交叉波導(dǎo)(waveguide crossing)

  交叉波導(dǎo)(waveguide crossing), 也就是兩個不同方向的波導(dǎo)發(fā)生交叉，類似一個十字架(crossing)，如下圖所示。

  當(dāng)多個光器件進(jìn)行互聯(lián)時(shí)，會遇到互聯(lián)波導(dǎo)發(fā)生交叉的情況，如下圖所示，A需要D相連，B和C相連。誠然，在器件較少的情況下，可以通過一定的辦法規(guī)避使用交叉波導(dǎo)，如下圖所示，但是當(dāng)器件規(guī)模達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，交叉波導(dǎo)變得必不可少。

  我們希望光仍然沿著初始波導(dǎo)的方向傳播，而不是進(jìn)入到另一個方向的波導(dǎo)中。如果僅僅是兩個單模波導(dǎo)垂直排布，會有較大的能量在交叉處散射到沉底中。下圖是一個簡單的FDTD仿真結(jié)果，經(jīng)過交叉區(qū)域后，只有75%的能量保留在初始方向的波導(dǎo)中。

  從波導(dǎo)本征模式的角度看，在交叉區(qū)域，波導(dǎo)的寬度發(fā)生突變，模式的有效折射率也相應(yīng)變大。從全反射的角度看，全反射條件在交叉區(qū)域處被破壞，光場發(fā)生衍射。因此必須對交叉區(qū)域做精心的設(shè)計(jì)，降低插損和串?dāng)_。

  根據(jù)不同的原理，主要分為以下幾種類型，

  1)taper型

  使用taper型波導(dǎo)將單模波導(dǎo)過渡到交叉區(qū)域，使得波導(dǎo)的有效折射率緩慢變化。典型的taper型交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如下圖所示，

  (圖片來自文獻(xiàn)1)

  該類型目前最好的結(jié)果是華為加研所在2017年實(shí)現(xiàn)，插損為0.007dB，串?dāng)_為-40dB。其主要有三段taper構(gòu)成，對應(yīng)下圖中的1,2和4，在波導(dǎo)5中傳播的是TE0, TE2和TE4模式。該結(jié)構(gòu)對工藝敏感，最佳工作波長會發(fā)生漂移。

  (圖片來自文獻(xiàn)2)

  2)MMI型

  利用MMI自成像原理，使得交叉區(qū)域滿足成像條件，可以把該結(jié)構(gòu)理解為兩個級聯(lián)的MMI_1x1。該結(jié)構(gòu)目前最好的結(jié)果由英國Bristol大學(xué)實(shí)現(xiàn)，插損為0.043dB, 串?dāng)_為-55dB。其結(jié)構(gòu)如下圖所示，

  (圖片來自文獻(xiàn)3)

  基于MMI結(jié)構(gòu)，武漢郵電院實(shí)現(xiàn)了星型的6X6交叉結(jié)構(gòu)，非常漂亮。如下圖所示，其插損在0.08dB以下，串?dāng)_在-48dB以下。

  (圖片來自文獻(xiàn)6)

  3)亞波長光柵型(subwavelength grating)

  其主要是將交叉區(qū)域設(shè)計(jì)成亞波長光柵波導(dǎo)，通過改變光柵的周期，波導(dǎo)的等效折射率發(fā)生漸變，在交叉區(qū)域，本征模的有效折射率變化較小，損耗降低。該結(jié)構(gòu)的最好結(jié)果是0.023dB的插損, -40dB的串?dāng)_。其結(jié)構(gòu)如下圖所示，

  (圖片來自文獻(xiàn)4)

  4) 多層SiN結(jié)構(gòu)

  該結(jié)構(gòu)利用SiN波導(dǎo)與Si波導(dǎo)構(gòu)成交叉波導(dǎo)，典型的結(jié)構(gòu)如下圖所示，

  (圖片來自文獻(xiàn)5)

  SiN波導(dǎo)作為一個新的維度，傳輸光場。豎直方向上SiN波導(dǎo)和Si波導(dǎo)之間的耦合較小。該結(jié)構(gòu)的插損為0.006dB, 串?dāng)_為53dB。

  以上簡單列舉了一些典型的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，典型的插損值在0.05dB以下，串?dāng)_在-40dB以下。在大規(guī)模集成光路中，交叉波導(dǎo)的作用將變得越來越重要。因此人們致力于研發(fā)插損更小、尺寸更小的crossing。其物理原理已經(jīng)比較清楚，更多的是工程上的精益求精。這或許是做科研和搞工程的主要區(qū)別之一。