[发明专利]弯曲光波导

说明书

一种用于在光波段中传输电磁辐射的光学多模HIC(高折射率对比度)波导(102，104，201，301)，该波导包括：具有较高的折射率的导引芯部(204)，以及具有显著较低的折射率的包层部(206)，该包层部被配置为在横向上至少部分地围绕光导引芯以便于将传播辐射限制在芯内，波导被配置为支持多个传播辐射的光学模式，其中波导包含具有弯曲曲率的弯曲波导段(202)，该弯曲曲率被配置为至少逐渐地，优选基本上连续地从段端部向着所述段的最大曲率增加。

技术领域

一般来说，本发明涉及光学和光子学。特别是，但不是唯一地，本发明涉及HIC(高折射率对比度)光学多模波导和它们的弯曲。

背景技术

包括多模介电波导的光波导被设计用于在光波段中传输电磁波。光波导基本上是光导管，其通过适当选择芯和分别具有较高和较低折射率的外围包层材料的方式来配置，以将光限制在其中传输而不将其泄露至环境中。

光波导可以根据它们的几何形状(板(平面)或带形、筒形等)、模式结构(单模、多模)、折射率分布(阶跃或梯度折射率)、以及例如材料(玻璃、聚合物、半导体等)进行分类。光在芯/包层分界面的折射通常受到斯涅尔定律的约束。当光在所谓的临界角以上到达芯和包层材料之间的界面时，基于称为‘全内反射’(TIR)的现象其被完全反射回到芯材料。

就波光学而言，多模波导，正如其名字所暗示的，能够引导除主模式之外的几种模式的波，即，具有边界条件的麦克斯韦的方程的解的离散集。实际上，波导的芯尺寸越大，模式的数量就越多。由于例如更大的尺寸通常使得能够更粗糙地利用，使用更实惠的硬件和制造方法，所以多模波导和将光与波导连接的相关设备通常比单模的对应物更容易构建。然而，与单模解决方案相比，多模失真限制了多模波导的‘带宽×距离’的积。还使得密集集成大量波导组件(耦合器、滤波器等)的高级的波导电路的实现复杂化(或阻止实现)。因此，这样的电路通常利用单模波导实现，而多模波导主要用于点对点链路并且实现相对简单的波导电路。

多模波导也可以局部地用作单模波导电路的一部分。他们可以形成组件，如多模干涉(MMI)耦合器，其中多个模式被一时激发但光最终耦合回单模波导。它们也可以用于仅以基本模式传播光，但在这种情况下，光必须绝热地耦合在单模波导部和多模波导部之间以避免激发高阶模式。并且最后，当多模失真不再相关时，例如当将光耦合到大面积的光电检测器中时，多模波导可被放置在单模波导后面。

根据定义，除非发生某些扰动，如波导形状的改变，否则多模直波导的模式在不相互耦合的情况下不受扰动地传播。具体地，弯曲可以引起不同的模式之间的显著耦合，使得即使在弯曲之前在直部中仅激发基本模式，在弯曲的端部的直部中，通常也将激发高阶模式(HOM)。曲率1/R(弯曲半径R)越大，不需要耦合的程度越高并且，通常，显著激发的模式的数量也越多。

实际上，单模光子集成电路的一个基本设计规则规定任何弯曲的波导必须是单模，使得可以避免弯曲中的模式之间的不希望有的耦合和后续有害的模拍频和电辐射。为了集成的目的，弯曲半径通常尽可能地小，这需要使用HIC波导。此外，折射率对比度越高，波导应越小，以便确保单模条件。可以利用亚微米波导实现密集集成，但是他们造成许多另外的问题，包括偏振依赖性和光纤模式的低耦合效率。此外，为了可伸缩的生产，他们需要现有最先进的昂贵的制作工具以解决亚微米特征并且还对纳米尺度加工误差非常敏感。