，相邻弯曲波导间的在z方向的最近距离一般应当较大，比如2μm或2μm以上。
2.高密度波导超晶格逐次错开后转弯
采用如图2所示方案设计高密度波导超晶格的转弯装置200，实现高密度硅基波导超晶格的转弯。
此实例中，光波长在1500纳米至1570纳米之间，波导以硅为芯，二氧化硅为包层，高密度波 导超晶格210的每条波导均为单模，宽度为200到500nm间选取的五个不等值，波导间距0.78μm。利用拐弯波导220实现转弯，其中相邻拐弯波导220的起点依次错开10μm。此时由于波导间距较大，拐弯波导220泄露的模场与其他波导的耦合很弱，可忽略不计。
在图2中，阵列波导间距被拓宽，也可用于与另一个大间距的波导超晶格或普通波导阵列耦合。
3.高密度波导超晶格逐次错开后转弯并还原
采用如图3所示方案设计高密度波导超晶格的转弯装置300，实现高密度硅基波导超晶格的转弯并还原。
在具体实施方式实例2的基础上，若如图3所示，在此装置后尾对尾相接一个相同的装置可将波导阵列还原回高密度波导超晶格。在两个转弯装置之间可以有一段直波导阵列或直波导超晶格，可以根据实际需要调整两转弯之间的距离。
在某些应用(包含以上三个具体实施方式实例)中，波导也可以由其他材料构成，如以氮化硅为芯，包层材料包含二氧化硅；或者以氮氧化硅为芯，包层材料包含二氧化硅；或者以掺锗的二氧化硅为芯，包层材料包含二氧化硅；或者以不同折射率的化合物半导体材料为芯和包层；或者以不同折射率的化合物半导体材料为芯、包层材料包含氧化物；或者以不同折射率的高分子材料为芯和包层。当芯与包层材料的折射率差较小时，波导超晶格中的波导间距要相应扩大以减小串扰。相邻的弯曲波导的起点或S形波导的起点间距也要相应扩大。转弯角可以是任意数值。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。