[发明专利]多层三维光连接结构

说明书

本公开提出一种多层三维光连接结构，包括：层间耦合结构和交叉波导结构。其中，层间耦合结构采用倏逝波耦合的方案，利用两段曲率不同的渐变型波导，在缩短耦合尺寸的同时依然能够保证较高的耦合效率，大大缩短了芯片的面积，节省了成本；交叉波导结构采用展宽的多模波导来增加对光的限制，提高了隔离度，保证了各层间的信号传输不受干扰。本公开中的多层三维光连接结构能够对工艺误差具有一定的容忍度，在实际的生产加工中更具优势。

技术领域

本公开涉及三维光子集成领域，尤其涉及一种多层三维光连接结构。

背景技术

传统的采用CMOS平面加工工艺制作的光子集成芯片多为平面单层结构，随着市场需求的不断增长以及技术的不断革新，三维多层的光子集成芯片具有更高的集成度，能够实现更多的功能，已成为未来的发展趋势。光信号可以在多层三维光子集成芯片的各个层内不受干扰的独立传输，利用复杂的多层网络结构大大减小了芯片面积，节约成本的同时也能够实现更加复杂的功能。

各层间的耦合及交叉波导等光连接结构的设计是整个三维光子集成芯片的关键所在，较小的层间距有利于光在相邻波导层间的耦合，缩短耦合结构的长度，但同样会导致层间交叉波导的串扰增加。在传统的倏逝波耦合方案中，利用两个反向的锥形波导作为层间耦合结构，需要足够长的耦合长度，不容易达到小型化的要求，同样的受耦合效率的限制，层间交叉波导的串扰要求也不能仅仅通过不断增加层间距来实现。因此需要选择合适的层间距，然后分别对耦合结构和交叉波导结构进行优化来减小这一相互制约关系带来的影响。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种多层三维光连接结构，包括：层间耦合结构，包括设置在第一波导层中的第一波导、第一渐变型波导和第二渐变型波导，以及设置在第二波导层中的第二波导、第三渐变型波导和第四渐变型波导；其中，第一波导、第一渐变型波导和第二渐变型波导依次连接，第二波导、第三渐变型波导和第四渐变型波导依次连接；第一渐变型波导与第四渐变型波导、第二渐变型波导与第三渐变型波导分别呈中心对称分布；沿第一波导指向第二渐变型波导的方向，第一渐变型波导的宽度逐渐变窄，第二渐变型波导的宽度逐渐变宽；沿第二波导指向第四渐变型波导的方向，第三渐变型波导的宽度逐渐变窄，第四渐变型波导的宽度逐渐变宽；第一渐变型波导和第二渐变型波导与第三渐变型波导和第四渐变型波导的空间交叠部分形成层间耦合区；交叉波导结构，包括设置在第一波导层的第三波导、第一锥形波导、第四波导、第二锥形波导和第五波导，以及设置在第二波导层的第六波导、第三锥形波导、第七波导、第四锥形波导和第八波导；其中，第三波导、第一锥形波导、第四波导、第二锥形波导和第五波导依次连接，第六波导、第三锥形波导、第七波导、第四锥形波导和第八波导依次连接，第六波导与第二波导相连接，第四波导和第七波导呈90度交叉，均展宽成多模波导。

可选地，渐变型波导的宽度变化包括线性变化或非线性变化。

可选地，渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数。

可选地，非线性变化包括幂函数型变化或指数型变化。

可选地，渐变型波导的宽度为幂函数型变化，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝z^k，