CN112987173A - 多层耦合结构 - Google Patents

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Abstract

本公开提出一种多层耦合结构，包括：衬底层、包层，包层中依次层叠设有多个波导层。其中，各波导层中均设有传输波导结构和耦合波导结构，其中耦合波导结构包括两段不同的渐变型波导结构。光信号经第一波导层输入，通过倏逝波耦合的方式，通过中间各个波导层不断向上耦合，最终在第N波导层输出，从而能够实现输入光向任意波导层的传输。本公开中的多层耦合结构尺寸小、耦合效率高，使得整个多层耦合芯片满足小型化、高性能的要求。

Description

多层耦合结构
技术领域
本公开涉及三维光子集成领域，尤其涉及一种多层耦合结构。
背景技术
近年来，随着光子集成技术的不断成熟，光子集成芯片已经不仅仅局限于单层平面结构，并且大型的双层光开关网络也已经实现，这大大的降低了芯片的尺寸，在新的自由度的基础上可以设计更加复杂的结构，从而实现更为复杂的功能。随着技术的不断更新以及对光互连网络集成度要求的不断提高，更多层的光网络架构将成为未来的发展趋势。
在整个多层的光网络结构中最为关键是各个层间耦合结构的设计，越多层的网络架构，光需要在各层间的耦合次数也就越多，整体的耦合效率电会随着层数的增加呈指数型降低，这对各层间耦合结构的设计提出了极高的要求。
耦合结构可以实现光在相邻各层间的自由传输，在倏逝波耦合的方案中，大多采用两个锥形的波导结构，但这种结构要达到较高的耦合效率需要很长的耦合长度，应用在需要大量耦合结构的光网络中无疑是会大大增加芯片的面积，因此需要改进耦合结构的设计。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开的目的在于提供一种多层耦合结构，耦合结构尺寸小且具有较高的耦合效率，能够支持光信号在多个波导层间的耦合。
(二)技术方案
本公开提供了一种多层耦合结构，该多层耦合结构包括：衬底层；包层，生长于衬底层上；包层中依次层叠设有多个波导层，其中：最靠近包层的第一波导层由第一波导和第一波导末端连接的一组耦合波导结构组成；最上层的第N波导层由第N波导和第N波导前端连接的一组耦合波导结构组成；第二波导层至第N-1波导层设于第一波导层和第N波导层之间，其中，第二波导层至第N-1波导层中的每个波导层由第n个波导及其两端连接的两组耦合波导结构组成；各波导层输入端的耦合波导结构与相邻的下层波导层中的耦合波导结构中心对称，输出端的耦合波导结构与相邻的上层波导层的耦合波导结构中心对称；其中，N为大于等于3的正整数，n为大于等于2且小于等于N-1的正整数；其中，耦合波导结构由第一渐变型波导和第二渐变型波导连接构成；对第N波导层，沿第一渐变型波导指向第二渐变型波导的方向，第一渐变型波导的宽度逐渐变窄，第二渐变型波导的宽度逐渐变宽。
可选地，渐变型波导的宽度变化包括线性变化或非线性变化。
可选地，渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：
w＝w1+f(z)·(w2-w1)；
其中，w为渐变型波导的宽度，w1和w2分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数。
可选地，非线性变化包括幂函数型变化或指数型变化。
可选地，渐变型波导的宽度为幂函数型变化，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：
w＝w1+f(z)·(w2-w1)；
其中，
f(z)＝z^k，
其中，w为渐变型波导的宽度，w1和w2分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数，k＞0。
可选地，渐变型波导的宽度为指数型变化，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：
w＝w1+f(z)·(w2-w1)；
其中，
f(z)＝(e^(k·z)-1)/(e^k-1)，
其中，w为渐变型波导的宽度，w1和w2分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数，k≠0。
可选地，渐变型波导的宽度变化为线性变化，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：
w＝w1+f(z)·(w2-w1)；
其中，
f(z)＝z，
其中，w为渐变型波导的宽度，w1和w2分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数。
可选地，多个波导层采用脊型波导结构或矩形波导结构。
可选地，多个波导层采用的材料包括二氧化硅、硅、氮化硅、铌酸锂或III-V族半导体化合物或聚合物。
(三)有益效果
本公开提供的一种多层耦合结构，至少包括以下有益效果：
本公开中的多层耦合结构基于渐变型波导的设计，大大缩短了耦合长度，且具有较高的耦合效率，可以保证光在多个层间的自由传输，在大规模的光互连、光交换系统中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1示出了本公开实施例的多层耦合结构的结构示意图。
图2示意性示出了本公开实施例中两组耦合波导结构形成的层间耦合结构的俯视图。
图3示意性示出了本公开实施例中不同f(z)下的渐变型波导的形状；其中，a表示渐变型波导的宽度呈线性变化，b表示渐变型波导的宽度呈幂函数型变化，c表示渐变型波导的宽度呈指数型(k＞0)变化，d表示渐变型波导的宽度呈指数型(k＜0)变化。
图4示出了本公开实施例一中的多层耦合结构的结构示意图。
图5示意性示出了本公开实施例一中使用FDTD法模拟的光在两层波导间传输时的电场分布图。
附图标记说明：
1-衬底层 2-包层 3-第一波导层
4-第二波导层 5-第N-1波导层 6-第N波导层
7-第一波导 8-第二波导 9-第N-1波导
10-第N波导 11-第一渐变型波导 12-第二渐变型波导
5’-第三波导层 9’-第三波导
LT-耦合波导结构的长度 L1-第一渐变型波导的长度
L2-第二渐变型波导的长度 Wt-第二渐变型波导首端的宽度
Wr-第二渐变型波导末端的宽度
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开。
正如背景技术部分所介绍的，发明人在实现本公开构思的过程中发现，现有的耦合结构要达到较高的耦合效率所需的耦合长度较长，这大大增加了芯片的整体尺寸。基于此，本公开提供了一种多层耦合结构，以期能够解决上述技术问题。
图1示意性示出了本公开实施例的多层耦合结构的结构示意图。
如图1所示，本实施例提供了一种多层耦合结构，该多层耦合结构包括：衬底层1和包层2，其中，包层2生长于衬底层1上，且包层2中依次层叠设有多个波导层。如图1所示，最靠近包层2的第一波导层3由第一波导7和第一波导7末端连接的一组耦合波导结构组成。最上层的第N波导层6由第N波导10和第N波导10前端连接的一组耦合波导结构组成。第二波导层4至第N-1波导层5设于第一波导层3和第N波导层6之间。其中，第二波导层4至第N-1波导层5中的每个波导层由第n个波导及其两端连接的两组耦合波导结构组成。其中，N为大于等于3的正整数，n为大于等于2且小于等于N-1的正整数。
应当理解，图1中示出的多层耦合结构中波导层的数量、形状和结构仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。在本公开实施例中，层叠设置的多个波导层的层数可以根据实际需要进行设置，例如可以设置3层、5层、10层、20层等等，在此不做限定。
在本公开实施例中，请参考图1所示，各波导层输入端的耦合波导结构与相邻的下层波导层中的耦合波导结构中心对称，输出端的耦合波导结构与相邻的上层波导层的耦合波导结构中心对称，这样设计可以在最大程度上减小对光信号在多个层间传输的影响，进而获取较高的耦合效率。
图2示出了本公开实施例中两组耦合波导结构形成的层间耦合结构的俯视图。
下面将以第N波导层6中的第一渐变型波导11和第二渐变型波导12为例来对渐变型波导的结构以及耦合波导结构进行说明。可以理解，图1和图2中示出的内容以及本实施例中对于渐变型波导的说明仅是示例性的，并非用以限制本公开的保护范围。
请一并参考图1和图2，在本公开实施例中，耦合波导结构由第一渐变型波导11和第二渐变型波导12连接构成。例如，对第N波导层6，沿第一渐变型波导11指向第二渐变型波导12的方向，第一渐变型波导11的宽度逐渐变窄，第二渐变型波导12的宽度逐渐变宽。例如，如图2所示，第二渐变型波导12的首端宽度为Wt，末端宽度为Wr(Wr＞Wt)，第二渐变型波导12的宽度从首端至末端，由Wt逐渐增大到Wr。相应地，第一渐变型波导11也具有对应的宽度变化趋势，在此不再赘述。
在图2所示的耦合波导结构中，沿第一渐变型波导11指向第二渐变型波导12的方向，第一渐变型波导11和第二渐变型波导12的波导长度分别为L1和L2。其中，第N波导层6和第N-1波导层5中的耦合波导结构可形成层间耦合区(即图2中四段渐变型波导构成的空间交叠部分，图2中未示出该层间耦合区)，而耦合区长度(即耦合波导结构的长度)LT＝L1+L2。由于各波导层输入端的耦合波导结构与相邻的下层波导层中的耦合波导结构中心对称，输出端的耦合波导结构与相邻的上层波导层的耦合波导结构中心对称，这样层叠设置的多层耦合波导结构可以形成多个层间耦合区，每个层间耦合区的耦合长度为耦合波导结构的长度LT。每个层间耦合区包含上述渐变型的波导结构，可以大大地缩短耦合长度。
参考图1所示，在本公开实施例中，光信号可以经第一波导层3的第一波导7输入，通过倏逝波耦合的方式不断向上传输，最终由第N波导层6的第N波导10输出，实现光信号在多层间的耦合传输。在本公开实施例中，光信号也可以沿着上述传输方向的逆方向进行传输，即光信号可以经第N波导层6的第N波导10输入，通过倏逝波耦合的方式不断向下传输，最终由第一波导层3的第一波导7输出，进而实现光信号在多层间的耦合传输。
在本公开实施例中，衬底层1采用的材料例如可以是硅、二氧化硅、铌酸锂、III-V族半导体化合物或聚合物等。包层2采用的材料例如可以是二氧化硅、硅等。多个波导层采用的材料例如可以是硅、二氧化硅、氮化硅、铌酸锂或III-V族半导体化合物或聚合物等等。另外，多个波导层可以采用例如脊型波导结构或矩形波导结构。
需要说明的是，上述实施例中对于多层耦合结构各层结构的材料和形状的说明仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。在本公开一些实施例中，可以根据实际需要选择任何合适的材料、尺寸、折射率等等来制备上述多层耦合结构，在此不做限定。
本公开实施例中提供的多层耦合结构，基于渐变型波导的设计，可以大大缩短了耦合长度，且具有较高的耦合效率，可以保证光在多个层间的自由传输，在大规模的光互连、光交换系统中具有广阔的应用前景。
根据本公开实施例，上述多个波导层中的渐变型波导，例如图1中示出的第N波导层6中的第一渐变型波导11和第二渐变型波导12，其宽度变化可以包括线性变化和非线性变化。其中，渐变型波导的宽度变化满足如下关系：
w＝w1+f(z)·(w2-w1) (1)
其中，w为渐变型波导的宽度，w1和w2分别为渐变型波导首末两端的宽度(即图2中示出的Wt和Wr)，z为渐变型波导长度(即图2中示出的L1或L2)归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数。
可以理解，根据上述公式(1)可知，渐变型波导的宽度变化由渐变型波导的形状函数f(z)决定，即渐变型波导的形状函数f(z)决定了渐变型波导的宽度是呈现线性变化还是非线性变化，进而决定了渐变型波导的最终形状。
根据本公开实施例，当渐变型波导的宽度变化呈线性变化时，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：
w＝w1+f(z)·(w2-w1)；
其中，
f(z)＝z (2)
其中，w为渐变型波导的宽度，w1和w2分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数。
根据本公开实施例，上述非线性变化可以包括幂函数型变化或指数型变化。其中，当渐变型波导的宽度呈幂函数型变化时，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：
w＝w1+f(z)·(w2-w1)；
其中，
f(z)＝z^k (3)
其中，w为渐变型波导的宽度，w1和w2分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数，k＞0，k的取值决定渐变型波导的曲率。
其中，当渐变型波导的宽度呈指数型变化时，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：
w＝w1+f(z)·(w2-w1)；
其中，
f(z)＝(e^(k·z)-1)/(e^k-1) (4)
其中，w为渐变型波导的宽度，w1和w2分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数，k≠0，k的取值决定渐变型波导的曲率。
图3示意性示出了本公开实施例中不同f(z)下的渐变型波导的形状。
如图3所示，本实施例列举了四种不同类型的渐变型波导的形状，每种类型的渐变型波导形状具有对应的f(z)。其中，图3a表示渐变型波导的宽度呈线性变化，其对应的渐变型波导的形状函数例如为f(z)＝z。图3b表示渐变型波导的宽度呈幂函数型变化，其对应的渐变型波导的形状函数例如为f(z)＝z^2，其中k＝2。图3c表示渐变型波导的宽度呈指数型(k＞0)变化，其对应的渐变型波导的形状函数例如为f(z)＝(e^(3·z)-1)/(e^3-1)，其中k＝3。图3d表示渐变型波导的宽度呈指数型(k＜0)变化，其对应的渐变型波导的形状函数例如为f(z)＝(e^((-3)·z)-1)/(e^(-3)-1)，其中k＝-3。
在本公开实施例中，上述例如第N波导层6中的第一渐变型波导11和第二渐变型波导12可以采用例如图3所示的渐变型波导结构，这样可以在缩短耦合区长度，获得较高的耦合效率的同时，扩大倏逝波耦合的范围。
应当理解，上述实施例以及图3中对于多层耦合结构中渐变型波导的形状的说明仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。在本公开实施例中，可以根据实际需要来设计和选择任何合适的渐变型波导的形状和尺寸等，在此不做限定。
为了使本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合本公开优选的实施例来说明本公开中的技术方案的优势。
实施例一
在本实施例中，采用如图4所示的多层耦合结构。其中，衬底层1的材料为硅，厚度为100μm，包层2的材料为二氧化硅。多层耦合结构中波导层的层数为3层，即N＝3。包层2中从下往上依次层叠设有第一波导层3、第二波导层4和第三波导层5’，第一波导层3、第二波导层4和第三波导层5’的材料为硅，且采用矩形结构。其中，第一波导7、第二波导8和第三波导9’的宽度为0.4μm，厚度为220nm，各波导层间包层的厚度为300nm。
另外，图4中示出的两组耦合波导结构中，每组耦合波导结构中的第一渐变型波导11的宽度为：w1＝0.24μm，w2＝0.4μm，f(z)＝z^2，第二渐变型波导12的宽度为：w1＝0.24μm，w2＝0.32μm，f(z)＝z^3。在本实施例中，上述渐变型波导的长度均为5μm，所组成的层间耦合区长度为10μm，耦合结构的示意图如图2所示。
为了验证上述三层耦合结构的耦合效率是否因缩短耦合长度而受到影响，在本实施例中，使用FDTD法模拟光信号在上述三层耦合结构中传输时的电场分布，结果如图5所示。其中，入射光的波长为1550nm，入射光从第一波导层3的第一波导7入射，光信号经第一波导层3的第一波导7进入层间耦合区，通过倏逝波耦合的方式不断向上传输，最终从第三波导层5’的第三波导9’输出，进而实现光信号在多层间的耦合传输。
从图5可以看到，本实施例中的三层耦合结构基本实现了光信号在各个波导层间的完全耦合传输。经检测，各层间的耦合效率均达到95％以上，最终三层耦合结构的耦合效率可以达到90％以上。
综上所述，本公开提供了一种多层耦合结构，基于渐变型波导的设计，大大缩短了耦合长度，且具有较高的耦合效率，可以保证光在多个层间的自由传输，使得整个多层耦合芯片满足小型化、高性能的要求。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多层耦合结构，其特征在于，包括：
衬底层；
包层，生长于所述衬底层上；所述包层中依次层叠设有多个波导层，其中：
最靠近所述包层的第一波导层由第一波导和第一波导末端连接的一组耦合波导结构组成；最上层的第N波导层由第N波导和第N波导前端连接的一组耦合波导结构组成；
第二波导层至第N-1波导层设于所述第一波导层和所述第N波导层之间，其中，所述第二波导层至所述第N-1波导层中的每个波导层由第n个波导及其两端连接的两组耦合波导结构组成；各波导层输入端的耦合波导结构与相邻的下层波导层中的耦合波导结构中心对称，输出端的耦合波导结构与相邻的上层波导层的耦合波导结构中心对称；其中，N为大于等于3的正整数，n为大于等于2且小于等于N-1的正整数；
其中，所述耦合波导结构由第一渐变型波导和第二渐变型波导连接构成；对所述第N波导层，沿所述第一渐变型波导指向所述第二渐变型波导的方向，所述第一渐变型波导的宽度逐渐变窄，所述第二渐变型波导的宽度逐渐变宽。
2.根据权利要求1所述的多层耦合结构，其特征在于，渐变型波导的宽度变化包括线性变化或非线性变化。
3.根据权利要求1所述的多层耦合结构，其特征在于，渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：
w＝w1+f(z)·(w2-w1)；
其中，w为所述渐变型波导的宽度，w1和w2分别为所述渐变型波导首末两端的宽度，z为所述渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为所述渐变型波导的形状函数。
4.根据权利要求2所述的多层耦合结构，其特征在于，所述非线性变化包括幂函数型变化或指数型变化。
5.根据权利要求4所述的多层耦合结构，其特征在于，所述渐变型波导的宽度为幂函数型变化，则所述渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：
w＝w1+f(z)·(w2-w1)；
其中，
f(z)＝z^k，
其中，w为所述渐变型波导的宽度，w1和w2分别为所述渐变型波导首末两端的宽度，z为所述渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为所述渐变型波导的形状函数，k＞0。
6.根据权利要求4所述的多层耦合结构，其特征在于，所述渐变型波导的宽度为指数型变化，则所述渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：
w＝w1+f(z)·(w2-w1)；
其中，
f(z)＝(e^(k·z)-1)/(e^k-1)，
其中，w为所述渐变型波导的宽度，w1和w2分别为所述渐变型波导首末两端的宽度，z为所述渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为所述渐变型波导的形状函数，k≠0。
7.根据权利要求2所述的多层耦合结构，其特征在于，所述渐变型波导的宽度变化为线性变化，则所述渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：
w＝w1+f(z)·(w2-w1)；
其中，
f(z)＝z，
其中，w为所述渐变型波导的宽度，w1和w2分别为所述渐变型波导首末两端的宽度，z为所述渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为所述渐变型波导的形状函数。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的多层耦合结构，其特征在于，多个所述波导层采用脊型波导结构或矩形波导结构。
9.根据权利要求8所述的多层耦合结构，其特征在于，多个所述波导层采用的材料包括二氧化硅、硅、氮化硅、铌酸锂或III-V族半导体化合物或聚合物。
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