CN113253386B - 一种高效宽带光栅耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种高效宽带光栅耦合器设计，该设计将光从硅波导中耦合进入顶层介质层，在光栅耦合区域刻蚀顶层介质层波导形成光栅结构，中间多层介质膜及刻蚀区形成的布拉格反射镜共同降低泄露损耗。与此同时，由于光在顶层介质层的光栅图形中出射，使得该设计具有氮化硅光栅的宽带特性。实现了高效宽带的光纤与光芯片耦合，同时实现方法能够与CMOS工艺兼容，无需较小的线宽即可完成制造。

Description

一种高效宽带光栅耦合器
技术领域
本发明涉及硅基光电子集成器件领域，特别涉及一种高效宽带光栅耦合器。
背景技术
相较于传统电互连，光互连以光作为信息载体，具有传播延迟小、干扰性小、带宽大、损耗低的优点，使得光互连具有广阔的发展空间。实现光波导与光纤的高效耦合是光互连发展的重点之一。光栅耦合器实现波导与光纤耦合的同时，具有结构简单，制作工艺成熟以及可以垂直芯片输出光能量，无需切片得到端面，从而能够实现晶圆级测试。因此光栅耦合器被广泛应用在光互连领域。
减少光栅耦合器损耗的传统方法包括底部金属反射镜，DBR反射结构，闪耀光栅结构，而这三种结构虽然能够有效提高光栅耦合效率，但是不能通过标准硅光CMOS工艺在SOI晶圆上制造。另外由于光栅方程与波长直接相关，故光栅耦合器的带宽受限，一般设计的光栅耦合器的3dB带宽都在40-50nm区间。本发明能够通过标准硅光CMOS工艺制造，同时兼顾光栅耦合器的带宽和损耗问题，在较大的带宽范围内实现高效光栅耦合；或者在铌酸锂平台制造，无需进行铌酸锂刻蚀，实现光栅耦合器的制造。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效宽带光栅耦合器，它具有能够与其他硅器件/铌酸锂器件设计兼容，相较于一般光栅耦合器，增加了工作带宽，降低了损耗，有利于高效的波导与光纤耦合。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种高效宽带光栅耦合器，包括耦合器本体，所述耦合器本体包括倏逝波耦合区域、模式转换区域和光栅耦合区域，所述倏逝波耦合区域位于所述耦合器本体的前部，所述模式转换区域位于所述耦合器本体的中部，所述光栅耦合区域位于所述耦合器本体的后部，所述耦合器本体还包括器件层、顶部介质层和二氧化硅包层，所述顶部介质层位于器件层的上方，所述二氧化硅包层位于器件层和顶部介质层之间，位于光栅耦合区域内的器件层顶部设有多层介质膜，位于光栅耦合区域内的顶部介质层上设有光栅图形，所述光栅图形位于多层介质膜的正上方。
作为优选，所述器件层包括顶层器件层、二氧化硅埋氧层和衬底层，所述衬底层位于器件层的底部，所述二氧化硅埋氧层位于衬底层的上方，所述顶层器件层位于所述二氧化硅埋氧层的上方。
作为优选，光栅耦合区域内的顶层器件层上设有刻蚀区，所述多层介质膜位于所述刻蚀区的上方。
作为优选，所述器件层的材料包括硅、铌酸锂。
作为优选，所述顶部介质层的材料包括氮化硅、氮氧化硅。
作为优选，所述多层介质膜的材料包括氮化硅、多晶硅、氮氧化硅。
本发明的有益效果：
1、设计了器件层和顶部介质层，在倏逝波耦合区域，顶层器件层的光波导与顶部介质层波导进行倏逝波耦合，该区域尺寸由光波导与顶部介质层之间间距决定，通过控制器件层和顶部介质层在倏逝波耦合区域的耦合长度，实现器件层光到顶部介质层光的高效传输；
2、在器件层与顶部介质层距离较远时，可以通过多层介质膜进行一个层间耦合过渡，实现最终的层间耦合，通过调整顶部介质层波导在进入光栅耦合区域前的长度，使得光从顶层器件层耦合进入顶部介质层。
3、在顶部介质层与器件层之间设计多层介质膜，形成布拉格反射镜结构，有效反射氮化硅层向下发射的光能量，提高光栅耦合器的效率，降低光栅的衬底泄露损耗；
4、通过顶部介质层光栅结构完成光芯片与光纤之间的输入/输出，利用顶部介质层材料折射率较小的特性，能够有效提高光栅器件的带宽；
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是本发明一种高效宽带光栅耦合器的二维结构示意图；
图2是本发明一种高效宽带光栅耦合器的三维结构示意图；
图3是SiN均匀光栅+Si层反射镜仿真结果；
图4是SiN均匀光栅+Si层反射镜+SiN DBR结构仿真结果；
1-倏逝波耦合区域、2-模式转换区域、3-光栅耦合区域、4-顶部介质层、5-二氧化硅包层、6-多层介质膜、7-顶层器件层、8-二氧化硅埋氧层、9-衬底器件层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
参阅图1和图2，以标准220nm CMOS SOI结合代工厂可行的SiN工艺进行详细说明，本发明提供的光栅耦合器，包括：氮化硅材料的顶部介质层4，二氧化硅包层5，硅材料器件层、二氧化硅埋氧层8和氧化硅材料的多层介质膜6。
在倏逝波耦合区域1通过控制顶部介质层4的长度，根据顶部介质层4与器件层之间的距离，依据定向耦合器的原理实现器件层到顶部介质层4光能量的耦合。这样设计的好处在于顶部介质层4与器件层之间的高度可以根据具体工艺进行设计，只需根据定向耦合器原理使倏逝波耦合区域1和模式转换区域2的长度，使长度等于由高度确定的定向耦合器的耦合长度的整数倍，同时两个区域的有效折射率，通过设置尺寸实现有效折射率接近，就能实现顶层器件层7到顶部介质层4的高效耦合。
在模式转换区域顶部介质层4和顶层器件层7同时刻蚀出锥形模式转换器，分别对不同层的单模波导进行模式扩展，宽度从单模波导宽度分别扩展到光栅耦合区域的宽度。
在光栅耦合区域3，光能量通过前面的过程耦合进入了顶部介质层4，在顶部介质层4的光栅图形位置处相对芯片法线方向略微倾斜出射(出射角度一般为8～14度)。这一过程由光栅方程决定了光栅各参数之间关系，光栅方程为：
Figure BDA0003072545590000041
其中p是光栅周期，θ是相对芯片法线方向的出射角度，λ是光栅耦合器工作的中心波长，m是光栅衍射级，
Figure BDA0003072545590000042
和neff分别是二氧化硅包层5和光栅图形的有效折射率。对于氮化硅光栅耦合器，下面淀积的多层介质膜6有效反射向下衍射的光能量，同时这种结构能够使用硅光CMOS工艺制造，且仅包含两次刻蚀工艺。同时，氮化硅光栅耦合器比硅光栅耦合器带宽性能好。
为进一步对本发明的优点进行阐述，这里对光栅耦合器的耦合效率进行说明：一般而言，一束光进入光栅后由于光栅结构对于波导而言改变了原本传播的模式，导致光不再严格的限制在波导之中，产生向上和向下的衍射光，这时就会出现光束向二氧化硅埋氧层8传播以及返回入射光方向的背部反射的问题。而底部的多层介质膜6通过合理设计即可实现对向下衍射光有效的向上反射输出。而影响光栅耦合器的另一因素，与光纤的模场失配问题，则可以通过对氮化硅层切趾的方式实现输出光能量与光纤高斯模场的匹配。
对于光栅耦合器的带宽问题，其1dB带宽可以采用公式
Figure BDA0003072545590000051
进行计算。其中η1dB为一个跟光栅结构有关的参数，而本发明采用的氮化硅材料相较于硅材料，在相同占空比下，根据有效媒质理论：
Figure BDA0003072545590000052
显然光栅有效折射率较小，1dB带宽较大。
为验证想法的可行性，2D-FDTD仿真均匀氮化硅光栅+Si反射镜设计效果。粒子群优化得到的SiN层厚度450nm，Si-SiN层间距300nm，氮化硅层周期951nm，氮化硅层刻蚀区域宽度447nm。得到的仿真结果如图3所示，在1324nm中心波长下，峰值耦合效率为-2.11dB。
进一步地，验证Si层+SiN层DBR结构作用，2D-FDTD仿真均匀氮化硅光栅+Si反射镜+SiN DBR结构设计效果。粒子群优化得到的Si-SiN DBR最下层间距430nm，DBR结构中单层SiN厚度150nm，SiN DBR层数4层，SiN光栅层-Si层2.23um。得到的仿真结果如图4所示，在1309nm中心波长下，峰值耦合效率为-2dB。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高效宽带光栅耦合器，包括耦合器本体，其特征在于：所述耦合器本体包括倏逝波耦合区域、模式转换区域和光栅耦合区域，所述倏逝波耦合区域位于所述耦合器本体的前部，所述模式转换区域位于所述耦合器本体的中部，所述光栅耦合区域位于所述耦合器本体的后部，所述耦合器本体还包括器件层、顶部介质层和二氧化硅包层，所述顶部介质层位于器件层的上方，所述二氧化硅包层位于器件层和顶部介质层之间，位于光栅耦合区域内的器件层顶部设有多层介质膜，位于光栅耦合区域内的顶部介质层上设有光栅图形，所述光栅图形位于多层介质膜的正上方；所述器件层包括顶层器件层、二氧化硅埋氧层和衬底层，所述衬底层位于器件层的底部，所述二氧化硅埋氧层位于衬底层的上方，所述顶层器件层位于所述二氧化硅埋氧层的上方；光栅耦合区域内的顶层器件层上设有刻蚀区，所述多层介质膜位于所述刻蚀区的上方。
2.如权利要求1所述的一种高效宽带光栅耦合器，其特征在于：所述器件层的材料包括硅、铌酸锂。
3.如权利要求1所述的一种高效宽带光栅耦合器，其特征在于：所述顶部介质层的材料包括氮化硅、氮氧化硅。
4.如权利要求1所述的一种高效宽带光栅耦合器，其特征在于：所述多层介质膜的材料包括氮化硅、多晶硅、氮氧化硅。
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