CN109270627B - 一种基于多模亚波长光栅的偏振不敏感定向耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多模亚波长光栅的偏振不敏感定向耦合器，该耦合器由下至上依次为掩埋氧化层、耦合器部件和上包层，上包层覆盖掩埋氧化层的上表面，耦合器部件水平生长于掩埋氧化层的上表面，并被上包层覆盖；其中，所述耦合器部件包括下路输入通道、下路左直角梯形通道、下路窄直通通道、下路右直角梯形通道、下路直通通道、上路直通通道、上路左直角梯形通道、上路窄直通通道、上路右直角梯形通道、上路输出通道、输入端锥形亚波长光栅结构、亚波长光栅结构、输出端锥形亚波长光栅结构。本发明定向耦合器具有低插入损耗、低反射损耗、高消光比、中带宽、制造容差较大且结构紧凑的优点。

Description

一种基于多模亚波长光栅的偏振不敏感定向耦合器
技术领域
本发明涉及一种基于多模亚波长光栅的偏振不敏感定向耦合器，属于集成光学技术领域。
背景技术
最近，绝缘体上硅材料系统因可作为集成光子回路制造平台而广受关注。绝缘体上硅是硅光子学最有前景的平台之一，由于其高折射率对比度和互补金属氧化物半导体兼容处理的特点，引起了人们的极大兴趣，非常有利于实现紧凑、高性价比和高产量的光子集成电路。最近，亚波长光栅依靠通过调节占空比和有效抑制衍射效应来灵活改变波导芯的有效折射率的特征，为亚波长波导交叉等新型光子器件的设计提供了更多的可能性。对于定向耦合器，亚波长光栅结构也可以是良好的候选者，因为可以自由地定制装置的结构双折射和波长依赖性。由于设计简单，定向耦合器在光子集成电路中应用广泛，但是近年来定向耦合器通常受到高插入损耗、窄带宽和低制造公差的影响。因此，设计出一种具有低插入损耗、低反射损耗、高消光比、带宽较大、制造容差较大且结构紧凑的定向耦合器就很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于多模亚波长光栅的偏振不敏感定向耦合器，利用中路硅基亚波长光栅波导、亚波长光栅多模波导和上、下路硅基带状波导形成的基于亚波长光栅定向耦合器结构，可大大降低耦合器的插入损耗、反射损耗，提高器件消光比，缩短器件的尺寸，降低器件的制造难度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于多模亚波长光栅的偏振不敏感定向耦合器，该定向耦合器由下至上依次为掩埋氧化层、耦合器部件和上包层，上包层覆盖掩埋氧化层的上表面，耦合器部件水平生长于掩埋氧化层的上表面，并被上包层覆盖；
所述耦合器部件包括下路输入通道、下路左直角梯形通道、下路窄直通通道、下路右直角梯形通道、下路直通通道、上路直通通道、上路左直角梯形通道、上路窄直通通道、上路右直角梯形通道、上路输出通道、亚波长光栅结构、输入端锥形亚波长光栅结构、输出端锥形亚波长光栅结构；
下路输入通道的一端和下路左直角梯形通道宽的一端相连、下路左直角梯形通道窄的一端和下路窄直通通道的一端相连、下路窄直通通道的另一端和下路右直角梯形通道窄的一端相连、下路右直角梯形通道宽的一端和下路直通通道的一端相连，构成下路通道；
上路直通通道的一端和上路左直角梯形通道宽的一端相连、上路左直角梯形通道窄的一端和上路窄直通通道的一端相连、上路窄直通通道的另一端和上路右直角梯形通道窄的一端相连、上路右直角梯形通道宽的一端和上路输出通道的一端相连，构成上路通道；
其中，上路输出通道和下路直通通道位于同一端；下路输入通道和上路直通通道位于同一端；
输入端锥形亚波长光栅结构和输出端锥形亚波长光栅结构对称分列于亚波长光栅结构的左右侧且与其对齐相连，上路左直角梯形通道和下路左直角梯形通道对称分列于输入端锥形亚波长光栅结构的上下侧且与其对齐相连，上路窄直通通道和下路窄直通通道对称分列于亚波长光栅结构的上下侧且与其对齐相连，上路右直角梯形通道和下路右直角梯形通道对称分列于输出端锥形亚波长光栅结构的上下侧且与其对齐相连，构成基于亚波长光栅的定向耦合器部件；
下路输入通道、下路左直角梯形通道、下路窄直通通道、下路右直角梯形通道、下路直通通道、上路直通通道、上路左直角梯形通道、上路窄直通通道、上路右直角梯形通道、上路输出通道均为硅基带状波导，输入端锥形亚波长光栅结构、输出端锥形亚波长光栅结构均为硅基亚波长光栅波导，亚波长光栅结构为硅基亚波长光栅多模波导。
作为本发明的一种优选方案，所述硅基带状波导、硅基亚波长光栅波导与硅基亚波长光栅多模波导三者的尺寸满足以下条件：上路通道的硅基带状波导和下路通道的硅基带状波导的厚度均相同，硅基亚波长光栅波导的厚度小于上路通道及下路通道中硅基带状波导的厚度，硅基亚波长光栅多模波导的厚度小于上路通道及下路通道中硅基带状波导的厚度。
作为本发明的一种优选方案，所述掩埋氧化层、上包层的材料均为二氧化硅。
作为本发明的一种优选方案，所述掩埋氧化层的厚度为2～3μm。
作为本发明的一种优选方案，所述上路通道与下路通道之间的距离为0.15～0.25μm。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明定向耦合器插入损耗低，消光比高：横电模与横磁模进入输入通道后，可以很好的限制在波导中，由于光栅间距小于布拉格周期，亚波长光栅结构在亚波长区域工作，因此器件衍射的功率很小，横电模与横磁模的大部分功率被输出到输出通道，但在下路直通通道仍有一些剩余功率，在下路直通通道与输出通道形成的耦合器的帮助下，将功率耦合到输出通道，因此降低了插入损耗并且得到了很高的消光比。
2、本发明定向耦合器结构紧凑：本发明中引入了亚波长光栅结构，通过调节占空比和有效的抑制衍射效应来灵活改变波导芯的有效折射率，为亚波长波导交叉等光子器件的设计提供了更多的可能性，并且使用了亚波长光栅结构可以自由的定制器件的结构双折射和波长依赖性，还使本器件获得了紧凑的结构。
3、本发明定向耦合器中等带宽：由于本发明定向耦合器的高波长灵敏度和MMI结构，可以获得40nm的中等带宽，从1.53um到1.57um，覆盖了光通信系统中的整个C波段。
附图说明
图1是本发明基于多模亚波长光栅的偏振不敏感定向耦合器的内部结构图。
图2是本发明基于多模亚波长光栅的偏振不敏感定向耦合器的横截面结构示意图。
图3是本发明定向耦合器在1.55μm工作波长处的TE0模的电场分布图。
图4是本发明定向耦合器在1.55μm工作波长处的TM0模的电场分布图。
其中，1-下路输入通道，2-下路左直角梯形通道，3-下路窄直通通道，4-下路右直角梯形通道，5-下路直通通道，6-上路直通通道，7-上路左直角梯形通道，8-上路窄直通通道，9-上路右直角梯形通道，10-上路输出通道，11-亚波长光栅结构，12-输入端锥形亚波长光栅结构，13-输出端锥形亚波长光栅结构，14-基于亚波长光栅的定向耦合器部件，15-掩埋氧化层，16-上包层，17-耦合器部件。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图2所示，该耦合器由下至上依次为掩埋氧化层15、耦合器部件17和上包层16，上包层16覆盖掩埋氧化层15的上表面，耦合器部件17水平生长于掩埋氧化层15的上表面，并被上包层16覆盖。
如图1所示，耦合器部件17包括下路输入通道1、下路左直角梯形通道2、下路窄直通通道3、下路右直角梯形通道4、下路直通通道5、上路直通通道6、上路左直角梯形通道7、上路窄直通通道8、上路右直角梯形通道9、上路输出通道10、亚波长光栅结构11、输入端锥形亚波长光栅结构12、输出端锥形亚波长光栅结构13。
下路输入通道1、下路左直角梯形通道2、下路窄直通通道3、下路右直角梯形通道4、下路直通通道5依次相连，构成下路通道；上路直通通道6、上路左直角梯形通道7、上路窄直通通道8、上路右直角梯形通道9、上路输出通道10依次相连，构成上路通道；上路、下路通道之间的距离为0.15～0.25μm(即上路输出通道10和下路直通通道5之间的距离或者下路输入通道1和上路直通通道6之间的距离)，其中，上路输出通道10和下路直通通道5位于同一端；下路输入通道1和上路直通通道6位于同一端。
输入端锥形亚波长光栅结构12和输出端锥形亚波长光栅结构13对称分列于亚波长光栅结构11的左右侧且与其对齐相连，与上路通道中的上路左直角梯形通道7、上路窄直通通道8、上路右直角梯形通道9，和下路通道中的下路左直角梯形通道2、下路窄直通通道3、下路右直角梯形通道4，构成基于亚波长光栅的定向耦合器部件14。
图1中，下路输入通道1、下路左直角梯形通道2、下路窄直通通道3、下路右直角梯形通道4、下路直通通道5、上路直通通道6、上路左直角梯形通道7、上路窄直通通道8、上路右直角梯形通道9、上路输出通道10均为硅基带状波导，输入端锥形亚波长光栅结构12、输出端锥形亚波长光栅结构13为硅基亚波长光栅波导，亚波长光栅结构11为硅基亚波长光栅多模波导。
合理的设计硅基带状波导与亚波长光栅结构波导的尺寸，当横电模与横磁模进入输入波导时，能量集中在波导中，传输损耗非常小，最终从输出波导输出。硅基带状波导与亚波长光栅结构波导，两者的尺寸满足以下条件：上路通道的硅基带状波导和下路通道的硅基带状波导的厚度均相同，中间亚波长光栅结构的厚度要小于上路通道及下路通道中硅基带状波导的厚度。
其中，亚波长光栅结构11的光栅间距Λ满足下式：
Λ<ΛBragg
ΛBragg＝2λ/2nB
Figure BDA0001885089760000051
式中：λ为自由空间波长，Λ为光栅间距，nGH为亚波长光栅高折射率区的折射率，nGL为亚波长光栅低折射率区的折射率，a是一个光栅间隔内沿着传播方向的高折射率介质的宽度，nB为布拉格光栅的有效折射率。由于光栅间距小于布拉格周期，亚波长光栅结构在亚波长区域工作，因此器件衍射的功率很小，降低了插入损耗并且提高了消光比。
当横磁模从下路输入通道输入时，由于合理的设计硅基带状波导与亚波长光栅结构波导的尺寸，带状波导的横磁模折射率等于亚波长光栅结构横磁模有效折射率实部，即横磁模满足相位匹配条件，从下路输入通道输入的横磁模将耦合到上路通道的带状波导中，最终在上路输出通道的带状波导处输出。
当横电模从下路输入通道输入时，将通过锥形亚波长光栅结构的输入转换进入到亚波长光栅多模波导中，然后由自成像原理可知，横电模在上路右直角梯形通道处输出，最终也在上路输出通道的带状波导处输出，实现了偏振不敏感的工作特性。
亚波长光栅结构使器件可以定制结构双折射和波长依赖性，受益于亚波长光栅结构，横磁模的耦合长度远小于传统的定向耦合器，获得横电模输入场分布的直接单个图像的长度远小于传统MMI，使器件长度缩短，得到了紧凑的结构。
图2中，掩埋氧化层15是二氧化硅材料，掩埋氧化层15的厚度为2～3μm，上包层16的材料为二氧化硅。
图3给出了TE0模在基于亚波长光栅的多模紧凑型偏振不敏感定向耦合器的电场分布图。上路直通通道波导与下路输入通道波导间距0.2μm，工作波长为1.55μm。可以看出，TE0模式进入输入波导后，经过锥形锥形亚波长光栅结构的输入转换进入亚波长光栅多模波导中，由自成像原理在上路右直角梯形通道处输出，最终完全耦合到上路输出波导中，TE0模式在传输过程中被较好的限制在输入与输出带状波导中，几乎没有损耗而且耦合过程中能量损耗较小、消光比高。
图4给出了TM0模在基于亚波长光栅的多模紧凑型偏振不敏感定向耦合器的电场分布图。带状波导与亚波长光栅波导尺寸与图3中的一致，工作波长为1.55μm。可以看出，TM0模式进入输入波导后，经过锥形亚波长光栅结构和亚波长光栅多模波导，最终完全耦合到上路输出波导中，TM0模式在传输过程中被极好的限制在输入与输出带状波导中，几乎没有损耗而且耦合过程中能量损耗小、消光比高。结合图3说明此定向耦合器的偏振不敏感特性。另外TE0模与TM0模能量均从上路输出波导处输出并且实现了良好的性能，基于亚波长光栅的定向耦合器部件长度仅需要7μm、宽度仅需要1.2μm，有利于实现尺寸小且紧凑的定向耦合器。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于多模亚波长光栅的偏振不敏感定向耦合器，其特征在于，该定向耦合器由下至上依次为掩埋氧化层(15)、耦合器部件(17)和上包层(16)，上包层(16)覆盖掩埋氧化层(15)的上表面，耦合器部件(17)水平生长于掩埋氧化层(15)的上表面，并被上包层(16)覆盖；
所述耦合器部件(17)包括下路输入通道(1)、下路左直角梯形通道(2)、下路窄直通通道(3)、下路右直角梯形通道(4)、下路直通通道(5)、上路直通通道(6)、上路左直角梯形通道(7)、上路窄直通通道(8)、上路右直角梯形通道(9)、上路输出通道(10)、亚波长光栅结构(11)、输入端锥形亚波长光栅结构(12)、输出端锥形亚波长光栅结构(13)；
下路输入通道(1)的一端和下路左直角梯形通道(2)宽的一端相连、下路左直角梯形通道(2)窄的一端和下路窄直通通道(3)的一端相连、下路窄直通通道(3)的另一端和下路右直角梯形通道(4)窄的一端相连、下路右直角梯形通道(4)宽的一端和下路直通通道(5)的一端相连，构成下路通道；
上路直通通道(6)的一端和上路左直角梯形通道(7)宽的一端相连、上路左直角梯形通道(7)窄的一端和上路窄直通通道(8)的一端相连、上路窄直通通道(8)的另一端和上路右直角梯形通道(9)窄的一端相连、上路右直角梯形通道(9)宽的一端和上路输出通道(10)的一端相连，构成上路通道；
其中，上路输出通道(10)和下路直通通道(5)位于同一端；下路输入通道(1)和上路直通通道(6)位于同一端；
输入端锥形亚波长光栅结构(12)和输出端锥形亚波长光栅结构(13)对称分列于亚波长光栅结构(11)的左右侧且与其对齐相连，上路左直角梯形通道(7)和下路左直角梯形通道(2)对称分列于输入端锥形亚波长光栅结构(12)的上下侧且与其对齐相连，上路窄直通通道(8)和下路窄直通通道(3)对称分列于亚波长光栅结构(11)的上下侧且与其对齐相连，上路右直角梯形通道(9)和下路右直角梯形通道(4)对称分列于输出端锥形亚波长光栅结构(13)的上下侧且与其对齐相连，构成基于亚波长光栅的定向耦合器部件(14)；
下路输入通道(1)、下路左直角梯形通道(2)、下路窄直通通道(3)、下路右直角梯形通道(4)、下路直通通道(5)、上路直通通道(6)、上路左直角梯形通道(7)、上路窄直通通道(8)、上路右直角梯形通道(9)、上路输出通道(10)均为硅基带状波导，输入端锥形亚波长光栅结构(12)、输出端锥形亚波长光栅结构(13)均为硅基亚波长光栅波导，亚波长光栅结构(11)为硅基亚波长光栅多模波导；
所述硅基带状波导、硅基亚波长光栅波导与硅基亚波长光栅多模波导三者的尺寸满足以下条件：上路通道的硅基带状波导和下路通道的硅基带状波导的厚度均相同，硅基亚波长光栅波导的厚度小于上路通道及下路通道中硅基带状波导的厚度，硅基亚波长光栅多模波导的厚度小于上路通道及下路通道中硅基带状波导的厚度。
2.根据权利要求1所述基于多模亚波长光栅的偏振不敏感定向耦合器，其特征在于，所述掩埋氧化层(15)、上包层(16)的材料均为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述基于多模亚波长光栅的偏振不敏感定向耦合器，其特征在于，所述掩埋氧化层(15)的厚度为2～3μm。
4.根据权利要求1所述基于多模亚波长光栅的偏振不敏感定向耦合器，其特征在于，所述上路通道与下路通道之间的距离为0.15～0.25μm。
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