CN107942444A - 一种三维集成光子芯片的层间耦合器 - Google Patents
一种三维集成光子芯片的层间耦合器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107942444A CN107942444A CN201711157569.9A CN201711157569A CN107942444A CN 107942444 A CN107942444 A CN 107942444A CN 201711157569 A CN201711157569 A CN 201711157569A CN 107942444 A CN107942444 A CN 107942444A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- dimensional grating
- dimensional
- layer
- coupling device
- photon chip
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明为采用了基于二维光栅折射率调控的倏逝波耦合方案的层间耦合器，具有宽带宽、高效率、设计紧凑、加工容差好等优势。与传统的三维光子集成芯片的层间耦合器相比，如采用基于反锥的模式转换器的层间耦合器，具有更短的耦合长度、更紧凑的器件尺寸以及更宽的光学带宽。其次，相比普通的一维光栅对高折射率波导进行折射率调控的方式，在低占空比的情况下，一维光栅的特征尺寸较小，在实际芯片生产过程中，难以实现稳定加工。而采用二维光栅的方案，实现占空比聚集，提升器件的特征尺寸，增大加工可行性，在实际的芯片生产中具有更高的优势。
Description
技术领域
本发明涉及光子集成通信技术领域，更具体地，涉及一种三维集成光子芯片的层间耦合器。
背景技术
传统的光子集成芯片的研制过程中，为降低研发和生产的成本，大多采用了集成电路的CMOS平面加工工艺，加工生产的光子芯片多为平面单层结构。而近年来，随着光子集成芯片的发展，芯片的规模、功能在不断地增大，传统的二维光子芯片逐渐往更高集成度的三维集成光子芯片发展。在相同的芯片面积的情况下，通过三维的波导层堆叠使得芯片的集成度更高，实现更多的功能。同时，随着光子集成材料体系的发展，光子芯片混合集成工艺的成熟，基于多种光子集成材料体系的混合集成方案集合了多种材料体系的优势，混合集成的功能需求也进一步促进了三维集成光子芯片的研制与发展。
在三维集成光子芯片中，通过多个光波导层的堆叠，实现三维的集成。而光信号需要在不同波导层中进行转移和耦合。常见的三维耦合的方法，可以通过衍射光栅、模式转换和倏逝波耦合等方式实现。其中，衍射光栅的层间耦合器方案，通过衍射光栅改变光的传播方向，往相邻波导层进行衍射。这种方式在使用时受到了限制，一方面光的衍射对光波长要求严格，另一方面，衍射的效率也存在限制，难以实现高效率的层间耦合。而对于模式转换的层间耦合器方案，以非束缚模式的媒介进行过渡，实现不同波导层波导模式的转化，这种方案往往需要足够长的波导耦合长度尺寸，实现波导束缚模式到非束缚模式的转化，对于高度集成的光子芯片而言具有较低的优势。而采用倏逝波耦合的方案，可以通过较小的尺寸，实现宽带宽、高效率的三维波导层间耦合。
倏逝波耦合的方案，要求临近的波导层具有接近的有效折射率或传播常数，通过倏逝波，实现光的层间耦合。在异质混合集成的三维集成光子芯片中，由于材料体系的差异，需要通过特殊的设计实现折射率的匹配，如波导的尺寸优化，以及通过折射率调控的方案，实现折射率的匹配。然而，对于折射率差异较大的波导层之间的耦合而言，通过折射率调控的方式，需要兼顾生产加工的可行性、器件设计容差以及层间耦合器的耦合性能。
发明内容
本发明为解决以上现有技术的缺陷，提供了一种基于倏逝波耦合的能够兼顾生产加工的可行性、器件设计容差以及层间耦合器耦合性能的三维集成光子芯片的层间耦合器。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种三维集成光子芯片的层间耦合器，包括设置在三维集成光子芯片波导层之间的二维光栅；通过引入调控折射率的二维光栅，实现三维集成光子芯片不同波导层之间的折射率匹配，实现波导层间基于倏逝波的低损耗耦合。
优选地，所述二维光栅包括二维孔阵列和/或二维柱阵列。
本发明通过在三维集成光子芯片波导层之间引入二维光栅，实现折射率的精准调控与匹配，通过折射率匹配的波导层之间的倏逝波耦合，实现光在芯片表面的不同波导层之间的耦合，实现光在三维芯片上不同波导层的自由传输。器件采用基于折射率调控的倏逝波耦合方案，对光的波长不敏感，可以实现宽光谱范围的高效率耦合。同时，通过倏逝波耦合的方案，可以通过调控倏逝波耦合的耦合强度，在较短的耦合长度内，实现光的层间耦合，相比其他方案，具有更加紧凑的设计方案，有利于提高光子芯片的集成度。
其中，本发明引入了二维光栅的方案，通过二维的柱阵列或二维的孔阵列等二维光栅形式，相比普通的一维光栅而言，在相同占空比的情况下，二维光栅具有更大的特征尺寸和较高的加工容差特性，在保证器件特征尺寸足够大、易于加工的同时，缩小光栅周期，避免了光栅周期增大导致的光栅散射损耗，提升了微加工可行性的同时，提升了层间耦合器的效率，在实际芯片器件应用中具有更加高的优势和可行性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明为采用了基于二维光栅折射率调控的倏逝波耦合方案的层间耦合器，具有宽带宽、高效率、设计紧凑、加工容差好等优势。与传统的三维光子集成芯片的层间耦合器相比，如采用基于反锥的模式转换器的层间耦合器，具有更短的耦合长度、更紧凑的器件尺寸以及更宽的光学带宽。其次，相比普通的一维光栅对高折射率波导进行折射率调控的方式，在低占空比的情况下，一维光栅的特征尺寸较小，在实际芯片生产过程中，难以实现稳定加工。而采用二维光栅的方案，实现占空比聚集，提升器件的特征尺寸，增大加工可行性，在实际的芯片生产中具有更高的优势。
附图说明
图1为三维集成光子芯片的局部示意图。
图2为二维光栅的示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1所示，1和2为三维集成光子芯片中位于下层的光波导层，3为三维集成光子芯片中位于上层的光波导层，图1中波导层之间的低折射率介质未画出，而4为本发明的三维集成光子芯片的波导层之间的耦合区域。在此示意图的区域4中，通过在高折射率的波导1上加工亚波长的二维光栅，使波导1与波导3的折射率匹配，通过倏逝波耦合的方式可实现光从下层波导1往上层波导3的高效率耦合。
图2为本发明的层间耦合器的二维光栅的结构示意图，其中1为三维集成光子芯片位于下层的光波导层，5为是柱状二维光栅，6为孔状二维光栅。本发明中采用了二维光栅的折射率调控方案，其中二维光栅的可以是柱状二维光栅，也可以是孔状的二维光栅，也可以是孔状二维光栅和柱状二维光栅的结合等。在此示意图的案例中，低占空比的区域，为增大器件的特征尺寸，便于微加工生产，采用了柱状的二维光栅，保证在低占空比的部分能够加工；而在高占空比的部分，同样为了增大器件的特征尺寸和加工可行性，采用了孔状的二维光栅，二维孔阵列开设在三维集成光子芯片的波导层上。5处为耦合区，占空比较低，采用了柱状的二维光栅，而6处为渐变占空比的二维光栅，实现光的有效折射率的缓慢变化，避免了光在光栅耦合区的反射，占空比较高，采用了孔状的二维光栅。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种三维集成光子芯片的层间耦合器，其特征在于：包括设置在三维集成光子芯片波导层之间的二维光栅；通过引入调控折射率的二维光栅，实现三维集成光子芯片不同波导层之间的折射率匹配，实现波导层间基于倏逝波的低损耗耦合。
2.根据权利要求1所述的三维集成光子芯片的层间耦合器，其特征在于：所述二维光栅包括二维孔阵列和/或二维柱阵列。
3.根据权利要求2所述的三维集成光子芯片的层间耦合器，其特征在于：所述二维孔阵列开设在三维集成光子芯片的波导层上。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711157569.9A CN107942444A (zh) | 2017-11-20 | 2017-11-20 | 一种三维集成光子芯片的层间耦合器 |
| PCT/CN2017/112486 WO2019095414A1 (zh) | 2017-11-20 | 2017-11-23 | 一种三维集成光子芯片的层间耦合器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711157569.9A CN107942444A (zh) | 2017-11-20 | 2017-11-20 | 一种三维集成光子芯片的层间耦合器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107942444A true CN107942444A (zh) | 2018-04-20 |
Family
ID=61930258
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711157569.9A Pending CN107942444A (zh) | 2017-11-20 | 2017-11-20 | 一种三维集成光子芯片的层间耦合器 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107942444A (zh) |
| WO (1) | WO2019095414A1 (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112987173A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-06-18 | 中国科学院半导体研究所 | 多层耦合结构 |
| CN114966979A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-08-30 | 上海图灵智算量子科技有限公司 | 光学组件及光电异质集成方法 |
| CN114966980A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-08-30 | 上海图灵智算量子科技有限公司 | 波导、光学组件及其集成方法 |
| CN114994832A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-09-02 | 上海图灵智算量子科技有限公司 | 波导及包含其的光量子集成芯片 |
| CN115047564A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-09-13 | 上海图灵智算量子科技有限公司 | 具有渐缩表面的波导 |
| CN115343805A (zh) * | 2022-08-31 | 2022-11-15 | 天津大学 | 一种高制作容差的亚波长光栅耦合器 |
| WO2023217051A1 (zh) * | 2022-05-07 | 2023-11-16 | 上海图灵智算量子科技有限公司 | 波导及包含其的光学组件 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11835803B2 (en) | 2019-12-11 | 2023-12-05 | The Trustees Of Columbia University In The City Of New York | Controlling evanescent waves on dielectric waveguides |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110091157A1 (en) * | 2009-10-19 | 2011-04-21 | Sun Microsystems, Inc. | Three-dimensional macro-chip including optical interconnects |
| CN103033881A (zh) * | 2012-12-31 | 2013-04-10 | 东南大学 | 片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器及制备方法 |
| US20140193115A1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-07-10 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | Method and Apparatus for Optical Waveguide-to-Semiconductor Coupling and Optical Vias for Monolithically Integrated Electronic and Photonic Circuits |
| CN105261667A (zh) * | 2015-10-30 | 2016-01-20 | 中山大学 | 一种行波结构光探测器芯片及制备方法 |
| CN105700073A (zh) * | 2016-03-29 | 2016-06-22 | 中山大学 | 一种表面等离激元单向耦合和分束器件及制备方法 |
| CN107315223A (zh) * | 2017-07-14 | 2017-11-03 | 上海交通大学 | 集偏振滤波器和层间均等耦合器的光互联器件 |
-
2017
- 2017-11-20 CN CN201711157569.9A patent/CN107942444A/zh active Pending
- 2017-11-23 WO PCT/CN2017/112486 patent/WO2019095414A1/zh active Application Filing
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110091157A1 (en) * | 2009-10-19 | 2011-04-21 | Sun Microsystems, Inc. | Three-dimensional macro-chip including optical interconnects |
| CN103033881A (zh) * | 2012-12-31 | 2013-04-10 | 东南大学 | 片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器及制备方法 |
| US20140193115A1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-07-10 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | Method and Apparatus for Optical Waveguide-to-Semiconductor Coupling and Optical Vias for Monolithically Integrated Electronic and Photonic Circuits |
| CN105261667A (zh) * | 2015-10-30 | 2016-01-20 | 中山大学 | 一种行波结构光探测器芯片及制备方法 |
| CN105700073A (zh) * | 2016-03-29 | 2016-06-22 | 中山大学 | 一种表面等离激元单向耦合和分束器件及制备方法 |
| CN107315223A (zh) * | 2017-07-14 | 2017-11-03 | 上海交通大学 | 集偏振滤波器和层间均等耦合器的光互联器件 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112987173A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-06-18 | 中国科学院半导体研究所 | 多层耦合结构 |
| CN112987173B (zh) * | 2021-04-22 | 2022-02-22 | 中国科学院半导体研究所 | 多层耦合结构 |
| CN114966979A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-08-30 | 上海图灵智算量子科技有限公司 | 光学组件及光电异质集成方法 |
| CN114966980A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-08-30 | 上海图灵智算量子科技有限公司 | 波导、光学组件及其集成方法 |
| CN114994832A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-09-02 | 上海图灵智算量子科技有限公司 | 波导及包含其的光量子集成芯片 |
| WO2023217051A1 (zh) * | 2022-05-07 | 2023-11-16 | 上海图灵智算量子科技有限公司 | 波导及包含其的光学组件 |
| CN115047564A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-09-13 | 上海图灵智算量子科技有限公司 | 具有渐缩表面的波导 |
| CN115343805A (zh) * | 2022-08-31 | 2022-11-15 | 天津大学 | 一种高制作容差的亚波长光栅耦合器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2019095414A1 (zh) | 2019-05-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107942444A (zh) | 一种三维集成光子芯片的层间耦合器 | |
| US10591802B2 (en) | On-chip optical phased array using a serial grating antenna design | |
| US20220019020A1 (en) | Method and Apparatus for Optical Waveguide-to-Semiconductor Coupling for Integrated Photonic Circuits | |
| CN101630039B (zh) | 一种低损耗混合型表面等离子激元光波导 | |
| DE112008003853T5 (de) | Optische Maschine für Punkt-zu-Punkt-Kommunikation | |
| CN105759357B (zh) | 一种基于槽式波导的紧凑式模阶数转换器 | |
| CN102156324B (zh) | 具有多层结构的模式变换器和光分路器 | |
| CN104570200B (zh) | 利用硅基波导改进的二氧化硅基阵列波导光栅装置及制备 | |
| CN103513333A (zh) | 一种硅基纳米线混合十字交叉器 | |
| CN108603985A (zh) | 一种光耦合器及光处理方法 | |
| CN115128733A (zh) | 一种双光栅结构及制作方法、光学相控阵、激光雷达 | |
| CN113325514B (zh) | 光功率分束器的锥形波导区设计方法及光功率分束器 | |
| CN108508539A (zh) | 基于锥形非对称定向耦合器的硅基波分复用器 | |
| Calò et al. | Array of plasmonic Vivaldi antennas coupled to silicon waveguides for wireless networks through on-chip optical technology-WiNOT | |
| CN112946815A (zh) | 低串扰32信道硅基阵列波导光栅波分复用器 | |
| CN113985522B (zh) | 基于硅-氮化硅三维集成的微环光开关 | |
| US20090154880A1 (en) | Photonics device | |
| CN105607190A (zh) | 一种基于add-drop型的三波导耦合双方形谐振腔的解复用装置 | |
| CN112965165A (zh) | 多层三维光连接结构 | |
| CN105842799B (zh) | 大横截面单模方向耦合光波导探测器 | |
| CN112946814A (zh) | 用于光学相控阵的高效率和大口径光栅天线及其制备方法 | |
| CN108196340B (zh) | 一种基于多模干涉耦合的三维模式转换分束器 | |
| CN203673098U (zh) | 一种硅基光波导偏振转换器 | |
| CN204422811U (zh) | 基于亚波长狭缝结构表面等离子体定向激发器 | |
| CN103713357A (zh) | 一种硅基光波导偏振转换器及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180420 |