CN111367014B - 一种用于光互联的具有模斑转换功能的片上边缘耦合器 - Google Patents

一种用于光互联的具有模斑转换功能的片上边缘耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种用于光互联的具有模斑转换功能的片上边缘耦合器，用于光学器件边缘实现光互联，例如用于将光纤耦合到光学微环谐振器。本发明通过采用的的双层正反双锥的过渡结构，使得光场从包层向芯层脊形和平板层过渡时，尽可能的减少了因单一方向的芯层平板层结构变宽所产生的高阶模式所导致的在包层中的光场残留，并且第四细长区域所采用的芯层平板层404和芯层脊形405采用相同变宽趋势，可以更好的实现光场变换。最终本发明器件结构从光纤发射的大模斑直径的光场逐渐转移到片上光学器件的脊型波导中，过渡平缓，经计算最终耦合效率可达到92％。

Description

一种用于光互联的具有模斑转换功能的片上边缘耦合器
技术领域
本发明属于集成光学领域，具体涉及一种用于光互联的具有模斑转换功能的片上边缘耦合器，用于光学器件边缘实现光互联，例如用于将光纤耦合到光学微环谐振器。
背景技术
集成光学是当今光学和光电子学领域的发展前沿之一，其主要研究内容包括光波在薄膜材料中的准直、偏转、滤波、空间辐射、光震荡、传导、放大、调制以及与此相关的薄膜材料的非线性光学效应等。近年来，随着离子束注入、直接键合、聚焦离子束刻蚀等的微加工技术的发展，光电子学方面研究的深入，以及具有各种光学性能材料的发现，集成光学正逐步走向成熟。近十几年，由于CMOS工艺精度的持续推进，集成光学领域的研究与应用开始迅速发展起来，器件尺度也在不断缩小，集成度不断提高，例如半导体激光器、光学滤波器、波长转换器、光逻辑门、光延时器、光调制器/光开关、光学传感器等都已被研制出来。
而这些应用通常要求光学器件连接到外部光纤或其他光学器件以发送来自光学器件的光信号，或者接收发往光学器件的光信号。
边缘耦合是实现光纤到光学器件耦合的方法之一。该方法的优势在于可以在较宽工作波段内工作，其对偏振状态(例如，横向电/横向磁(Transverse Electric/TransverseMagnetic，TE/TM)这两种模式)不敏感，可用于光学器件的成熟的封装技术。
与典型的片上波导相比，当前的商用标准光纤具有相对大的芯，导致与典型硅芯片的硅波导相关的模式相比更大的光模场。例如，常见的商用单模光纤SMF-28，光纤的模斑直径(Mode Field Diameter，MFD)为10.4±0.5μm，熊猫型保偏光纤PM1550的模斑直径MFD为10.1±0.4μm，而硅波导的模斑直径通常在0.5μm左右，铌酸锂波导在1μm左右。由于这种模斑尺寸上的不匹配，光纤和器件之间的直接连接通常会导致比较大的耦合损失，因此需要模斑转换以减少光学耦合损耗。通过紧密匹配光纤和波导之间的模斑尺寸，可以实现有效的光学耦合。
目前，公开的实现光纤和芯片之间光学耦合的方法包括平面内倒锥体耦合，如以下文献中所描述的：“用于硅光子学的悬浮光纤到波导模式尺寸转换器”(Q.Fang，et al.“Suspended optical fiber-to-waveguide mode size converter for Siliconphotonics”，Opt.Epr.Vo1.18(8)，
pp7763-7769，2010)，和倏逝模式耦合，例如，如“用于硅光子线波导的大模斑直径光纤芯片边缘耦合器”(1.M.Papeset al,"Fiber-chip edge coupler with large modesize for silicon photonic wire waveguides,"Opt.Express,OE 24(5),5026–5038(2016).)。另一种方法是光纤芯片引线键合，例如，如“通过光子引线键合将硅光子电路连接到多芯光纤”(N.Lindenmann，et al，“Connecting silicon photonic Circuits tomulti-core fibers by photonic wire bonding，”JLT，Vo1.33(4)，755-760，2015)中所述。
然而，上述方法存在一些缺点。目前这种倒锥体波导仅仅单纯的使用芯层作为波导层，模斑直径较大，会导致光场在包层和底层中泄漏较多，增大耦合损耗；而倏逝模式耦合器的耦合效率受制于器件尺寸和不同种材料色散，对温度和工作波长敏感。
另外，对于脊型波导，由于平板层的存在，致使其将包层和底层彻底分隔开，致使其无法直接使用倒锥体脊型波导作为边缘耦合器。而针对这种现象，目前的解决方法是采用多段倒锥体耦合(L.Heet al,“Low-loss fiber-to-chip interface for lithiumniobate photonic integrated circuits,”Optics Letters,vol.44,no.9,pp.2314–2317,May 2019.)，但依旧难以实现更高的耦合效率，而且其限定了只能用于与模斑直径在2～3μm的透镜光纤的耦合，既提高了光纤与光学器器件的对准难度，同时也推高了使用成本。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有光纤到光学器件耦合效率相对低下以及耦合效率损耗较大的问题；本发明提供了一种用于光互联的具有模斑转换功能的片上边缘耦合器，以将光纤或外部光学器件和片上光学器件的波导结构连接起来，通过模斑转换实现高效耦合。
具体技术方案如下：
一种用于光互联的具有模斑转换功能的片上边缘耦合器，从下到上依次为衬底层、埋层、芯层平板层、芯层脊形和包层。
从外部光纤或其他外接光学器件与边缘耦合器的接触面开始，沿垂直于端面的方向，依次分为五个细长区域。
第一细长区域I1中从下到上依次为衬底层101、埋层102、包层103。第一细长区域I1中的包层103呈脊形，其宽度不小于外部光纤光场的模斑直径，且其宽度在第一细长区域I1内不变。
第二细长区域I2中从下到上依次为衬底层201、埋层202、芯层平板层204和包层203，其中包层203完全包覆芯层平板层204，且两者的下表面处于同一水平面。第二细长区域I2中的包层203呈脊形，其宽度不变且与第一细长区域I1内的包层103的宽度相等。芯层平板层204的宽度从窄变宽。第二细长区域I2与第一细长区域I1的区域分割位置为芯层平板层204出现的位置。
第三细长区域I3中从下到上依次为衬底层301、埋层302、芯层平板层304、芯层脊形305和包层303；其中包层303完全包覆芯层平板层304和芯层脊形305，且包层303和芯层平板层304的下表面处于同一水平面。第三细长区域I3中的包层303呈脊形，其宽度不变且与第一细长区域I1内的包层103的宽度相等。芯层平板层304的宽度从宽变窄，芯层脊形305的宽度从窄变宽；并且在第三细长区域I3末端芯层平板层304和芯层脊形305达到相同宽度。第三细长区域I3与第二细长区域I2的区域分割位置为芯层脊形305出现的位置。
第四细长区域I4中从下到上依次为衬底层401、埋层402、芯层平板层404、芯层脊形405和包层403；其中包层403完全包覆芯层平板层404和芯层脊形405，且包层403和芯层平板层304的下表面处于同一水平面。第四细长区域I4中的包层403的宽度从宽变窄，最窄处的宽度大于片上光学器件波导的宽度。芯层平板层404和芯层脊形405在相适应的堆叠下，保持宽度相同且沿相同的变化趋势从窄变宽，最终在第四细长区域I4的末端达到片上光学器件的波导的宽度。第四细长区域I4与第三细长区域I3的区域分割位置为芯层平板层304和芯层脊形305的宽度首次相等时的位置。
第五细长区域I5中从下到上依次为衬底层501、埋层502、芯层平板层504、芯层脊形505、包层503；其中包层503完全包覆芯层平板层504和芯层脊形505，且包层503和芯层平板层504的下表面处于同一水平面。第五细长区域I5中的包层503的宽度、高度和材料与片上光学器件的包层宽度、高度和材料一致。芯层平板层504的宽度从窄变宽。芯层脊形505的宽度与片上光学器件的波导的宽度相同，且在第五细长区域I5内保持不变。第五细长区域I5与第四细长区域I4的区域分割位置为芯层平板层404和芯层脊形405的宽度首次达到片上光学器件的波导的宽度时的位置。
除包层外，在各细长区域内的同一类结构层，即第一至第五细长区域I1～I5的衬底层(101,201,301,401,501)、埋层(102,202,302,402,502)、芯层平板层(204,304,404,504)、芯层脊形(305,405,505)之间，均为连续结构层，且同一类结构层的高度相等，材料一致。第一至第四细长区域I1～I4的包层(103,203,303,403)为连续结构，高度相等，材料一致。第五细长区域I5的包层(503)与第一至第四细长区域I1～I4的包层(103,203,303,403)结构不连续，两部分之间的材料与结构尺寸无关联。
所有细长区域内的衬底层(101,201,301,401,501)和埋层(102,202,302,402,502)的高度和宽度等于片上光学器件的衬底层和埋层的高度和宽度。
在第一至第四细长区域I1～I4内，同一区域内的埋层(102,202,302,402)和包层(103,203,303,403)的高度之和均不小于光纤或外部光学器件的光场的模斑直径。
在所有存在芯层平板层的细长区域内，当片上光学器件的波导为脊形波导或条载波导，即波导存在平板层时，芯层平板层(204,304,404,504)的高度等于片上光学器件的波导平板层的高度；当片上光学器件的波导为矩形波导，即波导无平板层时，芯层平板层(204,304,404,504)的高度小于片上光学器件的波导的高度。
在所有存在芯层脊形的细长区域内的，当片上光学器件的波导为脊形波导或条载波导，即波导存在脊形时，芯层脊形(305,405,505)的高度等于光学器件的波导脊形的高度；当片上光学器件的波导为矩形波导，即波导无平板层时，芯层脊形(305,405,505)高度小于片上光学器件的波导高度。同一细长区域内的芯层脊形(305,405,505)与芯层平板层(304,404,504)的高度之和等于片上光学器件的波导高度。
第一至第四细长区域I1～I4的包层(103,203,303,403)与所有细长区域内的芯层平板层(204,304,404,504)和芯层脊形(305,405,505)的中心位置在竖直方向上对齐，且不存在有部分结构位于埋层102外的情况。
在材料的要求上，芯层平板层(204,304,404,504)和芯层脊形(305,405,505)的材料折射率均大于埋层(102,202,302,402,502)和包层(103,203,303,403,503)的折射率，且芯层平板层(204,304,404,504)和芯层脊形(204,304,404,504)的材料之间无关联。第五细长区域的包层(503)的材料与片上光学器件的包层的材料一致，与第一至第四细长区域I1～I4的包层(103,203,303,403)无关。所有细长区域内的衬底层(101,201,301,401,501)，埋层(102,202,302,402,502)，第一至第四细长区域I1～I4的包层(103,203,303,403)，芯层平板层(204,304,404,504)和芯层脊形(204,304,404,504)的材料均为固体材料，第五细长区域I5的包层(503)为固体、液体或气体材料。
进一步地，所有的出现结构宽度的变化即从窄变宽或从宽变窄，均呈现连续的曲率，例如，基于线性、正弦、余弦、正切、抛物线、圆或椭圆函数等数学函数。
进一步地，在本发明材料的选用上，衬底层(101,201,301,401,501)的材料选用光学衬底层材料(如Si、LiNbO3)，埋层(102,202,302,402,502)的材料采用SiO2或聚合物材料；第一至第四细长区域I1～I4的包层(103,203,303,403)的材料选用SiO2、SiON或聚合物材料；第五细长区域I5的包层(503)的材料选用SiO2、SiON、聚合物材料、石英匹配液或空气；芯层平板层(204,304,404,504)和芯层脊形(204,304,404,504)的材料选用Si、LiNbO3、SiC、Si3N4、GaN、Ta2O5、折射率高于1.8的无机光学材料或聚合物材料。
进一步地，所述聚合物材料为BCB苯并环丁稀、环氧SU-8树脂、PMMA聚甲酯丙烯酸甲酯、PDMS聚二甲基硅氧烷、PI含氟聚酰亚胺或PMP聚甲基戊烯。
综上所述，本发明采用的包层脊形结构，可以很好地与外部光纤或光学器件的大尺寸光场模斑匹配，并且减小向衬底的泄露。采用的多细长区域的双层芯层的过渡结构，在不同区域内采用不同变化趋势变化，能够很好地实现模斑转换，提高耦合效率。最终本发明器件结构从光纤发射的大模斑直径的光场逐渐转移到片上光学器件的脊型波导中，过渡平缓，经计算最终耦合效率可达到92％。
附图说明
图1(a)～(e)是本发明的各个细长区域内I1～I5的剖面图；
图2是本发明具体实施方案中的绝缘体上铌酸锂(LNOI)结构的边缘耦合器的LNOI的断面图；
图3是本发明具体实施方案中边缘耦合器的俯视透视图(不含衬底层和埋层)；
图4是本发明具体实施方案中边缘耦合器的立体透视图；
图5(a)～(c)是本发明实施例中仿真得到的边缘耦合器的第一至第三细长区域I1～I3内的剖面模场图；
图6(a)～(b)是实施例中仿真得到的边缘耦合器的第四至第五细长区域I4～I5内的剖面模场图；
图7(a)～(b)是实施例中仿真得到的边缘耦合器的垂直于端面方向的竖直剖面图和水平剖面图；
附图标记说明：
第一细长区域I1中的衬底层-101、埋层-102、包层-103；第二细长区域I2中的衬底层-201、埋层-202、包层-203、芯层平板层-204；第三细长区域I3中的衬底层-301、埋层-302、包层-303、芯层平板层-304、芯层脊形-305；第四细长区域I4中的衬底层-401、埋层-402、包层-403、芯层平板层-404、芯层脊形-405；第五细长区域I5中的衬底层-501、埋层-502、包层-503、芯层平板层-504、芯层脊形-505。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。下面结合附图对本发明提供的边缘耦合器及其制作方法进行详细地说明。
先介绍本发明的器件结构。本发明是一种边缘耦合器，图1展示的其基本结构包括第一细长区域I1中的衬底层101、埋层102、包层103，第二细长区域I2中的衬底层201、埋层202、包层203、芯层平板层204，第三细长区域I3中的衬底层301、埋层302、包层303、芯层平板层304、芯层脊形305，第四细长区域I4中的衬底层401、埋层402、包层403、芯层平板层404、芯层脊形405，第五细长区域I5中的衬底层501、埋层502、包层503、芯层平板层504、芯层脊形505。
本发明具体实施方案提供了一种基于如图2所示的绝缘体上铌酸锂(LNOI)结构的边缘耦合器的实施例。其中衬底层的材料为Si，埋层的材料为SiO2，第一至第四细长区域I1～I4包层(103,203,303,403)的材料为在LNOI上沉积的SiO2，第五细长区域I5的包层(503)的材料为空气，芯层平板层的材料为LiNbO3，芯层脊形的材料为LiNbO3。各个衬底层(101,201,301,401,501)高度均为LNOI的衬底层Si的高度，即0.2mm，各个埋层(102,202,302,402,502)高度均为LNOI的埋层SiO2的高度，即2μm，同一细长区域内的芯层脊形(305,405,505)与芯层平板层(304,404,504)的高度和均为LNOI的芯层LiNbO3的高度，即460nm。
如图3和图4所示，本发明具体实施方案中的不含衬底层和埋层的器件俯视图和立体图中，外部光纤连接边缘耦合器的左侧，以输入或接收光场，而片上光学器件在边缘耦合器第五细长区域I5的右侧。左侧光纤为商用SMF-28光纤，纤芯直径8.2μm，模斑直径为10.4μm，右侧片上光学器件为脊型波导，脊宽0.8μm，脊高0.36μm，平板层高0.1μm。在所有细长区域中的结构的宽度的变化，均采用线性函数。
第一细长区域I1中的包层103宽度10.4μm，高度8.4μm。第二细长区域I2中的包层203宽度10.4μm，高度8.4μm，芯层平板层204宽度从0.3μm变化到0.8μm，高度0.1μm。第三细长区域I3中的包层303宽度10.4μm，高度8.4μm，芯层平板层304宽度从0.8μm变化到0.6μm，高度0.1μm，芯层脊形305宽度从0.3μm变化到0.6μm，高度0.36μm。第四细长区域I4中的包层403宽度从10.4μm变化到4μm，高度8.4μm，芯层平板层404和芯层脊形405宽度同步从0.6μm变化到0.8μm，芯层平板层404高度0.1μm，芯层脊形405高度0.36μm。第五细长区域I5中的衬底层501、埋层502、包层503、芯层平板层504、芯层脊形505。各个细长区域的沿光传播方向的长度均为100μm。
如图5和图6所示，本发明器件结构在时域有限差分仿真中，由仿真结果可以看到，从光纤发射的大模斑直径的光场逐渐转移到片上光学器件的脊型波导中，过渡平缓，经计算最终耦合效率达到92％。这是由于在第三细长区域所采用的的双层正反双锥的过渡结构，使得光场从包层向芯层脊形和平板层过渡时，尽可能的减少了因单一方向的芯层平板层结构变宽所产生的高阶模式进而导致的在包层中的光场残留，并且第四细长区域I4的芯层平板层404和芯层脊形405采用相同变宽趋势，可以更好的实现光场变换。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、内容和有益效果进行了进一步说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于光互联的具有模斑转换功能的片上边缘耦合器，其特征在于：从下到上依次为衬底层、埋层、芯层平板层、芯层脊形和包层；
从外部光纤或其他外接光学器件与边缘耦合器的接触面开始，沿垂直于端面的方向，依次分为五个细长区域；
第一细长区域I1中从下到上依次为衬底层101、埋层102、包层103；其中包层103呈脊形，其宽度不小于外部光纤光场的模斑直径，且其宽度在第一细长区域I1内不变；
第二细长区域I2中从下到上依次为衬底层201、埋层202、芯层平板层204和包层203，其中包层203完全包覆芯层平板层204，且两者的下表面处于同一水平面；包层203呈脊形，其宽度不变且与第一细长区域I1内的包层103的宽度相等；芯层平板层204的宽度从窄变宽，第二细长区域I2与第一细长区域I1的区域分割位置为芯层平板层204出现的位置；
第三细长区域I3中从下到上依次为衬底层301、埋层302、芯层平板层304、芯层脊形305和包层303；其中包层303完全包覆芯层平板层304和芯层脊形305，且包层303和芯层平板层304的下表面处于同一水平面；包层303呈脊形，其宽度不变且与第一细长区域I1内的包层103的宽度相等；芯层平板层304的宽度从宽变窄，芯层脊形305的宽度从窄变宽，并且在第三细长区域I3末端芯层平板层304和芯层脊形305达到相同宽度；第三细长区域I3与第二细长区域I2的区域分割位置为芯层脊形305出现的位置；
第四细长区域I4中从下到上依次为衬底层401、埋层402、芯层平板层404、芯层脊形405和包层403；其中包层403完全包覆芯层平板层404和芯层脊形405，且包层403和芯层平板层304的下表面处于同一水平面；包层403的宽度从宽变窄，最窄处的宽度大于片上光学器件波导的宽度；芯层平板层404和芯层脊形405在相适应的堆叠下，保持宽度相同且沿相同的变化趋势从窄变宽，最终在第四细长区域I4的末端达到片上光学器件的波导的宽度；第四细长区域I4与第三细长区域I3的区域分割位置为芯层平板层304和芯层脊形305的宽度首次相等时的位置；
第五细长区域I5中从下到上依次为衬底层501、埋层502、芯层平板层504、芯层脊形505、包层503；其中包层503完全包覆芯层平板层504和芯层脊形505，且包层503和芯层平板层504的下表面处于同一水平面；包层503的宽度、高度和材料与片上光学器件的包层宽度、高度和材料一致；芯层平板层504的宽度从窄变宽；芯层脊形505的宽度与片上光学器件的波导的宽度相同，且在第五细长区域I5内保持不变；第五细长区域I5与第四细长区域I4的区域分割位置为芯层平板层404和芯层脊形405的宽度首次达到片上光学器件的波导的宽度时的位置；
除包层外，在各细长区域内的同一类结构层，即第一至第五细长区域I1～I5的衬底层101、201、301、401和501，埋层102、202、302、402和502，芯层平板层204、304、404和504，芯层脊形305、405和505之间，均为连续结构层，且同一类结构层的高度相等，材料一致；第一至第四细长区域I1～I4的包层103、203、303和403为连续结构，高度相等，材料一致；第五细长区域I5的包层503与第一至第四细长区域I1～I4的包层103、203、303、403结构不连续，两部分之间的材料与结构尺寸无关联；
所有细长区域内的衬底层和埋层的高度和宽度等于片上光学器件的衬底层和埋层的高度和宽度；
在第一至第四细长区域I1～I4内，同一区域内的埋层和包层的高度之和均不小于外部光学器件的光场的模斑直径；
在所有存在芯层平板层的细长区域内，当片上光学器件的波导为脊形波导或条载波导，即波导存在平板层时，芯层平板层的高度等于片上光学器件的波导平板层的高度；当片上光学器件的波导为矩形波导，即波导无平板层时，芯层平板层的高度小于片上光学器件的波导的高度；
在所有存在芯层脊形的细长区域内的，当片上光学器件的波导为脊形波导或条载波导，即波导存在脊形时，芯层脊形的高度等于光学器件的波导脊形的高度；当片上光学器件的波导为矩形波导，即波导无平板层时，芯层脊形的高度小于片上光学器件的波导高度；同一细长区域内的芯层脊形与芯层平板层的高度之和等于片上光学器件的波导高度；
第一至第四细长区域I1～I4的包层与所有细长区域内的芯层平板层和芯层脊形的中心位置在竖直方向上对齐，且不存在有部分结构位于埋层102外的情况；
在材料的要求上，芯层平板层和芯层脊形的材料折射率均大于埋层和包层的折射率，且芯层平板层和芯层脊形的材料之间无关联；第五细长区域的包层的材料与片上光学器件的包层的材料一致，与第一至第四细长区域I1～I4的包层无关；所有细长区域内的衬底层、埋层、芯层平板层、芯层脊形和第一至第四细长区域I1～I4的包层的材料均为固体材料，第五细长区域I5的包层503为固体、液体或气体材料。
2.如权利要求1所述用于光互联的具有模斑转换功能的片上边缘耦合器，其特征在于：所述第二至第五细长区域出现的结构宽度变化即从窄变宽或从宽变窄，均呈现连续的曲率，基于线性、正弦、余弦、正切、抛物线、圆或椭圆函数。
3.如权利要求1所述用于光互联的具有模斑转换功能的片上边缘耦合器，其特征在于：所述衬底层的材料选用光学衬底层材料，埋层材料采用SiO2或聚合物材料；第一至第四细长区域I1～I4的包层材料选用SiO2、SiON或聚合物材料；第五细长区域I5的包层503的材料选用SiO2、SiON、聚合物、石英匹配液或空气；芯层平板层和芯层脊形的材料选用Si、LiNbO3、SiC、Si3N4、GaN、Ta2O5、折射率高于1.8的无机光学材料或聚合物材料。
4.如权利要求3所述用于光互联的具有模斑转换功能的片上边缘耦合器，其特征在于：所述聚合物材料为BCB苯并环丁稀、环氧SU-8树脂、PMMA聚甲酯丙烯酸甲酯、PDMS聚二甲基硅氧烷、PI含氟聚酰亚胺或PMP聚甲基戊烯。
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