交叉波導(waveguide crossing)

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

  當多個光器件進行互聯時，會遇到互聯波導發生交叉的情況，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避使用交叉波導，如下圖所示，但是當器件規模達到一定規模時，交叉波導變得必不可少。

  我們希望光仍然沿著初始波導的方向傳播，而不是進入到另一個方向的波導中。如果僅僅是兩個單模波導垂直排布，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仿真結果，經過交叉區域後，只有75%的能量保留在初始方向的波導中。

  從波導本徵模式的角度看，在交叉區域，波導的寬度發生突變，模式的有效折射率也相應變大。從全反射的角度看，全反射條件在交叉區域處被破壞，光場發生衍射。因此必須對交叉區域做精心的設計，降低插損和串擾。

  根據不同的原理，主要分為以下幾種類型，

  1)taper型

  使用taper型波導將單模波導過渡到交叉區域，使得波導的有效折射率緩慢變化。典型的taper型交叉波導結構如下圖所示，

  (圖片來自文獻1)

  該類型目前最好的結果是華為加研所在2017年實現，插損為0.007dB，串擾為-40dB。其主要有三段taper構成，對應下圖中的1,2和4，在波導5中傳播的是TE0, TE2和TE4模式。該結構對工藝敏感，最佳工作波長會發生漂移。

  (圖片來自文獻2)

  2)MMI型

  利用MMI自成像原理，使得交叉區域滿足成像條件，可以把該結構理解為兩個級聯的MMI_1x1。該結構目前最好的結果由英國Bristol大學實現，插損為0.043dB, 串擾為-55dB。其結構如下圖所示，

  (圖片來自文獻3)

  基於MMI結構，武漢郵電院實現了星型的6X6交叉結構，非常漂亮。如下圖所示，其插損在0.08dB以下，串擾在-48dB以下。

  (圖片來自文獻6)

  3)亞波長光柵型(subwavelength grating)

  其主要是將交叉區域設計成亞波長光柵波導，通過改變光柵的周期，波導的等效折射率發生漸變，在交叉區域，本徵模的有效折射率變化較小，損耗降低。該結構的最好結果是0.023dB的插損, -40dB的串擾。其結構如下圖所示，

  (圖片來自文獻4)

  4) 多層SiN結構

  該結構利用SiN波導與Si波導構成交叉波導，典型的結構如下圖所示，

  (圖片來自文獻5)

  SiN波導作為一個新的維度，傳輸光場。豎直方向上SiN波導和Si波導之間的耦合較小。該結構的插損為0.006dB, 串擾為53dB。

  以上簡單列舉了一些典型的交叉波導結構，典型的插損值在0.05dB以下，串擾在-40dB以下。在大規模集成光路中，交叉波導的作用將變得越來越重要。因此人們致力於研發插損更小、尺寸更小的crossing。其物理原理已經比較清楚，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別之一。