CN112904477B - 一种基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器 - Google Patents

一种基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器，由下至上依次为硅基衬底、掩埋氧化层、光功分部件和上包层，其中掩埋氧化层生长于硅基衬底的上表面，上包层覆盖掩埋氧化层的上表面，光功分部件水平生长于掩埋氧化层的上表面，并被上包层覆盖。本发明能够实现偏振不敏感的功能，并且大大降低光功分器的插入损耗，提高器件工作带宽，缩短器件的尺寸，降低器件的制造难度。

Description

一种基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器
技术领域
本发明属于集成光学领域，尤其涉及一种基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器。
背景技术
基于绝缘体上硅(SOI)制造平台的光子集成电路(PIC)，具有高折射率对比度和互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容处理的独特优势，是一种经济高效、高密度光互连的强大技术。光功分器作为构建高密度PIC的基础器件之一，已广泛用于分离和组合光信号，或作为构建更复杂器件的基本元件，如光开关、光调制器、光复用器、光相控阵等。
对于基于SOI制造平台的光功分器，芯层和包层之间的高折射率通常用于提供强烈的光约束，这使得亚微米级光学元件得以实现。然而，这种高折射率对比度也带来了强烈的双折射，使得大多数基于SOI的光功分器是偏振相关的，易产生偏振相关的问题，包括偏振模色散、偏振相关增益等。由于偏振分集方案可以将随机偏振入射光分离并转换成偏振相同的两束光，因此通常采用偏振分集方案来解决PICs中的偏振问题。在该方案中，偏振分束器和旋转器是必不可少的组成部分。另一种解决方案是使用光学偏振器，只允许在PICs中传播一种偏振，不需要的偏振将被消除。但是，这两种方案都会增加器件的占用空间和结构复杂性，不利于实现PIC的密集集成。显然，设计出一种结构紧凑、低插入损耗、大工作带宽且具有偏振不敏感功能的光功分器是很有必要的。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器,以解决插入损耗高，结构不紧凑，工作带宽小的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器，包括硅基衬底、掩埋氧化层、光功分部件和上包层，其中掩埋氧化层生长于硅基衬底的上表面，上包层覆盖掩埋氧化层的上表面，光功分部件水平生长于掩埋氧化层的上表面，并被上包层覆盖。
光功分部件包括中路输入通道、偏振不敏感型浅刻蚀多模干涉耦合器结构、左路输出通道、右路输出通道。
偏振不敏感型浅刻蚀多模干涉耦合器结构包括中路锥形直通通道、中路浅刻蚀多模直通通道、中路锥形浅刻蚀槽通道、左路锥形输出通道、右路锥形输出通道。
中路输入通道的一端和中路锥形直通通道窄的一端相连，中路锥形直通通道宽的一端和中路浅刻蚀多模直通通道相连，中路锥形浅刻蚀槽通道刻蚀在中路浅刻蚀多模直通通道上表面，构成中路通道。
左路锥形输出通道宽的一端连接在中路浅刻蚀多模直通通道末端的左侧，左路锥形输出通道窄的一端与左路输出通道相连，构成左路通道。
右路锥形输出通道宽的一端连接在中路浅刻蚀多模直通通道末端的右侧，右路锥形输出通道窄的一端与右路输出通道相连，构成右路通道。
左路锥形输出通道、左路输出通道和右路锥形输出通道、右路输出通道对称分列于中路浅刻蚀多模直通通道末端的左右两侧。
进一步的，左路通道和右路通道之间的距离为0.5～0.8μm。
进一步的，中路锥形浅刻蚀槽通道位于中路浅刻蚀多模直通通道上表面的中间，中路锥形浅刻蚀槽通道宽的一端宽度为左路通道和右路通道之间的间距。
进一步的，中路输入通道、中路锥形直通通道、左路锥形输出通道、右路锥形输出通道、左路输出通道、右路输出通道均为硅基带状波导。
进一步的，中路浅刻蚀多模直通通道为硅基浅刻蚀多模波导，硅基浅刻蚀多模波导的截面结构为凹字形结构。
进一步的，中路锥形浅刻蚀槽通道的材料为二氧化硅或氮化硅。
进一步的，硅基浅刻蚀多模波导与中路锥形浅刻蚀槽通道的尺寸满足以下条件：
(1)中路锥形浅刻蚀槽通道中的横磁模为截止状态；
(2)在硅基浅刻蚀多模波导中横磁模的有效折射率实部变化小于0.1，满足绝热模式演变条件。
进一步的，偏振不敏感型浅刻蚀多模干涉耦合器结构的横电模耦合长度LC满足下式：
Figure BDA0002963171110000031
式中：
Figure BDA0002963171110000032
为两个最低阶模式之间的拍长。
进一步的，硅基衬底为标准尺寸的硅晶元，掩埋氧化层是在硅基衬底上热生长的二氧化硅材料，厚度为2～3μm，上包层的材料为二氧化硅材料。
本发明的一种基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器具有以下优点：
(1)插入损耗低：对于输入的横电模，它通过输入锥形波导进行模式扩展，再在浅刻蚀多模波导中通过对称多模干涉产生双重成像，然后横电模的双重成像会在左右路输出锥形波导的帮助下从输出通道输出。此外，由于横电模的能量集中在波导的核心区域，所以横电模的多模干涉过程几乎不受上表面浅蚀刻锥形槽的影响，插入损耗得到极大的降低；对于输入的横磁模，它也通过输入锥形波导进行模式扩展，然后横磁模会被浅刻蚀锥形槽均匀地分离到两侧而不会产生多模干涉行为，这是因为横磁模进入浅刻蚀区域时会变成截止状态，所以横磁模会通过浅刻蚀区域的左右两侧继续传播而不进入浅刻蚀区域，被等分的横磁模最终也会从输出通道输出。由于横磁模在浅刻蚀多模波导里传输时的，横磁模有效折射率实部的变化极小，满足了绝热的模式演变条件，所以大大的减小了传输损耗，使插入损耗大大降低。
(2)结构紧凑：对于传统的基于多模干涉耦合器的光功分器而言，横电模与横磁模都是基于多模干涉理论进行功分的，由于两种模式的拍长不同，所以为了实现偏振不敏感的功能，器件的长度尺寸需要设计的很长才能使两种模式的耦合长度相同。本发明中，在多模干涉耦合器上引入了浅刻蚀结构，由于横电模与横磁模的模场特性不同，浅刻蚀结构只能影响横磁模的模场分布，进而导致了该结构能够改变横磁模的传输行为而对横电模的传输没有影响。因此在设计此器件时，可以先根据多模干涉理论，设计横电模的功分功能，再引入浅刻蚀结构并根据绝热模式演变理论，实现横磁模的功分功能。由于横磁模绝热模式演变过程所需的长度小于横电模的耦合长度，所以设计本发明的器件长度时只需要考虑横电模的耦合长度，大大缩短了器件的长度尺寸。
(3)工作带宽大：对于输入横电模，浅刻蚀多模波导的有效折射率小于传统的多模波导，使得输入波长变化对浅刻蚀多模波导中的多模干涉行为的影响大大减弱，进而大大提升了横电模均分的工作带宽；对于输入横磁模，由于横磁模的均分是基于绝热模式演变，而绝热模式演变机制对输入波长的改变并不敏感，所以横磁模的均分也能得到大的工作带宽，最终基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器可以实现极大的工作带宽。
附图说明
图1为本发明的光功分部件结构示意图；
图2为本发明的基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器的横截面结构示意图；
图3为本发明基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器在输入工作波长为1.55μm时0阶横电模电场沿着器件传输方向的电场演变图；
图4为本发明基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器在输入工作波长为1.55μm时0阶横磁模电场沿着器件传输方向的电场演变图；
图中标记说明：1、中路输入通道；2、中路锥形直通通道；3、中路浅刻蚀多模直通通道；4、中路浅刻蚀槽通道；5、左路锥形输出通道；6、右路锥形输出通道；7、左路输出通道；8、右路输出通道；9、偏振不敏感型浅刻蚀多模干涉耦合器结构；10、硅基衬底；11、掩埋氧化层；12、上包层；13、光功分部件。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器做进一步详细的描述。
如图2所示，本发明包括硅基衬底10、掩埋氧化层11、光功分部件13和上包层12，其中掩埋氧化层11生长于硅基衬底10的上表面，上包层12覆盖掩埋氧化层11的上表面，光功分部件13水平生长于掩埋氧化层11的上表面，并被上包层12覆盖。
如图1所示，光功分部件13包括中路输入通道1、偏振不敏感型浅刻蚀多模干涉耦合器结构9、左路输出通道7、右路输出通道8。其中偏振不敏感型浅刻蚀多模干涉耦合器结构9包括中路锥形直通通道2、中路浅刻蚀多模直通通道3、中路锥形浅刻蚀槽通道4、左路锥形输出通道5、右路锥形输出通道6。
中路输入通道1的一端和中路锥形直通通道2窄的一端相连、中路锥形直通通道2宽的一端和中路浅刻蚀多模直通通道3相连，中路锥形浅刻蚀槽通道4刻蚀在中路浅刻蚀多模直通通道3的上表面的中间，构成中路通道；左路锥形输出通道5宽的一端连接在中路浅刻蚀多模直通通道3末端的左侧、左路锥形输出通道5窄的一端与左路输出通道7相连，构成左路输出通道；右路锥形输出通道6宽的一端连接在中路浅刻蚀多模直通通道3末端的右侧，右路锥形输出通道6窄的一端与右路输出通道8相连，构成右路输出通道。
左路锥形输出通道5、左路输出通道7和右路锥形输出通道6、右路输出通道8对称分列于中路浅刻蚀多模直通通道3末端的左右两侧，左路通道和右路通道之间的距离为0.5～0.8μm，中路锥形浅刻蚀槽通道4宽的一端宽度为左路通道和右路通道之间的间距。
中路输入通道1、中路锥形直通通道2、左路锥形输出通道5、右路锥形输出通道6、左路输出通道7、右路输出通道8均为硅基带状波导，中路浅刻蚀多模直通通道3为硅基浅刻蚀多模波导。
如图2所示，硅基浅刻蚀多模波导的截面结构为凹字形结构，其中浅刻蚀槽形部分为中路锥形浅刻蚀槽通道4。中路锥形浅刻蚀槽通道4的材料为二氧化硅或氮化硅。
合理设计硅基浅刻蚀多模波导与中路锥形浅刻蚀槽通道4的尺寸，使中路锥形浅刻蚀槽通道中的横磁模为截止状态，并且使硅基浅刻蚀多模波导中横磁模的有效折射率实部变化小于0.1，让横磁模的均分满足绝热模式演变条件。输入的横磁模通过输入锥形波导进行模式扩展，然后根据绝热模式演变原理，横磁模会被浅刻蚀锥形槽均匀地分离到两侧而不会产生多模干涉行为，最后分离的横磁模从输出通道输出。输入的横电模通过输入锥形波导进行模式扩展，再在浅刻蚀多模波导中通过对称多模干涉产生双重成像，然后横电模的双重成像会在左右路输出锥形波导的帮助下从输出通道输出。此外，由于横电模的能量集中在波导的核心区域，所以横电模的多模干涉过程几乎不受上表面浅蚀刻锥形槽的影响。根据多模干涉原理，偏振不敏感型浅刻蚀多模干涉耦合器结构9的横电模耦合长度LC满足下式：
Figure BDA0002963171110000061
式中：
Figure BDA0002963171110000062
为两个最低阶模式之间的拍长。
如图2所示，硅基衬底10为标准尺寸的硅晶元，掩埋氧化层11是在硅基衬底10上热生长的二氧化硅材料，上包层12的材料为二氧化硅材料，掩埋氧化层11的厚度为2～3μm。
如图3所示，展示了输入模式为0阶横电模(TE0)并且工作波长为1.55μm时，基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器的电场演变图。TE0进入输入波导后，先在输入锥形波导中进行模式扩展，然后在浅刻蚀多模波导中通过对称多模干涉产生在浅刻蚀多模波导尾部产生了双重成像，然后横电模的双重成像在左右路输出锥形波导的帮助下从输出通道输出。TE0模式在传输过程中，被很好的限制在波导核心区域中，横电模的多模干涉过程几乎不受上表面浅蚀刻锥形槽的影响，插入损耗极小。
如图4所示，展示了输入模式为0阶横磁模(TM0)并且工作波长为1.55μm时，基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器的电场演变图。TM0进入输入波导后，先在输入锥形波导中进行模式扩展，然后由于横磁模进入浅刻蚀区域时会变成截止状态，所以模式扩展后的横磁模会被浅刻蚀锥形槽均匀地分离到两侧而不会产生多模干涉行为，最后分离的横磁模从输出通道输出。TM0模式在传输过程中，TM0的模式分离满足绝热模式演变条件，插入损耗极小并且工作带宽很大。说明浅刻蚀锥形槽只影响了横磁模的传输行为，而对横电模的传输几乎没有影响，最终使器件实现了偏振不敏感的功能。
本发明具有以下优点：
(1)插入损耗低：对于输入的横电模，它通过输入锥形波导进行模式扩展，再在浅刻蚀多模波导中通过对称多模干涉产生双重成像，然后横电模的双重成像会在左右路输出锥形波导的帮助下从输出通道输出。此外，由于横电模的能量集中在波导的核心区域，所以横电模的多模干涉过程几乎不受上表面浅蚀刻锥形槽的影响，插入损耗得到极大的降低；对于输入的横磁模，它也通过输入锥形波导进行模式扩展，然后横磁模会被浅刻蚀锥形槽均匀地分离到两侧而不会产生多模干涉行为，这是因为横磁模进入浅刻蚀区域时会变成截止状态，所以横磁模会通过浅刻蚀区域的左右两侧继续传播而不进入浅刻蚀区域，被等分的横磁模最终也会从输出通道输出。由于横磁模在浅刻蚀多模波导里传输时的，横磁模有效折射率实部的变化极小，满足了绝热的模式演变条件，所以大大的减小了传输损耗，使插入损耗大大降低。
(2)结构紧凑：对于传统的基于多模干涉耦合器的光功分器而言，横电模与横磁模都是基于多模干涉理论进行功分的，由于两种模式的拍长不同，所以为了实现偏振不敏感的功能，器件的长度尺寸需要设计的很长才能使两种模式的耦合长度相同。本发明中，在多模干涉耦合器上引入了浅刻蚀结构，由于横电模与横磁模的模场特性不同，浅刻蚀结构只能影响横磁模的模场分布，进而导致了该结构能够改变横磁模的传输行为而对横电模的传输没有影响。因此在设计此器件时，可以先根据多模干涉理论，设计横电模的功分功能，再引入浅刻蚀结构并根据绝热模式演变理论，实现横磁模的功分功能。由于横磁模绝热模式演变过程所需的长度小于横电模的耦合长度，所以设计本发明的器件长度时只需要考虑横电模的耦合长度，大大缩短了器件的长度尺寸。
(3)工作带宽大：对于输入横电模，浅刻蚀多模波导的有效折射率小于传统的多模波导，使得输入波长变化对浅刻蚀多模波导中的多模干涉行为的影响大大减弱，进而大大提升了横电模均分的工作带宽；对于输入横磁模，由于横磁模的均分是基于绝热模式演变，而绝热模式演变机制对输入波长的改变并不敏感，所以横磁模的均分也能得到大的工作带宽，最终基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器可以实现极大的工作带宽。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器，其特征在于，包括硅基衬底（10）、掩埋氧化层（11）、光功分部件（13）和上包层（12），其中掩埋氧化层（11）生长于硅基衬底（10）的上表面，上包层（12）覆盖掩埋氧化层（11）的上表面，光功分部件（13）水平生长于掩埋氧化层（11）的上表面，并被上包层（12）覆盖；
所述光功分部件（13）包括中路输入通道（1）、偏振不敏感型浅刻蚀多模干涉耦合器结构（9）、左路输出通道（7）、右路输出通道（8）；
所述偏振不敏感型浅刻蚀多模干涉耦合器结构（9）包括中路锥形直通通道（2）、中路浅刻蚀多模直通通道（3）、中路锥形浅刻蚀槽通道（4）、左路锥形输出通道（5）、右路锥形输出通道（6）；
所述中路输入通道（1）的一端和中路锥形直通通道（2）窄的一端相连，中路锥形直通通道（2）宽的一端和中路浅刻蚀多模直通通道（3）相连，中路锥形浅刻蚀槽通道（4）刻蚀在中路浅刻蚀多模直通通道（3）上表面，构成中路通道；
所述左路锥形输出通道（5）宽的一端连接在中路浅刻蚀多模直通通道（3）末端的左侧，左路锥形输出通道（5）窄的一端与左路输出通道（7）相连，构成左路通道；
所述右路锥形输出通道（6）宽的一端连接在中路浅刻蚀多模直通通道（3）末端的右侧，右路锥形输出通道（6）窄的一端与右路输出通道（8）相连，构成右路通道；
所述左路锥形输出通道（5）、左路输出通道（7）和右路锥形输出通道（6）、右路输出通道（8）对称分列于中路浅刻蚀多模直通通道（3）末端的左右两侧；
所述左路通道和右路通道之间的距离为0.5 ～0.8 μm；
所述中路浅刻蚀多模直通通道（3）为硅基浅刻蚀多模波导，硅基浅刻蚀多模波导的截面结构为凹字形结构。
2.根据权利要求1所述的基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器，其特征在于，所述中路锥形浅刻蚀槽通道（4）位于中路浅刻蚀多模直通通道（3）上表面的中间，中路锥形浅刻蚀槽通道（4）宽的一端宽度为左路通道和右路通道之间的间距。
3.根据权利要求2所述的基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器，其特征在于，所述中路输入通道（1）、中路锥形直通通道（2）、左路锥形输出通道（5）、右路锥形输出通道（6）、左路输出通道（7）、右路输出通道（8）均为硅基带状波导。
4.根据权利要求1所述的基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器，其特征在于，所述中路锥形浅刻蚀槽通道（4）的材料为二氧化硅或氮化硅。
5.根据权利要求4所述的基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器，其特征在于，所述硅基浅刻蚀多模波导与中路锥形浅刻蚀槽通道（4）的尺寸满足以下条件：
中路锥形浅刻蚀槽通道（4）中的横磁模为截止状态；
在硅基浅刻蚀多模波导中横磁模的有效折射率实部变化小于0.1，满足绝热模式演变条件。
6.根据权利要求5所述的基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器，其特征在于，所述偏振不敏感型浅刻蚀多模干涉耦合器结构（9）的横电模耦合长度L C 满足下式：
Figure 75176DEST_PATH_IMAGE002
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为两个最低阶模式之间的拍长。
7.根据权利要求6所述的基于浅刻蚀多模干涉耦合器的偏振不敏感型光功分器，其特征在于，所述硅基衬底（10）为标准尺寸的硅晶元；所述的掩埋氧化层（11）是在硅基衬底（10）上热生长的二氧化硅材料，厚度为2 ～3μm；所述的上包层（12）的材料为二氧化硅材料。
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