交叉波导(waveguide crossing)

这篇笔记梳理下交叉波导的相关知识点。

交叉波导(waveguide crossing), 也就是两个不同方向的波导发生交叉，类似一个十字架(crossing)，如下图所示。

当多个光器件进行互联时，会遇到互联波导发生交叉的情况，如下图所示，A需要D相连，B和C相连。诚然，在器件较少的情况下，可以通过一定的办法规避使用交叉波导，如下图所示，但是当器件规模达到一定规模时，交叉波导变得必不可少。

我们希望光仍然沿着初始波导的方向传播，而不是进入到另一个方向的波导中。如果仅仅是两个单模波导垂直排布，会有较大的能量在交叉处散射到沉底中。下图是一个简单的FDTD仿真结果，经过交叉区域后，只有75%的能量保留在初始方向的波导中。

从波导本征模式的角度看，在交叉区域，波导的宽度发生突变，模式的有效折射率也相应变大。从全反射的角度看，全反射条件在交叉区域处被破坏，光场发生衍射。因此必须对交叉区域做精心的设计，降低插损和串扰。

根据不同的原理，主要分为以下几种类型，

1）taper型

使用taper型波导将单模波导过渡到交叉区域，使得波导的有效折射率缓慢变化。典型的taper型交叉波导结构如下图所示，

（图片来自文献1）

该类型目前最好的结果是华为加研所在2017年实现，插损为0.007dB，串扰为-40dB。其主要有三段taper构成，对应下图中的1,2和4，在波导5中传播的是TE0, TE2和TE4模式。该结构对工艺敏感，最佳工作波长会发生漂移。

（图片来自文献2）

2)MMI型

利用MMI自成像原理，使得交叉区域满足成像条件，可以把该结构理解为两个级联的MMI_1x1。该结构目前最好的结果由英国Bristol大学实现，插损为0.043dB, 串扰为-55dB。其结构如下图所示，

（图片来自文献3）

基于MMI结构，武汉邮电院实现了星型的6X6交叉结构，非常漂亮。如下图所示，其插损在0.08dB以下，串扰在-48dB以下。

（图片来自文献6）

3）亚波长光栅型(subwavelength grating)

其主要是将交叉区域设计成亚波长光栅波导，通过改变光栅的周期，波导的等效折射率发生渐变，在交叉区域，本征模的有效折射率变化较小，损耗降低。该结构的最好结果是0.023dB的插损, -40dB的串扰。其结构如下图所示，

（图片来自文献4）

4) 多层SiN结构

该结构利用SiN波导与Si波导构成交叉波导，典型的结构如下图所示，

（图片来自文献5）

SiN波导作为一个新的维度，传输光场。竖直方向上SiN波导和Si波导之间的耦合较小。该结构的插损为0.006dB, 串扰为53dB。

以上简单列举了一些典型的交叉波导结构，典型的插损值在0.05dB以下，串扰在-40dB以下。在大规模集成光路中，交叉波导的作用将变得越来越重要。因此人们致力于研发插损更小、尺寸更小的crossing。其物理原理已经比较清楚，更多的是工程上的精益求精。这或许是做科研和搞工程的主要区别之一。

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参考文献：

1. S. Wu, et.al., "State-of-the-art and perspectives on silicon waveguide crossings: A review", Micromachines 11,326 (2020)
2. P. Dumais, et. al. , “Three-mode synthesis of slab gaussian beam in ultra-low-loss in-plane nanophotonic silicon waveguide crossing,” in 2017 IEEE 14th International Conference on Group IV Photonics (GFP), (IEEE, 2017), pp. 97–98.
3. M. Johnson, et.al., "Low-loss, low-crosstalk waveguide crossing for scalable integrated silicon photonics applications", Opt. Exp. 28, 12498(2020)
4. P. J. Bock, et.al., "Subwavelength grating crossings for silicon wire waveguides", Opt. Exp. 18, 16146(2010)
5. W. D. Sacher, et.al., "Monolithically Integrated Multilayer Silicon Nitride-on-Silicon Waveguide Platforms for 3-D Photonic Circuits and Devices", Proceedings of the IEEE 106,2232(2018)
6. D. Chen, et.al., "Ultralow Crosstalk and Loss CMOS Compatible Silicon Waveguide Star-Crossings with Arbitrary Included Angles", ACS Photonics 5, 4098(2018)