CN109581586A - 一种结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片，包括硅衬底和依次在硅衬底上制作的二氧化硅缓冲层和氮化硅芯层；芯层上设有上输出端口和下输出端口；波长633纳米和波长1310纳米的TE偏振光，分别从下输出端口和上输出端口输出以实现波长分束。本发明针对波长633纳米可见光和波长1310纳米近红外的TE偏振光，提供一种高消光比的波分复用器件。该器件可将上述的两波长偏振光，分别从上下两个端口输出，且消光比均大于25dB，插入损耗小于1dB。

Description

一种结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片
技术领域
本发明属于波分复用器件，尤其涉及一种结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片。
背景技术
无源光网络系统以其高容量、大带宽等特点，成为下一代光接入网中最具前景的方案之一。而低成本、高性能的光电子器件则是无源光网络系统在未来能否取得成功的关键。目前大部分网络设备仍然是基于电信号进行信息传输，也就是说光信号必须被转换为电信号，才能被放大、再生、进行开关转换等，然后再转变为光信号进行传输。而光-电-光转换已经成为信息高速传输的瓶颈。在此背景下，全光网络应运而生，波分复用器件在无源光网络中能够起到重要作用。可见光通信利用可见光传输信息，完全没有电磁辐射和电磁干扰，对人的身体健康没有任何危害，随着现在电磁污染的日益严重，使用清洁无害的光通信技术越来越被人们所重视，与传统技术相比,其可利用频带宽、安全性和私密性高,无电磁干扰,不需频段许可授,能以低成本实现高带宽、高速率无线通信的接入满足下一代新型多媒体通信的要求【在先技术1:S.H.Yang，et al.Optics Communications,vol.385,pp.113-117,FEB 2017.】。光波分复用器作在光通信网络系统静态组件中的起着至关重要的作用，它也可以在可见光波段中运行，并有助于将可见光通信的优势带给用户终端【在先技术2：N.B.Chuan；et al.International Conference on Photonics(ICP),vol.25,OCT 2010.】，将现有的光通信网络与可见光通信网络互连，实现高效率的信息传输，也是光通信未来发展的热点。此外，在红外光通信网络布线的环境中，为了满足高性能布线需求，经常会用到裸纤，并且往往需要对光纤进行盘纤、熔接等操作。由于光纤脆弱，容易发生故障，因此检测成为了红外光通信网络布线中重要环节。利用红光排查光纤网络故障，可快速检测光纤连通性及光纤断裂、弯曲等故障点定位。类似的，红光也可以用于玻璃平板光波导的耦合封装过程，提高器件封装的准确性和可靠性。
近年来，硅基光子学吸引了学术界和工业界的极大关注，在集成光通信器件、片上光互联以及非线性光学等领域存在巨大的应用前景，发展迅速。相对于传统光纤熔锥型波分复用器件和薄膜滤波器型波分复用器件，基于多模干涉的集成光子芯片实现波分复用，具有尺寸小、集成度高、结构简单、成本低、低插入损耗，高消光比等优点，更加符合未来光通信高速率、低能耗、无干扰的发展要求。然而现有技术中，设计制作用于波长633纳米可见光和波长1310纳米近红外的TE偏振氮化硅波分复用光子芯片还未见相关报道，因而该波分复用的光子芯片的研究有重要的意义和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片，其针对波长633纳米可见光和波长1310纳米近红外的TE偏振光，提供一种高消光比的波分复用器件。该器件可将上述的两波长偏振光，分别从上下两个端口输出，且消光比均大于25dB，插入损耗小于1dB。因此，该波分复用光子芯片，具有尺寸小、结构简单、成本低、低插入损耗，高消光比等优点，在光网络节点处理领域中具有重要的实用价值。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片，包括硅衬底和依次设置在所述硅衬底上的二氧化硅缓冲层和基于氮化硅的芯层；所述芯层上设置上输出端口和下输出端口；波长为633纳米可见光和波长1310纳米的TE偏振光，分别从所述下输出端口和上输出端口输出以实现波长分束。
优选地，所述芯层包括一输入波导、一多模干涉区域波导和一对输出波导；光束经输入波导传输到所述多模干涉区域波导，之后经所述多模干涉区域波导分别传输到所述输出波导；其中一所述输出波导上设置所述上输出端口，另一个所述输出波导上设置下输出端口。
优选地，所述输入波导包括输入直波导和输入锥形波导；所述输入直波导的输出端与所述输入锥形波导的小端连接；所述输入锥形波导的大端与所述多模干涉区域波导的输入端连接。
优选地，所述输入直波导和输出直波导的宽度均为0.7微米，所述输入直波导和输出直波导的长度均为10微米。
优选地，所述输入锥形波导的长度为10微米；所述输入锥形波导的大端、小端的宽度分别为1.7微米和0.7微米。
优选地，所述输出波导包括输出直波导和输出锥形波导；所述输出直波导的输出端与所述输出锥形波导的大端连接；所述输出锥形波导的小端与所述输出直波导的输入端连接。
优选地，所述多模干涉区域波导的长度为157微米；所述多模干涉区域波导的长度制作容差范围±2微米。
优选地，所述输出波导和输入波导均偏离所述多模干涉区域波导的中心线1微米。
优选地，所述二氧化硅缓冲层的厚度为3微米。
优选地，所述芯层的厚度为400纳米。
与现有技术相比，本发明的优点为：该芯片可将上述的两波长偏振光，分别从上下两个端口输出，且消光比均大于25dB，插入损耗小于1dB。因此，该波分复用器件，具有尺寸小、结构简单、成本低、低插入损耗，高消光比等优点，在光网络节点处理领域以及光检测中具有重要的实用价值。
附图说明
图1为是本发明一实施例的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片的示意图。
图2是图1中输入波导处的截面图。
图3是是图1中输出波导处的截面图。
图4(a)是本发明一实施例的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片基于光束传输法模拟的，波长633纳米和波长1310纳米TE偏振光入射时，光束传输的场分布图。
图4(b)是本发明一实施例的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片基于光束传输法模拟的波长1310纳米TE偏振光入射时，光束传输的场分布图。
图5是本发明一实施例的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片在波长633纳米和波长1310纳米TE偏振光入射时，多模干涉区域波导不同长度下归一化的端口输出能量图。
图6是本发明一实施例的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片在波长633纳米和波长1310纳米TE偏振光入射时，多模干涉区域波导不同长度下的插入损耗曲线图。
图7是本发明一实施例的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片在波长633纳米和波长1310纳米TE偏振光入射时，多模干涉区域波导不同长度下的消光比曲线图。
图8是本发明一实施例的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片的制作流程图。
其中，1-输入波导，2-多模干涉区域波导，3-输出波导，31-上输出端口，32-下输出端口，4-二氧化硅缓冲层，5-芯层。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
如图1所示，一种结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片，包括硅衬底和依次设置在硅衬底上的二氧化硅缓冲层4和基于氮化硅的芯层5；芯层5上设置上输出端口31和下输出端口32；波长为波长633纳米可见光和波长1310纳米的TE偏振光，分别从下输出端口32和上输出端口31输出以实现波长分束。其中，二氧化硅缓冲层4的厚度为3微米、芯层5的厚度为400纳米。氮化硅的芯层5为通道型氮化硅光波导。该芯片可将上述的两波长偏振光，分别从上下两个端口输出，且消光比均大于25dB，插入损耗小于1dB。这里的消光比，定义为期望输出端口能量与非期望端口输出能量的比值。这里的插入损耗，定义为期望输出端口能量与输入端能量的比值。因此，该波分复用器件，具有尺寸小、结构简单、成本低、低插入损耗，高消光比等优点，在光网络节点处理领域中具有重要的实用价值。
在本实施例中，芯层5采用多模干涉结构，芯层5包括一输入波导1、一多模干涉区域波导2和一对输出波导3；光束经输入波导1传输到多模干涉区域波导2，之后经多模干涉区域波导2分别传输到输出波导3；其中一输出波导3上设置上输出端口31，另一个输出波导3上设置下输出端口32。即该芯层5是1个一分二的多模干涉分束器，将波长633纳米和波长1310纳米TE偏振光分端口输出。
如图2所示，输入波导1包括输入直波导和输入锥形波导；输入直波导的输出端与输入锥形波导的小端连接；输入锥形波导的大端与多模干涉区域波导2的输入端连接。芯层5的通道型氮化硅波导(折射率约为2.01)厚度H为0.4微米，宽度W为0.7微米，输入波导1与中心线偏移Xpos为1微米且氮化硅波导被2微米的二氧化硅上包层覆盖。
在本实施例中，输入直波导和输出直波导的宽度均为0.7微米，输入直波导和输出直波导的长度均为10微米。
在本实施例中，输入锥形波导的长度为10微米；输入锥形波导的大端、小端的宽度分别为1.7微米和0.7微米。
如图3所示，输出波导3包括输出直波导和输出锥形波导；输出直波导的输出端与输出锥形波导的大端连接；输出锥形波导的小端与输出直波导的输入端连接。该输出波导3以硅作为衬底层，在其上镀厚度为3微米的二氧化硅(折射率约为1.46)材料作为缓冲层，芯层5的通道型氮化硅波导(折射率约为2.01)厚度H为0.4微米，宽度W为0.7微米，输出波导3以中心线对称，分别向两侧偏移Xpos为1微米，且氮化硅波导被2微米的二氧化硅上包层覆盖(未标出)。
在本实施例中，多模干涉区域波导2的长度为157微米；多模干涉区域波导2的长度制作容差范围±1微米。
在本实施例中，输出波导3和输入波导1均偏离多模干涉区域波导2的中心线1微米。
该器件的设计过程如下：优化器件结构以确保低损耗、高消光比输出为原则。为了优化输入输出波导3的光耦合，提升整体器件的工作性能，引入锥形输入波导1。设计时，先由选定的入射波长λ1、λ2以及耦合区域的波导宽度，根据公式【在先技术3：Lucas B.Soldano et al.JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY.VOL.13,NO.4，APRIL 1995】分别计算两TE模式光入射时有效耦合宽度we1和we2，其中we为多模波导宽度，λ为自由空间波长，σ为模式极，对于TE模σ＝0，对于TM模σ＝1，nc为包层的折射率，nr为波导层的折射率，在高折射率差波导中，We≈W。然后再由有效宽度计算出耦合区域的拍长Lπ(633)和Lπ(1310)，公式为【在先技术3：Lucas B.Soldano et al.JOURNAL OFLIGHTWAVE TECHNOLOGY.VOL.13,NO.4,APRIL 1995】。多模干涉偶合区长度为L＝kLπ【在先技术3：Lucas B.Soldano et al.JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY.VOL.13,NO.4,APRIL1995】,受限共振机制中，如果k分别是奇数或偶数，则形成自成像点为同向或者镜像图像。改变多模干涉区域波导2的长度以满足的多模干涉区域波导2长度L＝pLπ(633)＝(p+q)Lπ(1310)，从而实现波长633纳米和波长1310纳米TE偏振光分别从同向或者镜像端口输出，其中p为正整数，q为奇数。初步得到理论上氮化硅波分复用光子芯片的器件参数，再使用基于RSoft Photonics CAD Suite的FV-BPM算法进行参数优化。最终设计的多模干涉区域波导2的宽度6微米，长度为157微米。输出波导3与输入波导1的结构均为直波导与锥形波导组合。输入锥形波导的长度为10微米，输入锥形波导的大端的宽度为1.7微米；输入锥形波导的小端的宽度为0.7微米；所述输入直波导和输出直波导的宽度为均为0.7微米，长度均为10微米；输入和输出波导3均偏移多模干涉区域波导2中心线1微米。
表1给出了本实施例一系列实施例，在设计过程中，两种波长分别入射，不同多模干涉区域波导2长度得到不同消光比和插入损耗的氮化硅波分复用光子芯片。由表1可知，消光比均大于25分贝，插入损耗小于1分贝。这里的消光比，定义为期望输出端口能量与非期望端口输出能量的比值。这里的插入损耗，定义为期望输出端口能量与输入端能量的比值。
表1
经验证，如图4(a)及4(b)可以看出该芯片可将波长633纳米TE偏振光很好地从下端口输出，波长1310纳米TE偏振光很好地从上输出端口31输出。
如图5所示，波长633纳米和波长1310纳米TE偏振光入射时，多模干涉区域波导2不同长度下，归一化端口输出能量，可以看出长度为156-158微米时器件性能良好。其中，A1为波长633纳米入射输入波导1时的输出归一化能量曲线；A2为波长633纳米由输出波导3的下输出端口32出射时的输出归一化能量曲线；B1为波长1310纳米入射输入波导1时的输出归一化能量曲线；B2波长1310纳米由输出波导3的上输出端口31出射时的输出归一化能量曲线。
如图6所示，插入损耗定义为-10×log(η期望输出端/η输入端)，单位为分贝，η期望输出端为波导期望输出端口的能量，η输入端为输入波导1端口的能量。图中插入损耗曲线C1表示为波长633纳米TE偏振光下插入损耗，插入损耗曲线C2表示为波长1310纳米TE偏振光下插入损耗。由图可知，在多模干涉区域波导2的长度156微米～158微米情况下，该波分复用器件的插入损耗均小于1分贝。
图7为波长633纳米和波长1310纳米TE偏振光入射时，不同长度下的多模干涉区域波导2的消光比曲线图。这里的插入损耗定义为10×log(η期望输出端/η不期望输出端)，单位为分贝，η期望输出端为波导期望输出端口的能量，η不期望输出端为波导不期望输出端口的能量。图中消光比曲线D1表示为波长633纳米TE偏振光下消光比，消光比曲线D2表示为波长1310纳米TE偏振光下消光比。由图可知，在多模干涉区域波导2长度156微米～158微米情况下，该波分复用器件的插入损耗均大于25分贝。
图8显示了氮化硅波分复用光子芯片制作流程的截面图。在350摄氏度下，通过等离子体增强化学气相沉积在硅基上形成3微米的二氧化硅缓冲层4。在二氧化硅缓冲层4上涂覆抗蚀剂作为氮化硅光子电路的蚀刻掩模，使用电子束光刻和等离子蚀刻，实时监控刻蚀深度，可得到表面平坦的氮化硅波导。样品经过氧化电浆和湿化学工艺清洗后通过等离子体增强化学气相沉积2微米厚的二氧化硅上包层，最后在波导背面上抛光并切割以进行性能表征。
经长期研究总结发现，本发明中的氮化硅这一种新型的光子平台，具有优良的光电特性，绝缘耐压性能以及机械性能，在集成光电子器件方面有着广泛应用。相对于传统的硅波导，氮化硅波导具有从可见光到红外宽的透射谱，可以同时满足可见光和红外的光高效传输。基于氮化硅材料的光波导结构，折射率适中，拥有更少的模式约束，稳定性好。并且与包层折射率差大，制备简单、工艺成本低、器件尺寸小，集成度高，易于大规模商业化生产。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片，其特征在于，包括硅衬底和依次设置在所述硅衬底上的二氧化硅缓冲层和基于氮化硅的芯层；所述芯层上设置上输出端口和下输出端口；波长633纳米可见光和波长1310纳米的TE偏振光，分别从所述下输出端口和上输出端口输出以实现波长分束。
2.根据权利要求1所述的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片，其特征在于，所述芯层包括一输入波导、一多模干涉区域波导和一对输出波导；光束经输入波导传输到所述多模干涉区域波导，之后经所述多模干涉区域波导分别传输到所述输出波导；其中一所述输出波导上设置所述上输出端口，另一个所述输出波导上设置下输出端口。
3.根据权利要求2所述的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片，其特征在于，所述输入波导包括输入直波导和输入锥形波导；所述输入直波导的输出端与所述输入锥形波导的小端连接；所述输入锥形波导的大端与所述多模干涉区域波导的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片，其特征在于，所述输入直波导和输出直波导的宽度均为0.7微米，所述输入直波导和输出直波导的长度均为10微米。
5.根据权利要求3所述的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片，其特征在于，所述输入锥形波导的长度为10微米；所述输入锥形波导的大端、小端的宽度分别为1.7微米和0.7微米。
6.根据权利要求2所述的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片，其特征在于，所述输出波导包括输出直波导和输出锥形波导；所述输出直波导的输出端与所述输出锥形波导的大端连接；所述输出锥形波导的小端与所述输出直波导的输入端连接。
7.根据权利要求2所述的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片，其特征在于，所述多模干涉区域波导的长度为157微米；所述多模干涉区域波导的长度制作容差范围±1微米。
8.根据权利要求2所述的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片，其特征在于，所述输出波导和输入波导均偏离所述多模干涉区域波导的中心线1微米。
9.根据权利要求1所述的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片，其特征在于，所述二氧化硅缓冲层的厚度为3微米。
10.根据权利要求1所述的结构紧凑型氮化硅波分复用光子芯片，其特征在于，所述芯层的厚度为400纳米。
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