CN113075765A - 基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器及其应用，垂直耦合器包括绝热拉锥波导，绝热拉锥波导上设置有亚波长光栅；绝热拉锥波导的宽度从始端到末端均匀减少，绝热拉锥波导的两个侧边对称设置有亚波长光栅，亚波长光栅中光栅的长度由绝热拉锥波导的始端到末端均匀增大；绝热拉锥波导的长度为12.4‑58.9μm。本发明结合了亚波长光栅的特性，优化了绝热拉锥波导的耦合效果，使得耦合器的尺寸大大减少，并依然能保持97％以上的耦合率和100nm的带宽。

Description

基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器及其应用
技术领域
本发明涉及基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器及其应用，属于垂直耦合器技术领域。
背景技术
硅晶绝缘体(Silicon-on-insulator，SOI)由于折射率差大，制备工艺与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺兼容一直广受学术界及工业届的青睐，被广泛应用于高密度光电集成线路。为了满足日益增长的数据吞吐量及集成密度的需求，实现可扩展的、具有高成本效益的Si基光电集成线路，三维(Three-dimensional,3D)集成逐渐引起科学家的广泛关注。
垂直光耦合器作为3D集成的关键器件，实现了多层平板光集成线路(Photonicintegrated circuits，PICs)之间的互连。垂直光耦合器的实现方式主要有绝热拉锥波导，垂直聚合物光波导及悬臂耦合器。其中，绝热拉锥波导由于耦合率高，制备简单而展现出了广阔的应用前景。但是，为了降低耦合损耗，波导必须满足绝热拉锥条件，因此器件尺寸较大。
以应用于硅基(Si)-铌酸锂(LiNO3，LN)混合集成光调制器中的垂直耦合器为例，铌酸锂晶体波导位于硅波导的上方，硅波导中的能量通过绝热拉锥结构时耦合进入上方铌酸锂波导中，为了实现大于97％的耦合率，硅波导的拉锥长度高达150μm，如此大的尺寸不利于提高集成度。如果直接缩小拉锥波导的长度，耦合效率下降明显，将不符合器件对耦合效率的要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器及其应用，该垂直耦合器的尺寸大大减少，并能保持97％以上的耦合率，且对工艺制造误差有较大的误差容限。
术语说明：
亚波长光栅：subwavelength grating，SWG，光栅周期小于入射波长，对入射光只存在零级反射和衍射。
本发明的技术方案为：
基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器，所述垂直耦合器包括绝热拉锥波导，所述绝热拉锥波导上设置有亚波长光栅；所述绝热拉锥波导的宽度从始端到末端逐渐减少，所述绝热拉锥波导的两个侧边对称设置有亚波长光栅，所述亚波长光栅的长度由绝热拉锥波导的始端到末端逐渐增大；所述绝热拉锥波导的长度为12.4-58.9μm；
光在从绝热拉锥波导的始端进入垂直耦合器，并在垂直耦合器中继续传输；由于亚波长光栅等效为一个均匀材料波导，入射到亚波长光栅上的光，入射光电场极化方向平行于光栅周期界面方向，随绝热拉锥波导宽度减少，垂直耦合器的有效折射率逐渐减小，导致光由始端到末端进行传输并逐渐向上耦合到上层波导中，然后在上层波导中继续进行传输。
绝热拉锥波导层上设置亚波长光栅结构，根据等效介质理论，亚波长光栅等效为一个均匀材料波导，亚波长光栅的等效折射率介于绝热拉锥波导和上层波导之间，降低了耦合器与待传输波导的折射率差，因而能缩小绝热拉锥波导的长度。
根据本发明优选的，亚波长光栅的周期T为220-320nm，亚波长光栅的占空比为0.32-0.45；优选的，亚波长光栅的周期T为300nm，占空比为0.33。占空比即为亚波长光栅中相邻狭缝之间的光栅块的长度a与光栅周期T的比值。
当亚波长光栅的占空比在该范围内时，耦合器的有效折射率小于上层波导的有效折射率，能量逐渐向折射率高的地方耦合，此时能够使得能量耦合率最大。当亚波长光栅的周期T为300nm时，垂直耦合器的尺寸最小。
根据本发明优选的，所述绝热拉锥波导的始端的宽度为400-500nm，所述绝热拉锥波导的末端的宽度为80-160nm。
工艺限制末端的宽度无法小于80nm，且末端的尺寸在80nm时，垂直耦合器的耦合率不低于95％。
根据本发明优选的，所述绝热拉锥波导的始端的宽度为400nm，所述绝热拉锥波导的末端的宽度为80nm；从所述绝热拉锥波导的始端到末端，所述亚波长光栅中光栅的长度由0nm逐渐增加到160nm。
根据本发明优选的，所述绝热拉锥波导的长度为15μm。绝热拉锥波导尺寸大大减小，有利于提高耦合器的集成度。
根据本发明优选的，所述异质集成垂直耦合器的入射波长为1500-1600nm；优选的，入射波长为1550nm。在光栅周期范围内小于入射波长，对入射光只存在零级反射和衍射。
根据本发明优选的，所述绝热拉锥波导层的厚度为220nm。
一种设置有上述基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器的硅基-铌酸锂混合集成光调制器，光调制器的输入端包括自下到上依次设置有硅衬底、二氧化硅层、苯丙环丁烯层和铌酸锂层；所述异质集成垂直耦合器设置在所述苯丙环丁烯层中，且所述异质集成垂直耦合器与所述二氧化硅层相连接；
光在从绝热拉锥波导的始端进入异质集成垂直耦合器，并在异质集成垂直耦合器中继续传输，逐渐向上耦合到上层的铌酸锂波导中，之后继续在铌酸锂波导中进行传输。
在硅基-铌酸锂混合集成光调制器中，二氧化硅层属于埋氧化层，在顶层硅和衬底之间引入了一层埋氧化层是制作中常用的一种技术，称为SOI(Silicon on Insulator)，意思是硅在绝缘体上，SOI可以实现集成电路中元器件的介质隔离，减少寄生电容。苯丙环丁烯层作为粘合剂，用于粘合硅和上层的铌酸锂；在混合集成光调制器输入端实现硅波导与铌酸锂波导之间的耦合，铌酸锂层是垂直耦合器的工作场景，光通过垂直耦合器耦合到铌酸锂层中。
本发明的有益效果为：
1.本发明结合了亚波长光栅的特性，优化了绝热拉锥波导的耦合效果，使得耦合器的尺寸大大减少，并依然能保持97％以上的耦合率和100nm的带宽。
2.本发明提供的基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器对工艺制造误差有较大的误差容限。
3.本发明提供的基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器在硅基光电集成线路，三维集成具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1提供的基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器的立体结构示意图；
图2为实施例2提供的设置有基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器的硅基-铌酸锂光调制器输入端的立体结构示意图；
图3为实施例2提供的设置有基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器的硅基-铌酸锂光调制器输入端的俯视结构示意图；
图4为实施例2提供的设置有基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器的硅基-铌酸锂光调制器输入端的截面结构示意图；
图5为实施例2提供的设置有基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器的硅基-铌酸锂光调制器的侧视图结构示意图；
图6为传统绝热拉锥波导垂直耦合器与实施例2中绝热拉锥波导垂直耦合器的频谱响应示意图；
图7为相同尺寸下，传统绝热拉锥波导垂直耦合器与实施例2中绝热拉锥波导垂直耦合器的频谱响应示意图；
图8为实施例2中设置在硅基-铌酸锂光调制器中的垂直耦合器的耦合率随占空比的变化示意图；
图9为实施例2中设置在硅基-铌酸锂光调制器中的垂直耦合器的耦合率随绝热拉锥波导末端尺寸的变化示意图；
图10为实施例2中设置在硅基-铌酸锂光调制器中的垂直耦合器的耦合率随校准误差的变化示意图；
1、硅衬底，2、二氧化硅层，3、苯丙环丁烯层，4、平板铌酸锂波导层，5、绝热拉锥波导，6、梯形截面铌酸锂波导层，7、亚波长光栅。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器，如图1所示，垂直耦合器包括绝热拉锥波导5，绝热拉锥波导5上设置有亚波长光栅7；绝热拉锥波导5的宽度从始端到末端逐渐减少，绝热拉锥波导5的两个侧边对称设置有亚波长光栅7，亚波长光栅7的长度由绝热拉锥波导5的始端到末端逐渐增大；
垂直耦合器的形状为长方体，绝热拉锥波导5的俯视结构为梯形。
光在从绝热拉锥波导5的始端进入垂直耦合器，并在垂直耦合器中继续传输；由于亚波长光栅7等效为一个均匀材料波导，入射到亚波长光栅7上的光，入射光电场极化方向平行于光栅周期界面方向，随绝热拉锥波导5宽度减少，垂直耦合器的有效折射率逐渐减小，导致光由始端到末端进行传输并逐渐向上耦合到上层波导中，然后在上层波导中继续进行传输。
本发明的设计原理为：绝热拉锥波导5上设置了亚波长光栅7结构，根据等效介质理论，亚波长光栅7等效为一个均匀材料波导，亚波长光栅7的等效折射率介于绝热拉锥波导5和上层波导之间，降低了耦合器与待传输波导的折射率差，因而能缩小绝热拉锥波导5的长度。
根据等效介质理论设计了垂直耦合器的结构，并对光栅周期数进行了优化，绝热拉锥波导5的长度为15μm。绝热拉锥波导5尺寸大大减小，有利于提高耦合器的集成度。
亚波长光栅7的高折射率材料选择Si，波长1550nm时折射率n1＝3.478；低折射率材料选择苯丙环丁烯，波长1550nm时折射率n2＝1.54。
亚波长光栅7的周期T为300nm，占空比为0.33。占空比即为亚波长光栅7中相邻狭缝之间的光栅块的长度a与光栅周期T的比值。由于制作工艺的限制，硅块长度a不能小于100nm，周期个数为50。
当亚波长光栅7的占空比在该范围内时，耦合器的有效折射率小于上层波导的有效折射率，能量逐渐向折射率高的地方耦合，此时能够使得能量耦合率最大。当亚波长光栅7的周期T为300nm时，垂直耦合器的尺寸最小。
本实例中，入射波长为1550nm，对入射光只存在零级反射和衍射。
绝热拉锥波导5的宽度在15μm长度范围内由400nm到80nm均匀减小。工艺限制末端的宽度无法小于80nm，且末端的尺寸在80nm时，垂直耦合器的耦合率不低于95％。从绝热拉锥波导5的始端到末端，亚波长光栅7中光栅的长度由0nm逐渐增加到160nm。
绝热拉锥波导5的厚度为220nm。
实施例2
一种设置有实施例1提供的基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器的硅基-铌酸锂混合集成光调制器，如图2、3和5所示，光调制器包括自下到上依次设置有硅衬底1、二氧化硅层2、苯丙环丁烯层3和铌酸锂层；异质集成垂直耦合器设置在苯丙环丁烯层3中，且异质集成垂直耦合器与二氧化硅层2相连接；
光在从绝热拉锥波导5的始端进入异质集成垂直耦合器，并在异质集成垂直耦合器中继续传输，逐渐向上耦合到上层的铌酸锂波导中，之后继续在铌酸锂波导中进行传输。
在硅基-铌酸锂混合集成光调制器中，二氧化硅层2属于埋氧化层，在顶层硅和衬底之间引入了一层埋氧化层是制作中常用的一种技术，称为SOI(Silicon on Insulator)，意思是硅在绝缘体上，SOI可以实现集成电路中元器件的介质隔离，减少寄生电容。苯丙环丁烯层3作为粘合剂，用于粘合硅和上层的铌酸锂；在混合集成光调制器输入端实现硅波导与铌酸锂波导之间的耦合，铌酸锂层是垂直耦合器的工作场景，光通过垂直耦合器耦合到铌酸锂层中。
铌酸锂层包括自下到上依次设置的平板铌酸锂波导层4和梯形截面铌酸锂波导层6；铌酸锂是调制器的部分，是耦合器的应用场景，梯形截面是损耗最低的铌酸锂波导。
在梯形截面波导层中，如图4所示，梯形截面的上底宽度W1为1μm，下底宽度W2为1.4μm，梯形高度h为180nm。梯形截面结构如此设计时，LN波导的损耗最小。
对硅基-铌酸锂混合集成光调制器中垂直耦合器的耦合率以及相关尺寸参数进行探究，具体如下：
对本发明提供的基于亚波长光栅的绝热拉锥波导5垂直耦合器和传统的拉锥波导垂直耦合器的耦合率进行探究，如图6所示，横坐标为入射光的波长，单位为μm，纵坐标为耦合率。实线是基于亚波长光栅7的绝热拉锥波导5垂直耦合器，长度为15μm，在此范围内的耦合率；虚线是传统的拉锥波导垂直耦合器，长度为150μm，长度为本发明提供的基于亚波长光栅7的绝热拉锥波导5垂直耦合器的十倍；可以看出两种耦合器的耦合率随波长变化很小，在1.5μm到1.6μm波长范围内能保持97％以上的耦合率，本发明设计的耦合器在尺寸缩十倍的情况下，仍能得到与传统拉锥波导垂直耦合器相当的耦合率与带宽，表明本发明提供的基于亚波长光栅7的绝热拉锥波导5垂直耦合器能够在减小尺寸的同时保证高的耦合率。
本发明同样探究了相同尺寸下的耦合率，传统绝热拉锥波导5垂直耦合器与实施例1提供的绝热拉锥波导5垂直耦合器的频谱响应；如图7所示，横坐标为入射光的波长，单位为μm，纵坐标为耦合率，实线是基于亚波长光栅7的绝热拉锥波导5垂直耦合器，在1.5μm到1.6μm波长范围内的耦合率97％以上；虚线是传统绝热拉锥波导5垂直耦合器在1.5μm到1.6μm波长范围内的耦合率，但是传统绝热拉锥波导5垂直耦合器的耦合率只有90％左右，说明本发明制备的基于亚波长光栅7的异质集成垂直耦合器在较小的尺寸下，可以保持较高的耦合率。
由于工艺限制，器件在生产制造过程中会有一定的误差，我们对最有可能对性能产生影响的三个参数——SWG占空比、绝热拉锥波导5末端尺寸以及耦合器平分线与LN波导平分的相对位置进行了容错分析，仿真了选定参数在一定范围内的变化以分析误差容限。
图8展示了对SWG占空比对耦合率的影响的分析，可以看出占空比在0.32-0.45范围内，内耦合率不低于95％，耦合率并没有受到很大的影响。
对于绝热拉锥波导5末端尺寸的制备容限仿真如图9所示，工艺限制宽度无法小于80nm，只分析宽度增大的方向，可以看出末端尺寸在80nm-160nm范围内耦合率不低于95％。
耦合器平分线与LN波导平分线的相对位置的校准误差对耦合率的影响如图10所示，插图示意了耦合器的平分线与LN波导平分线的相对位置，可知，误差允许在150nm范围以内。
通过以上三个参数的分析，本文提出的垂直耦合器容许的误差范围可以兼容标准光刻工艺。

Claims (8)

1.基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器，所述垂直耦合器包括绝热拉锥波导，其特征在于，所述绝热拉锥波导上设置有亚波长光栅；所述绝热拉锥波导的宽度从始端到末端逐渐减少，所述绝热拉锥波导的两个侧边对称设置有亚波长光栅，所述亚波长光栅的长度由绝热拉锥波导的始端到末端逐渐增大；所述绝热拉锥波导的长度为12.4-58.9μm；
光在从绝热拉锥波导的始端进入垂直耦合器，并在垂直耦合器中继续传输；由于亚波长光栅等效为一个均匀材料波导，入射到亚波长光栅上的光，入射光电场极化方向平行于光栅周期界面方向，随绝热拉锥波导宽度减少，垂直耦合器的有效折射率逐渐减小，导致光由始端到末端进行传输并逐渐向上耦合到上层波导中，然后在上层波导中继续进行传输。
2.根据权利要求1所述的基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器，其特征在于，亚波长光栅的周期T为220-320nm，亚波长光栅的占空比为0.32-0.45；优选的，亚波长光栅的周期T为300nm，占空比为0.33。
3.根据权利要求1所述的基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器，其特征在于，所述绝热拉锥波导的始端的宽度为400-500nm，所述绝热拉锥波导的末端的宽度为80-160nm。
4.根据权利要求3所述的基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器，其特征在于，所述绝热拉锥波导的始端的宽度为400nm，所述绝热拉锥波导的末端的宽度为80nm；从所述绝热拉锥波导的始端到末端，所述亚波长光栅中光栅的长度由0nm逐渐增加到160nm。
5.根据权利要求1所述的基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器，其特征在于，所述绝热拉锥波导的长度为15μm。
6.根据权利要求1所述的基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器，其特征在于，所述异质集成垂直耦合器的入射波长为1500-1600nm；优选的，入射波长为1550nm。
7.根据权利要求1所述的基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器，其特征在于，所述绝热拉锥波导层的厚度为220nm。
8.一种设置有如权利要求1-7任一项所述的基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器的硅基-铌酸锂混合集成光调制器，其特征在于，光调制器的输入端包括自下到上依次设置有硅衬底、二氧化硅层、苯丙环丁烯层和铌酸锂层；所述异质集成垂直耦合器设置在所述苯丙环丁烯层中，且所述异质集成垂直耦合器与所述二氧化硅层相连接；
光在从绝热拉锥波导的始端进入异质集成垂直耦合器，并在异质集成垂直耦合器中继续传输，逐渐向上耦合到上层的铌酸锂波导中，之后继续在铌酸锂波导中进行传输。
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