CN108279461B - 偏振无关的三维集成双层光栅耦合器 - Google Patents

偏振无关的三维集成双层光栅耦合器 Download PDF

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Abstract

偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，包括两个单向的光栅耦合器，由顶层光栅和底层光栅分别位于上下两个波导层中，两层光栅的方向相互正交组成，顶层光栅作为与单模光纤相连的光耦合接口，底层光栅位于顶层光栅的垂直下方，作为底层波导层的光耦合接口；一个光学隔离层，隔离层位于顶层光栅和底层光栅之间，作为顶层光栅的下包层同时也是底层光栅的上包层；一个埋氧层，埋氧层位于底层光栅和硅衬底之间，作为底层光栅的下包层；一个双介质包层结构，由相较顶层波导材料折射率较低的两层材料组成，位于顶层光栅的上方。本器件采用了三维光集成技术实现了偏振无关的光耦合输入和输出的功能。

Description

偏振无关的三维集成双层光栅耦合器
技术领域
本发明涉及到硅基光子学以及三维光集成技术，尤其涉及一种偏振无关的三维集成双层光栅耦合器。
背景技术
微电子技术和光纤通信技术是人类信息社会的两大基石。近半个世纪来，随着集成电路工艺特征尺寸的不断缩小，集成电路集成度一直按照摩尔定律飞速发展。芯片更高的集成度带来的不仅仅是晶体管数目的增加，更是芯片功能和处理速度的提升。然而，随着特征尺寸的不断缩小和集成度的不断增加，微电子工艺的局限性也日趋明显。一方面是由于器件线宽的不断减小，传统的光刻加工手段已经接近极限，此外，当器件尺寸接近纳米尺度时，将会引入不可期望的量子物理效应，从而导致器件失效；另一方面是由于随着晶体管尺寸和互连线尺寸同步缩小，单个晶体管的延时和功耗越来越小，而互连线的延时和功耗却越来越大并逐渐占据主导。在当今的处理器中，电互连引起的功耗占了整个芯片总功耗的80％以上。因此，深亚微米特征尺寸下电互连延迟和功耗的瓶颈，已经严重制约芯片性能的进一步提高。片上互连迫切需要一种比电互连更高速更宽带的互连方式。
于是人们提出了硅基光互连的概念。光互连有明显的优势，其高带宽、低能耗、延迟小、抗电磁干扰的优点是芯片内铜互连线所无法比拟的。硅基光互连技术可以为光通信系统提供光波分复用(WDM)信道，并且光互连在带宽和功率方面提供足够的性能增益可以超过目前的电互连技术。近几年随着光通信业务的增长，通信系统必须增加光WDM信道来容纳更多的光通信量，研究人员通过将成百上千的光子器件集成到单层光芯片上来对系统进行扩容。这就使得光波导交叉造成的损耗以及单层硅光子芯片有限空间的密集集成问题日趋严峻。对于SOI材料，依据波导尺寸不同，交叉损耗在-1.1dB到-1.4dB之间，同时串扰达到约-9dB。不断有研究表明，波导交叉将很可能是未来单层硅光互连技术发展的最大障碍。研究人员在寻找上述问题的解决方案的过程中逐渐发现了三维(3D)光集成技术可以打破芯片面积对单层光互连技术的限制，3D光集成技术将光器件分别制作在垂直方向的不同层中，最终构成多层硅光子互连网络。对于传统单层光互连中芯片面积与集成度的问题，3D光集成技术提供了新的设计拓展维度，我们可以设计出更高集成度，更复杂的光子网络，实现更高的互连能力以及更低的功耗。
要实现单片上完整的三维光集成链路，必须要有可靠的可用的硅基光源。由于硅材料在发光方面的先天不足，采用片外光源耦合的方式成为硅基光电子芯片光输入的主要手段。而光栅耦合器作为硅基光电子芯片和片外光源的接口，具有较强的对准容差能力、可随意放置、无需端面抛光等优点，因此受到研究人员的广泛青睐。对于传统的斜入射光栅耦合器而言，一定的光纤倾角无疑会带来很多不便。首先这意味着测试过程中的光纤角度调谐不可避免，而这个过程通常较为耗时；其次，要想实现光纤到芯片的封装，我们通常需要对光纤进行角度抛光，而这种后工艺又会显著地增加封装成本。因此，一个能够实现完全垂直耦合的高效率光栅耦合器对于快速晶圆级测试和低成本的光纤封装是十分有利的。
同时，由于一维光栅是强烈偏振相关的，而从光纤中出射的光或在波导中传播的光，其偏振态是难以保证的，这样无法预知偏振态的光进入到偏振敏感的器件中，器件的工作性能将无法得到保证，从而降低了系统的稳定性。因此，偏振无关的器件是很有实际应用意义的。
基于上述思想，本发明提出了采用偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，采用三维光集成技术，将不同方向的光栅耦合器和硅波导制作在垂直方向的不同层中，避免了交叉串扰，增加了器件的集成密度。同时，本发明中，两个一维光栅的空间位置的设计使光的耦合效率不会受到输入光偏振态变化的影响，达到了偏振无关的效果。该偏振无关的三维集成双层光栅耦合器实现了光电子器件三维集成，提供了一种可用于3-D光电集成的高效率垂直光耦合方案，有望在未来的硅基光电集成和硅基片上光互连领域中取得重要应用。
发明内容
本发明提供一种偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，包括：
两个一维的光栅耦合器：由顶层光栅和底层光栅分别位于上下两个波导层中，两层光栅的方向相互正交组成。顶层光栅作为与单模光纤相连的光耦合接口，底层光栅位于顶层光栅的垂直下方，作为底层波导层的光耦合接口；
一个隔离层：隔离层位于顶层光栅和底层光栅之间，作为顶层光栅的下包层同时也是底层光栅的上包层；
一个埋氧层：埋氧层位于底层光栅和硅衬底之间，作为底层光栅的下包层；
一个双介质包层结构：由相较顶层波导材料折射率较低的两层材料组成，位于顶层光栅的上方，用于抑制顶层光栅对入射光的向上反射。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明进一步详细说明，其中：
图1为本发明的具体实施例三维结构示意图(a)和左视图(未加光纤)(b)、俯视图(c)；
图2为变迹光栅的截面示意图；
图3为本发明的具体实施例中输入部分顶层光栅和底层光栅的耦合效率和输入/输出总耦合效率曲线；
图4为本发明的具体实施例器件沿折线Lz作Z方向的纵截面的电场强度仿真分布图；
图5为本发明的具体实施例中对3D集成链路施加不同偏振态光源时，三种偏振情况下输出部分的总输出耦合效率曲线对比图；
具体实施方式
本发明是一种偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，器件采用3D集成技术以及SOI结构。对于不同的波导厚度、隔离层厚度、埋氧层厚度和双介质包层厚度，为达到功能要求相应的最佳设计也不同，因此为了方便进行叙述，本发明所用各层材料默认为具体实施参数，即上下两层波导材料为单晶硅，厚度为340nm，埋氧层厚度为2μm，硅衬底厚度为3μm。
请参阅图1和图2，本发明提供一种偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，包括：
两个一维的光栅耦合器1：由顶层光栅11(或13)和底层光栅12(或14)分别位于上下两个波导层中，两层光栅的方向相互正交组成。顶层光栅11(或13)作为与单模光纤51(或52)相连的光耦合接口，底层光栅12(或14)位于顶层光栅的垂直下方，作为底层波导层的光耦合接口；
一个隔离层2：位于顶层光栅11(或13)和底层光栅12(或14)之间，作为顶层光栅11(或13)的下包层同时也是底层光栅12(或14)的上包层；
一个埋氧层3：位于底层光栅12(或14)和硅衬底之间，作为底层光栅12(或14)的下包层；
一个双介质包层结构4：由相较顶层波导材料折射率较低的两层材料组成，位于顶层光栅11(或13)的上方，用于抑制顶层光栅对入射光的向上反射。
所述的偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，两个单向的光栅耦合器(11与12或13与14)中光栅结构都为变迹光栅结构，由啁啾光栅部分15和均匀光栅部分16组成。其中啁啾光栅部分15用来形成类高斯型输出场，与光栅耦合器的模场匹配以提高耦合效率。均匀光栅部分16功能为光栅布拉格反射器，用以保证光栅的单向耦合特性。
所述的偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，由顶层光栅11(或13)和底层光栅12(或14)分别位于上下两个波导层中，两层光栅的方向相互正交组成，其垂直方向上正交交叠部分为啁啾光栅部分15。光输入输出耦合时，光纤位置中心均位于啁啾光栅部分15。
所述的偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，其中隔离层2位于顶层光栅11(或13)和底层光栅12(或14)之间，作为顶层光栅11(或13)的下包层同时也是底层光栅12(或14)的上包层，与硅衬底和底层光栅12(或14)共同构成了SOI结构。
所述的偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，其中埋氧层3位于底层光栅和硅衬底之间，作为底层光栅的下包层将硅衬底和底层光栅隔离12(或14)，同时埋氧层3也是底层光栅12(或14)的上包层，使得底层光栅12(或14)的向上反射减少向下透射增加；
所述的偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，双介质包层结构4由相较顶层波导材料折射率较低的两层材料组成。第一层用作折射率匹配层，第二层为整个光栅耦合器结构1提供良好的抗反射性能。通过双介质包层结构4，将向上光反射损耗抑制到最低。
当两个单向的光栅耦合器(11与12)作为输入耦合器使用时，如图1(b)所示，光纤51中的光能量(PE)耦合进入顶层光栅11后，一部分光能量(P1)在上层波导层耦合进入顶层光栅11并从啁啾光栅15部分输出，进入波导；还有一部分光能量(P2)在垂直方向上透过顶层光栅11和隔离层透射入底层光栅12，在下层波导层中耦合进入底层光栅12并从啁啾光栅一侧输出，进入波导。由于光路的可逆性，上述分析方法对出射光栅耦合器(光从波导中耦合到光纤中/或到自由空间中)也是适用的。当两个单向的光栅耦合器作为输出耦合器(13与14)使用时，从底层光栅14和顶层光栅13耦合输出的光能量叠加(P1′+P2′＝Po)传输到接收光纤52。
根据以上所述的偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，本具体实施例利用两个偏振无关的三维集成双层光栅耦合器(11、12，13、14)用两条波导连接，组成了3D光集成链路，其能够完成对光能量进行完全垂直耦合输入进入光芯片中不同的波导层，并且能够垂直耦合输出，实现数据通讯的功能；最重要的是可以实现单一光源对多层光波导进行供光的3D光互连的功能，并且该链路不会受到光偏振态变化的影响而产生不必要的损耗，可以达到偏振无关的效果。
为了显示3D集成链路光能量流动的关系，使用3-D FDTD方法计算了链路中输入输出部分的光栅的耦合效率和电场分布。
图3为本发明的具体实施例中输入部分顶层光栅11和底层光栅12的耦合效率和输入/输出总耦合效率曲线；坐标系横轴为波长，纵轴为耦合效率，由图3可知在波长为1550nm时，耦合进入顶层光栅11、底层光栅12的耦合效率分别为20.7％和21％，还展示出了输入部分和输出部分总耦合效率的对比图，输入总耦合效率为40.2％，输出总耦合效率为27.1％，由此可得链路的传输损耗为5.7dB。
图4为本发明的具体实施例器件沿折线Lz作Z方向的纵截面的电场强度仿真分布图(Lz已在图1(c)中标示出)。其中横坐标是折线Lz的X轴坐标，纵坐标为Z方向，在图中已经标示出了Z方向上3D集成的各个层的内容，最底层硅衬底层未完全显示。从图中可以清楚地看到三维集成链路的输入部分(左边)和输出部分(右边)的耦合方式和功率流。
硅基集成光学中，器件小的结构尺寸使得其存在大的偏振敏感性，许多器件都只能对一种偏振态的光实现良好功能(多数光波导器件都只能允许一种偏振态低传输损耗存在)。然而，从光纤中出射的光或在波导中传播的光，其偏振态是难以保证的，这样无法预知偏振态的光进入到偏振敏感的器件中，器件的工作性能将无法得到保证，从而降低了系统的稳定性。因此，偏振无关的光耦合器件是很有实际应用意义的。如图1(a)所示，我们将入射光表示成相互垂直的线偏振光s光和p光，并使其相位相差π/2，这样这两束光组成了圆偏振光。
图5为本发明的具体实施例中对3D集成链路施加不同偏振态(s偏振态光、p偏振态光和圆偏振态光)光源时，三种偏振情况下输出部分的总输出耦合效率曲线对比图。由曲线图可知，三个曲线几乎重合，不同偏振态光的输入并没有影响输出耦合效率，因此可知，本链路结构是偏振无关的。
由研究可知，一维光栅是强烈偏振相关的，而得益于本发明的两个光栅空间结构正交的位置设计，无论何种状态的入射光入射到本结构，本结构都会将其偏振分束并进入不同的波导层，在输出时，由于输出部分的两个光栅耦合器(13、14)是互相垂直的，P1’与P2’由于偏振态互相正交不会互相干涉，而是会叠加传输，从而保证了光集成链路的稳定。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了较详细具体的说明，所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神、思想和原则范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，其特征在于，包括：
两个一维的光栅耦合器：由顶层光栅和底层光栅分别位于上下两个波导层中，两层光栅的方向相互正交组成；顶层光栅作为与单模光纤相连的光耦合接口，底层光栅位于顶层光栅的垂直下方，作为底层波导层的光耦合接口；
一个隔离层：隔离层位于顶层光栅和底层光栅之间，作为顶层光栅的下包层同时也是底层光栅的上包层；
一个埋氧层：埋氧层位于底层光栅和硅衬底之间，作为底层光栅的下包层；
一个双介质包层结构：由相较顶层波导材料折射率低的两层材料组成，位于顶层光栅的上方，用于抑制顶层光栅对入射光的向上反射。
2.根据权利要求1所述的偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，其特征在于：两个单向的光栅耦合器中光栅结构都为变迹光栅结构，由啁啾光栅部分和均匀光栅部分组成；其中啁啾光栅部分用来形成类高斯型输出场，与光栅耦合器的模场匹配以提高耦合效率；均匀光栅部分功能为光栅布拉格反射器，用以保证光栅的单向耦合特性。
3.根据权利要求2所述的偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，其特征在于：由顶层光栅和底层光栅分别位于上下两个波导层中，两层光栅的方向相互正交组成，其垂直方向上正交交叠部分为啁啾光栅部分；光输入输出耦合时，光纤位置中心均位于啁啾光栅部分。
4.根据权利要求1所述的偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，其特征在于：其中隔离层位于顶层光栅和底层光栅之间，作为顶层光栅的下包层同时也是底层光栅的上包层，与硅衬底和底层光栅共同构成了SOI结构。
5.根据权利要求1所述的偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，其特征在于：其中埋氧层位于底层光栅和硅衬底之间，作为底层光栅的下包层将衬底和底层光栅隔离，同时埋氧层也是底层光栅的上包层，使得底层光栅的向上反射减少向下透射增加。
6.根据权利要求1所述的偏振无关的三维集成双层光栅耦合器，其特征在于：双介质包层结构由相较顶层波导材料折射率低的两层材料组成；第一层用作折射率匹配层，第二层为整个光栅耦合器结构提供良好的抗反射性能；通过双介质包层结构，将向上光反射损耗抑制到最低。
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