CN105116491A - 一种硅基槽波导集成型光功分器 - Google Patents

一种硅基槽波导集成型光功分器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅基槽波导集成型光功分器，可用于硅基光子学领域。其中输入纳米线波导(1)的输出端连接锥形过渡波导(2)，在锥形过渡波导(2)的输出端连接嵌入亚波长光栅式多模波导(3)，第一模式转换波导(51)、第二模式转换波导(52)和第一输出槽波导(61)、第二输出槽波导(62)位于嵌入亚波长光栅式多模波导(3)的两侧；亚波长光栅(4)位于嵌入亚波长光栅式多模波导(3)的中央。该槽波导集成型光功分器具有插入损耗低、反射损耗低、功分均衡、制造方便等优点，并且可以与槽波导式马赫-曾德尔干涉仪型光调制器进行集成，以进一步提高硅基光调制器的性能。

Description

一种硅基槽波导集成型光功分器
技术领域
本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种硅基槽波导集成型光功分器。
背景技术
槽波导自从2004年被康奈尔大学MichalLipson教授课题组提出以来，受到了众多研究人员的关注。其结构主要由两个近靠的硅基纳米线构成，中间形成纳米槽，根据电磁场的边值关系，在垂直于波导分界面上，电场分量将出现不连续性并且在低折射率槽中明显增强，据此多种光功能器件相继被设计、制造。相比于普通的硅基纳米线，槽波导提供了一个额外的设计自由度，即在其中间的纳米槽中可以填充多种电光材料，进一步利用电场的局部增强效应，可以实现对输入光信号的高效调制。近年来，文献中已陆续有报道利用槽波导结合马赫-曾德尔干涉仪结构设计高性能的硅基光调制器，其中调制器的两个干涉臂均为槽波导结构，并且对应的纳米槽中填充有机电光材料，调制电极位于干涉臂的两侧。在该种马赫-曾德尔干涉仪型光调制器中，输入端需要使用光功分器将输入的光信号功率均分到两个槽波导干涉臂中，输出端则需要光合波器将两干涉臂中的光信号复合至统一的输出端进行输出(其功能与光功分器刚好相反)。但是由于输入/输出纳米线波导的模式和槽波导的模式不匹配，需要使用额外的模式转换器，这将明显增加器件设计和制造的复杂性，并且不利于器件的密集集成。因此需要设计出高性能、结构紧凑并用于槽波导式马赫-曾德尔干涉仪型光调制器的硅基槽波导集成型光功分器。
目前波导型光功分器主要采用以下几种方案：Y型分支波导，定向耦合器，多模干涉耦合器，光子晶体等。其中，多模干涉耦合器因其较小的尺寸、较大的工作带宽及制作容差被认为是相对较好的光功分器解决方案。但是为了进一步有效减小器件的尺寸，实现紧凑型设计，需要在多模干涉耦合器的基础上不断地优化和改进，并结合新的结构及原理设计出性能更优越的光功分器。
发明内容
技术问题：为了解决现有技术的不足，本发明提供一种硅基槽波导集成型光功分器，通过在其多模波导中央嵌入亚波长光栅结构(光栅的横向宽度线性增加，而非一般的均匀光栅)实现耦合长度的降低，同时集成模式转换波导以保证高效输出两个等功率的槽波导模式，克服了现有技术的不足。
技术方案：本发明的一种硅基槽波导集成型光功分器包括输入纳米线波导、锥形过渡波导、嵌入亚波长光栅式多模波导、第一模式转换波导、第二模式转换波导、第一输出槽波导、第二输出槽波导；在输入纳米线波导的输出端连接锥形过渡波导，在锥形过渡波导的输出端连接嵌入亚波长光栅式多模波导，第一模式转换波导、第二模式转换波导和第一输出槽波导、第二输出槽波导位于嵌入亚波长光栅式多模波导的两侧。
所述的亚波长光栅位于嵌入亚波长光栅式多模波导的中央，并且光栅的横向宽度线性增加，纵向占空比为0.5保持不变，光栅的刻蚀深度与波导的厚度相同。
所述的第一模式转换波导、第二模式转换波导均采用线性过渡波导结构与嵌入亚波长光栅式多模波导直接相连；同时第一输出槽波导、第二输出槽波导与对应的第一模式转换波导、第二模式转换波导也直接相连。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
1、耦合长度短、结构紧凑。与采用普通的多模干涉耦合器设计的光功分器相比，本发明通过在多模波导的中央位置嵌入横向宽度线性增加的亚波长光栅结构，将改变多模波导中传输模式的有效折射率，进而改变器件的耦合长度。通过计算，所设计的光功分器的耦合长度(2μm左右)仅为原来的一半。
2、插入损耗低、功分均衡、工作带宽大。为提高输入纳米线波导、输出槽波导与嵌入亚波长光栅式多模波导的耦合效率，本发明中采用了经优化的锥形过渡波导结构及模式转换波导；同时较大的工作带宽主要来源于多模波导的优异带宽性能。
3、器件制造难度低。本发明器件是在绝缘体上硅的材料上制作上述器件，并且只需单步光刻即可实现(由于光栅的刻蚀深度和波导的厚度保持一致)，无需多步光刻及套刻，同时制造工艺与现有成熟的CMOS工艺完全兼容，利于实现器件的低成本批量化生产。基于这些有益效果和优势，该器件在集成光子学特别是硅基光子学领域有着潜在的应用价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中输入纳米线波导的横截面图；
图3为本发明中输出槽波导的横截面图；
图4为本发明中槽波导集成型光功分器的插入损耗、反射损耗与工作波长的变化关系；
图5为本发明的传输模场分布图；其中，横坐标表示器件传输方向的尺寸，单位：微米(μm)；纵坐标表示器件横向的尺寸，单位：微米(μm)。
图中有：输入纳米线波导1、锥形过渡波导2、嵌入亚波长光栅式多模波导3、亚波长光栅4、第一模式转换波导51、第二模式转换波导52、第一输出槽波导61、第二输出槽波导62、第一近靠的硅基纳米线611、第二近靠的硅基纳米线612、衬底7、包层8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，本发明的一种硅基槽波导集成型光功分器包括输入纳米线波导、锥形过渡波导、嵌入亚波长光栅式多模波导、第一模式转换波导、第二模式转换波导、第一输出槽波导、第二输出槽波导；在输入纳米线波导的输出端连接锥形过渡波导，在锥形过渡波导的输出端连接嵌入亚波长光栅式多模波导，第一模式转换波导、第二模式转换波导和第一输出槽波导、第二输出槽波导位于嵌入亚波长光栅式多模波导的两侧。
所述的亚波长光栅结构4位于嵌入亚波长光栅式多模波导3的中央，并且光栅的横向宽度线性增加，纵向占空比为0.5保持不变，光栅的刻蚀深度与波导的厚度相同。
此外，第一模式转换波导51、第二模式转换波导52均采用线性过渡波导结构与嵌入亚波长光栅式多模波导3直接相连；同时第一输出槽波导61、第二输出槽波导62与对应的第一模式转换波导51、第二模式转换波导52也直接相连。
具体的，光信号在上述结构的槽波导集成型光功分器中的传输特征如下：入射光信号首先从输入纳米线波导1进入，通过锥形过渡波导2，其光信号模式将在横向展开并逐渐激励出高阶模式；然后进入嵌有亚波长光栅4的多模波导3，由于输入纳米线波导1采用中心激励的方式，多模波导3中仅有基模、二阶模(偶模)可以被有效激励，一阶模(奇模)将被抑制，进而沿着传输方向，被激励的基模、二阶模将发生干涉现象并且在多模波导3的输出端刚好形成π的相位差，最后通过第一模式转换波导51、第二模式转换波导52及第一输出槽波导61、第二输出槽波导62输出两个等功率的槽波导信号模式。在该器件中，嵌入的亚波长光栅4能够有效改变多模波导3中所激励出的基模、二阶模的模式有效折射率(β0、β2分别为基模、二阶模的传播常数)，相应的改变其形成π的相位差所需要的传输长度，即器件的耦合长度(Lπ＝π/(β0-β2))，这将有利于器件的紧凑型设计和密集集成。同时集成的第一模式转换波导51、第二模式转换波导52用于输出两个功率均等的槽波导模式，即第一输出槽波导61、第二输出槽波导62，具有转换效率高、工作带宽大等优点。因此，该器件对槽波导式马赫-曾德尔干涉仪型硅基光调制器的研究具有重要的意义，利于实现高速率、高带宽、低功耗、集成化的硅基光调制器。
图2、图3分别为输入、输出波导的横截面结构。输入为普通的硅基纳米线波导，输出为硅基槽波导，这两种波导存在明显的结构差异。根据电磁场理论及边界条件，对于这两种波导结构：普通的硅基纳米线波导，其模式主要分布于波导的芯层，而包层区的模场能量较低，电光调制效应较弱；而对于硅基槽波导，其模式主要分布于低折射率的纳米槽中，并且电场在该区域的能量密度最高，进一步在该区域中填充电光材料，产生的电光效应将非常强，利于构建高性能的硅基光调制器。而本发明中的硅基槽波导集成型光功分器是构成该种光调制器输入、输出的关键部件，其性能的优劣将直接影响到整个光调制器的性能参数。
图4为本发明硅基槽波导集成型光功分器的插入损耗、反射损耗与工作波长的变化关系。在1.45μm到1.65μm的计算波长范围内，插入损耗低于0.8dB，反射损耗低于-27dB，并且嵌入亚波长光栅式多模波导的长度仅为～2.0μm，明显低于目前波导型光功分器的一般尺寸。此外，在1.55μm的通信波长处，插入损耗低于0.4dB，反射损耗低于-30dB，具有较好的器件性能。图5为本发明器件的传输模场分布图，输入的纳米线波导模式，在经过锥形过渡波导、嵌入亚波长光栅式多模波导及模式转换波导后，在两输出端口输出等功率的两个槽波导模式，具有传输效率高、反射损耗低、工作带宽大等优点。由于本发明器件在厚度方向上是保持一致的(亚波长光栅的刻蚀深度与波导厚度也相同)，故对于器件的制造，在绝缘体上硅材料的基础上，只需采用单次电子束光刻及反应离子刻蚀即可实现，不需要多步光刻及套刻。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种硅基槽波导集成型光功分器，其特征在于，该光功分器包括输入纳米线波导(1)、锥形过渡波导(2)、嵌入亚波长光栅式多模波导(3)、第一模式转换波导(51)、第二模式转换波导(52)、第一输出槽波导(61)、第二输出槽波导(62)；在输入纳米线波导(1)的输出端连接锥形过渡波导(2)，在锥形过渡波导(2)的输出端连接嵌入亚波长光栅式多模波导(3)，第一模式转换波导(51)、第二模式转换波导(52)和第一输出槽波导(61)、第二输出槽波导(62)位于嵌入亚波长光栅式多模波导(3)的两侧。
2.如权利要求1所述的一种硅基槽波导集成型光功分器，其特征在于，所述的亚波长光栅(4)位于嵌入亚波长光栅式多模波导(3)的中央，并且光栅的横向宽度线性增加，纵向占空比为0.5保持不变，光栅的刻蚀深度与波导的厚度相同。
3.如权利要求1所述的一种硅基槽波导集成型光功分器，其特征在于，所述的第一模式转换波导(51)、第二模式转换波导(52)均采用线性过渡波导结构与嵌入亚波长光栅式多模波导(3)直接相连；同时第一输出槽波导(61)、第二输出槽波导(62)与对应的第一模式转换波导(51)、第二模式转换波导(52)也直接相连。
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