CN112433295B - 一种超宽带分合束器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种超宽带分合束器，包括：衬底以及依次叠置在衬底上的第一波导层和第二波导层；第一波导层的上表面与第二波导层的下表面直接接触；第二波导层包括进行光信号耦合的输入耦合渐变波导区和输出耦合渐变波导区；输入耦合渐变波导区包括若干第一矩形单元，其沿着光传输的方向分立排列以构成第一光栅结构；输出耦合渐变波导区包括若干第二矩形单元，其沿着光传输的方向分立排列以构成第二光栅结构；输入耦合渐变波导区在垂直于衬底的方向上的第一投影、输出耦合渐变波导区在垂直于衬底的方向上的第二投影以及第一波导层在垂直于衬底的方向上的第三投影满足以下关系：第一投影和第二投影完全落入第三投影的范围内。

Description

一种超宽带分合束器
技术领域
本发明涉及光通信器件领域，具体是涉及一种超宽带分合束器。
背景技术
超宽带3dB(分贝)分合束器是光通信系统中的一个至关重要的器件，广泛应用于光开关、光调制器和复用/解复用器件中。
然而，现有的3dB分合束器存在制备精度要求高、波导长度过长、传输效率低、难以大规模集成的缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种超宽带分合束器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种超宽带分合束器，所述分合束器包括：衬底以及依次叠置在所述衬底上的第一波导层和第二波导层；其中，
所述第一波导层的上表面与所述第二波导层的下表面直接接触；
所述第二波导层包括进行光信号耦合的输入耦合渐变波导区和输出耦合渐变波导区；所述输入耦合渐变波导区包括若干第一矩形单元，所述若干第一矩形单元沿着光传输的方向分立排列以构成第一光栅结构；所述输出耦合渐变波导区包括若干第二矩形单元，所述若干第二矩形单元沿着光传输的方向分立排列以构成第二光栅结构；
所述输入耦合渐变波导区在垂直于所述衬底的方向上的第一投影、所述输出耦合渐变波导区在垂直于所述衬底的方向上的第二投影以及所述第一波导层在垂直于所述衬底的方向上的第三投影满足以下关系：所述第一投影和所述第二投影完全落入所述第三投影的范围内。
上述方案中，若干所述第一矩形单元的宽度沿光传输的方向线性递减，所述宽度是所述第一矩形单元在垂直于光传输的方向上两端之间的距离。
上述方案中，所述第二光栅结构的所述第二矩形单元的宽度沿光传输的方向线性递增，所述宽度是所述第二矩形单元在垂直于光传输的方向上两端之间的距离。
上述方案中，包括光输入区和输入渐变波导区，所述输入渐变波导区用于将光输入区的光波耦合至所述输入耦合渐变波导区；
所述光输入区、输入渐变波导区、输入耦合渐变波导区依次相连构成光输入波导。
上述方案中，所述输入耦合渐变波导区包括一锥形部以及从该锥形部的两侧向外延伸的光栅部；
该锥形部的尖端与所述输入耦合渐变波导区接触，所述光栅部与所述第一光栅结构具有相同的周期。
上述方案中，包括输出渐变波导区、弯曲波导区和光输出区，输出渐变波导区用于将所述输出耦合渐变波导区的光波耦合至弯曲波导区；
所述输出耦合渐变波导区、输出渐变波导区、弯曲波导区和光输出区依次相连构成光输出波导。
上述方案中，所述输出渐变波导区包括一锥形部以及从该锥形部的两侧向外延伸的光栅部；
该锥形部的尖端与输出耦合渐变波导区接触，所述光栅部与所述第二光栅结构具有相同的周期。
上述方案中，所述第一矩形单元和所述第二矩形单元的数量相同。
上述方案中，所述若干第一矩形单元包括宽度最小的第一最小矩形单元，所述若干第二矩形单元包括宽度最小的第二最小矩形单元，所述第一最小矩形单元的宽度和第二最小矩形单元的宽度相同；其中，所述宽度是所述第一矩形单元和所述第二矩形单元在垂直于光传输的方向上的两端之间的距离。
上述方案中，所述第一最小矩形单元的宽度和所述第二最小矩形单元的宽度在100nm到200nm之间。
本发明实施例所提供的超宽带分合束器，包括：衬底以及依次叠置在所述衬底上的第一波导层和第二波导层；其中，所述第一波导层的上表面与所述第二波导层的下表面直接接触；所述第二波导层包括进行光信号耦合的输入耦合渐变波导区和输出耦合渐变波导区；所述输入耦合渐变波导区包括若干第一矩形单元，所述若干第一矩形单元沿着光传输的方向分立排列以构成第一光栅结构；所述输出耦合渐变波导区包括若干第二矩形单元，所述若干第二矩形单元沿着光传输的方向分立排列以构成第二光栅结构；所述输入耦合渐变波导区在垂直于所述衬底的方向上的第一投影、所述输出耦合渐变波导区在垂直于所述衬底的方向上的第二投影以及所述第一波导层在垂直于所述衬底的方向上的第三投影满足以下关系：所述第一投影和所述第二投影完全落入所述第三投影的范围内。如此，所述第一波导层和所述第二波导层构成脊型波导结构，该脊型波导结构和第二波导层中光栅结构均可以降低波导对光模场的限制作用，加快输入的光信号从输入耦合渐变波导区耦合至输出耦合渐变波导区的耦合速率，降低器件的耦合长度，减小器件的尺寸，从而提高器件的集成度。不仅如此，该脊型波导结构和第二波导层中的光栅结构还可以减小输入耦合渐变波导区和/或输出耦合渐变波导区中尺寸最小的终端与其下方的波导之间的折射率差，从而降低输入的光信号的反射，提高传输效率。由于该脊型波导结构和上述光栅结构可以提高传输效率，使得耦合区的输入耦合渐变波导区和/或输出耦合渐变波导区中尺寸最小的终端的尺寸不再变得关键，所以该脊型波导结构和该光栅结构还可以降低所述分合束器的制备难度。
附图说明
图1a和图1b分别为相关技术提供的3dB分合束器的俯视图和剖视图；
图2a和图2b分别为本发明实施例提供的超宽带分合束器的俯视图和剖视图；
图3a和图3b为其他实施例提供的超宽带分合束器的俯视图；
图4为本发明实施例提供的具有不同厚度的第一波导层的超宽带分合束器的波长与传输率之间的变化关系图；
图5为本发明实施例提供的超宽带分合束器的制备方法流程示意图；
图6a-6c为本发明实施例提供的超宽带分合束器制备过程中器件结构剖面示意图；
图7为本发明实施例制备得到的超宽带分合束器的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。
在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本发明必然存在第一元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
3dB分合束器，其可以对入射光进行分束和合束。在相关技术中，常采用绝热渐变波导结构来实现低损耗、分光均匀的3dB分合束器。图1a是相关技术中3dB分合束器的俯视图，参见图1a，该3dB分合束器包括波导层3，所述波导层3包括光输入波导、第一光输出波导和第二光输出波导；其中，光输入波导包括依次相连的输入区31和输入耦合波导区32；第一光输出波导包括依次相连的第一输出耦合波导区33、第一输出弯曲波导区35和第一输出区37；第二光输出波导包括依次相连的第二输出耦合波导区34、第二输出弯曲波导区36和第二输出区38。图1b为相关技术提供的3dB分合束器的剖视图，具体为图1a所示的3dB分合束器沿线A-A’的剖视图，图1b示出了衬底1，依次叠置在衬底1上的中间层2、波导层3、覆盖层4等结构。
光束经由输入区31入射，进入输入耦合波导区32，然后耦合至第一输出耦合波导区33和第二输出耦合波导区34。
当输入耦合波导区32、第一输出耦合波导区33和第二输出耦合波导区34的长度足够长时，耦合过程是绝热的，即可实现覆盖光通信O波导至U波段的超宽带的耦合。从而，为了提高3dB分合束器的带宽，需要增加绝热渐变波导的长度，但这会导致器件尺寸的增加，降低器件的集成度。
另一方面，在输入耦合渐变波导区和/或输出耦合渐变波导区的尖端，由于折射率的突变，导致模式的不匹配，会增加3dB分合束器的反射，降低传输效率。从而，为了提高传输效率，则需要使用尺寸超小的尖端结构，这会增加器件的制备难度。
基于此，提出了本实施例的以下技术方案。
本发明一实施例提供了一种超宽带分合束器，所述分合束器包括：衬底以及依次叠置在所述衬底上的第一波导层和第二波导层；其中，所述第一波导层的上表面与所述第二波导层的下表面直接接触；所述第二波导层包括进行光信号耦合的输入耦合渐变波导区和输出耦合渐变波导区；所述输入耦合渐变波导区包括若干第一矩形单元，所述若干第一矩形单元沿着光传输的方向分立排列以构成第一光栅结构；所述输出耦合渐变波导区包括若干第二矩形单元，所述若干第二矩形单元沿着光传输的方向分立排列以构成第二光栅结构；所述输入耦合渐变波导区在垂直于所述衬底的方向上的第一投影、所述输出耦合渐变波导区在垂直于所述衬底的方向上的第二投影以及所述第一波导层在垂直于所述衬底的方向上的第三投影满足以下关系：所述第一投影和所述第二投影完全落入所述第三投影的范围内。
下面，具体参见图2a至2b，图2a是本发明实施例提供的超宽带分合束器的俯视图，图2b是图2a所示的超宽带分合束器沿线A-A’的剖视图。如图所示，所述超宽带分合束器包括：衬底1，所述衬底可以为单质半导体材料衬底(例如为硅(Si)衬底、锗(Ge)衬底等)、复合半导体材料衬底(例如为锗硅(SiGe)衬底等)，或绝缘体上硅(SOI)衬底、绝缘体上锗(GeOI)衬底等。本申请实施例以所述衬底为Si衬底为例进行说明。
应当理解，图中为了使得各层结构均能被清晰示出，可能造成各层结构的尺寸比例关系与实际结构不符。
在本申请实施例中，衬底1上还形成有中间层2，该中间层2可以防止波导层中的光泄露至衬底。该中间层2的折射率优选小于或等于1.8；所述中间层2的材料可以为二氧化硅，但不限于此，也可以为其他材料。
第一波导层5和第二波导层3依次叠置在中间层2上，且该第二波导层3与第一波导层5直接接触。所述第一波导层5和第二波导层3由高折射率的材料形成，所述高折射率优选为大于或等于2。
所述第一波导层5、第二波导层3可以由相同的材料组成，也可以由不同的材料组成，优选的，所述第一波导层5、第二波导层3的材料包括硅和/或氮化硅。
第二波导层3在垂直于所述衬底的方向的厚度在100nm至500nm之间，第一波导层5在垂直于所述衬底的方向上的厚度在50nm至200nm之间。
所述第二波导层3包括进行光信号耦合的输入耦合渐变波导区和输出耦合渐变波导区。
所述输入耦合渐变波导区包括若干第一矩形单元，所述若干第一矩形单元沿着光传输的方向分立排列以构成第一光栅结构；所述输出耦合渐变波导区包括若干第二矩形单元，所述若干第二矩形单元沿着光传输的方向分立排列以构成第二光栅结构。
具体的，若干所述第一矩形单元的宽度沿光传输的方向线性递减，所述宽度是所述第一矩形单元在垂直于光传输的方向上两端之间的距离。若干所述第二矩形单元的宽度沿光传输的方向线性递增，所述宽度是所述第二矩形单元在垂直于光传输的方向上两端之间的距离。
在一个实施例中，所述第一矩形单元和所述第二矩形单元的数量相同。
在一具体的实施例中，所述输出耦合渐变波导区包括第一输出耦合渐变波导区304和第二输出耦合渐变波导区305，即所述超宽带分合束器中包括两个输出耦合渐变波导区。但不限于此，在其他的一些实施例中，所述超宽带分合束器包括一个输出耦合渐变波导区。此外，本发明实施例也不排除包括多个输出耦合渐变波导区的技术方案。在包括一个输出耦合渐变波导区的实施例中，所述输出耦合渐变波导区的结构特征与所述第一输出耦合渐变波导区304和/或所述第二输出耦合渐变波导区305的结构特征相同。在包括多个输出耦合渐变波导区的实施例中，所述多个输出耦合渐变波导区中的每一个输出耦合渐变波导区的结构特征与所述第一输出耦合渐变波导区304和/或所述第二输出耦合渐变波导区305的结构特征相同。
所述输入耦合渐变波导区在垂直于所述衬底的方向上的第一投影、所述输出耦合渐变波导区在垂直于所述衬底的方向上的第二投影以及所述第一波导层在垂直于所述衬底的方向上的第三投影满足以下关系：所述第一投影和所述第二投影完全落入所述第三投影的范围内。
具体参见图2a，输入耦合渐变波导区303在垂直于衬底的方向的投影完全落入第一波导层5在垂直于衬底的方向的投影区域内，所述输入耦合渐变波导区303与其下方的第一波导层5构成脊型波导。该输入耦合渐变波导区303包括第一光栅结构，所述第一光栅结构的矩形单元的宽度沿着光传输的方向线性减小。该脊型波导和所述第一光栅结构可以降低波导对光模场的限制作用，加快输入光从光输入波导到光输出波导的耦合，还可以减小输入耦合渐变波导区和/或输出耦合渐变波导区宽度最小的尖端与其下方的波导之间的折射率差，提高传输效率。
相似的，所述第一输出耦合渐变波导区304在垂直于在垂直于衬底的方向的投影完全落入第一波导层5垂直于衬底的方向的投影区域内，所述第一输出耦合渐变波导区304与其下方的第一波导层5构成脊型波导；所述第二输出耦合渐变波导区305在垂直于衬底的方向的投影完全落入第一波导层5垂直于衬底的方向的投影区域内，所述第二输出耦合渐变波导区305与其下方的第一波导层5构成脊型波导。所述第一输出耦合渐变波导区304和所述第二输出耦合渐变波导区305包括第二光栅结构，所述第二光栅结构的矩形单元的宽度沿着光传输的方向线性递增。
在一实施例中，所述第二波导层3还包括光输入区301和输入渐变波导区302，所述光输入区301、所述输入渐变波导区302和所述输入耦合渐变波导区303依次连接构成光输入波导。
具体的，所述输入渐变波导区302包括一锥形部3021以及从该锥形部的两侧向外延伸的光栅部3022；
该锥形部的尖端与所述输入耦合渐变波导区303接触，所述光栅部3022与所述第一光栅结构具有相同的周期。
在一实施例中，所述第二波导层还包括输出渐变波导区、弯曲波导区和光输出区，所述输出耦合渐变波导区、所述输出渐变波导区、所述弯曲波导区和所述光输出区依次连接形成光输出波导。
在一个具体的实施例中，所述输出渐变波导区包括第一输出渐变波导区306和第二输出渐变波导区307，所述弯曲波导区包括第一弯曲波导区308和第二弯曲波导区309，所述光输出区包括第一光输出区310和第二光输出区311，所述第一输出耦合渐变波导区304、第一输出渐变波导区306、第一弯曲波导区308和第一光输出区310依次连接构成第一光输出波导，所述第二输出耦合渐变波导区305、第二输出渐变波导区307、第二弯曲波导区309和第二光输出区311依次连接构成第二光输出波导。
与输入渐变波导区302类似，所述第一输出渐变波导区306、第二输出渐变波导区307也包括一锥形部以及从该锥形部的两侧向外延伸的光栅部；该锥形部的尖端与输出耦合渐变波导区接触，所述光栅部与所述第二光栅结构具有相同的周期。
所述输入渐变波导区302、所述第一输出渐变波导区306、第二输出渐变波导区307用于将直波导中的模式耦合到亚波长的光栅波导中。
所述第一光输出波导和第二光输出波导对称分布于光输入波导的两侧。在一具体实施例中，第一光输出波导和第二光输出波导呈镜像分布。
继续参见图2a，所述输入耦合渐变波导区303的若干第一矩形单元、所述第一输出耦合渐变波导区304和第二输出耦合渐变波导区305的若干第二矩形单元在垂直于光传输方向上的宽度渐变。
在一实施例中，所述第一矩形单元包括宽度最小的第一最小矩形单元，所述第二矩形单元包括宽度最小的第二最小矩形单元，所述第一最小矩形单元的宽度和第二最小矩形单元的宽度相同。
在一个实施例中，所述第一光栅结构与所述第二光栅结构的周期相同，即输入渐变波导区302、输入耦合渐变波导区303、第一输出耦合渐变波导区304、第二输出耦合渐变波导区305、第一输出渐变波导区306、第二输出渐变波导区307中的矩形单元的周期均相同。
值得注意的是，为了防止工作波长在亚波长光栅中反射，所述第一光栅结构和所述第二光栅结构的周期小于或等于250nm。在同一周期内，所述第一矩形单元与所述第一矩形单元之间的间隙沿着光传输方向上的厚度相同，所述第二矩形单元与所述第二矩形单元之间的间隙沿着光传输方向上的厚度相同。
在一实施例中，所述第一最小矩形单元的宽度和所述第二最小矩形单元的宽度在100nm到200nm之间。
所述输入耦合渐变波导区303、所述第一输出耦合渐变波导区304和所述第二输出耦合渐变波导区305在各自宽度变小的一侧分别包括一终端，所述终端的宽度在50nm到200nm之间。
所述输入耦合渐变波导区303与第一输出耦合渐变波导区304之间、所述输入耦合渐变波导区303与第二输出耦合渐变波导区305之间分别存在第一间隔和第二间隔，第一间隔和第二间隔的宽度相同，所述间隔宽度在50nm到250nm之间。且沿着光传输的方向，所述间隔的宽度不变。
在一实施例中，所述输入耦合渐变波导区303、所述第一输出耦合渐变波导区304、所述第二输出耦合渐变波导区305、以及所述第一间隔和所述第二间隔构成的耦合区域下方的第一波导层5呈连续分布。在一具体的实施例中，所述耦合区域在垂直于衬底的方向上的投影的边界与第一波导层5在垂直于衬底的方向的投影的边界的距离大于或等于2μm。
在一实施例中，所述第一波导层5还延伸至所述第二波导层3的除所述耦合区域外的非耦合区，所述非耦合区在垂直于所述衬底的方向上的投影的边界与所述第一波导层5在垂直于所述衬底的方向上的投影的边界至少部分重叠。优选的，所述非耦合区在垂直于所述衬底的方向上的投影完全落入所述第一波导层5在垂直于所述衬底的方向上的投影的区域内。更优选的，所述非耦合区在垂直于所述衬底的方向上的投影的边界与所述第一波导层5在垂直于所述衬底的方向上的投影的边界距离大于或等于2μm。
在一具体实施例中，第一波导层5覆盖整个中间层2，形状呈平板状，如图2a中所示。
在其他可选的实施例中，第一波导层5也可以部分覆盖部分中间层2。如图3a、图3b所示。
图4示出了具有不同厚度的第一波导层5的超宽带分合束器的传输率与波长的变化关系。从图中可以看出，所述第一波导层5的厚度影响所述分合束器的传输率。
值得注意的是，在本发明实施例中，为了防止所述第一光输出区310和第二光输出区311之间的光模式互相耦合，所述第一光输出区310和第二光输出区311之间的间距宽度大于或等于4μm。
在本发明实施例中，为了降低弯曲损耗，所述第一弯曲波导区308和所述第二弯曲波导区309的弯曲半径大于或等于5μm。
在一实施例中，所述超宽带分合束器还包括一覆盖层4，所述覆盖层4形成在波导层3上，其材料可以是二氧化硅，但不限于此，还可以是其他材料。
本发明实施例能实现1.2～2um的3dB分合束，具有超宽光学带宽，低制备难度和成本，结构尺寸小，易于大规模集成等优势。
本发明实施例还提供了一种超宽带分合束器的制备方法，具体参见图5。如图所示，其包括如下步骤：
步骤501、提供衬底；
步骤502、在所述衬底上形成第一波导层；
步骤503、在所述第一波导层上直接形成第二波导层，其中，所述第二波导层包括进行光信号耦合的输入耦合渐变波导区和输出耦合渐变波导区；所述输入耦合渐变波导区包括若干第一矩形单元，所述若干第一矩形单元沿着光传输的方向分立排列以构成第一光栅结构；所述输出耦合渐变波导区包括若干第二矩形单元，所述若干第二矩形单元沿着光传输的方向分立排列以构成第二光栅结构；
所述输入耦合渐变波导区在垂直于所述衬底的方向上的第一投影、所述输出耦合渐变波导区在垂直于所述衬底的方向上的第二投影以及所述第一波导层在垂直于所述衬底的方向上的第三投影满足以下关系：所述第一投影和所述第二投影完全落入所述第三投影的范围内。
下面，结合图6a-6c中超宽带分合束器的制备过程中的器件剖视图，对本发明实施例提供的超宽带分合束器的制备方法再做进一步详细的说明。
首先，执行步骤501，提供衬底；
请参考图6a，提供衬底1；所述衬底可以为单质半导体材料衬底(例如为硅(Si)衬底、锗(Ge)衬底等)、复合半导体材料衬底(例如为锗硅(SiGe)衬底等)，或绝缘体上硅(SOI)衬底、绝缘体上锗(GeOI)衬底等。
本申请实施例以所述衬底为硅衬底为例进行说明。
接下来，执行步骤502，在所述衬底上形成第一波导层。
请参考图6b，在所述衬底1上形成第一波导层5，在形成第一波导层5之前，可以先在衬底上形成一中间层2，该中间层2可以防止第一波导层的光泄露到衬底1中。该中间层2的折射率可以小于或等于1.8；该中间层2的材料可以是二氧化硅，但不限于此，其也可以为其他材料。
接下来，执行步骤503，在第一波导层上直接形成第二波导层。
请参考图6c，在第一波导层5上形成第二波导层3，所述第一波导层5、第二波导层3可以由相同的材料组成，也可以由不同的材料组成，优选的，所述第一波导层5、第二波导层3的材料包括硅和/或氮化硅。
在实际工艺中，可以先形成一波导层，然后通过蚀刻的方式形成第二波导层3。
在一实施例中，第二波导层3在垂直于所述衬底的方向的厚度在100nm至500nm之间，第一波导层5在垂直于所述衬底的方向上的厚度在50nm至200nm之间。
所述第二波导层包括进行光信号耦合的输入耦合渐变波导区和输出耦合渐变波导区；所述输入耦合渐变波导区包括若干第一矩形单元，所述若干第一矩形单元沿着光传输的方向分立排列以构成第一光栅结构；所述输出耦合渐变波导区包括若干第二矩形单元，所述若干第二矩形单元沿着光传输的方向分立排列以构成第二光栅结构。
在一具体的实施例中，所述输出耦合渐变波导区包括第一输出耦合渐变波导区和第二输出耦合渐变波导区。
所述输入耦合渐变波导区在垂直于所述衬底的方向上的第一投影、所述输出耦合渐变波导区在垂直于所述衬底的方向上的第二投影以及所述第一波导层在垂直于所述衬底的方向上的第三投影满足以下关系：所述第一投影和所述第二投影完全落入所述第三投影的范围内。
图7为本发明实施例制备得到的超宽带分合束器的俯视图。从图中可以看出，输入耦合渐变波导区303在垂直于衬底的方向的投影完全落入第一波导层5在垂直于衬底的方向的投影区域内，所述输入耦合渐变波导区303与其下方的第一波导层5构成脊型波导。该输入耦合渐变波导区303包括第一光栅结构，所述第一光栅结构的矩形单元的宽度沿着光传输的方向线性减小。该脊型波导和所述第一光栅结构可以降低波导对光模场的限制作用，加快输入光从光输入波导到光输出波导的耦合，还可以减小输入耦合渐变波导区和/或输出耦合渐变波导区宽度最小的尖端与其下方的波导之间的折射率差，提高传输效率。
相似的，所述第一输出耦合渐变波导区304在垂直于在垂直于衬底的方向的投影完全落入第一波导层5垂直于衬底的方向的投影区域内，所述第一输出耦合渐变波导区304与其下方的第一波导层5构成脊型波导；所述第二输出耦合渐变波导区305在垂直于衬底的方向的投影完全落入第一波导层5垂直于衬底的方向的投影区域内，所述第二输出耦合渐变波导区305与其下方的第一波导层5构成脊型波导。所述第一输出耦合渐变波导区304和所述第二输出耦合渐变波导区305包括第二光栅结构，所述第二光栅结构的矩形单元的宽度沿着光传输的方向线性递增。
在一实施例中，所述第二波导层3还包括光输入区301和输入渐变波导区302，所述光输入区301、所述输入渐变波导区302和所述输入耦合渐变波导区303依次连接构成光输入波导。
具体的，所述输入渐变波导区302包括一锥形部3021以及从该锥形部的两侧向外延伸的光栅部3022。
该锥形部的尖端与所述输入耦合渐变波导区303接触，所述光栅部3022与所述第一光栅结构具有相同的周期。
在一实施例中，所述第二波导层还包括输出渐变波导区、弯曲波导区和光输出区，所述输出耦合渐变波导区、所述输出渐变波导区、所述弯曲波导区和所述光输出区依次连接形成光输出波导。
在一个具体的实施例中，所述输出渐变波导区包括第一输出渐变波导区306和第二输出渐变波导区307，所述弯曲波导区包括第一弯曲波导区308和第二弯曲波导区309，所述光输出区包括第一光输出区310和第二光输出区311，所述第一输出耦合渐变波导区304、第一输出渐变波导区306、第一弯曲波导区308和第一光输出区310依次连接构成第一光输出波导，所述第二输出耦合渐变波导区305、第二输出渐变波导区307、第二弯曲波导区309和第二光输出区311依次连接构成第二光输出波导。
与输入渐变波导区302类似，所述第一输出渐变波导区306、第二输出渐变波导区307也包括一锥形部以及从该锥形部的两侧向外延伸的光栅部；该锥形部的尖端与输出耦合渐变波导区接触，所述光栅部与所述第二光栅结构具有相同的周期。
所述输入渐变波导区302、所述第一输出渐变波导区306、第二输出渐变波导区307用于将直波导中的模式耦合到亚波长的光栅波导中。
继续参见图7，所述输入耦合渐变波导区303的若干所述第一矩形单元、所述第一输出耦合渐变波导区304和第二输出耦合渐变波导区305的若干所述第二矩形单元在垂直于光传输方向上的宽度渐变。
具体的，若干所述第一矩形单元的宽度沿光传输的方向线性递减，所述宽度是所述第一矩形单元在垂直于光传输的方向上两端之间的距离。若干所述第二矩形单元的宽度沿光传输的方向线性递增，所述宽度是所述第二矩形单元在垂直于光传输的方向上两端之间的距离。
在一实施例中，所述第一矩形单元包括宽度最小的第一最小矩形单元，所述第二矩形单元包括宽度最小的第二最小矩形单元，所述第一最小矩形单元的宽度和第二最小矩形单元的宽度相同，在本发明实施例中，所述宽度是所述第一矩形单元和所述第二矩形单元在垂直于光传输的方向上两端之间的距离。
在一个实施例中，所述第一光栅结构与所述第二光栅结构的周期相同，即输入渐变波导区302、输入耦合渐变波导区303、第一输出耦合渐变波导区304、第二输出耦合渐变波导区305、第一输出渐变波导区306、第二输出渐变波导区307中的矩形单元的周期均相同。
值得注意的是，为了防止工作波长在亚波长光栅中反射，所述第一光栅结构和所述第二光栅结构的周期小于或等于250nm，在同一周期内，矩形单元沿着光传输方向上的厚度与矩形单元之间的间隙沿着光传输方向上的厚度相同。
在一实施例中，所述第一最小矩形单元的宽度和所述第二最小矩形单元的宽度在100nm到200nm之间。
所述输入耦合渐变波导区303、所述第一输出耦合渐变波导区304和所述第二输出耦合渐变波导区305在各自宽度变小的一侧分别包括一终端，所述终端的宽度在50nm到200nm之间。
所述输入耦合渐变波导区303与第一输出耦合渐变波导区304之间、所述输入耦合渐变波导区303与第二输出耦合渐变波导区305之间分别存在第一间隔和第二间隔，第一间隔和第二间隔的宽度相同，所述间隔宽度在50nm到250nm之间。且沿着光传输的方向，所述间隔的宽度不变。
在一实施例中，所述输入耦合渐变波导区303、所述第一输出耦合渐变波导区304、所述第二输出耦合渐变波导区305、以及所述第一间隔和所述第二间隔构成的耦合区域下方的第一波导层5呈连续分布。在一具体的实施例中，所述耦合区域在垂直于衬底的方向上的投影的边界与第一波导层5在垂直于衬底的方向的投影的边界的距离大于或等于2μm。
在一实施例中，所述第一波导层5还延伸至所述第二波导层3的除所述耦合区域外的非耦合区，所述非耦合区在垂直于所述衬底的方向上的投影的边界与所述第一波导层5在垂直于所述衬底的方向上的投影的边界至少部分重叠。优选的，所述非耦合区在垂直于所述衬底的方向上的投影完全落入所述第一波导层5在垂直于所述衬底的方向上的投影的区域内。更优选的，所述非耦合区在垂直于所述衬底的方向上的投影的边界与所述第一波导层5在垂直于所述衬底的方向上的投影的边界距离大于或等于2μm。
值得注意的是，在本发明实施例中，为了防止所述第一光输出区310和第二光输出区311之间的光模式互相耦合，所述第一光输出区310和第二光输出区311之间的间距宽度大于或等于4μm。
在本发明实施例中，为了降低弯曲损耗，所述第一弯曲波导区308和所述第二弯曲波导区309的弯曲半径大于或等于5μm。继续参见图6c，在第二波导层3上还形成一覆盖层4，所述覆盖层的材料可以是二氧化硅，但不限于此，还可以是其他材料。
本发明实施例能实现1.2～2um的3dB分合束，具有超宽光学带宽，低制备难度和成本，结构尺寸小，易于大规模集成等优势。
应当理解，本申请说明书通篇中提到的“一实施例”、“一些实施例”、“其他实施例”、“可选的实施例”或“一具体实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一实施例”、“一些实施例”、“其他实施例”、“可选的实施例”或“一具体实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超宽带分合束器，其特征在于，包括：衬底以及依次叠置在所述衬底上的第一波导层和第二波导层；其中，
所述第一波导层的上表面与所述第二波导层的下表面直接接触；
所述第二波导层包括进行光信号耦合的输入耦合渐变波导区和输出耦合渐变波导区；所述输入耦合渐变波导区包括若干第一矩形单元，所述若干第一矩形单元沿着光传输的方向分立排列以构成第一光栅结构；所述输出耦合渐变波导区包括若干第二矩形单元，所述若干第二矩形单元沿着光传输的方向分立排列以构成第二光栅结构；
所述输入耦合渐变波导区在垂直于所述衬底的方向上的第一投影、所述输出耦合渐变波导区在垂直于所述衬底的方向上的第二投影以及所述第一波导层在垂直于所述衬底的方向上的第三投影满足以下关系：所述第一投影和所述第二投影完全落入所述第三投影的范围内。
2.根据权利要求1所述的超宽带分合束器，其特征在于，若干所述第一矩形单元的宽度沿光传输的方向线性递减，所述宽度是所述第一矩形单元在垂直于光传输的方向上两端之间的距离。
3.根据权利要求1所述的超宽带分合束器，其特征在于，若干所述第二矩形单元的宽度沿光传输的方向线性递增，所述宽度是所述第二矩形单元在垂直于光传输的方向上两端之间的距离。
4.根据权利要求1所述的超宽带分合束器，其特征在于，包括光输入区和输入渐变波导区，所述输入渐变波导区用于将光输入区的光波耦合至所述输入耦合渐变波导区；
所述光输入区、输入渐变波导区、输入耦合渐变波导区依次相连构成光输入波导。
5.根据权利要求4所述的超宽带分合束器，其特征在于，所述输入耦合渐变波导区包括一锥形部以及从该锥形部的两侧向外延伸的光栅部；
该锥形部的尖端与所述输入耦合渐变波导区接触，所述光栅部与所述第一光栅结构具有相同的周期。
6.根据权利要求1所述的超宽带分合束器，其特征在于，包括输出渐变波导区、弯曲波导区和光输出区，输出渐变波导区用于将所述输出耦合渐变波导区的光波耦合至弯曲波导区；
所述输出耦合渐变波导区、输出渐变波导区、弯曲波导区和光输出区依次相连构成光输出波导。
7.根据权利要求6所述的超宽带分合束器，其特征在于，所述输出渐变波导区包括一锥形部以及从该锥形部的两侧向外延伸的光栅部；
该锥形部的尖端与输出耦合渐变波导区接触，所述光栅部与所述第二光栅结构具有相同的周期。
8.根据权利要求1所述的超宽带分合束器，其特征在于，所述第一矩形单元和所述第二矩形单元的数量相同。
9.根据权利要求1所述的超宽带分合束器，其特征在于，所述若干第一矩形单元包括宽度最小的第一最小矩形单元，所述若干第二矩形单元包括宽度最小的第二最小矩形单元，所述第一最小矩形单元的宽度和第二最小矩形单元的宽度相同；其中，所述宽度是所述第一矩形单元和所述第二矩形单元在垂直于光传输的方向上的两端之间的距离。
10.根据权利要求9所述的超宽带分合束器，其特征在于，所述第一最小矩形单元的宽度和所述第二最小矩形单元的宽度在100nm到200nm之间。
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