CN111175896A - 一种大带宽的高效率光栅耦合器 - Google Patents

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Abstract

一种大带宽的高效率光栅耦合器，属于光电子技术领域。包括自上而下依次设置的波导层、SiO2层和衬底，SiO2层中设置布拉格反射镜结构；其中，所述波导层包括光栅和锥形波导，光栅由多个弧形凹槽和弧形凸脊交替排列得到，弧形凹槽的宽度为0.1～0.35μm，深度为176nm，弧形凸脊的宽度为0.35～0.6μm，高度为220nm～270nm，所述弧形凹槽和弧形凸脊为同心的圆弧结构。本发明提供的光栅耦合器，可有效减小模场失配带来的损耗，且使得耦合器的3dB带宽从30～40nm增加到86nm，最高耦合效率提高到61％。

Description

一种大带宽的高效率光栅耦合器
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种用于波导(如光纤)与集成光子电路之间的基于SOI结构的光栅耦合器。
背景技术
光波导作为集成光学的重要基础部件，可以将光波模场尺寸限制在波长量级或亚波长量级传输，通过回路结构以及物理量之间的相互作用，实现光耦合、分路、滤波、开关、调制、放大、波长变换和波分复用等基本功能。由于光波导体积小、功能集成度高、抗环境干扰能力强且适于批量生产，近十年来，采用光波导技术制造的多种无源光器件在集成光子电路中得到了广泛的应用。由于光波导器件在材料、结构、功能等方面具备众多的技术分支，且各具技术特点，导致波导器件的波导尺寸、输出模场差异巨大，因此在光子电路中要想实现不同波导之间的光信号传输，须借助于光耦合器以实现光信号传输。
对于传统的端面耦合方法如利用锥形结构实现光耦合，存在耦合效率低下、兼容性差等问题。近年来，基于SOI结构的光栅耦合逐渐取代了之前的端面耦合，成为目前应用最广、最可靠、发展前景最好的光耦合方法。
基于SOI结构的光栅耦合器的工作原理为：光纤从上往下以较小的角度入射到光栅上，在波导层发生衍射后向右(向左)传输。在实际的耦合器中，光栅没办法使得光线全部向右(向左)传输，光线在入射到波导层时会有一部分被反射，进入波导层的光有一部分透射后进入SiO2层，除此之外由于光栅的形状等问题会造成一定程度的模场失配，这些因素直接影响着耦合效率。因此，传统的光栅耦合器，其耦合效率为40％左右，3dB带宽约为30-40nm。结合严格耦合波分析理论和耦合器结构与仿真过程进行分析，可知：耦合器中35％-45％的光由于向基板的衍射而损失，由于与光纤的高斯形状模式的模式匹配差，大约20％丢失，另外在垂直入射时有小部分由于二次衍射而损失。
发明内容
本发明的目的在于，针对传统光栅耦合器存在的耦合效率低、带宽小的缺陷，提出了一种高耦合效率、大带宽的光栅耦合器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种大带宽的高效率光栅耦合器，其特征在于，包括自上而下依次设置的波导层、SiO2层和衬底，所述SiO2层中设置布拉格反射镜结构；其中，所述波导层包括光栅1和锥形波导4，锥形波导末端为光栅耦合器的光线出口5，所述光栅由多个弧形凹槽和弧形凸脊交替排列得到，所述弧形凹槽的宽度为0.1～0.35μm，深度为176nm，所述弧形凸脊的宽度为0.35～0.6μm，高度为220nm～270nm，所述弧形凸脊的个数为20个；所述弧形凹槽和弧形凸脊为同心的圆弧结构；
所述布拉格反射镜包括自上而下依次设置的上层布拉格反射层、中间布拉格反射层和下层布拉格反射层，其中，上层布拉格反射层材料为Si，厚度为110nm；中间布拉格反射层材料为SiO2，厚度为265nm；下层布拉格反射层材料为Si，厚度为110nm。
进一步地，所述锥形波导的长度为20～25μm。
进一步地，所述波导层中的光栅的材料为Si、磷化铟(InP)等，横向长度为14μm；光栅实现在波长1550nm处TE0入射光的衍射(以theta＝10度的角度从上而下入射)，使其模式匹配并向右传输。
进一步地，所述波导层中的光栅可以为弧形凹槽宽度和弧形凸脊宽度相等的均匀光栅，也可以为弧形凹槽宽度和弧形凸脊宽度不相等的啁啾光栅。
进一步地，所述锥形波导与光栅紧密相连，实现光线的集中，锥形波导末端为光栅耦合器的光线出口，以便于出射光在集成光子电路中实现下一步耦合；所述锥形波导的材料为Si、磷化铟(InP)等。
进一步地，所述SiO2层的厚度为0.9μm～2μm，该层主要是为了让光线尽量反射回到波导层，避免光耦合损耗。
进一步地，所述上层布拉格反射层为Si，厚度为110nm；中间布拉格反射层为SiO2，厚度为265nm；下层布拉格反射层为Si，厚度为110nm。
进一步地，所述衬底的材料为Si，厚度大于1μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种大带宽的高效率光栅耦合器，通过将波导层中的光栅设计为圆弧形，可以在一定程度上改变光线的传输方向，与紧密相连的锥形波导共同作用，使得光信号在宽度为500nm的波导(集成光子电路)中传输。通过引入布拉格反射层，根据多层介质膜反射原理，该光栅耦合器的耦合效率提高10％。
2、本发明提供的一种大带宽的高效率光栅耦合器，可有效减小模场失配带来的损耗，且使得耦合器的3dB带宽从30～40nm增加到86nm，最高耦合效率提高到61％。
附图说明
图1为本发明提供的一种大带宽的高效率光栅耦合器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种大带宽的高效率光栅耦合器的截面图；
图中，1为光栅，2为SiO2层，3为Si衬底，4为锥形波导，5为光线出口，6为上层布拉格反射层，7为中间布拉格反射层，8为下层布拉格反射层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
如图1所示，为本发明提供的一种大带宽的高效率光栅耦合器的结构示意图；包括自上而下依次设置的波导层、SiO2层、布拉格反射镜、SiO2层和衬底；其中，所述波导层包括光栅1和锥形波导4，锥形波导末端为光栅耦合器的光线出口5，所述光栅由多个弧形凹槽和弧形凸脊交替排列得到，实现在波长1550nm处TE0入射光的衍射(以theta＝10度的角度从上而下入射)，使其模式匹配并向右传输，光栅的材料为Si、磷化铟(InP)等，横向长度为14μm，宽度由设计的圆弧弧长和半径而定；所述光栅可以为弧形凹槽宽度和弧形凸脊宽度相等的均匀光栅，也可以为弧形凹槽宽度和弧形凸脊宽度不相等的啁啾光栅；所述锥形波导与光栅紧密相连，实现光线的集中，锥形波导末端为光栅耦合器的光线出口，以便于出射光在集成光子电路中实现下一步耦合；所述锥形波导的材料为Si、磷化铟(InP)等。
光线在波导层中传输时，会有部分光线向下透射，为了能够让光线尽可能只在波导层中传输，在波导层下方设置SiO2层。在波导层和SiO2层界面处尽可能让光线反射回到波导层避免光耦合损耗，但是即便如此进入波导层的光仍有一部分透射后进入SiO2层，该部分光线在SiO2层和衬底界面处发生反射并有一部分反射回波导层并与波导层中的光线发生相干叠加，为使其相干叠加效果为增强耦合效率，将SiO2层的厚度设定为0.9μm、1.45μm、2μm，本结构中将SiO2层厚度设置为2μm。与此同时，为了能够更高效地将该部分透射光线反射回波导层并与之发生使得耦合效率增加的相干叠加，在SiO2层中设置三层结构的布拉格反射镜，中间布拉格反射层通常可以采用SiO2、氮化硅(Si3N4)材料，其厚度由入射光波长、入射角度和选取的材料确定，光线进入该反射层后应用多层介质膜反射原理设计反射层厚度，使得出射光线与入射光线相比相位相差2π的整数倍；同时反射层与波导层的距离是影响相干的重要参数，该距离直接影响到经反射层反射后回到波导层的光线相位，考虑半波损失后设计时需使光线在SiO2层中光程差为(2m-1)π，m＝1，2，3，4……。
衬底的主要作用为反射回一部分透射光线、改变光栅耦合器的整体高度实现与其他器件的耦合，其材料为Si，由于增加了布拉格反射镜，故透射至衬底的光线极少，其高度对耦合效率几乎无影响，通常选取高度大于1μm即可。
实施例
本实施例中，光栅采用Si材料制作，高度220nm，刻蚀深度为80％(176nm)，弧形凹槽和弧形凸脊各20个，为不同半径的同心圆，同心圆的半径为36～49.2μm，弧度范围[-17.46，17.46]，20个凹槽和20个凸脊的宽度分别如下(以下数据单位为μm)：0.1 0.62；0.10.54；0.1 0.63；0.1 0.47；0.1 0.59；0.1 0.55；0.1 0.54；0.1 0.56；0.10 0.53；0.120.54；0.15 0.52；0.18 0.52；0.19 0.50；0.24 0.47；0.27 0.47；0.22 0.50；0.25 0.45；0.17 0.51；0.22 0.48；0.160.53。锥形波导，采用Si材料，高度为220nm，形状为扇形，扇形边缘处所处同心圆半径为36μm，扇形最右端为宽度500nm、高度220nm的矩形光线出口。
SiO2层，长度为100μm，宽度为80μm，厚度为2μm。
布拉格反射镜，长度为100μm，宽度为80μm，反射层上界面距离波导层的距离为1.2μm。包括自上而下依次设置的上层布拉格反射层、中间布拉格反射层和下层布拉格反射层，其中，上层布拉格反射层材料为Si，厚度为110nm；中间布拉格反射层材料为SiO2，厚度为265nm；下层布拉格反射层材料为Si，厚度为110nm。
衬底，采用Si材料，长度为100μm，宽度为80μm，厚度为3μm。
与传统结构相比，本发明的光栅耦合器的3dB带宽从30～40nm增加到86nm，耦合效率从一般的40％提高到61％。

Claims (5)

1.一种大带宽的高效率光栅耦合器，其特征在于，包括自上而下依次设置的波导层、SiO2层和衬底，所述SiO2层中设置布拉格反射镜结构；其中，所述波导层包括光栅(1)和锥形波导(4)，所述光栅由多个弧形凹槽和弧形凸脊交替排列得到，所述弧形凹槽的宽度为0.1～0.35μm，深度为176nm，所述弧形凸脊的宽度为0.35～0.6μm，高度为220nm～270nm，所述弧形凹槽和弧形凸脊为同心的圆弧结构。
2.根据权利要求1所述的大带宽的高效率光栅耦合器，其特征在于，所述布拉格反射镜包括自上而下依次设置的上层布拉格反射层、中间布拉格反射层和下层布拉格反射层，其中，上层布拉格反射层材料为Si，厚度为110nm；中间布拉格反射层材料为SiO2，厚度为265nm；下层布拉格反射层材料为Si，厚度为110nm。
3.根据权利要求1所述的大带宽的高效率光栅耦合器，其特征在于，所述波导层中的光栅的材料为Si或磷化铟，横向长度为14μm。
4.根据权利要求1所述的大带宽的高效率光栅耦合器，其特征在于，所述波导层中的光栅为弧形凹槽宽度和弧形凸脊宽度相等的均匀光栅，或者为弧形凹槽宽度和弧形凸脊宽度不相等的啁啾光栅。
5.根据权利要求1所述的大带宽的高效率光栅耦合器，其特征在于，所述锥形波导的材料为Si或磷化铟。
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