CN109031522A - 一种低背向反射的光栅耦合器 - Google Patents

一种低背向反射的光栅耦合器 Download PDF

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Abstract

一种低背向反射的光栅耦合器，包括单模波导、锥形波导展宽区域和光栅区域，所述的单模波导和光栅区域通过锥形波导展宽区域相连接，光栅区域由一组相互平行的波导阵列组成。本发明提供了一种低背向反射的光栅耦合器，它解决了传统光栅耦合器受菲涅尔反射影响的问题，能有效抑制光栅耦合器的背向反射，并降低光栅耦合器输出谱中的功率抖动。

Description

一种低背向反射的光栅耦合器
技术领域
本发明涉及高折射率差的光波导和光纤之间的通信或者是光波导和其混合集成的光源以及探测器之间的通信，尤其是一种具有低背向反射和低输出功率抖动的光栅耦合器。
背景技术
基于SOI平台的高折射率差纳米线硅波导器件(比如微环、阵列波导光栅、马赫增德尔干涉仪等)：由于具有超小尺寸，可以实现高密度集成；工艺兼容于传统CMOS工艺，可以大大降低制作成本并实现批量生产；同时硅光器件还可以和硅电子器件、光源、探测器、调制器、微流控等器件在硅平台上实现混合集成，以制成具有不同功能的模块、系统等，使其在近年来得到了广泛的研究。但这里也面临一个问题，就是纳米线的硅波导模场和光纤、半导体光源等的模场之间严重失配，导致它们之间的直接耦合损耗非常大。为了解决该问题，Vilson R.Almeida等人(Vilson R.Almeida,Roberto R.Panepucci,and Michal Lipson,“Nanotaper for compact mode conversion,”Opt.Lett.,28(15),pp.1302-1304,2003)提出了采用倒锥形taper来降低光纤和纳米线波导之间的耦合损耗，为了获得较低的损耗，taper区域的波导宽度通常在几十nm左右，这对工艺提出了极高的要求，并且该耦合效率对taper顶端的宽度十分敏感。T.Shoji等人(T.Shoji et al,“Low-loss mode sizeconverter from 0.3μm square Si wire waveguides to single mode fibers,”Electronics Letters,38(25),pp.1669-1670,2002)提出了利用一个高折射率聚合物波导覆盖带taper的硅波导结构来降低耦合损耗，该结构需要复杂的制作工艺。D.Taillaert等人(D.Taillaert et al,“Grating couplers for coupling between optical fibersand nanophotonic waveguides,”Japanese journal of Applied Physics,45(8A),pp.6071-6077,2006)提出了表面光栅耦合器，大大提高了和光纤的耦合效率，解放了工艺制作要求，并且利用该光栅耦合器可以实现对芯片的实时在线测试，极为方便。所以，目前用于硅纳米线波导器件测试多采用光栅耦合器结构，特别是对基于硅纳米线器件的传感器测试。然而，该光栅耦合器有一个缺点：由于硅芯层和包层之间折射率差较大，这就使得在芯层和包层的分界面处存在较大的菲涅尔反射，一部分光将反射回原光路，然后再次反射回该光栅耦合器中，这就使得光栅耦合器的输出谱中存在较大的抖动，并且如果光路中集成了半导体光源，那么反射回的光将会对光源造成严重影响。同时，如果是针对传感应用中的功率检测，那么光栅耦合器输出谱中的抖动就会造成输出功率的不稳定，大大的影响传感检测的精度。因此，减小光栅耦合器的背向反射极为重要。Yanlu Li等人(Yanlu Li,etal,“Compact grating couplers on silicon-on-insulator with reducedbackreflection,”Opt.Lett.,37(21),pp.4355-4357,2012)提出采用倾斜的聚焦光栅耦合器，即输入波导和光栅齿的法线之间成一角度，使光栅反射回来的光不耦合到输入波导，以此来减小该光栅耦合器的背向反射。由于此处的反射光是偏离输入波导，不是被抑制的，所以在高密度集成的光路系统或者是密集型并行传感检测中，该反射光可能会加大系统的背景噪音。
发明内容
为了解决传统光栅耦合器中由菲涅尔反射引起的较大背向反射问题，以满足其在连接光源、探测器或光纤时的要求，本发明提供了一种低背向反射的光栅耦合器，它解决了传统光栅耦合器受菲涅尔反射影响的问题，能有效抑制光栅耦合器的背向反射，并降低光栅耦合器输出谱中的功率抖动。。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种低背向反射的光栅耦合器，包括单模波导、锥形波导展宽区域和光栅区域，所述的单模波导和光栅区域通过锥形波导展宽区域相连接，光栅区域由一组相互平行的波导阵列组成。
进一步，所述的锥形波导展宽区域的窄端和单模波导相连接，其宽度为w1，宽端宽度为w2，该展宽区域波导宽度从w1变化到w2的长度为L，它们之间满足如下关系
其中，x是沿宽度变化方向到窄端的距离，m是一个正数且m的选取满足使宽端w2处的模场和窄端w1处的模场经过长度L后能实现最大效率转换。
再进一步，所述的光栅区域波导的周期为Λ，一个周期内的波导长为ln，光栅占空比为η＝ln/Λ，相邻周期中占空比η可以相同也可以不相同，Λ和η的选取满足使该光栅和光纤或集成的半导体光源或集成的探测器之间具有最大的耦合效率。
更进一步，所述的光栅区域的波导在宽度方向上被分成N段，N是一个正整数：若N为偶数，则每一段的宽度为wn/N，其中wn是该波导的宽度；同样地，若N为奇数，则该波导最中心处所在段的宽度为2wn/(N+1)，其他段的宽度为wn/(N+1)。同时，所分割成的各段波导中相邻两段波导之间错位形成的光程差为λ/4,λ是该波导中传输光在真空中所对应的波长。
本发明的有益效果主要表现在：1、降低常规光栅耦合器的背向反射；2、降低常规光栅耦合器输出光的功率抖动；3、它适用于不同的光栅耦合器结构；4、适用于各种材料上制作的光栅耦合器，比如氮化硅(Si3N4)和硅(Si)等材料平台。
附图说明
图1是常规的圆弧型聚焦光栅耦合器；
图2是本发明提出的光栅区域波导相邻分段之间错位λ/4光程差的圆弧型聚焦光栅耦合器(此图中光栅区域的每根波导被分成相等的两段)；
图3是常规的矩形型光栅耦合器；
图4是本发明提出的光栅区域波导相邻分段之间错位λ/4光程差的矩形型光栅耦合器(此图中光栅区域的每根波导被分成相等的两段)；
图5是图2中锥形展宽区域的放大图；
图6是图4中锥形展宽区域的放大图；
图7是AA’处的解剖截面图，光栅区域为深刻蚀；
图8是AA’处的解剖截面图，光栅区域为浅刻蚀；
图9是本发明提出的错位λ/4光程差的圆弧型聚焦光栅耦合器的光栅波导被等分成N＝4、6、8、10段时的情况；
图10是本发明提出的错位λ/4光程差的圆弧型聚焦光栅耦合器的光栅波导被分成N＝3、5、7段时的情况；
图11是本发明提出的错位λ/4光程差的矩形型光栅耦合器的光栅波导被等分成N＝4、6、8段时的情况；
图12是本发明提出的错位λ/4光程差的矩形型光栅耦合器的光栅波导被等成N＝3、5、7段时的情况；
图13是本发明提出的错位λ/4光程差的圆弧型聚焦光栅耦合器和单模光纤的耦合示意图；
图14是本发明提出的错位λ/4光程差的矩形型光栅耦合器和单模光纤的耦合示意图；
图15是本发明提出的错位λ/4光程差的圆弧型聚焦光栅耦合器的光栅波导被等分成N＝2,4,6,8,10段时和单模光纤耦合后的输出光谱图，图中N＝1是常规的圆弧型聚焦光栅耦合器和单模光纤耦合后的输出光谱图。
图中：1、单模波导，2、入射光，3、锥形波导展宽区域，4、圆弧型聚焦光栅耦合器的锥形波导展宽区域圆弧形末端，4a、4被分割成2段后的上半段部分，4b、4被分割成2段后的下半段部分，5、光栅区域，6、圆弧光栅波导，6a、圆弧波导6被分割成2段后的上半段部分波导，6b、圆弧波导6被分割成2段后的下半段部分波导，7、覆盖光栅耦合器的上包层，8、光传输方向上在4处以及6和7分界面处的反射光，8a、光传输方向上在4a处以及6a和7分界面处的反射光，8b、光传输方向上在4b处以及6b和7分界面处的反射光，9、矩形型光栅耦合器的锥形波导展宽区域末端，9a、9被分割成2段后的上半段部分，9b、9被分割成2段后的下半段部分，10、矩形光栅波导，10a、矩形光栅波导10被分割成2段后的上半段部分，10b、矩形光栅波导10被分割成2段后的下半段部分，11、光传输方向上在9处以及10和7分界面处的反射光，11a、光传输方向上在9a处以及10a和7分界面处的反射光，11b、光传输方向上在9b处以及10b和7分界面处的反射光，12、下包层，13、基底，14、与垂直方向成一角度的光纤，15、从光栅耦合器中耦合到光纤14中的输出光。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图15，一种低背向反射的光栅耦合器，包括单模波导1、锥形波导展宽区域3和光栅区域5，所述的单模波导1和光栅区域5通过锥形波导展宽区域3相连接，光栅区域5由一组相互平行的波导阵列6(10)组成。
进一步，所述锥形波导展宽区域的窄端和单模波导1相连接，其宽度为w1，宽端宽度为w2，该展宽区域波导宽度从w1变化到w2的长度为L，如图5和图6以及图中标示的坐标轴所示，w1、w2和L之间满足如下关系
其中，x是沿宽度变化方向到窄端的距离，m是一个正数且m的选取满足使宽端w2处的模场和窄端w1处的模场经过长度L后能实现最大效率转换。
如图1～图4中标注所示，所述光栅区域波导的周期为Λ，一个周期内的波导长为ln，光栅占空比为η＝ln/Λ，相邻周期中占空比η可以相同也可以不相同，Λ和η的选取满足使该光栅和光纤或集成的半导体光源或集成的探测器之间具有最大的耦合效率。
如图9～图12所示，所述光栅区域的波导在宽度方向上被分成N段，N是一个正整数：若N为偶数，则每一段的宽度为wn/N，其中wn是该波导的宽度，如图9和图11所示；同样地，若N为奇数，则该波导最中心处所在段的宽度为2wn/(N+1)，其他段的宽度为wn/(N+1)，如图10和图12所示。同时，所分割成的各段波导中相邻两段波导之间错位形成的光程差为λ/4，λ是该波导中传输光在真空中所对应的波长。
下面我们将以一个实际的例子来对本发明作进一步阐述：
考虑一个圆弧形聚焦光栅耦合器和单模光纤的耦合情况，如图13所示。选取硅芯层厚度为250nm，下包层12为3μm的SOI芯片，考虑光栅耦合器工作在TM偏振态下的情况，同时光栅波导采用全刻蚀波导，即图7所示的波导截面示意图；单模波导的宽度w1设置为0.5μm，w2设置为10μm，L设置为25μm，为了简单，在这里我们设置m＝1；考虑均匀周期光栅，其周期Λ＝1μm，ln＝0.63μm，则占空比η＝0.63，光栅的工作中心波长为1550nm。为了减小该光栅耦合器在传输方向上芯层和上包层7界面处的菲涅尔反射8(11)，我们将所有光栅波导6(10)以及锥形展宽区域的末端4(9)进行分段，并使相邻分段之间产生λ/4的光程差，通过分段使得在这些相邻分段波导上产生的菲涅尔反射光在反射回输入单模波导时，由于相邻光束之间形成了180°的相位差，这些反射光将相互干涉相消，从而达到降低背向反射的目的，同时由于背向反射光的降低也进一步减小了输出光功率的抖动。
图5给出了锥形展宽区域圆弧形末端被分割成2段的示意图，以及图2给出的光栅区域圆弧形波导6被分割成2段的示意图，分段后的波导相邻之间错位λ/4的光程差。同时图9给出了圆弧形光栅波导6被分割成偶数段时的示意，图10给出了圆弧形光栅波导6被分割成奇数段时的示意。为了验证本发明提出的错位λ/4的光栅耦合器的降低背向反射功能，我们做了如下实验：利用一根直波导连接输入输出光栅耦合器，借助输入光纤将光耦合进输入光栅耦合器，光经过连接直波导，再进入输出光栅耦合器，耦合进单模光纤，再进入探测器中。图15给出了本发明提出的错位λ/4降低背向反射的光栅耦合器的输出光谱图，其中圆弧形光栅波导被分割为N＝2,4,6,8,10段；同时为了比较，也给出了常规圆弧形聚焦光栅耦合器的输出光谱图，即N＝1。从图15可以看出，相比常规设计，本发明提出的设计大大降低了输出光谱图中的抖动起伏，这主要归因于对背向反射光的抑制，防止其多次来回反射被耦合输出。此外，我们还看到对于不同的光栅波导分段数产生的损耗不一样，都大于常规聚焦光栅设计(N＝1)，这主要来源于分段后的光栅对制作工艺提出了更高要求，特别是在相邻分段连接处由于制作工艺带来的散射损耗较大；同时我们可以看到当分段数N＝8时，本发明提出的光栅耦合器的损耗略高于常规光栅耦合器(约0.5dB)，但是光谱的FP效应明显降低，进而验证了本发明提出的方案的可行性。同时，也可以进一步去定量分析本发明提出方案的背向反射光能量大小，比如借助光频域反射计等。
另一方面，对于传感应用，更多的关心是输出谱的稳定性，对损耗会略微降低一些要求，特别是在功率探测时，要求输出功率尽量稳定，不波动，而本发明的方案可以适用于这种应用。
此外，除了圆弧形聚焦光栅外，本发明也同样实用于矩形型光栅耦合器，图6给出了锥形展宽区域末端9被分割成2段9a、9b的示意图，以及图4给出的光栅区域矩形波导10被分割成2段10a、10b的示意图，分段后的波导相邻之间错位λ/4的光程差。同时图11给出了矩形光栅波导10被分割成偶数段时的示意，图12给出了矩形光栅波导10被分割成奇数段时的示意。图14给出了矩形型光栅耦合器和单模光纤之间的耦合示意图。

Claims (4)

1.一种低背向反射的光栅耦合器，其特征在于：所述光栅耦合器包括单模波导、锥形波导展宽区域和光栅区域，所述的单模波导和光栅区域通过锥形波导展宽区域相连接，光栅区域由一组相互平行的波导阵列组成。
2.如权利要求1所述的一种低背向反射的光栅耦合器，其特征在于：所述的锥形波导展宽区域的窄端和单模波导相连接，其宽度为w1，宽端宽度为w2，该展宽区域波导宽度从w1变化到w2的长度为L，它们之间满足如下关系
其中，x是沿宽度变化方向到窄端的距离，m是一个正数且m的选取满足使宽端w2处的模场和窄端w1处的模场经过长度L后能实现最大效率转换。
3.如权利要求1或2所述的一种低背向反射的光栅耦合器，其特征在于：所述的光栅区域波导的周期为Λ，一个周期内的波导长为ln，光栅占空比为η＝ln/Λ，相邻周期中占空比η可以相同也可以不相同，Λ和η的选取满足使该光栅和光纤或集成的半导体光源或集成的探测器之间具有最大的耦合效率。
4.如权利要求1或2所述的一种低背向反射的光栅耦合器，其特征在于：所述的光栅区域的波导在宽度方向上被分成N段，N是一个正整数：若N为偶数，则每一段的宽度为wn/N，其中wn是该波导的宽度；同样地，若N为奇数，则该波导最中心处所在段的宽度为2wn/(N+1)，其他段的宽度为wn/(N+1)。同时，所分割成的各段波导中相邻两段波导之间错位形成的光程差为λ/4,λ是该波导中传输光在真空中所对应的波长。
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