本發明屬于光通信技術領域，尤其是用于集成光路，以及含有十字光波導的微納米級集成光通信器件中，涉及一種基于多模干涉原理的橢圓形十字交叉波導的制作方法。

背景技術：

光波導是集成光路的基本單元，基于silicon-on-insulator(soi)材料的光波導，因其所具有的約束光信號能力強、傳輸損耗低、制作工藝與標準coms工藝兼容、可批量制作等優點，已成為集成光學器件和系統(特別是片上系統)中最常用的光波導材料。十字交叉光波導結構是光信號傳輸以及構建soi基集成光學器件的常用結構，比如實現多通道的光通信、或是基于微環諧振腔的濾波和波分復用，必須使用大量的十字交叉波導單元。然而soi結構的高折射率差會使其導模的空間角變的很大，從而使得光在光波導的交叉部位產生嚴重的散射。普通soi基矩形十字交叉波導的單次損耗和串擾分別為1db至1.5db和-10db至-15db。很顯然，光信號多次經過這種普通十字交叉波導所累積的損耗和串擾是難以接受的，因此，發明一種低串擾低損耗、結構緊湊、與標準微結構制作技術適配的波導交叉單元是非常有意義的。本發明的目的，就是發明一種抑制串擾和損耗的基于多模干涉原理的橢圓形十字交叉波導及其制作方法。

與本發明最接近的已有技術包括：(1)在橢圓形硅基波導基層之上制作錐形多模干涉耦合器(mmi)，實現光波在十字交叉波導的自聚焦，進而減小串擾和損耗(wimbogaerts,et.al.,low-loss,low-cross-talkcrossingsforsilicon-on-insulatornanophotonicwaveguides,opticsletters,32(19):2801-2803,2007)。該技術的多模干涉區是錐形的，實現自聚焦；橢圓形波導則作為波導基層對光束整形，結構十分復雜。理論上該技術十字波導交叉單元的透過率為96.8％，損耗和串擾分別為-0.16db和-40db，比傳統矩形十字交叉波導損耗和串擾性能得到很大程度的改善。然而該技術采用雙刻蝕技術，器件結構的設計和制作工藝(需要兩次融刻)十分復雜，無法批量制作；其次，該技術的串擾性能尚需進一步優化；最后，該技術針對不同波導直徑的技術適應性(即技術通用性)不高。(2)用矩形mmi十字交叉波導代替矩形十字交叉波導(xianyaoli,et.al.,demonstrationofahighlyefficientmultimodeinterferencebasedsiliconwaveguidecrossing,opticscommunications,312:148-152,2014)。該技術十字波導交叉單元的透過率為98％，損耗和串擾分別為-0.07db和-43db，比傳統矩形十字交叉波導損耗和串擾性能得到很大程度的改善。該技術以矩形mmi為基礎實現光波在波導交叉處的自聚焦，采用單次刻蝕技術，工藝較為簡單。但是矩形mmi的自聚焦周期很長，使得器件尺寸很大、集成度低、能耗高，抑制串擾的性能也有待進一步提高。

上述已有技術存在的共同缺陷是：器件尺寸龐大、結構復雜、難以批量制作、通用性差，無法滿足實際應用需求。同時串擾性能也有待進一步提高。

技術實現要素：

為了克服已有技術器件尺寸大、結構復雜、難以批量制作、通用性差，損耗和串擾性能不夠理想的不足，本發明提供一種串擾和損耗抑制效果好、結構緊湊、制作工藝簡單、易于實現、且通用性、魯棒性好、成本低廉的基于多模干涉原理的橢圓形十字交叉波導的制作方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導的制作方法，所述制作方法包括以下步驟：

(1)選擇二氧化硅作為基底材料，上部生長一層硅片；

(2)在所述的硅片上進行融刻，制作基于多模干涉原理的橢圓形十字交叉波導的器件結構，所述器件結構包括豎向部分和橫向部分，所述豎向部分和橫向部分結構上完全一致，依次包括前端直波導區域、前端錐形模式匹配器區域、橢圓形多模干涉區域、后端錐形模式匹配器區域、后端直波導區域組成，所述橫向和豎向部分垂直交叉且中心對稱，對稱中心在橢圓形多模干涉區域的中心；

所述硅片的下部分保留硅基，同時橢圓形十字交叉波導的器件結構完全掩埋于二氧化硅中。

進一步，所述步驟(1)中，選擇厚度約為2微米的二氧化硅作為基底材料，上部生長一層厚度為0.3-0.34微米的硅片，所述二氧化硅和硅片的折射率分別為1.48和3.48。

所述步驟(2)中，在所述的硅片上進行融刻，制作厚度為0.2-0.24微米的基于多模干涉原理的橢圓形十字交叉波導的器件結構，下部分保留了約0.1-0.14微米厚的硅基，同時所述的厚度0.2-0.24微米的橢圓形十字交叉波導的器件結構完全掩埋于厚度約為1微米的二氧化硅中。

所述步驟(2)中，前端直波導區域的寬度選為0.45-0.5微米，錐形模式匹配器尺寸為小口寬度0.45-0.5微米，大口寬度1.18-1.26微米，長度為4-4.3微米，橢圓形多模干涉波導由長軸約為15微米，短軸約為0.9微米的橢圓結構截取中間段前后各保留約6.5微米的波導結構構成。

所述步驟(2)中，所述基于多模干涉原理的橢圓形十字交叉波導的器件結構設計方法包括：

(2.1)假設橢圓型mmi耦合器的初始寬度為wi，終止寬度為wt，z代表光波的傳輸方向，橢圓型mmi耦合器的寬度方程為：

其中長軸l代表橢圓型mmi耦合器的傳播長度，而nr、nc分別代表橢圓型mmi耦合器芯層、包層的有效折射率；在工作波長為λ的橢圓型mmi區域支持m個模式的傳輸，其模式數為υ＝0,1,2,…,m-1，橫向波數kυy、傳輸常數βυ的關系滿足色散方程其中得到縱向傳播常數βv：

取橢圓寬口寬度為1.8微米則橫向波數kυy與k0nr的比值為

從公式(2)和(3)中看出階數為v＝0和v＝2的模式采用傍軸近似，由此得到通過傍軸近似后的傳播常數βv：

二階模與基模的傳輸常數之差δβ01(z)＝(3πλ)/(4nrwe²(z))，we(z)＝wg+w(z)為多模干涉區的有效寬度，它考慮了古斯-漢森位移te模σ＝0，tm模σ＝1。在位置為z＝l處的相位差為：

定義拍長：

lπ(l)＝πl/δφ(l)(6)

此處只考慮基模與二階模的干涉；

(2.2)橢圓形mmi的中心寬度約為1.8微米，其中容納的模式數不超過6個，由于波導沿中心線對稱，所以只有3個偶對稱的模式；考慮基模和二階模，由此得出的場分布函數為：

第一個自映像應滿足關系z＝l處的相位差為：

其中

當a＞＞lmmi時，方程退化為：

此時橢圓型mmi近似為矩形，與矩形mmi的對稱干涉周期公式計算結果吻合；

當wg→0⁺時，公式(8)等號右側第二項趨近于零，方程退化為：

因此對于對稱干涉，第一個自映像位置為

(2.3)經matlab計算寬度為1.8微米的矩形干涉器l＝7.0892微米，而短軸為1.8微米的橢圓型干涉器l＝6.86微米；

(2.4)根據步驟(2.1)-(2.3)理論計算的第一個自映像位于6.86微米處，結合comsol軟件仿真，并考慮加入了前端錐形模式匹配器區域和后端錐形模式匹配器區域后對所形成自映像位置的影響，得出優化的光束最小束腰距離為6.5微米，由對稱性可知，要使得光以單模形式進入，轉化成多模，再以單模形式通過十字交叉波導，再轉化成多模，再以單模形式輸出，整個橢圓形多模干涉區域的長度為13微米。

本發明的技術思想為：輸入光的模式在本發明的橢圓形多模干涉波導中是周期性變化的。單模的輸入光在前端直波導和前端錐形模式匹配器中是單模的，但進入到橢圓形多模干涉區域中，會依次出現單模，多模，單模，多模再到單模的情況，光波以單模的形式從橢圓形多模干涉區域輸出到后端錐形模式匹配器中，并且光波將一直以單模的形式從前端錐形模式匹配器傳輸到后端直波導中進而從輸出端口輸出。值得注意的是在十字交叉波導的中心處出現單模情況，這是由于橢圓形多模干涉波導結構的自映像效應，在十字交叉點中心的自映像很好的抑制了波前的擴展，從而減小了整個器件的損耗和串擾，同時，所述的橢圓形十字交叉波導結構是中心對稱的，它只會激發偶次模場，所以在多模對稱的模式中，自映像也稱為對稱干涉。同樣重要的是錐形模式匹配器的結構，既要保證光波在錐形模式匹配器中以單模的形式存在又要保證光波在錐形模式匹配器中光斑變化到一個合適的大小，有利于解決光直接從直波導輸入到橢圓形波導多模干涉區域帶來的模式失配問題，同時錐形模式匹配器與橢圓形mmi相接的寬度和錐形模式匹配器的長度將影響光自映像光斑的質量。

本發明的有益效果主要表現在：1.結構簡單、穩定，系統通用性好。2.運用所述的基于多模干涉原理的橢圓形十字交叉波導的器件結構代替傳統矩形十字交叉波導有利于降低損耗和串擾，所述的基于多模干涉原理的橢圓形十字交叉波導的器件結構的傳輸效率不低于96.8％，串擾優于-45db。3.并且，所述的基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導的器件結構與矩形mmi波導交叉結構比，它的自映像點前移致使整個器件的結構更加緊湊。4.同時，所述的基于多模干涉原理的橢圓形十字交叉波導的器件結構與錐形mmi波導交叉結構相比，它的結構對稱，只有偶次模式，在微納米級mmi波導中傳輸效率更高。

附圖說明

圖1為本發明一種基于多模干涉原理的橢圓形十字交叉波導的器件結構的二維示意圖，其中，(a)為直波導寬度0.45微米對應的基于多模干涉原理的橢圓形十字交叉波導的器件結構尺寸圖，(b)為直波導寬度0.5微米對應的基于多模干涉原理的橢圓形十字交叉波導的器件結構尺寸圖。

圖2為本發明應用的橢圓形mmi結構理論分析圖。

圖3為本發明實施例提供的三維總結構俯視圖和主視圖，其中，(a)為俯視圖，(b)為主視圖。

圖4為本發明在通信波段1550nm波長時直波導寬度分別為0.45微米和0.5微米的基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導的器件結構中橫向波導中心軸線上的電場模圖，其中，(1)為直波導寬度0.45微米對應的基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導器件結構中橫向波導中心軸線上的電場模圖，(2)為直波導寬度0.5微米對應的基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導器件結構中橫向波導中心軸線上的電場模圖。

圖5為直波導寬度分別為0.45微米和0.5微米的基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導的器件結構中豎向波導中心軸線上的電場模圖，其中，(1)為直波導寬度0.45微米對應的基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導器件結構中豎向波導中心軸線上的電場模圖，(2)為直波導寬度0.5微米對應的基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導器件結構中豎向波導中心軸線上的電場模圖。

圖6為直波導寬度分別為0.45微米和0.5微米的基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導的器件結構在波長為1500nm-1600nm范圍內損耗和串擾情況圖，其中，(1-1)為直波導寬度0.45微米基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導的器件結構在波長為1500nm-1600nm范圍內損耗情況圖，(1-2)為直波導寬度0.45微米基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導的器件結構在波長為1500nm-1600nm范圍內串擾情況圖，(2-1)為直波導寬度0.5微米基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導的器件結構在波長為1500nm-1600nm范圍內損耗情況圖，(2-2)為直波導寬度0.5微米基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導的器件結構在波長為1500nm-1600nm范圍內串擾情況圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。

參照圖1～圖6，一種基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導的制作方法，

(1)選擇二氧化硅作為基底材料，上部生長一層硅片；

(2)在所述的硅片上進行融刻，制作基于多模干涉原理的橢圓形十字交叉波導的器件結構，所述器件結構包括豎向部分和橫向部分，所述豎向部分和橫向部分結構上完全一致，依次包括前端直波導區域、前端錐形模式匹配器區域、橢圓形多模干涉區域、后端錐形模式匹配器區域、后端直波導區域組成，所述橫向和豎向部分垂直交叉且中心對稱，對稱中心在橢圓形多模干涉區域的中心；

所述硅片的下部分保留硅基，同時橢圓形十字交叉波導的器件結構完全掩埋于二氧化硅中。

進一步，所述步驟(1)中，選擇厚度約為2微米的二氧化硅作為基底材料，上部生長一層厚度為0.3-0.34微米的硅片，所述二氧化硅和硅片的折射率分別為1.48和3.48。

所述步驟(2)中，在所述的硅片上進行融刻，制作厚度為0.2-0.24微米的基于多模干涉原理的橢圓形十字交叉波導的器件結構，下部分保留了約0.1-0.14微米厚的硅基，同時所述的厚度0.2-0.24微米的橢圓形十字交叉波導的器件結構完全掩埋于厚度約為1微米的二氧化硅中。

所述步驟(2)中，前端直波導區域的寬度選為0.45-0.5微米，錐形模式匹配器尺寸為小口寬度0.45-0.5微米，大口寬度1.18-1.26微米，長度為4-4.3微米，橢圓形多模干涉波導由長軸約為15微米，短軸約為0.9微米的橢圓結構截取中間段前后各保留約6.5微米的波導結構構成。

本實施例的器件結構中，所述豎向部分或橫向部分的前端直波導區域的前端為光的輸入端口，光波由輸入端口輸入，依次經過前端直波導區域、前端錐形模式匹配器區域、橢圓形多模干涉區域、后端錐形模式匹配器區域、后端直波導區域，然后輸出，所述后端直波導區域的后端為輸出端口。

所有的結構模塊都是基于soi結構，芯層折射率為3.48，包層折射率為1.48，折射率差高達2，能夠很好的將光限制在芯層波導中，由于折射率差低造成的散射和透射損耗幾乎可以忽略不計，整個結構滿足亞微米級，有利于實現光路的集成化。

參照圖2，假設橢圓型mmi耦合器的初始寬度為wi，終止寬度為wt，z代表光波的傳輸方向。橢圓型mmi耦合器的寬度方程為:

其中長軸l代表橢圓型mmi耦合器的傳播長度，而nr、nc分別代表橢圓型mmi耦合器芯層、包層的有效折射率。在工作波長為λ的橢圓型mmi區域支持m個模式的傳輸，其模式數為υ＝0,1,2,…,m-1。橫向波數kυy、傳輸常數βυ的關系滿足色散方程其中得到縱向傳播常數βv：

取橢圓寬口寬度為1.8微米則橫向波數kυy與k0nr的比值為

從公式(2)和(3)中可看出階數為v＝0和v＝2的模式可以采用傍軸近似，由此得到通過傍軸近似后的傳播常數βv：

。

二階模與基模的傳輸常數之差δβ01(z)＝(3πλ)/(4nrwe²(z))，we(z)＝wg+w(z)為多模干涉區的有效寬度，它考慮了古斯-漢森位移te模σ＝0，tm模σ＝1。在位置為z＝l處的相位差為：

定義拍長：

lπ(l)＝πl/δφ(l)(6)

此處只考慮基模與二階模的干涉。

我們設計的橢圓形mmi的中心寬度約為1.8微米，其中容納的模式數不超過6個，由于波導沿中心線對稱，所以只有3個偶對稱的模式。因為四階模的系數很小可以忽略不計，所以只需要考慮基模和二階模，由此得出的場分布函數為：

第一個自映像應滿足關系z＝l處的相位差為：

其中

當a＞＞lmmi時，方程退化為：

此時橢圓型mmi近似為矩形，與傳統矩形mmi的對稱干涉周期公式計算結果吻合。

當wg→0⁺時，公式(8)等號右側第二項趨近于零，方程退化為：

因此對于對稱干涉，第一個自映像位置為

經matlab計算寬度為1.8微米的矩形干涉器l＝7.0892微米，而短軸為1.8微米的橢圓型干涉器l＝6.86微米，不考慮古斯-漢森位移l＝5.50微米。很明顯橢圓型mmi的成像距離相對于矩形mmi要小，因此本發明的器件結構緊湊、尺寸小。結合comsol軟件仿真，并考慮加入了前端錐形模式匹配器區域和后端錐形模式匹配器區域后對所形成自映像位置的影響，得出優化的光束最小束腰距離為6.5微米，由對稱性可知，要使得光以單模形式進入，轉化成多模，再以單模形式通過十字交叉波導，再轉化成多模，再以單模形式輸出，整個橢圓形多模干涉區域的長度為13微米。

參照圖3，選擇厚度為2微米的二氧化硅作為基底材料，上部生長一層厚度為0.34微米的硅片，所述二氧化硅和硅片的折射率分別為1.48和3.48。在所述的硅片上進行融刻，制作厚度為0.22微米的基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導的器件結構，下部分保留了約0.12微米厚的硅基，同時所述的厚度0.22微米的基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導的器件結構完全掩埋于厚度約為1微米的二氧化硅中。

參照圖4～圖6，分別對前端直波導區域寬度為0.45微米和0.5微米的基于橢圓形多模干涉原理的十字交叉波導的器件結構進行了comsol仿真，傳播效率均大于96.5％，串擾均優于-45db。

本發明的實施例所述的內容僅用于說明本發明的技術方案而非限制，本發明的保護的范圍不應當僅限于實施例所述的具體形式，本發明的保護范圍也及于本領域技術人員根據本發明構思所能想到的同等技術手段。