[發明專利]彎曲光波導

有效

• 申請號: 201380054234.8
• 申請日: 2013-10-15
• 公開（公告）號: CN104781708B
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發明（設計）人: 馬特奧·凱爾基;蒂莫·阿爾托
• 申請（專利權）人: VTTOY技術研究中心
• 主分類號: G02B6/125
• 分類號: G02B6/125;G02B6/122
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 梁麗超;陳鵬

一種用于在光波段中傳輸電磁輻射的光學多模HIC(高折射率對比度)波導(102，104，201，301)，該波導包括：具有較高的折射率的導引芯部(204)，以及具有顯著較低的折射率的包層部(206)，該包層部被配置為在橫向上至少部分地圍繞光導引芯以便于將傳播輻射限制在芯內，波導被配置為支持多個傳播輻射的光學模式，其中波導包含具有彎曲曲率的彎曲波導段(202)，該彎曲曲率被配置為至少逐漸地，優選基本上連續地從段端部向著所述段的最大曲率增加。

技術領域

一般來說，本發明涉及光學和光子學。特別是，但不是唯一地，本發明涉及HIC(高折射率對比度)光學多模波導和它們的彎曲。

背景技術

包括多模介電波導的光波導被設計用于在光波段中傳輸電磁波。光波導基本上是光導管，其通過適當選擇芯和分別具有較高和較低折射率的外圍包層材料的方式來配置，以將光限制在其中傳輸而不將其泄露至環境中。

光波導可以根據它們的幾何形狀(板(平面)或帶形、筒形等)、模式結構(單模、多模)、折射率分布(階躍或梯度折射率)、以及例如材料(玻璃、聚合物、半導體等)進行分類。光在芯/包層分界面的折射通常受到斯涅爾定律的約束。當光在所謂的臨界角以上到達芯和包層材料之間的界面時，基于稱為‘全內反射’(TIR)的現象其被完全反射回到芯材料。

就波光學而言，多模波導，正如其名字所暗示的，能夠引導除主模式之外的幾種模式的波，即，具有邊界條件的麥克斯韋的方程的解的離散集。實際上，波導的芯尺寸越大，模式的數量就越多。由于例如更大的尺寸通常使得能夠更粗糙地利用，使用更實惠的硬件和制造方法，所以多模波導和將光與波導連接的相關設備通常比單模的對應物更容易構建。然而，與單模解決方案相比，多模失真限制了多模波導的‘帶寬×距離’的積。還使得密集集成大量波導組件(耦合器、濾波器等)的高級的波導電路的實現復雜化(或阻止實現)。因此，這樣的電路通常利用單模波導實現，而多模波導主要用于點對點鏈路并且實現相對簡單的波導電路。

多模波導也可以局部地用作單模波導電路的一部分。他們可以形成組件，如多模干涉(MMI)耦合器，其中多個模式被一時激發但光最終耦合回單模波導。它們也可以用于僅以基本模式傳播光，但在這種情況下，光必須絕熱地耦合在單模波導部和多模波導部之間以避免激發高階模式。并且最后，當多模失真不再相關時，例如當將光耦合到大面積的光電檢測器中時，多模波導可被放置在單模波導后面。

根據定義，除非發生某些擾動，如波導形狀的改變，否則多模直波導的模式在不相互耦合的情況下不受擾動地傳播。具體地，彎曲可以引起不同的模式之間的顯著耦合，使得即使在彎曲之前在直部中僅激發基本模式，在彎曲的端部的直部中，通常也將激發高階模式(HOM)。曲率1/R(彎曲半徑R)越大，不需要耦合的程度越高并且，通常，顯著激發的模式的數量也越多。

實際上，單模光子集成電路的一個基本設計規則規定任何彎曲的波導必須是單模，使得可以避免彎曲中的模式之間的不希望有的耦合和后續有害的模拍頻和電輻射。為了集成的目的，彎曲半徑通常盡可能地小，這需要使用HIC波導。此外，折射率對比度越高，波導應越小，以便確保單模條件。可以利用亞微米波導實現密集集成，但是他們造成許多另外的問題，包括偏振依賴性和光纖模式的低耦合效率。此外，為了可伸縮的生產，他們需要現有最先進的昂貴的制作工具以解決亞微米特征并且還對納米尺度加工誤差非常敏感。