CN112415652B - 一种波导光栅耦合器阵列 - Google Patents

一种波导光栅耦合器阵列 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种波导光栅耦合器阵列，包括光栅层、波导层和氧化层；其中，波导层位于氧化层的上方，光栅层在波导层上刻蚀而成；光栅层的刻蚀深度相同，结构对称；光栅层通过将TE模式光栅耦合器中的TE光栅和TM模式单周期光栅耦合器中的TM光栅之间的差集部分刻蚀掉，交集部分刻蚀出一个刻蚀孔形成。本发明实施例通过刻蚀更小的光栅结构将针对TE模设计的光栅耦合器和TM模设计的光栅耦合器结合起来，满足在两个不同的周期内填充系数相同，进而满足波导层对TE、TM有效折射率相同，使用同一光栅结构实现垂直耦合到波导和从波导通过光栅耦合到外部的偏振无关，进而实现双向传输耦合的偏振无关，结构简单，制作方便。

Description

一种波导光栅耦合器阵列
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种波导光栅耦合器阵列。
背景技术
硅基光子学是光电子技术领域中的重要学科之一，经过多年的发展，已经有了广阔的应用，如光开关、光滤波器和波分复用器等。波导光栅器件由于其较小的器件尺寸和结构，以及对机械振动和温度敏感性低等优点，在硅基光子学中有广泛的应用，如模式转换器、滤波器、反射器、耦合器等。其中波导光栅耦合器是一种光输入、输出的器件结构，比如较普通的棱镜藕合器，具有器件尺寸小、耦合效率高等突出优点。
对于通常的一维单周期光栅结构，TE(Transverse Electric，横电)模式下光的有效折射率大于TM(Transverse Magnetic，横磁)模式下光的有效折射率。根据相位匹配条件可知，TE和TM模式的光耦合到波导所需的单位光栅周期长度不同，因此通常的单周期光栅耦合器难以实现偏振无关的功能。在不知道偏振光的偏振状态的情况下，具有强烈偏振选择性的光栅耦合器的工作性能将无法的到保证。
采用特殊的光栅结构可以降低偏振选择性，达到偏振无关的目的。例如，有研究者通过设置两层光栅的结构将TE和TM模式的光耦合进不同的波导层中，实现了偏振无关的功能。但这种结构需要制作两层光栅，结构较为复杂，并且仅考虑了耦合到波导过程的偏振无关。也有研究者通过在高填充系数的深刻蚀光栅的基础上，刻蚀深度较浅的光栅构成T型槽光栅结构。这种结构对两种模式采用了不同的耦合原理实现输出耦合器，从而实现高效的偏振无关的耦合输出。但这种结构涉及到在已经刻蚀好的光栅上再刻蚀一个光栅结构，工艺过程较为复杂，并且仅仅考虑到从波导通过光栅耦合到外部过程的偏振无关。
发明内容
本发明实施例提供一种波导光栅耦合器阵列，用以解决现有技术中仅实现单向耦合偏振无关，且结构复杂，工艺繁琐的缺陷，实现双向耦合的偏振无关，且结构和工艺简单。
本发明实施例提供一种波导光栅耦合器阵列，包括光栅层、波导层和氧化层；
其中，所述波导层位于所述氧化层的上方，所述光栅层在所述波导层上刻蚀而成；
所述光栅层的刻蚀深度相同，结构对称；
所述光栅层通过将TE模式光栅耦合器中的TE光栅和TM模式单周期光栅耦合器中的TM光栅之间的差集部分刻蚀掉，交集部分刻蚀出一个刻蚀孔形成。
根据本发明一个实施例的波导光栅耦合器阵列，所述交集部分的长度根据所述TM模式单周期光栅耦合器的周期、所述交集部分的编号和预设光栅变化系数确定。
根据本发明一个实施例的波导光栅耦合器阵列，所述交集部分的长度为：
l2(i)＝ΛTM(1-c1*i％)；
其中，l2(i)表示编号为i的交集部分的长度，ΛTM表示所述TM模式单周期光栅耦合器的周期，c1表示预设光栅变化系数。
根据本发明一个实施例的波导光栅耦合器阵列，所述差集部分的长度为：
l1(i)＝ΛTM-l2(i)；
其中，l1(i)表示编号为i的差集部分的长度，ΛTM表示所述TM模式单周期光栅耦合器的周期。
根据本发明一个实施例的波导光栅耦合器阵列，所述交集部分的填充系数为：
其中，f2(i)表示编号为i的交集部分的填充系数，fTM表示所述TM模式单周期光栅耦合器的填充系数，c1表示预设光栅变化系数，c根据所述TM模式单周期光栅耦合器的周期与所述TE模式光栅耦合器的周期确定。
根据本发明一个实施例的波导光栅耦合器阵列，c％＝ΛTE/ΛTM；
其中，ΛTM表示所述TM模式单周期光栅耦合器的周期，ΛTE表示所述TE模式光栅耦合器的周期。
根据本发明一个实施例的波导光栅耦合器阵列，所述TM模式单周期光栅耦合器的周期和TE模式光栅耦合器的周期根据相位匹配条件获取。
根据本发明一个实施例的波导光栅耦合器阵列，当任一所述交集部分的填充系数大于或等于1时，紧邻该交集部分之后的TE模式光栅耦合器的周期跳过紧邻该交集部分之后的差集部分，将该交集部分对应的TM模式单周期光栅耦合器的周期的下一个周期的起始点作为起始点；
从调整后的TE模式光栅耦合器的周期开始，所述交集部分和差集部分的编号分别重置为从1开始依次增大。
根据本发明一个实施例的波导光栅耦合器阵列，所述光栅层包括衍射光栅，所述衍射光栅包括刻蚀孔和光栅齿，所述光栅齿为矩形；
所述波导层包括波导，所述波导为矩形，与所述光栅层中衍射光栅的两端相连；
所述氧化层为二氧化硅材料。
根据本发明一个实施例的波导光栅耦合器阵列，所述波导层的厚度的范围为0.25μm至0.4μm。
本发明实施例提供的一种波导光栅耦合器阵列，通过刻蚀更小的光栅结构将针对TE模设计的光栅耦合器和TM模设计的光栅耦合器结合起来，满足在两个不同的周期内填充系数相同，进而满足波导层对TE、TM有效折射率相同，使用同一光栅结构实现垂直耦合到波导和从波导通过光栅耦合到外部的偏振无关，进而实现双向传输耦合的偏振无关，结构简单，制作方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种波导光栅耦合器阵列中光垂直耦合到波导的过程的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种波导光栅耦合器阵列的光栅结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种波导光栅耦合器阵列中光从波导耦合到光栅下部的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种波导光栅耦合器阵列的具体工作方式示意图；
图5是本发明实施例提供的一种波导光栅耦合器阵列补偿结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种波导光栅耦合器阵列耦合到波导的效率示意图；
图7是本发明实施例提供的一种波导光栅耦合器阵列耦合到波导的PDL示意图；
图8是本发明实施例提供的一种波导光栅耦合器阵列从波导耦合到外部的效率示意图；
图9是本发明实施例提供的一种波导光栅耦合器阵列从波导耦合到外部的PDL示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1描述本发明实施例的波导光栅耦合器阵列，自上而下包括光栅层3、波导层2和氧化层1；其中，所述波导层2位于所述氧化层1的上方，所述光栅层3在所述波导层2上刻蚀而成；所述光栅层3的刻蚀深度相同，结构对称；
其中，氧化层1材料可以为二氧化硅。波导层2材料为氮化硅，可以更换为任何对TE和TM模存在不同有效折射率的材料。光栅层3关于波导光栅耦合器的对称轴4对称。光栅层3为波导层2上刻蚀的亚波长光栅结构。为了保证耦合到波导两个方向的光一致，光栅采用对称结构。
所述光栅层3通过将TE模式光栅耦合器中的TE光栅和TM模式单周期光栅耦合器中的TM光栅之间的差集部分刻蚀掉，交集部分刻蚀出一个刻蚀孔形成。
在设计光栅层3时，将TE光栅和TM光栅取差集部分刻蚀掉，在TE光栅和TM光栅取交集部分刻蚀出一个刻蚀孔，刻蚀孔的长度小于交集部分的长度，具体如图2所示。取交集部分的长度和填充系数，保证两个不同的周期内填充系数尽量相同，且之后的光栅满足一定的变化规律。所设计的复合周期结构的光栅耦合器实现了垂直入射耦合到光栅和从波导耦合到外部的偏振无关的功能。
在一个波导层2上，有多个光栅耦合器结构，每两个光栅耦合器结构之间由波导层连接。光源透过氧化层1从任意光栅耦合器底部垂直耦合到波导层2，并沿波导层2的两个方向传播，如图1所示。再通过临近的光栅层3耦合到外部，如图3所示，且这两个过程都满足偏振无关。图4为光栅耦合器阵列的具体工作方式示意图。光源采用高斯光源。
本实施例通过刻蚀更小的光栅结构将针对TE模设计的光栅耦合器和TM模设计的光栅耦合器结合起来，满足在两个不同的周期内填充系数相同，进而满足波导层对TE、TM有效折射率相同，使用同一光栅结构实现垂直耦合到波导和从波导通过光栅耦合到外部的偏振无关，进而实现双向传输耦合的偏振无关，结构简单，制作方便。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述交集部分的长度根据所述TM模式单周期光栅耦合器的周期、所述交集部分的编号和预设光栅变化系数确定。
本实施例不限于TM模式单周期光栅耦合器的周期获取方式。交集部分的编号从1开始依次递增。预设光栅变化系数根据实际需要进行设定。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述交集部分的长度为：
l2(i)＝ΛTM(1-c1*i％)；
其中，l2(i)表示编号为i的交集部分的长度，ΛTM表示所述TM模式单周期光栅耦合器的周期，c1表示预设光栅变化系数。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述差集部分的长度为：
l1(i)＝ΛTM-l2(i)；
其中，l1(i)表示编号为i的差集部分的长度，ΛTM表示所述TM模式单周期光栅耦合器的周期。
在上述各实施例的基础上，本实施例中所述交集部分的填充系数为：
其中，f2(i)表示编号为i的交集部分的填充系数，fTM表示所述TM模式单周期光栅耦合器的填充系数，c1表示预设光栅变化系数，c根据所述TM模式单周期光栅耦合器的周期与所述TE模式光栅耦合器的周期确定。
在上述实施例的基础上，本实施例中c％＝ΛTE/ΛTM；其中，ΛTM表示所述TM模式单周期光栅耦合器的周期，ΛTE表示所述TE模式光栅耦合器的周期。
具体地，确定TM模式单周期光栅耦合器的填充系数为fTM。TE模式光栅耦合器的填充系数fTE满足fTE＝fTM*ΛTM/ΛTE，据此设置ΛTE/ΛTM＝c％。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述TM模式单周期光栅耦合器的周期和TE模式光栅耦合器的周期根据相位匹配条件获取。
具体地，根据相位匹配条件计算TM模式单周期光栅耦合器的周期ΛTM和TE模式光栅耦合器的周期ΛTE。其中，相位匹配条件为：
Λ(nc*sinθ-Neff)＝mλ；
其中，Λ表示TM模式单周期光栅耦合器的周期或TE模式光栅耦合器的周期，nc表示光栅包层折射率，θ表示入射光偏角，Neff表示波导层有效折射率，m表示衍射级数，λ表示入射光的波长。
在上述各实施例的基础上，本实施例中当任一所述交集部分的填充系数大于或等于1时，紧邻该交集部分之后的TE模式光栅耦合器的周期跳过紧邻该交集部分之后的差集部分，将该交集部分对应的TM模式单周期光栅耦合器的周期的下一个周期的起始点作为起始点；从调整后的TE模式光栅耦合器的周期开始，所述交集部分和差集部分的编号分别重置为从1开始依次增大。
具体地，当取交集部分的填充系数恰好大于或等于1时，之后的光栅结构填充系数将降低直到趋近于0，因此需要一个如图1中的补偿结构5。交集部分之后的一个TE模式光栅耦合器的周期跳过一个差集部分重新计算，具体结构如图5所示。图5中第n+1个交集部分的填充系数恰好大于或等于1，则第n+2个TE模式光栅耦合器的周期跳过第n+1个差集部分，将第n+2个TM模式单周期光栅耦合器的周期的起始点作为起始点。第n+2个TE光栅和第n+2个TM光栅的差集部分的编号和交集部分的编号均重置为1，后面差集部分的编号和交集部分的编号依次增大。由于交集部分的填充系数与交集部分的编号相关，通过调整TE周期，调节接编号，从而调整填充系数。
根据光栅层的形成过程确定光栅层的参数。为了保证更低的偏振相关损耗和更高的带宽，对光栅层的参数进行优化。根据求得的光栅层相关参数制造光栅耦合器，步骤如下：
步骤1，采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)方法在二氧化硅衬底上生长氮化硅薄膜；
步骤2，清洗氮化硅层表面，并烘干；
步骤3，将烘干的器件放于匀胶机中，以2000至5000转每分钟的转速旋涂光刻胶层，烘干；
步骤4，采用电子束曝光工艺在器件表面进行曝光，形成波导图形；
步骤5，采用感性耦合等离子体刻蚀，形成波导结构；
步骤6，采用电子束曝光工艺在器件表面进行曝光，形成光栅图形；
步骤7，采用感性耦合等离子体刻蚀，形成光栅；
步骤8，将刻蚀完成的器件去胶清洗。
其中波导层材料的虽然采用氮化硅材料，但是可以替换为其他对TE和TM模具有有效折射率差的材料。氧化层的厚度不会对光的耦合、透射和反射过程造成影响。
例如，波导层厚度400nm，刻蚀深度272nm，光源采用高斯光源，光栅采用对称结构，总周期数量为12。最终优化得到的光栅周期ΛTM为0.61μm，对应的填充系数fTM为0.4717，ΛTE/ΛTM＝0.848，光栅变化系数c1设为2，对称轴右侧交集部分的长度l2分别为0.5978μm、0.5856μm、0.5734μm、0.5612μm、0.549μm和0.5368μm，对应的填充系数f2分别为0.483092、0.507007、0.519875、0.533414、0.547676和0.562722。
图6为耦合到波导的效率示意图，可以看出940nm波长TE和TM光耦合到波导层的效率达到18％。图7为耦合到波导的PDL(Polarization Dependent Loss，偏振相关损耗)图，可以看出PDL达到0.026db，在945.6nm处达到最低值0.0067dB，在0.9528～0.9278范围内(25nm带宽)PDL低于0.8dB。图8为从波导耦合到外部的效率图，图9为从波导耦合到外部的PDL图。可以看出从波导耦合到外部940nm处，耦合效率约为27％，PDL为0.068dB。
在上述各实施例的基础上，本实施例中所述光栅层包括衍射光栅，所述衍射光栅包括刻蚀孔和光栅齿，所述光栅齿为矩形；所述波导层包括波导，所述波导为矩形，与所述光栅层中衍射光栅的两端相连；所述氧化层为二氧化硅材料。
在上述各实施例的基础上，本实施例中所述波导层的厚度的范围为0.25μm至0.4μm。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种波导光栅耦合器阵列，其特征在于，包括光栅层、波导层和氧化层；
其中，所述波导层位于所述氧化层的上方，所述光栅层在所述波导层上刻蚀而成；
所述光栅层的刻蚀深度相同，结构对称；
所述光栅层通过将TE模式光栅耦合器中的TE光栅和TM模式单周期光栅耦合器中的TM光栅之间的差集部分刻蚀掉，交集部分刻蚀出一个刻蚀孔形成；
刻蚀孔的长度小于交集部分的长度，两个不同的周期内的交集部分的填充系数相同；
当任一所述交集部分的填充系数大于或等于1时，紧邻该交集部分之后的TE模式光栅耦合器的周期跳过紧邻该交集部分之后的差集部分，将该交集部分对应的TM模式单周期光栅耦合器的周期的下一个周期的起始点作为起始点；
从调整后的TE模式光栅耦合器的周期开始，所述交集部分和差集部分的编号分别重置为从1开始依次增大。
2.根据权利要求1所述的波导光栅耦合器阵列，其特征在于，所述交集部分的长度根据所述TM模式单周期光栅耦合器的周期、所述交集部分的编号和预设光栅变化系数确定。
3.根据权利要求2所述的波导光栅耦合器阵列，其特征在于，所述交集部分的长度为：
l2(i)＝ΛTM(1-c1*i％)；
其中，l2(i)表示编号为i的交集部分的长度，ΛTM表示所述TM模式单周期光栅耦合器的周期，c1表示预设光栅变化系数。
4.根据权利要求3所述的波导光栅耦合器阵列，其特征在于，所述差集部分的长度为：
l1(i)＝ΛTM-l2(i)；
其中，l1(i)表示编号为i的差集部分的长度，ΛTM表示所述TM模式单周期光栅耦合器的周期。
5.根据权利要求1-4任一所述的波导光栅耦合器阵列，其特征在于，所述交集部分的填充系数为：
其中，f2(i)表示编号为i的交集部分的填充系数，fTM表示所述TM模式单周期光栅耦合器的填充系数，c1表示预设光栅变化系数，c根据所述TM模式单周期光栅耦合器的周期与所述TE模式光栅耦合器的周期确定。
6.根据权利要求5所述的波导光栅耦合器阵列，其特征在于，
c％＝ΛTE/ΛTM；
其中，ΛTM表示所述TM模式单周期光栅耦合器的周期，ΛTE表示所述TE模式光栅耦合器的周期。
7.根据权利要求5所述的波导光栅耦合器阵列，其特征在于，所述TM模式单周期光栅耦合器的周期和TE模式光栅耦合器的周期根据相位匹配条件获取。
8.根据权利要求1-4任一所述的波导光栅耦合器阵列，其特征在于，所述光栅层包括衍射光栅，所述衍射光栅包括刻蚀孔和光栅齿，所述光栅齿为矩形；
所述波导层包括波导，所述波导为矩形，与所述光栅层中衍射光栅的两端相连；
所述氧化层为二氧化硅材料。
9.根据权利要求1-4任一所述的波导光栅耦合器阵列，其特征在于，所述波导层的厚度的范围为0.25μm至0.4μm。
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