CN106443882B - 一种硅基超材料光星形交叉连接器及其制备方法 - Google Patents

一种硅基超材料光星形交叉连接器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅基超材料光星型交叉连接器及其制备方法，连接器包括：N个输入波导和N个输出波导，每个输入波导与对应的输出波导在同一直线上，且所获得的N条直线在同一点O相互交叉；以O点为中心点，设置有一个正2N边形的耦合区域，耦合区域的各边与波导垂直；耦合区域图案呈1/2N扇形对称，且2N个扇区的图案呈轴对称，对称轴为与边垂直的波导所在的直线；每个扇区包含M个圆形像素，圆形像素的状态为打孔或不打孔。本发明可以同时实现3路及以上光波导之间的交叉互联，并且尺寸极小，即具有高度集成的特点，工作带宽极宽，端口一致性佳，各端口附加损耗小，串扰小。

Description

一种硅基超材料光星形交叉连接器及其制备方法
技术领域
本发明属于集成光子器件领域，更具体地，涉及一种用于实现多路光波导交叉连接的高度集成的硅基超材料器件及其制备方法。
背景技术
随着全球信息交流的指数增长，对通信系统高速率大容量要求越来越高，光互联技术是现今最有潜力克服通信网络传输瓶颈的途径，同时光学器件的高度集成化正成为大势所趋。硅基光学器件具有高度集成化以及能和COMS平台兼容的特性，正受到越来越多的关注。如何在减少器件尺寸同时依然保有高性能，一直是硅基光子领域的一项重大挑战。光交叉连接器是一种重要的光学元件，它对端口功率一致性、波长无关性、低损耗特性等都有相当高的要求。
目前常规的硅基光交叉连接器的实现，主要是通过两根波导呈90°十字交叉，并结合多模干涉结构、锥形结构或者桥型结构来实现，这些传统结构仅能同时实现两路波导的交叉连接，并且对工艺误差的容忍性不高。随着硅基光路的集成度的不断增加，硅波导交叉连接点个数也在不断变多，继续使用传统的十字交叉连接器将会使得连接区域面积变得很大，并且由于连接器互联的波导长度不均，导致损耗不一致，将会使得这种结构在某些对端口损耗一致性要求很高的器件(如阵列波导光栅)中的应用受到限制。
另外，还有通过引入亚波长光栅(SWG)结构来减小器件尺寸的案例，SWG的主要原理是：亚波长尺寸的折射率变化可以使光波不受散射损耗的影响，因此，对光波而言SWG相当于一种等效材料，其折射率介于组成SWG的两种材料(通常为硅和空气)之间。SWG结构主要包括宽度在80nm左右的均匀的周期性长条形阵列，其制备过程对工艺精度的要求很高，实现起来十分困难。另一方面，平板光子晶体(PhC)器件的制备工艺已经十分完善，使用电子束刻蚀(EBL)与电感耦合等离子体(ICP)工艺在绝缘体上硅(SOI)上打孔，直径最小可达80nm以下，且均匀性良好，但传统的PhC因波导边缘和孔内部所得的电子束剂量不同，在一次性刻蚀中，其深度不同(孔深度小于波导边缘的深度)，因此波导区和PhC区通常采用套刻工艺完成。综上，采用打孔工艺制作亚波长结构在工艺上更为可行，另外若能考虑到孔深度对结构进行优化，则可以使用一次性刻蚀完成器件的制作。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高度集成的硅基超材料光星行交叉连接器，旨在解决现有技术的光十字交叉连接器集成度低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种硅基超材料光星型交叉连接器，包括：N个输入波导和N个输出波导，每个输入波导与对应的输出波导在同一直线上，且所获得的N条直线在同一点O相互交叉；以O点为中心点，设置有一个正2N边形的耦合区域，所述耦合区域的各边与波导垂直；耦合区域图案呈1/2N扇形对称，且2N个扇区的图案呈轴对称，对称轴为与边垂直的波导所在的直线；每个扇区包含M个圆形像素，圆形像素的状态为打孔或不打孔；M为大于80的正整数，N为大于等于3的正整数。
优选地，输入波导和所述输出波导的宽度为500nm，该取值为普通硅基波导宽度的典型值。
优选地，为了满足高度集成化的要求，并保证器件损耗能低于2.5dB，输入输出波导的间隔为<6μm。
优选地，圆形像素直径为90nm，深度为140nm。考虑到器件加工时的EBL过程的精度限制及时间成本，圆形像素直径不宜过小，通常大于80nm；另外，圆形像素直径也不宜过大，通常小于100nm，否则在器件加工时的ICP过程中，会造成打孔的相邻的圆形像素之间出现刻穿，造成工艺误差，增加器件的插损；若圆形像素状态为打孔，则其深度与像素直径成正比关系，且工艺条件(ICP过程中的离子气体浓度、气压等等)有关，140nm的深度为本说明书中的样片的工艺条件下的取值。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种硅基超材料光星形交叉连接器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在SOI基片上形成N个输入波导和N输出波导；
(2)在所述SOI基片上将所述输入波导和所述输出波导之间的正2N边形耦合区域分割为2N个同等大小的扇区，每个所述扇区具有中心轴对称分布的M个像素，各圆形像素具有随机初始状态，所述初始状态为中心打孔或不打孔；
(3)通过随机改变一个所述圆形像素的打孔状态来计算新的输出光谱，并当新的输出光谱比改变前的输出光谱更接近目标输出时，保留改变后的状态；反之，则不采用此改变；接着改变另一个圆形像素的打孔状态，并不断循环重复上述过程；直至改变圆形像素阵列中的任意一个像素都不会使新的输出光谱更接近目标输出，则停止循环过程；获得最优的亚波长圆形像素打孔状态的分布。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具备以下有益效果：
(1)本发明的光星形交叉连接器的工作器件可以同时实现3路及以上光波导之间的交叉互联，并且尺寸极小(可达6μm×6μm以下)，即具有高度集成的特点，另外，工作带宽极宽(至少在1520nm～1580nm波长范围内为波长无关)，端口一致性佳，各端口附加损耗在2.5dB以下，串扰小于-18dB。
(2)打孔后的耦合区，其折射率分布可以等效为一种非均匀缓变的折射率分布，使得耦合区可以同时对不同的波长进行引导，从而使得不同的波长都能够达到在输出端口有效输出的目的，进而实现了大工作带宽的目的。
附图说明
图1为本发明器件俯视示意图，包括N根输入波导，N根输出波导，一个正2N形耦合区及内部的打孔状态的圆形像素，耦合区又可分为2N个相同的具有轴对称孔阵列的扇形区域；
图2为本发明器件耦合区各扇形区域内圆形像素排布状况的示意图：
图3为本发明优化初值及相应结果俯视示意图，(a-b)分别为N＝4和5时，耦合区圆形像素的初始打孔状态分布，采用的初始分布均为中心轴对称分布，(c-d)为分别与(a-b)对应的优化所得的最优圆形像素打孔状态分布；
图4(a-b)为本发明图3(c-d)所示最优圆形像素打孔状态分布一致的样片的测试结果，黑线与灰线分别代表其中一个端口的输出插损和串扰。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种由亚波长圆形像素阵列构成的硅基超材料光星型交叉连接器，连接器包括N个输入波导(N≥3且为整数)，N个输出波导，每个输入波导与对应的输出波导在同一直线上，所得的N条直线在同一点相互交叉，此点命名为O点；以O点为中心点，有一个正2N边形的耦合区域，其各边与波导垂直；耦合区域图案呈1/2N扇形对称，且这2N个扇区的图案又呈轴对称，对称轴为与边垂直的波导所在的直线；每个扇区包含M个圆形像素，M为正整数，其取值区间与N的大小及圆形像素的排列方式有关，为了使器件性能满足低损耗要求，M值通常大于80；要构成所述连接器，需对圆形像素的状态进行优化，圆形像素的状态为打孔或不打孔进行打孔，最终形成一个满足二进制优化算法的打孔阵列。
本发明提出的结构包括N根输入波导，N根输出波导，以及一个正2N边形的耦合区，耦合区内包括亚波长尺寸的圆形像素阵列，圆形像素的状态为打孔或不打孔。入射光通过输入波导进入耦合区，然后对应的输出波导输出。
本发明中，所取加工材料为普通SOI基片，输入/输出波导宽度均取硅波导宽度的典型值500nm，两根输出波导间隔<6μm，中间为正2N形耦合区域，耦合区域又可分割为2N个相同的扇形区域，各区域对波导所在直线呈轴对称图案，各区域包含M个按图2所示排布的圆形像素：对N＝4，可取x＝y＝160nm，z＝99.5nm，取耦合区长度为5.28nm，则M＝187；对N＝5，可取x＝y＝200nm，z＝97.5nm，取耦合区长度为5.4nm，则M＝126。每个圆形像素具有轴对称分布的状态：打孔或不打孔。若打孔，孔直径范围为80nm～100nm，孔深度根据加工条件通常都小于200nm，约120～200nm。
图2中，各扇区内，每行圆形像素呈与对称轴平行的线形排列；每行内，相邻两个圆形像素的中心点的距离按x、y交叉排列(x≥125nm，y≥125nm)；各行圆形像素中心点所在直线之间的距离为z。在器件设计的开始，需设置合理的x、y、z长度值，设置的标准为：能够保证所标示的α、β、γ三种相邻圆形像素中心距离长度在约125nm或以上，其中α＝2x·sin(π/2N)，β＝{[z/tan(π/2N)-x]2+z2}1/2，γ＝{[x+y-z/tan(π/2N)]2+z2}1/2。特殊的，对N＝4，可取x＝y＝160nm，z＝99.5nm，取耦合区长度为5.28nm，则M＝187；对N＝5，可取x＝y＝200nm，z＝97.5nm，取耦合区长度为5.4nm，则M＝126。另，图中只标出了部分圆形像素以及扇区，用来配合说明，其它圆形像素用省略号代替。
本发明还提供了一种亚波长圆形像素阵列构成的硅基超材料光星形交叉连接器的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用SOI基片，在所述基片上形成N个输入波导和N输出波导；
(2)在所述基片上，将所述输入波导和所述输出波导之间的正2N边形耦合区域分割为2N个同等大小的扇区，每个所述扇区具有中心轴对称分布的M个像素，各圆形像素具有随机初始状态，所述初始状态为中心打孔或不打孔；
(3)根据输出目标，利用优化算法(这里使用特例，非线性直接二进制优化算法)，即随机改变一个所述圆形像素的打孔状态，并计算新的输出光谱，若新的输出光谱比改变前的输出光谱更接近目标输出，则保留改变后的状态；反之，则不采用此改变；接着改变另一个圆形像素的打孔状态，并不断循环重复上述过程；直至改变圆形像素阵列中的任意一个像素都不会使新的输出光谱更接近目标输出，则停止循环过程。
输出目标，即理想的器件具有至少60nm波长范围内插损为0的输出光谱。器件的输出光谱通过3D时域有限差分法(3D FDTD)计算得到。
(4)经过多次迭代后，将得到一个最优的亚波长圆形像素打孔状态的分布。
本发明中，器件耦合内的圆形像素的打孔状态分布经由优化算法得来，算法可以为粒子群算法、拓扑优化算法等(前文提到的非线性直接二进制算法仅为一个特例)，针对现有输出和目标输出的差值进行优化，经数次循环，最终得到一个满足前文所述目标输出条件的打孔阵列。由于本发明要解决的问题属于多最优值问题，利用不同的优化算法或取不同的初始分布时，其优化结果具有不同的最优分布。
本发明中，打孔后的亚波长尺寸的圆形像素的排布可以等效为一种非均匀缓变的折射率分布区域，可以同时对不同的波长进行引导，从而使得不同的波长都能够达到在输出端口有效输出的目的，进而实现了大工作带宽的目的。
如图3(a)所示，首先，特殊的，取N＝4，取输入1～4、输出5～8波导宽度均取硅波导宽度的典型值500nm，对应的输入输出波导间隔5.28μm，将厚220nm大小为5.28μm×5.28μm的耦合区域分割为8个扇形区域，各扇形区域包含呈轴对称分布的圆形像素，每个像素具有中心轴对称分布的随机的初始状态：中心打孔或不打孔，若打孔，孔直径选为90nm，孔深度暂取140nm。取中心轴对称的圆形像素阵列可以保证输出端的功率一致性，同时加倍仿真的计算速度。
如图3(c)所示，然后，经由优化算法，针对目标输出进行优化。通过改变一个或多个像素的刻蚀状态，并计算新的输出光谱，若新的输出光谱比原输出光谱更接近目标输出，则保留改变后的状态。一次迭代指一次计算过程，经过多次迭代后，将得到一个最优的亚波长圆形像素阵列的状态的分布。本发明要解决的问题属于多最优值问题，利用不同算法或取不同的初始分布时，其对应的优化结果具有不同的最优分布。
经数次迭代，最终得到一个满足条件的打孔阵列，可以实现至少1520nm～1580nm宽波段范围内的4根光波导低损耗交叉互联。
至此，该器件可经标准工艺制备完成，对应于图3(c)的孔阵列的样片，其测试结果如图4(a)所示，黑线、灰线分别代表端口1输入端口5的输出插损、端口2～4输入端口5测得的串扰，插损在1520nm～1580nm波段内均小于1.6dB，串扰小于-18dB。
特殊的，对N＝5的情况，本说明也给出了一个实例：图3(b)为像素孔初始分布，图3(d)为对图3(b)的初值进行优化所得的像素孔分布，图4(b)为对应图3(d)图案制作的样片的测试结果，黑线、灰线分别代表端口1输入端口6的输出插损、端口2～5输入端口6测得的串扰，插损在1520nm～1580nm波段内均小于2.4dB，串扰小于-23dB。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种硅基超材料光星型交叉连接器，其特征在于，包括：N个输入波导和N个输出波导，每个输入波导与对应的输出波导在同一直线上，且所获得的N条直线在同一点O相互交叉；以O点为中心点，设置有一个正2N边形的耦合区域，所述耦合区域的各边与波导垂直；耦合区域图案呈1/2N三角形对称，且2N个三角形区域的图案呈轴对称，对称轴为与边垂直的波导所在的直线；每个三角形区域包含M个圆形像素，圆形像素的状态为打孔或不打孔；M为大于80的正整数，N为大于等于3的正整数；所述输入波导与所述输出波导之间的间隔小于6μm。
2.如权利要求1所述的硅基超材料光星型交叉连接器，其特征在于，所述输入波导和所述输出波导的宽度为500nm。
3.如权利要求1-2任一项所述的硅基超材料光星型交叉连接器，其特征在于，所述圆形像素直径为90nm，深度为140nm。
4.一种基于权利要求1所述的硅基超材料光星形交叉连接器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在SOI基片上形成N个输入波导和N输出波导；
(2)在所述SOI基片上将所述输入波导和所述输出波导之间的正2N边形耦合区域分割为2N个同等大小的三角形区域，每个所述三角形区域具有中心轴对称分布的M个像素，各圆形像素具有随机初始状态，所述初始状态为中心打孔或不打孔；
(3)通过随机改变一个所述圆形像素的打孔状态来计算新的输出光谱，并当新的输出光谱比改变前的输出光谱更接近目标输出时，保留改变后的状态；反之，则不采用此改变；接着改变另一个圆形像素的打孔状态，并不断循环重复上述过程；直至改变圆形像素阵列中的任意一个像素都不会使新的输出光谱更接近目标输出，则停止循环过程；获得最优的亚波长圆形像素打孔状态的分布。
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