CN101881861A - 非直线锥形倒锥耦合器结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非直线锥形倒锥耦合器结构，包括：一硅衬底；一埋氧层，该埋氧层制作在衬底上，该埋氧层的材料为二氧化硅；一顶层硅，该顶层硅制作在埋氧层上，可以有效的防止光泄漏到衬底中，该顶层硅的一端为条形波导，另一端为倒锥耦合器，其中该倒锥耦合器为渐变的指数型或二次方型结构，该倒锥耦合器的工作波长为1500nm到1600nm，其插入损耗的波动小于0.3dB。

Description

非直线锥形倒锥耦合器结构

技术领域

本发明涉及集成光学领域，提供了拉锥光纤与亚微米波导器件高效耦合的倒锥耦合器结构，特别是一种非直线锥形倒锥耦合器结构。

背景技术

在光学领域，经常会遇到不同截面尺寸的光波导的光耦合问题，由于不同光波导截面尺寸的不一致，当大尺寸光波导的光耦合进小尺寸的光波导中时，或者当小尺寸光波导的光耦合进大尺寸的光波导中时，都会造成很大的光损耗。

还有就是会遇到不同结构的光波导之间的耦合问题。脊型光波导的大体形状如‘凸’字形，隆起的中间区域为主要的导光区域，称为内脊区或脊型区，而脊型区的两旁是开放延伸的，在其间传输的光很少，称为平板区。此结构的优点是大大放宽了光在其间传输的单模条件，因此可以把波导尺寸做得适当大一些，这在一定程度上可以提高和光纤的耦合效率。在做有源器件的时候，平板区还能成为掺杂区域，做上电极结构，所以脊型光波导应用广泛。条形光波导，顾名思义，就是横截面为矩形的长条状的光波导。由于其工艺简单，所以应用也相当广泛。并且倒锥耦合器用的就是条形光波导。当光传输到用于倒锥耦合器的条形光波导的尖端时，光场会“去局域化”，从而光场会从条形光波导中溢出，形成大截面的光场传输模式，这样就大大地提高了其和光纤或其他大尺寸波导的耦合效率。

近年来热点研究的集成光电子学领域，由于硅高效光源的研究尚待突破，目前现实的方法就是引入外来光源，将光通过光纤耦合进芯片的硅基光回路和器件中，耦合问题便亟待解决。为满足单模条件，硅基条形波导的芯层截面必须满足＜300nm×300nm，而这么小的尺寸和光纤(芯径9μm)的直接耦合，耦合损耗高达20dB。这一切归因于光纤和波导的模式失配和有效折射率失配带来的辐射模和背反射。国内外研制出了许多各种不同结构的光耦合器如楔形耦合器、棱镜耦合器、透镜耦合器、光栅耦合器等。这些耦合器特性各不相同，总的发展趋势是追求耦合损耗低、器件尺寸小、对准误差不敏感、工作带宽大和制作简便。

最近，SOI(Silicon On Insulator)基的倒锥形结构耦合器研究发展的很快，已将耦合损耗降低到了1dB以下，成为效率最高的耦合器。其传统的制作方法就是将器件结构都做在顶层硅上。当顶层硅某一长条区域两边的硅材料被刻蚀完全后，就形成条形光波导；当顶层硅某一长条区域两边的硅材料被刻蚀掉一部分后，就形成脊型光波导。而此结构的工作机理就是将条形光波导芯层的截面呈直线型地逐渐减小，直到和拉锥光纤连接的端口小到使其中的光场“去局域化”，形成消逝场，从而增加了波导中光的模场与光纤中的模场的重叠程度，增大了耦合效率，故又可称其为模斑变换器。并且由于尖端波导中的光溢出到了二氧化硅包层中，使其中的光的有效折射率更加接近光纤中的有效折射率，所以又减小了耦合处的背反射。

而NTT公司在08年就用这种传统的结构把耦合损耗一下从7.5dB减小到0.7dB。其具体结构是倒锥渐变部分是呈线性变化，使其在300μm长度内将横截面积从600nm(宽)×200nm(高)减小到80nm(宽)×200nm(高)。但是这种结构，要达到最佳的耦合效率，倒锥尖端横截面很小，只有80nm(宽)×200nm(高)，这对制作工艺要求会很高。而且倒锥的渐变长度也有300um，这对我们现在要求的减小器件尺寸不利。

倒锥的渐变结构目前见诸于报道的仅限于上面提到的直线性变化类型，对于线型为指数型和二次方型的倒锥渐变结构，目前国际上还未见相关的报道。本发明旨在提供比直线型倒锥耦合器更高耦合效率和更小器件尺寸的指数型/二次方型的倒锥耦合器结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非直线锥形倒锥耦合器结构，其既有很高的耦合效率和大的工作波长带宽，又有较小的器件尺寸。

本发明提供一种非直线锥形倒锥耦合器结构，包括：

一衬底；

一埋氧层，该埋氧层制作在衬底上；

一顶层硅，该顶层硅制作在埋氧层上，可以有效的防止光泄漏到衬底中，该顶层硅的一端为条形波导，另一端为倒锥耦合器。

其中衬底的材料为硅。

其中埋氧层的材料为二氧化硅。

其中倒锥耦合器为渐变的指数型或二次方型结构。

其中指数型或二次方型的倒锥耦合器的工作波长为1500nm到1600nm，其插入损耗的波动小于0.3dB。

本结构具有以下优点：

(1)可以实现与拉锥光纤更高效率的耦合；

(2)可以有效的减小达到最佳耦合效率时的倒锥渐变结构的长度，使得器件更加小巧紧凑；

(3)在达到与拉锥光纤最佳耦合效率时，倒锥尖端的宽度更大，这就有效地减小了工艺制作难度。

(4)具有更大的对准容差。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作详细的描述，其中：

图1是本发明器件结构的立体示意图；

图2是非直线型倒锥耦合器与拉锥光纤的耦合效率随非直线型倒锥耦合器尖端宽度的变化；

图3是非直线型倒锥耦合器与拉锥光纤的耦合效率随非直线型倒锥耦合器长度的变化；

图4是直线型倒锥耦合器以及非直线型倒锥耦合器与拉锥光纤的耦合效率随输入光波长的变化；

图5(a)-图5(c)是直线型倒锥耦合器以及非直线型倒锥耦合器与拉锥光纤的耦合效率随对准误差的变化。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种非直线锥形倒锥耦合器结构，包括：

一衬底1，该衬底1的材料为硅，其作用除了可以提供衬底外，还可以起到有效的导热层的作用。

一埋氧层2，该埋氧层2制作在衬底1上，该埋氧层2的材料为二氧化硅；该埋氧层2可以作为电磁和辐射的阻挡层，也可以作为刻蚀的截止曾。该埋氧层2是通过热氧化而得到的。

一顶层硅3，该顶层硅3制作在埋氧层2上，可以有效的防止光泄漏到衬底1中，该顶层硅3是通过Smart Cut技术键合得到的。该顶层硅3的一端为条形波导31，其作用是将从倒锥耦合进的光，经过一个条形波导的过渡区域，将光传输到其后连接的脊形波导器件，或者是其他类型的波导器件，如光子晶体器件等；或者是将其后连接的器件如脊形波导器件，光子晶体器件等传输的光经过一个条形波导的过渡区域，将光经过倒锥结构耦合进入拉锥光纤中。

该顶层硅3的另一端为倒锥耦合器32，该倒锥耦合器32为渐变的指数型或二次方型结构，其作用为将从拉锥光纤出射的光进行模式转换，转换成波导中的光模式，而实现从大的光纤中将光耦合进小的波导中；或者是将从波导中传输的光经过光场的去局域化，使得光场模斑扩大，增大了与拉锥光纤模场的交叠面积，从而实现高效的耦合。

通过模拟结果可以看出对于同一倒锥渐变长度，不同尖端宽度的三种线型倒锥耦合器与拉锥光纤耦合效率在倒锥尖端宽度大于0.08μm时，二次方型和指数型与拉锥光纤的耦合效率要明显的高于直线型的，而且他们在最大耦合效率处的倒锥尖端宽度要大于直线型的，这就较小了制作难度，如图2所示。对于同一倒锥尖端宽度，不同倒锥耦合器长度的三种线型倒锥耦合器与拉锥光纤的耦合效率，指数型和二次方型倒锥耦合器与拉锥光纤的耦合效率在任何渐变长度下都要大于直线型的，而且在渐变长度越小的情况下，这种优势越明显，如图3所示，这就为在保证较高耦合效率的前提下较小器件尺寸提供了可能。对于同一倒锥尖端宽度和渐变长度，不同的工作波长的三种线型倒锥耦合器与拉锥光纤的耦合效率，在1550nm到1600nm之间100nm范围内，指数型倒锥耦合器与拉锥光纤的耦合效率要明显高于直线型的，如图4所示，这就使得倒锥耦合器可以在低损耗的前提下的工作带宽得到明显增宽。并且所述的非直线型倒锥耦合器32的工作波长为1500nm到1600nm，其插入损耗的波动小于0.3dB。对于同一倒锥尖端宽度和渐变长度，不同对准误差的三种线型倒锥耦合器与拉锥光纤的耦合效率，这三种线型在±0.5μm的对准误差范围内不会超过0.7dB的附加插入损耗，如图5(a)-图5(c)所示，这就为以后的测试工作提供了方便。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种非直线锥形倒锥耦合器结构，包括：

一衬底；

一埋氧层，该埋氧层制作在衬底上；

一顶层硅，该顶层硅制作在埋氧层上，可以有效的防止光泄漏到衬底中，该顶层硅的一端为条形波导，另一端为倒锥耦合器。

2.根据权利要求1所述的非直线锥形倒锥耦合器结构，其中衬底的材料为硅。

3.根据权利要求1所述的非直线锥形倒锥耦合器结构，其中埋氧层的材料为二氧化硅。

4.根据权利要求1所述的非直线锥形倒锥耦合器结构，其中倒锥耦合器为渐变的指数型或二次方型结构。

5.根据权利要求4所述的非直线锥形倒锥耦合器结构，其中指数型或二次方型的倒锥耦合器的工作波长为1500nm到1600nm，其插入损耗的波动小于0.3dB。

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