CN111562650A - 基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器 - Google Patents

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Abstract

一种基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器，包括：位于衬底层且对称设置的三个锥形亚波长光栅、三个亚波长光栅波导、若干用于模式转换的锥形波导和直波导，其中：锥形亚波长光栅和对应的亚波长光栅波导相连，锥形波导位于亚波长光栅波导之间，用于光在芯片上传输的直波导及其对应的锥形波导位于端面耦合器的输出端，具有低损耗、大带宽的特点，除了易于制备且与CMOS工艺兼容的同时，还能够实现单模光纤和硅波导之间的高效耦合。

Description

基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器
技术领域
本发明涉及的是一种光纤通信与集成光学领域的技术，具体是一种基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器。
背景技术
现有单模光纤与硅波导的耦合一般通过光栅耦合或端面耦合。光栅耦合是把单模光纤与SOI芯片上的光栅结构呈接近90°放置，通过光栅的衍射作用把光纤中的光耦合进硅波导。端面耦合是使光纤与芯片端面对接，通过SOI上的端面耦合结构增大芯片上模场分布与光纤模场分布的重合度，使得光在单模光纤和SOI芯片之间传输。
但是光栅耦合器的耦合损耗高，带宽窄，并且对光的偏振比较敏感；而端面耦合器制备工艺复杂，需要多层波导结构、悬空结构、象鼻形状弯曲结构等难以制造的部分，还有的耦合器需要添加氮化硅、聚合物等材料，与CMOS工艺不兼容，这给大规模生产带来了困难。
发明内容
本发明针对现有耦合器件的高损耗、难制备、波长依赖性等问题，提出一种基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器，属于基于互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的低损耗、大带宽的端面耦合器，除了易于制备且与CMOS工艺兼容的同时，还能够实现单模光纤和硅波导之间的高效耦合。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器，包括：位于衬底层且对称设置的三个锥形亚波长光栅、三个亚波长光栅波导、若干用于模式转换的锥形波导和直波导，其中：锥形亚波长光栅和对应的亚波长光栅波导相连，锥形波导位于亚波长光栅波导之间，用于光在芯片上传输的直波导及其对应的锥形波导位于端面耦合器的输出端。
所述的端面耦合器中的第二锥形亚波长光栅、第二亚波长光栅波导和直波导位于端面耦合器的中轴线上，第一、第二锥形亚波长光栅、第一、第二亚波长光栅波导和第一锥形波导组成三叉戟结构；第二、第三锥形亚波长光栅、第二、第三亚波长光栅波导和第二锥形波导也组成三叉戟结构。
所述的锥形亚波长光栅为宽度渐变，靠近单模光纤的端面的锥形亚波长光栅的宽度由窄变宽，距离端面第i个硅方块的宽度满足：
Figure BDA0002523763790000011
其中：w1为锥形亚波长光栅尖端处的宽度，w2为锥形亚波长光栅末端的宽度，L为光栅的长度，P为周期。以扩大端面处的光场尺寸，与单模光纤中的光场重叠率可以达到97.2％，且可以实现有效折射率的匹配，进而实现光纤和芯片之间的高效耦合。
所述的亚波长光栅波导为宽度不变。
所述的端面耦合器的第一、第三锥形亚波长光栅的外侧设有用于限制光场扩散的沟槽。
本发明涉及上述基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器的制备方法，只需要一次电子束光刻，做好硅结构后，再覆盖二氧化硅层，之后在耦合器两边刻蚀沟槽结构，用于限制光场扩散，使得光集中在耦合器附近；该耦合器在常规SOI晶圆上制造，所有的硅结构只需一次工艺就可以加工完成。
技术效果
本发明整体解决了现有技术中硅基端面耦合器制备工艺复杂、难量产、光从光纤到硅芯片耦合损耗大、光从光纤到硅芯片耦合带宽窄以及光从光纤到硅芯片耦合具有波长敏感性的问题；本发明基于双三叉戟亚波长光栅结构，实现单模光纤与纳米线硅光波导之间的端面耦合器，其制备工艺与CMOS工艺完全兼容且制备流程简单，能够大规模生产且耦合损耗低，带宽大，对波长不敏感。
附图说明
图1为本发明端面耦合器的三维结构示意图；
图中：单模光纤1、硅衬底层2、二氧化硅掩埋层3、二氧化硅覆盖层4、锥形亚波长光栅结构7、8、9、亚波长光栅波导10、11、12、锥形波导13、14、15、16、17、直波导18；
图2为本发明端面耦合器的俯视示意图；
图3为本发明端面耦合器的横向侧面示意图；
图4为本发明端面耦合器的光场传播图；
图5为本发明端面耦合器的耦合损耗光谱图。
具体实施方式
如图1-图3所示，为本实施例涉及一种基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器，该端面耦合器在SOI晶圆上制备得到。
所述的SOI晶圆由下而上依次包括：硅衬底层2、二氧化硅掩埋层3、二氧化硅覆盖层4。
本实施例中的二氧化硅掩埋层3的厚度为3μm，用于制备耦合器的硅层厚度为220nm，二氧化硅覆盖层4的厚度为3.5μm，沟槽的深度为6.5μm，宽度为1μm。
所述的端面耦合器包括：三个宽度渐变的锥形亚波长光栅结构7、8、9、分别位于其各自末端的等宽的三个亚波长光栅波导10、11、12、对称设置于亚波长光栅波导之间的用于模式转换的四个锥形波导13、14、15、16以及设置于中央的第二亚波长光栅波导11末端的一个锥形波导17和用于光在芯片上传输的直波导18以及位于耦合器两边用于限制光场扩散的沟槽5、6，其中：第一、第二锥形亚波长光栅7、8、第一、第二亚波长光栅波导10、11和第一锥形波导13组成三叉戟结构；第二、第三锥形亚波长光栅8、9、第二、第三亚波长光栅波导11、12和第二锥形波导14也组成三叉戟结构。
本实施例中的第一至第三锥形亚波长光栅7、8、9的长度为30～40μm，周期为300nm，占空比为0.4～0.6；第一和第二锥形波导13、14的长度为10～20μm，第五至第七锥形波导15、16、17的长度为30～40μm。
本实施例涉及上述端面耦合器的耦合方法，将光从单模光纤耦合进入SOI芯片后沿第一至第三锥形亚波长光栅波导7、8、9传输，进入第一至第三亚波长光栅波导10、11、12；由于第一和第二锥形波导13、14的宽度逐渐变大，有效折射率会增大，光会从亚波长光栅波导耦合到第一和第二锥形波导13、14后进入第三和第四锥形波导15、16；由于第三和第四锥形波导15、16的宽度逐渐变小，有效折射率减小，同时，第五锥形波导17的宽度逐渐变大，有效折射率增大，光会耦合到第五锥形波导17并最终进入直波导18后以TE0模式输出，如图4所示。
如图5所示，为光从直径10μm的单模光纤1到直波导18的耦合损耗图，在1.5μm至1.62μm的波长范围内，耦合损耗都小于0.9dB，耦合带宽为120nm，且该耦合器对波长不敏感。在1.55μm波长处，损耗为0.62dB。
本装置通过采用光栅结构，进一步减小硅芯片端面处的有效折射率，使其与光纤的有效折射率更加匹配，增大耦合效率并通过光栅占空比调控有效折射率，增加了调控维度。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器，其特征在于，包括：位于衬底层且对称设置的三个锥形亚波长光栅、三个亚波长光栅波导、若干用于模式转换的锥形波导和直波导，其中：锥形亚波长光栅和对应的亚波长光栅波导相连，锥形波导位于亚波长光栅波导之间，用于光在芯片上传输的直波导及其对应的锥形波导位于端面耦合器的输出端；将光通过单模光纤耦合导入SOI芯片后沿第一至第三锥形亚波长光栅波导传输，进入第一至第三亚波长光栅波导，并进一步从亚波长光栅波导耦合到第一和第二锥形波导后进入第三和第四锥形波导，最后光会耦合到第五锥形波导并最终进入直波导后以TE0模式形式输出。
2.根据权利要求1所述的基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器，其特征是，所述的端面耦合器中的第二锥形亚波长光栅、第二亚波长光栅波导和直波导位于端面耦合器的中轴线上，第一、第二锥形亚波长光栅、第一、第二亚波长光栅波导和第一锥形波导组成三叉戟结构；第二、第三锥形亚波长光栅、第二、第三亚波长光栅波导和第二锥形波导也组成三叉戟结构。
3.根据权利要求1所述的基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器，其特征是，所述的锥形亚波长光栅为宽度渐变，靠近单模光纤的端面的锥形亚波长光栅的宽度由窄变宽，距离端面第i个硅方块的宽度满足：
Figure FDA0002523763780000011
其中：w1为锥形亚波长光栅尖端处的宽度，w2为锥形亚波长光栅末端的宽度，L为光栅的长度，P为周期。
4.根据权利要求1所述的基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器，其特征是，所述的亚波长光栅波导为宽度不变。
5.根据权利要求1所述的基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器，其特征是，所述的端面耦合器的第一、第三锥形亚波长光栅的外侧设有用于限制光场扩散的沟槽。
6.一种基于电子束光刻的制备上述任一权利要求所述端面耦合器的方法，其特征在于，通过一次电子束光刻实现硅结构后覆盖二氧化硅层，再在耦合器两边刻蚀用于限制光场扩散的沟槽结构。
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