CN110221384A - 一种硅基超材料多模弯曲波导及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基超材料多模弯曲波导及其制备方法，多模弯曲波导包括多模输入波导，多模输出波导和超材料波导，多模输入波导与多模输出波导都可以支持多个模式，超材料波导由N×N个同等大小的像素块组成，对像素块进行打孔，形成特殊的通孔阵列，利用超材料波导在亚波长尺寸内的折射率调控能力，进行波前相位调控。超材料亚波长尺寸的通孔阵列的排布可以等效为非对称Y分支结构，将高阶模先转化成基膜，实现超小半径90度偏转传输，再转换成相应的高阶模，从而实现小尺寸多模弯曲波导。因此解决了超小尺寸的弯曲波导的模式失配问题，减小器件的插损，提升多模弯曲波导的性能。

Description

一种硅基超材料多模弯曲波导及其制备方法
技术领域
本发明属于集成光子器件领域，更具体地，涉及一种硅基超材料多模弯曲波导及其制备方法。
背景技术
近年来随着人工智能、大数据、云计算的兴起与发展，人们对通信的容量、带宽和速率需求呈爆发式增长，光互联技术是现今最有潜力克服通信网络传输瓶颈的途径，同时光学器件的高度集成化正成为大势所趋。在各种光互连方案中，硅基光互连技术被认为是最有发展前途的方案。硅材料已经被广泛应用于CMOS集成电路，其结构制作工艺成熟，可进行大规模、低成本生产。近年来硅基集成光源、调制器、探测器和阵列波导光栅等关键功能器件获得飞速发展，是实现芯片级光互连的理想平台。但如何在减少器件尺寸同时依然保有高性能，一直是硅基光子领域的一项重大挑战。多模弯曲波导是一种重要的光学元件，它对端口功率一致性、波长无关性、低损耗特性等都有相当高的要求。
目前常规双模弯曲波导中，由于输入直波导和弯曲波导之间模式存在严重的模式失配，往往需要数十甚至上百微米的弯曲半径实现2个模式的90度弯曲来改变传播方向。而且随着模式数目的增加，弯曲半径将成倍的增加，这极大限制了传统多模波导在超大规模超高集成度硅光电子芯片中的应用。
另外，还有通过引入亚波长光栅(Sub Wavelength Grating，SWG)结构来减小器件尺寸的案例，SWG的主要原理是亚波长尺寸的折射率变化可以使光波不受散射损耗的影响，因此，对光波而言SWG相当于一种等效材料，其折射率介于组成SWG的两种材料(通常为硅和空气)之间。SWG结构主要包括宽度在80nm左右的均匀的周期性长条形阵列，其制备过程对工艺精度的要求很高，实现起来十分困难。另一方面，平板光子晶体器件的制备工艺已经十分完善，使用电子束刻蚀(EBL)与电感耦合等离子体(ICP)工艺在绝缘体上硅(SOI)上打孔，直径最小可达80nm以下，且均匀性良好，但传统的光子晶体因波导边缘和孔内部所得的电子束剂量不同，在一次性刻蚀中，其深度不同，孔深度小于波导边缘的深度，因此波导区和光子晶体区通常采用套刻工艺完成。综上，采用打孔工艺制作亚波长结构在工艺上更为可行，另外若能考虑到孔深度对结构进行优化，则可以使用一次性刻蚀完成器件的制作。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种硅基超材料多模弯曲波导及其制备方法，旨在解决传统多模波导在超小尺寸内实现多模90度偏转传输存在的模式失配问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种硅基超材料多模弯曲波导，包括多模输入波导、多模输出波导和所述多模输入波导与所述多模输出波导之间的超材料波导；
所述超材料波导由N×N个同等大小的像素块组成；
其中，N为正整数。
优选地，像素块的状态包括中心打孔或者中心不打孔，形成一个满足二进制优化算法的通孔阵列。
优选地，多模输入波导和多模输出波导的宽度为1.2μm，该取值为支持三个模式的硅基波导宽度的典型值。
优选地，超材料波导的尺寸为4.32μm×4.32μm。
优选地，像素块中心通孔孔径为90nm，深度为220nm。
优选地，多模输入波导和所述多模输出波导呈垂直关系，实现90度传输方向改变。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述弯曲波导的参数获取方法，包括：
随机改变一个具有预设初始状态的像素块的中心打孔状态；
计算从多模输入波导输入的光经过弯曲波导后从多模输出波导输出的光功率，若输出光功率大于改变中心打孔状态前的输出光功率，保留所述像素块的中心打孔状态，否则，还原所述像素块的中心打孔状态；
逐行逐列依次遍历所有像素块，重复上述步骤，直至改变任意一个像素块使得输出光功率增量小于预设值，停止循环，获得最终的弯曲波导的像素块中心打孔状态的分布。
进一步地，所述预设值为1％，即遍历所有像素块，改变任意一个像素块使得输出光功率增量小于1％，则优化终止。
按照本发明的又一方面，提供了一种硅基超材料多模弯曲波导的制备方法，包括以下步骤：
在SOI基片上形成夹角为90上的多模输入波导和多模输出波导以及多模输入波导和多模输出波导之间的超材料波导；
将被分为N×N个像素块的所述超材料波导按照获取的参数在中心打孔状态的像素块的中心形成通孔。
优选地，通孔的直径为90nm，深度为220nm。考虑到器件加工时的EBL过程的精度限制及时间成本，通孔直径不宜过小，通常大于80nm；另外，通孔直径也不宜过大，通常小于100nm，否则在器件加工时的ICP过程中，会造成相邻的通孔之间出现刻穿，造成工艺误差，增加器件的插损；通孔的深度与通孔直径成正比关系，且与工艺条件有关，包括ICP过程中的离子气体浓度、气压等，220nm的深度为本说明书中的样片的工艺条件下的取值。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提出的硅基超材料多模弯曲波导结构，利用超材料波导在亚波长尺寸内的折射率调控能力，进行波前相位调控，超材料亚波长尺寸的通孔阵列的排布可以等效为非对称Y分支结构，将高阶模先转化成基膜，实现超小半径90度偏转传输，再转换成相应的高阶模，从而解决了超小尺寸的弯曲波导的高阶模的模式失配问题；
(2)本发明所提出的硅基超材料多模弯曲波导结构，克服了超小尺寸弯曲半径下传统波导的高阶模式弯曲波导传输中的模式失配问题，保证了模式转换的有效性，从而减小了器件因模式失配带来的插入损耗，本发明输出波导的多个模式损耗在1.5dB以下；
(3)传统多模弯曲波导为了减小高阶模在弯曲波导中的模式失配，需要增加弯曲波导的半径，通常达数百微米长，不利于超高集成度的硅光芯片中应用，而本发明通过在绝缘体上硅上打孔，实现一次性刻蚀完成器件的制备，工艺鲁棒性好；
(4)本发明提供的多模弯曲波导的器件工作带宽在1520nm～1580nm，可支持C波段通信传输。
附图说明
图1是本发明提供的一种硅基超材料多模弯曲波导的结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的随机初值硅基超材料多模弯曲波导的初始及优化后的结构示意图；
图3是本发明实施例2提供的设定初值硅基超材料多模弯曲波导的初始及优化后的结构示意图；
图4(a)是本发明实施例2提供的弯曲波导的TE0模的输出插损以及和其他模式的串扰；
图4(b)是本发明实施例2提供的弯曲波导的TE1模的输出插损以及和其他模式的串扰；
图4(c)是本发明实施例2提供的弯曲波导的TE2模的输出插损以及和其他模式的串扰。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种硅基超材料多模弯曲波导，如图1所示，包括多模输入波导、多模输出波导和所述多模输入波导与所述多模输出波导之间的超材料波导；
所述超材料波导由N×N个同等大小的像素块组成；
其中，N为正整数。
具体地，像素块的状态包括中心打孔或者中心不打孔，形成一个满足二进制优化算法的通孔阵列。
具体地，多模输入波导和多模输出波导的宽度为1.2μm，该取值为支持三个模式的硅基波导宽度的典型值。
具体地，超材料波导的尺寸为4.32μm×4.32μm。
具体地，像素块中心通孔孔径为90nm，深度为220nm。
本发明中弯曲波导的参数获取由优化算法得来，算法可以为模拟退火法、直接二进制算法等，针对现有输出和目标输出的差值进行优化，经数次迭代，最终得到一个满足目标输出条件的通孔阵列。具体包括：
随机改变一个具有预设初始状态的像素块的中心打孔状态；
计算从多模输入波导输入的光经过弯曲波导后从多模输出波导输出的光功率，若输出光功率大于改变中心打孔状态前的输出光功率，保留所述像素块的中心打孔状态，否则，还原所述像素块的中心打孔状态；
逐行逐列依次遍历所有像素块，重复上述步骤，直至改变任意一个像素块使得输出光功率增量小于预设值，停止循环，获得最终的弯曲波导的像素块中心打孔状态的分布。
本发明中，亚波长尺寸的通孔阵列的排布可以等效为非对称Y分支结构，将高阶模先转化成基模，实现90度偏转传输，再转换成相应的高阶模，从而实现小尺寸多模弯曲波导。
在厚度为220nm的SOI基片上形成宽度均为1.2μm的多模输入波导和多模输出波导，以及多模输入波导和多模输出波导之间的大小为4.32μm×4.32μm的超材料波导，分割为36×36个120nm×120nm的像素块，每个像素块具有沿多模输入波导和多模输出波导对角线轴对称分布的初始状态：中心打孔或不打孔，若打孔，孔直径选为90nm。取轴对称的通孔阵列可以保证光场轴对称分布，同时加倍优化算法的收敛速度。
经由优化算法，针对目标输出进行优化。通过改变一个或多个像素块的刻蚀状态，并计算从多模输入波导输入的光经过弯曲波导后从多模输出波导输出的光功率，若输出光功率大于改变中心打孔状态前的输出光功率，保留所述像素块的中心打孔状态。一次迭代指一次计算过程，经过多次迭代后，将得到一个最优的亚波长通孔阵列分布。本发明要解决的问题属于多最优值问题，利用不同算法或取不同的初始分布时，其对应的优化结果具有不同的最优分布，图2和图3分别示出了实施例1和实施例2对应的两种不同的初始状态以及优化后的打孔分布。
经数次迭代，最终得到一个满足条件的通孔阵列，可以实现至少1520nm～1580nm宽波段范围内的超小尺寸多模弯曲波导。
至此，该器件可经标准工艺制造完成，对应于实施例2的通孔阵列的样片，各个模式的输出插损和其他模式的串扰测试结果如图4(a)至(c)所示，传输曲线“TE0-TE0”代表其中多模弯曲波导输入模式为TE0，输出模式为TE0，在1520nm～1580nm波段内多模弯曲波导的各模式的插损均小于1.5dB，串扰小于-18dB。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种硅基超材料多模弯曲波导，其特征在于，包括多模输入波导、多模输出波导和所述多模输入波导与所述多模输出波导之间的超材料波导；
所述超材料波导由N×N个同等大小的像素块组成；
其中，N为正整数。
2.根据权利要求1所述波导，其特征在于，所述像素块的状态包括中心打孔或者中心不打孔。
3.根据权利要求1所述的波导，其特征在于，所述多模输入波导和所述多模输出波导的宽度为1.2μm。
4.根据权利要求1所述的波导，其特征在于，所述超材料波导的尺寸为4.32μm×4.32μm。
5.根据权利要求1或4所述的波导，其特征在于，所述多模输入波导和所述多模输出波导呈垂直关系，实现90度传输方向改变。
6.一种基于权利要求1至5任一项所述的硅基超材料多模弯曲波导的参数获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
随机改变一个具有预设初始状态的像素块的中心打孔状态；
计算从多模输入波导输入的光经过弯曲波导后从多模输出波导输出的光功率，若输出光功率大于改变中心打孔状态前的输出光功率，保留所述像素块的中心打孔状态，否则，还原所述像素块的中心打孔状态；
逐行逐列依次遍历所有像素块，重复上述步骤，直至改变任意一个像素块使得输出光功率增量小于预设值，停止循环，获得最终的弯曲波导的像素块中心打孔状态的分布。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预设值为1％。
8.一种基于权利要求1至7任一项所述的硅基超材料多模弯曲波导的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在SOI基片上形成夹角为90度的多模输入波导和多模输出波导以及所述多模输入波导和所述多模输出波导之间的超材料波导；
将被分为N×N个像素块的所述超材料波导按照获取的参数在中心打孔状态的像素块的中心形成通孔。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述通孔的孔径范围为80nm～100nm。
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