CN111458796B - 一种具有四槽波导的光耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有四槽波导的光耦合器，包括衬底和设置在所述衬底上的第一波导和第二波导，所述第一波导为直波导，所述第二波导为多槽波导，所述第一波导和第二波导被设置为光信号能从所述第一波导和所述第二波导之间进行耦合，其中所述第一波导和第二波导之间具有渐变区，所述渐变区具有渐变的宽度和高度，所述宽度的变化为由所述第一波导宽度向所述第二波导宽度逐渐变宽，所述高度的变化为由所述第一波导高度向所述第二波导高度逐渐变矮。本发明解决目前光耦合器耦合长度过长，效率不高等问题的同时，实现多模的分、合耦合。
Description
技术领域
本公开涉及一种光耦合器。其具体实施涉及光电子相关领域，用于光通信集成器件领域。
背景技术
在过去的几十年中，石墨烯之类的二维结构在与光学器件(尤其是有源器件，如光电探测器和电光调制器)集成时显示出巨大的潜力。这些有源器件性能的优劣主要取决于光与石墨烯之间的相互作用强弱。为了增强这种相互作用，已经提出了各种方法，例如基于石墨烯的微环谐振器，等离激元纳米结构和缝隙波导等。在这些设计中，缝隙波导受到了关注，因为它结合了强光场限制，低插入损耗和超紧凑的优点。
缝隙波导是于2004年首次被提出的。该波导由两个由狭缝区域(低折射率材料)隔开的轨道(高折射率材料)组成，它们可以将大部分光学模式限制在狭缝区域中。此功能使缝隙波导在许多应用中非常有吸引力，尤其是在增强光石墨烯相互作用方面。例如，M.Liu,X.Yin,and X.Zhang,“Double-Layer Graphene Optical Modulator,”Nano Letters,vol.12,no.3,pp.1482-1485,2012.文章中的调制效率是0.16dB/μm，而通过用缝隙波导代替直波导，G.Kovacevic,C.Phare,S.Y.Set,M.Lipson,and S.Yamashita,“Ultra-high-speed graphene optical modulator design based on tight field confinement in aslot waveguide,”Applied Physics Express,vol.11,no.6,pp.065102,2018.使基于石墨烯的调制器的调制效率提高到的0.195dB/μm。为了进一步增强光-石墨烯的相互作用，在缝隙波导中采用了等离子体效应。提出了基于石墨烯的混合等离子体激元缝隙调制器，从而将调制效率提高到0.37dB/μm。
另一方面，光耦合器是光信息传播技术上较为重要的器件，现有的光耦合器包括Y型分支耦合、星型耦合、多模干涉耦合、定向耦合等形式的耦合器，然而现有的耦合器不仅耦合损耗较高，而且耦合器实现耦合所需的耦合长度也较大，不利于器件的小型化。
在中国专利CN201320305072.8中，揭露了一种光耦合器，在该专利的技术方案中，通过制作三维椎体形状的脊形波导，使光纤和波导之间实现耦合，提高耦合效率，然而该专利的技术中仅仅实现不同光模式的耦合，对于多模的分、合耦合并没有涉及，这不利于现行的光通信需求。
因此，有必要对现有技术中存在的问题提出一种改进方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种具有四槽波导的光耦合器，在解决目前光耦合器耦合长度过长，效率不高等问题的同时，实现多模的分、合耦合。
根据本发明的目的提出的一种光耦合器，包括衬底和设置在所述衬底上的第一波导和第二波导，所述第一波导为直波导，所述第二波导为多槽波导，所述第一波导和第二波导被设置为光信号能从所述第一波导和所述第二波导之间进行耦合，其中所述第一波导和第二波导之间具有渐变区，所述渐变区具有渐变的宽度和高度，所述宽度的变化为由所述第一波导宽度向所述第二波导宽度逐渐变宽，所述高度的变化为由所述第一波导高度向所述第二波导高度逐渐变矮。
优选的，所述第二波导为四槽波导，包括五个间隔设置的硅导轨，该五个硅导轨所夹的四个狭缝构成所述四槽波导的四个槽。根据仿真图作用因子与波导槽数及宽度的关系曲线图，得知4槽波导产生的效果最好，所以本发明优选4槽。
优选的，所述四个夹缝中具有填充物，该填充物的折射率小于所述硅导轨的填充物。因为当光线从较高的介质向折射率较低介质入射时，如果入射角大于某一临界值时，折射光线将会消失，所有的入射光线将被完全反射。
优选的，所述填充物为空气。如上述设置，则硅为折射率较高的介质，槽为折射率较低的介质。
优选的，所述填充物为有机材料，该有机材料受外部电场影响下，具有可变的折射率。此时，可以通过增加外部电场，控制多槽波导中的介质光学性质，从而改变光传输，使得本发明的光耦合器具有更多的应用场景。
优选的，所述四槽波导的5个硅导轨高度为100～150纳米，所述四个槽的宽度为30～50纳米。根根据仿真图3作用因子与波导槽数及宽度的关系曲线图，得知槽的宽度在30～50纳米范围，产生的效果最好。根据仿真图4作用因子与波导高度的关系曲线图，得知在硅导高度为100～150纳米时，效果最好。
进一步的技术方案：所述直波导在所述渐变区具有延伸段，该延伸段为锥形，其宽度逐渐收窄并且在所述多槽波导的边界处收拢形成尖角。
优选的，所述延伸段的高度由所述直波导的高度向所述多槽波导的高度逐渐变矮，并且在所述尖角处达到所述多槽波导的高度。通过这个结构，实现输入光信号的高度和宽度的转换。
优选的，所述直波导的高度为200～250nm。
进一步的技术方案：所述多槽波导的上方或下方的至少一侧设有石墨烯层。石墨烯因其具有的独特的二维结构特性和线性电子能量色散，使它具有独特的物理特性，例如在可见光至中红外线波段能够吸收光，以及具有超高电子迁移率等。
与现有技术相比，本发明的技术效果在于：上层渐变结构可以实现普通硅波导向稍矮的四槽波导在高度层面的过渡；下层的梯形渐变结构可以实现普通硅波导向较宽的四槽波导在宽度层面的过渡。由此通过渐变式耦合器就可以解决四槽波导与普通硅波导结构尺寸不匹配的问题。关于耦合器的设计，本研究采用了三维时域有限差分法(FDTD，Finite-Difference Time-Domain)进行仿真分析辅助，仿真结果如图5所示，这里定义一个耦合效率(CE，Coupling Efficiency)来衡量耦合器的性能，其定义为耦合器的输出光功率与输入光功率之比。通过对耦合器的长度L进行优化，本研究得到了耦合效率的理论最优值即0.916，此时耦合器长度6μm。有望解决耦合效率、体积、量产等指标的冲突，为实现光通信器件集成作出贡献。
附图说明
图1是本发明第一实施方式下的光耦合器的结构示意图。
图2为四槽波导的剖面图。
图3是本发明第二实施方式下的光耦合器结构示意图。
图4是本发明第三实施方式下的光耦合器结构示意图。
图5是不同的槽数下，槽宽和相互作用因子之间的仿真关系图。
图6是本发明第四实施方式下的光耦合器结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
正如背景技术中所说，对于硅基多槽光波导，目前已经取得了不少突破性的研究成果，并且在很多应用上得到了体现。同时，在光耦合器上，提升耦合效率和减小器件尺寸是当前的研究重点。已经有人提出了一种硅基光波导的耦合器，然后现有技术仅仅实现了不同模式之间的耦合，对于多模的分、合耦合，目前还未有人提及。
本发明正是基于该背景，提出了一种基于硅基多槽光波导的光耦合器，请参见图1，图1是本发明第一实施方式下的光耦合器的结构示意图，如图所示，该光耦合器包括衬底10和设置在所述衬底10上的第一波导11和第二波导12。所述第一波导11为直波导，所述第二波导12为多槽波导，所述第一波导11和第二波导12被设置为光信号能从所述第一波导11和所述第二波导12之间进行耦合，即直波导中的单路光可以被分路到多槽波导中成为多路光路，或者多槽波导中的多路光被合成到直波导中形成单路光。
请结合图1中器件结构的俯视图及侧视图，其中所述第一波导11和第二波导12之间具有渐变区13，所述渐变区13具有渐变的宽度和高度，所述宽度的变化为由所述第一波导11的宽度向所述第二波导12的宽度逐渐变宽，所述高度的变化为由所述第一波导11的高度向所述第二波导12的高度逐渐变矮。即渐变区13大致为一个等腰梯形的斜坡，两端分别连接第一波导11和第二波导12。通过该渐变区13的设置，光在直波导中传输进入该渐变区13之后，根据低折射率场约束原理，当光线从较高的介质向折射率较低介质入射时，如果入射角大于某一临界值时，折射光线将会消失，所有的入射光线将被完全反射，所以光可以被耦合入多槽波导中。
请结合图2参见图1，在一种较优的实施方式中，所述第二波导12具体为四槽波导，包括五个间隔设置的导轨121，该五个导轨121所夹的四个狭缝122构成所述四槽波导的四个槽。在一种实施方式中，这5条导轨121由硅材料制作在衬底10上。所述四个夹缝122中具有填充物123，该填充物123的折射率小于所述轨导轨的填充物。这样一来，根据低折射率场约束原理，当光进入该多槽波导之后，会被限制在狭缝的低折射率介质中传输，从而实现将光分束，或者倒过来，光从第二波导12中往第一波导11中传输时，实现光的合束。
在一种实施方式中，所述填充物123为空气。由于夹缝两侧的硅导轨的折射率为3.4786，远大于空气的折射率，能够较好的实现低折射率约束，让光在夹缝中传输。
在另一种实施方式中，所述填充物123也可以为有机材料，该有机材料受外部电场影响下，具有可变的折射率。此时，可以通过增加外部电场，控制多槽波导中的介质光学性质，从而改变光传输，使得本发明的光耦合器具有更多的应用场景。比如当施加电场增加有机材料的折射率时，光无法在波导中进行全反射而截止，或者施加电场减小有机材料的折射率时，光从无法传输到可以在槽波导中传输，这样不仅可以实现光耦合的作用，而且还能实现光开关的效果。
具体实施时，所述四槽波导的5个硅导高度为100nm～150nm，宽度在200nm～250nm。所述四个槽的宽度为30nm～50nm。
请参见图3，图3是本发明第二实施方式下的光耦合器结构示意图。在该实施方式中，本发明的光耦合器作为单纯的耦合器使用，此时衬底10可以为二氧化硅材料。同时，在光耦合器的上面同样覆盖二氧化硅盖层14。上下两侧二氧化硅层可以让光限定在光耦合器中传输。
请参见图4，图4是本发明第三实施方式下的光耦合器结构示意图。当本发明的光耦合器同时作为光调制器件或光探测器件时，可以在多槽波导的上方或者上、下两面增加电光层，如图所示，在该多槽波导12的上方盖有二氧化硅盖层14，在二氧化硅盖层14上还设有电光层15。当多槽波导12中有光经过时，上方的电光层15上会有电子产生，此时如果在电光层15两侧设置电极进行电流采集，就可以实现光电信号转换。同样的，若在电光层15上施加电压，使得多槽波导12处于一个外加电场中，若狭缝中所设材料是可以被电场改变折射率的有机材料，那么就可以对多槽波导中的光传输进行调控。
在一种实施方式中，该电光层15为石墨烯层。请参见图5，图5是不同的槽数下，槽宽和电光作用因子之间的仿真关系图。其中曲线1是单槽波导的耦合效率、曲线2是双槽波导的耦合效率、曲线3是三槽波导的耦合效率，以及曲线4是四槽波导的耦合效率，其中硅导轨121的宽度固定在250纳米处，夹缝122的宽度进行了数值优化。根据仿真图5作用因子与波导槽数及宽度的关系曲线图，得知槽的宽度在30～50纳米范围，产生的效果最好。作用因子表示对光与石墨烯相互作用程度，随着石墨烯中光场能量的增加而增加，并且随着槽数增加，光与石墨烯有效的相互作用增加的速度减慢，因此四槽是波导是增强光与石墨烯有效的相互作用的最佳选择。
请参见图6，图6是本发明第四实施方式下的光耦合器的结构示意图。如图所示，在该第二实施方式中，所述直波导21在所述渐变区23具有延伸段211，该延伸段211为锥形，其宽度逐渐收窄并且在所述多槽波导22的边界处收拢形成尖角。
进一步的，所述延伸段211的高度由所述直波导21的高度H向所述多槽波导22的高度h逐渐变矮，并且在所述尖角处达到所述多槽波导22的高度h。该实施方式将直波导21进行延伸，有利于光在延伸段211中被约束，从而减少光在耦合过程中的损耗。其它同第一实施方式相同之处，不再赘述。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。
Claims (8)
1.一种光耦合器，其特征在于：包括衬底和设置在所述衬底上的第一波导和第二波导，所述第一波导为直波导，所述第二波导为四槽波导，包括五个间隔设置的硅导轨，该五个硅导轨所夹的四个狭缝构成所述四槽波导的四个槽，所述第二波导的上方或下方的至少一侧设有石墨烯层，所述第一波导和第二波导被设置为光信号能从所述第一波导和所述第二波导之间进行耦合，其中所述第一波导和第二波导之间具有渐变区，所述渐变区具有渐变的宽度和高度，所述宽度的变化为由所述第一波导宽度向所述第二波导宽度逐渐变宽，所述高度的变化为由所述第一波导高度向所述第二波导高度逐渐变矮。
2.根据权利要求1所述的光耦合器，其特征在于：所述四个狭缝中具有填充物，该填充物的折射率小于所述硅导轨的折射率。
3.根据权利要求2所述的光耦合器，其特征在于：所述填充物为空气。
4.根据权利要求2所述的光耦合器，其特征在于：所述填充物为有机材料，该有机材料受外部电场影响下，具有可变的折射率。
5.根据权利要求1所述的光耦合器，其特征在于：所述四槽波导的5个硅导轨高度为100～150纳米，所述四个槽的宽度为30～50纳米。
6.根据权利要求1所述的光耦合器，其特征在于：所述直波导在所述渐变区具有延伸段，该延伸段为锥形，其宽度逐渐收窄并且在所述四槽波导的边界处收拢形成尖角。
7.根据权利要求6所述的光耦合器，其特征在于：所述延伸段的高度由所述直波导的高度向所述四槽波导的高度逐渐变矮，并且在所述尖角处达到所述四 槽波导的高度。
8.根据权利要求1所述的光耦合器，其特征在于：所述直波导的高度为200～250nm。
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