CN113835156A - 一种边缘耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种边缘耦合器，自下而上包括：衬底层、埋氧层、倒锥形结构波导以及包覆所述倒锥形结构波导的包层；在所述包层之上还设置有用于将光场模式向上提拉的光场分布控制结构，所述光场分布控制结构包括自下而上的若干个复合层结构，每个复合层结构均由一个高折射率材料层和包覆所述高折射率材料层的包层材料构成，各复合层结构中的高折射率材料层的一端均与所述倒锥形结构波导的窄端平齐，且各复合层结构中的高折射率材料层沿所述倒锥形结构波导中光信号传输方向的长度自下而上逐层减小。相比现有技术，本发明可有效解决模式泄漏至衬底的问题，提高耦合效率，且工艺简单，实现成本较低。
Description
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，具体涉及一种用于片上波导与光纤通过芯片边缘实现光互联的边缘耦合器。
背景技术
集成光学是当今光学和光电子学领域的发展前沿之一，其主要研究内容包括光波在薄膜材料中的准直、偏转、滤波、空间辐射、光振荡、传导、放大、调制以及与此相关的薄膜材料的非线性光学效应等。随着技术发展，大量的片上集成光子器件被研制出来并得到应用。若要有效地利用这些集成光子器件，必须通过合适的方式将片上波导与系统中其他器件连接。这种连接即为光芯片的I/O（Input/Output），也就是将光从芯片中耦合出，或是将光耦合到芯片上的接口。
光波导可承载的光学模式可以通过模斑来表征，不同结构的光波导所能传导的模斑不同。当光场在不同结构的光波导之间传播时，光场耦合将由于模场失配产生较大损耗；此外，不同光场模式间有效折射率不同，也会造成导致光在波导端面发生反射。由于集成光波导尺寸通常远小于光纤，因此这一问题尤为明显。以薄膜铌酸锂单模波导与光子系统中常见的SMF-28单模光纤耦合为例。因为SMF-28光纤纤芯尺寸比典型的薄膜铌酸锂单模波导大一个数量级，模式尺寸的不匹配使耦合存在巨大的插入损耗，导致片外的光信号无法与片内波导高效地进行耦合。为了提高光波导器件和光纤之间的耦合效率，需要设计高效的光纤波导耦合器，使两者间的光场模式以及有效折射率相匹配。
根据光纤和波导的相对位置，集成光子耦合器主要可以分为边缘耦合器和表面光栅耦合器。前者是在芯片边缘以波导与光纤相连接；但受限于集成波导的模斑尺寸，往往还需要借助高耦合效率的透镜光纤；并且由于模斑尺寸较小，对微小抖动敏感，因此需要亚微米级稳定对齐。后者是通过在芯片表面制作光栅结构来实现的；其优点是无需在芯片边缘设计结构，因此可以在芯片上的任何位置与片外结构耦合。这种特性便于在圆晶层面测试，而不必进行切割。但缺点在于光栅的干涉特性对波长敏感，限制了其工作带宽。相比之下，边缘耦合器可以提供更大的工作带宽。
现有的边缘耦合器通常采用倒锥形的几何结构，其中，光纤中的光场与宽度较窄的锥形波导尖端相耦合；锥形波导尖端的模场较大，有效折射率也与光纤对应的有效折射率相近。当光场进入锥形的波导后通过逐渐增加波导宽度，将芯片端面附近的面积较大的光场模式转化为约束较强的波导光场模式；由于这个转换通常可认为是绝热过程，因此符合绝热条件的耦合器也被称为绝热耦合器。
插入损耗往往会带来集成光子系统的性能下降；要减少端面耦合带来的损耗，就需要设计一种高效率的模斑转换器来将传导模在两种模斑之间进行转换。然而，在波导中实现与标准光纤类似的模式尺寸是具有挑战性的，因为模式在狭窄的波导核心周围对称扩展，但仍必须被限制在埋在氧化物(BOX，简称埋氧层)内，以防止模式泄漏到衬底。因此在薄膜铌酸锂波导中实现类似于SMF-28单模光纤大小的模斑尺寸极具挑战：一方面，需要通过特殊的波导结构，将其中的模斑扩展到与单模光纤的模场直径相似的尺寸，另一方面，设计还必须将模场保持在二氧化硅层内，避免光场泄漏到折射率较高的衬底中。事实上，通过BOX层向衬底泄漏模式是实现大模式尺寸的主要障碍。对衬底进行局部刻蚀的情况下可以增大模斑尺寸，但是这种方法对工艺提出更高的要求，增加了工艺复杂度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种边缘耦合器，可有效解决模式泄漏至衬底的问题，提高耦合效率，且工艺简单，实现成本较低。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种边缘耦合器，自下而上包括：衬底层、埋氧层、倒锥形结构波导以及包覆所述倒锥形结构波导的包层；在所述包层之上还设置有用于将光场模式向上提拉的光场分布控制结构，所述光场分布控制结构包括自下而上的若干个复合层结构，每个复合层结构均由一个高折射率材料层和包覆所述高折射率材料层的包层材料构成，各复合层结构中的高折射率材料层的一端均与所述倒锥形结构波导的窄端平齐，且各复合层结构中的高折射率材料层沿所述倒锥形结构波导中光信号传输方向的长度自下而上逐层减小。
优选地，所述光场分布控制结构在垂直于倒锥形结构波导中光信号传输方向的切面形状呈倒T形。
进一步优选地，所述倒T形的上端宽度为5μm-20μm。
优选地，所述倒锥形结构波导为铌酸锂波导。
优选地，所述高折射率材料层的材料为氮化硅，包层材料为二氧化硅。
优选地，各复合层结构中的高折射率材料层厚度相同。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明针对现有倒锥形结构波导方案所存在的模式泄漏至衬底的问题，在倒锥形结构波导的包层之上设置有用于将光场模式向上提拉的光场分布控制结构，不仅可以扩大模场的大小，还可以避免由于衬底较高的折射率带来的模式泄露，有效提高耦合效率；
本发明进一步提出了倒T形的光场分布控制优化结构，并可通过对倒T形的形状参数进行优化来进一步提高耦合效率；
本发明的光场分布控制结构的制备只需要使用现有集成光学领域的成熟工艺，不需要特殊复杂的工艺设备，工艺简单，制作成本低廉。
附图说明
图1、图2分别为实施例1的结构示意图和爆炸图；
图3为实施例2的结构示意图；
图4为实施例3的结构示意图；
图5为实施例3的纵剖面结构示意图；
图6为实施例3的仿真模场图；
图7为实施例3中倒T形上端宽度W与耦合效率之间的关系曲线。
图中包含以下附图标记：
1、衬底层，2、埋氧层，3、倒锥形结构波导，30、宽度不变区段，31、宽度渐变区段，4、包层，5～7、复合层结构，50～70、高折射率材料层，51～71、包层材料。
具体实施方式
针对现有技术的不足，本发明的解决思路是在传统采用倒锥形结构波导的边缘耦合器基础上，在倒锥形结构波导之上增加光场分布控制结构，将光场模式拉向上层提拉，进而改变模式的空间分布。
具体而言，本发明所提出的边缘耦合器，自下而上包括：衬底层、埋氧层、倒锥形结构波导以及包覆所述倒锥形结构波导的包层；在所述包层之上还设置有用于将光场模式向上提拉的光场分布控制结构，所述光场分布控制结构包括自下而上的若干个复合层结构，每个复合层结构均由一个高折射率材料层和包覆所述高折射率材料层的包层材料构成，各复合层结构中的高折射率材料层的一端均与所述倒锥形结构波导的窄端平齐，且各复合层结构中的高折射率材料层沿所述倒锥形结构波导中光信号传输方向的长度自下而上逐层减小。
上述技术方案中，根据实际需要，可以采用单个复合层结构，也可以采用多个复合层结构叠加的方式；所述高折射率材料层可以采用现有的各种高折射率材料，只要其折射率高于包层材料折射率即可。
为了进一步提高耦合效率，可将所述光场分布控制结构在垂直于倒锥形结构波导中光信号传输方向的切面形状设置为呈倒T形；一方面可提高耦合效率，另一方面可通过倒T形的尺寸参数来对模斑尺寸进行优化控制。
为了便于公众理解，下面通过几个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
实施例1：
本实施例的边缘耦合器如图1、图2所示，自下而上包括：衬底层1、埋氧层2、倒锥形结构波导3以及包覆所述倒锥形结构波导3的包层4，本实施例中的衬底层1的材料为硅，埋氧层2和包层4的材料均为二氧化硅，倒锥形结构波导3的材料为铌酸锂（LiNbO3）薄膜；其中，倒锥形结构波导3沿光信号传输方向被分为宽度不变区段30和宽度渐变区段31，宽度渐变区段31的宽度不断减小形成倒锥型结构。宽度不变区段30所在一端为输入端，宽度渐变区段31的窄边一端为输出端。通过制作宽度不断减小的倒锥形结构波导，可以降低波导的有效折射率，减弱波导对光场模式的约束能力，使模场从波导内扩散出来。
与现有技术不同的是，本发明在包层4之上还设置有用于将光场模式向上提拉的光场分布控制结构，通过增加波导上层的有效折射率，可以将光场模式向上层提拉，进而改变模式的空间分布；这种设计同时避免了波导与衬底的耦合。如图1、图2所示，本实施例中的光场分布控制结构由一个复合层结构5所构成，复合层结构5由下层的高折射率材料层50和包覆所述高折射率材料层50的包层材料51构成，本实施例中复合层结构5的长度和宽度都与衬底层1、埋氧层2相同，高折射率材料层50采用氮化硅，包层材料与包层4相同，为二氧化硅。
本实施例的具体结构参数如下: 埋氧层2的厚度为3 µm，铌酸锂薄膜厚度为600nm，包层4的厚度为2.72µm，标准的单模薄膜铌酸锂波导的宽度不变区段30的宽度为400nm，而在芯片边缘的铌酸锂波导窄边宽度为100 nm，波导的宽度渐变区段31的长度为100 µm；复合层结构5中氮化硅薄膜的厚度为20 nm，而其上包覆的二氧化硅厚度为2.72 µm。
实施例2：
本实施例的边缘耦合器如图3所示，与实施例1相同，自下而上包括：衬底层1、埋氧层2、倒锥形结构波导3以及包覆所述倒锥形结构波导3的包层4，本实施例中的衬底层1的材料为硅，埋氧层2和包层4的材料均为二氧化硅，倒锥形结构波导3的材料为铌酸锂（LiNbO3）薄膜；其中，倒锥形结构波导3沿光信号传输方向被分为宽度不变区段30和宽度渐变区段31，宽度渐变区段31的宽度不断减小形成倒锥型结构。与实施例1不同的是，本实施例的光场分布控制结构由三个相同的复合层结构5、6、7叠加而成，复合层结构5/6/7分别由下层的高折射率材料层50/60/70和包覆所述高折射率材料层50/60/70的包层材料51/61/71构成，高折射率材料层50/60/70的一端均与倒锥形结构波导3的窄端平齐，且如图3所示，高折射率材料层50/60/70沿所述倒锥形结构波导中光信号传输方向的长度自下而上逐层减小。
本实施例的具体结构参数如下: 埋氧层2的厚度为3 µm，铌酸锂薄膜厚度为600nm，包层4的厚度为2.72µm，标准的单模薄膜铌酸锂波导的宽度不变区段30的宽度为400nm，而在芯片边缘的铌酸锂波导窄边宽度为100 nm，波导的宽度渐变区段31的长度为100 µm；复合层结构5、6、7中氮化硅薄膜的厚度均为20 nm，而其上包覆的二氧化硅厚度均为2.72µm；三层氮化硅薄膜的长度自下而上依次为30 µm、50 µm和100 µm。
实施例3：
本实施例的边缘耦合器如图4、图5所示，其基本结构及尺寸参数与实施例2基本相同，不同之处在于其中的光场分布控制结构被从两侧对称地向下刻蚀相同深度，从而使得光场分布控制结构在垂直于倒锥形结构波导3中光信号传输方向的切面形状呈倒T形。该边缘耦合器的耦合效率可通过对所述倒T形的刻蚀深度d及上端宽度W的控制来进行优化。
图6是仿真得到的本实施例边缘耦合器的剖面模场图，其中，(c)为边缘耦合器距端面75 µm处的模场分布情况，由于在该位置时铌酸锂波导宽度为400 nm，满足单模条件，且仅存在第一层氮化硅薄膜，此处光的模场主要集中于铌酸锂波导内；(b)为边缘耦合器距离端面31 µm处的模场分布情况，随着铌酸锂波导宽度逐渐减小，光的模场逐渐从波导散开，并被导向上方的氮化硅薄膜中； (a)为边缘耦合器端面位置的模场分布，由于铌酸锂波导的宽度（100 nm）小于单模条件所需的宽度，因此无法承载任何模式，单模波导中的光扩散到波导上方的二氧化硅-氮化硅层内, 此时其模场的尺寸与SMF-28光纤模场尺寸相似。该模式为TE模，对应的有效折射率为1.45，与光纤有效折射率为1.44的纤芯模式相匹配。计算边缘耦合器与SMF-28光纤的模场分布的模式重叠率可知，当倒T形光场分布控制结构的上端宽度为14 µm时为96.01%，对应的损耗为0.1768 dB。
图7显示了当刻蚀深度d为3 µm时，耦合效率随倒T形上端宽度W的变化情况，可以发现，当W= 12.6μm时，所提出的边缘耦合器与光纤的最高耦合效率可达96.54%，损耗为0.1534 dB；此外，当W在5μm-20μm范围时，该边缘耦合器的耦合效率均在90%以上。
Claims (6)
1.一种边缘耦合器，自下而上包括：衬底层、埋氧层、倒锥形结构波导以及包覆所述倒锥形结构波导的包层；其特征在于，在所述包层之上还设置有用于将光场模式向上提拉的光场分布控制结构，所述光场分布控制结构包括自下而上的若干个复合层结构，每个复合层结构均由一个高折射率材料层和包覆所述高折射率材料层的包层材料构成，各复合层结构中的高折射率材料层的一端均与所述倒锥形结构波导的窄端平齐，且各复合层结构中的高折射率材料层沿所述倒锥形结构波导中光信号传输方向的长度自下而上逐层减小。
2.如权利要求1所述边缘耦合器，其特征在于，所述光场分布控制结构在垂直于倒锥形结构波导中光信号传输方向的切面形状呈倒T形。
3.如权利要求2所述边缘耦合器，其特征在于，所述倒T形的上端宽度为5μm-20μm。
4.如权利要求1所述边缘耦合器，其特征在于，所述倒锥形结构波导为铌酸锂波导。
5.如权利要求1所述边缘耦合器，其特征在于，所述高折射率材料层的材料为氮化硅，包层材料为二氧化硅。
6.如权利要求1所述边缘耦合器，其特征在于，各复合层结构中的高折射率材料层厚度相同。
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| XIN MU，SAILONG WU ET AL: ""Edge Couplers in Silicon Photonic Integrated Circuits:A Review"", 《APPLIED SCIENCES》, vol. 2020 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114265147A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-04-01 | 福州大学 | 光通信波段宽带宽高效率水平端面耦合器及其制作方法 |
| CN114265147B (zh) * | 2022-01-25 | 2023-10-17 | 福州大学 | 光通信波段宽带宽高效率水平端面耦合器及其制作方法 |
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