CN114035269B - 模斑转换器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种模斑转换器，应用于半导体技术领域，包括：自下而上依次设置的衬底层、下包层、第一波导层、中包层、第二波导层和上包层，第一波导层包括依次沿长度方向连接的第一波导部分、第二波导部分和第三波导部分，第一波导部分，用于接收光信号，并将光信号传输给第二波导部分，第二波导部分，用于将光信号传输给第三波导部分，第三波导部分，用于将光信号通过倏逝波耦合的方式传输给第二波导层。本公开还提供了一种模斑转换器的制备方法。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种模斑转换器及其制备方法。
背景技术
当光波导尺寸降低到亚微米量级，模场半径不到1μm，而普通单模光纤的模场直径在9μm左右，二者之间的模场存在很大的失配量，这会引入大的耦合损耗。为了提高波导与光纤的耦合效率，通常在波导器件的输入和输出端引入模斑转换器(SSC，Spot-SizeConverter)结构。
常规的模斑转换结构主要是在波导末端采用锥形波导结构来将小尺寸波导的光斑扩大到与光纤的模场匹配的大小来增加耦合效率。这种常规的模斑转换器，由于受到工艺限制，光斑不能纵向扩展，因此耦合效率十分受限。
发明内容
本公开的主要目的在于提供一种模斑转换器及其制备方法，使小尺寸光波导的光斑横纵双向扩展，能够实现与光纤的最大化模式匹配，提高波导与光纤的耦合效率，减小耦合损耗。
为实现上述目的，本公开实施例第一方面提供一种该模斑转换器，包括：自下而上依次设置的衬底层1、下包层2、第一波导层3、中包层4、第二波导层5和上包层6。
所述第一波导层3包括依次沿长度方向连接的第一波导部分7、第二波导部分8和第三波导部分9；
所述第一波导部分7，用于接收光信号，并将所述光信号传输给所述第二波导部分8；
所述第二波导部分8，用于将所述光信号传输给第三波导部分9；
所述第三波导部分9，用于将所述光信号通过倏逝波耦合的方式传输给第二波导层5。
在本公开一实施例中，所述第三波导部分9的长度、宽度与所述第二波导层5的长度、宽度相同。
在本公开一实施例中，所述第三波导部分9与所述第二波导层5在长度、宽度上存在空间交叠区。
在本公开一实施例中，所述第一波导层的折射率大于所述下包层2的折射率与所述中包层4的折射率。
在本公开一实施例中，所述第二波导层5的折射率大于所述中包层4的折射率与所述上包层6的折射率。
在本公开一实施例中，当所述第三波导部分9和/或所述第二波导层5为渐变型波导时，所述渐变型波导的宽度和长度之间均满足：
w＝w1+f(z)·(w2-w1)(0≤f(z)≤1)；
其中，w为渐变型波导长度，w1为渐变型波导首端的宽度，w2分别为渐变型波导末端的宽度，0≤z≤1，z为渐变型波导长度归一化后的值，渐变型波导的形状由函数f(z)决定，渐变型波导宽度不变时，f(z)＝0，渐变型波导宽度线性变化时，f(z)＝z，渐变型波导宽度幂函数型变化时，f(z)＝zk，其中k＞0，波导宽度呈e指数型变化时，f(z)＝(e(k·z)-1)/(ek-1)，其中k≠0，k的取值决定渐变型波导的曲率。
在本公开一实施例中，所述第一波导部分7为直波导，所述第二波导部分8为锥形波导。
本公开实施例第二方面提供一种自下而上依次制备衬底层1、下包层2、第一波导层3、中包层4、第二波导层5和上包层6，所述第一波导层3包括依次沿长度方向连接的第一波导部分7、第二波导部分8和第三波导部分9；
在本公开一实施例中，所述第三波导部分9的长度、宽度与所述第二波导层5的长度、宽度相同。
在本公开一实施例中，所述第三波导部分9的长度、宽度与所述第二波导层5存在空间交叠。
从上述本公开实施例可知，本公开提供的模斑转换器及其制备方法，使小尺寸光波导的光斑横纵双向扩展，能够实现与光纤的最大化模式匹配，提高波导与光纤的耦合效率，减小耦合损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开一实施例提供的模斑转换器的结构示意图；
图2为本公开一实施例提供的不同f(z)下第三波导部分和第二波导层的形状；
图3为本公开一实施例提供的使用时域有限差分法模拟的模斑转换器的输出端面的模场分布示意图；
图4为本公开一实施例提供的使用时域有限差分法模拟的光信号在第三波导部分和第二波导层传输时的电场分布示意图；
图5本公开一实施例提供的模斑转换器的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为使得本公开的公开目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
请参阅图1，图1为本公开一实施例提供的模斑转换器的结构示意图，该模斑转换器主要包括：自下而上依次设置的衬底层1、下包层2、第一波导层3、中包层4、第二波导层5和上包层6。
第一波导层3包括依次沿长度方向连接的第一波导部分7、第二波导部分8和第三波导部分9，第一波导部分7，用于接收光信号，并将光信号传输给第二波导部分8，第二波导部分8，用于将光信号传输给第三波导部分9，第三波导部分9，用于将光信号通过倏逝波耦合的方式传输给第二波导层5。
在本公开中，衬底层1的材料可以为二氧化硅、硅、铌酸锂、III-V族半导体化合物或聚合物等。
在本公开中，第一波导层3和第二波导层5材料可以为二氧化硅、硅、氮化硅、铌酸锂、III-V族半导体化合物或聚合物等。
在本公开中，如图1所示，光信号在第一波导层3中横向从第一波导部分7传输至第三波导部分9，然后通过倏逝波耦合的方式纵向至第二波导层5，使光波导的光斑横纵双向扩展，能够实现与光纤的最大化模式匹配，提高波导与光纤的耦合效率，减小耦合损耗。
在本公开一实施例中，第三波导部分9的长度与第二波导层5的长度相同，也即沿图1所示的横向上的尺寸。更多的，第三波导部分9的宽度与第二波导层5的宽度可以相同或者不同。
在本公开一实施例中，第三波导部分9与第二波导层5在长度、宽度方向上存在空间交叠区。如图1所示，第三波导部分9与第二波导层5在长度、宽度方向上完全空间交叠，交叠区的长度和宽度与第三波导部分9和第二波导层5的长度和宽度相同，可理解的，第三波导部分9与第二波导层5在长度方向或宽度方向上还可以是部分空间交叠，也即，交叠区的长度小于第三波导部分9和第二波导层5的长度，交叠区的宽度小于第三波导部分9和第二波导层5的宽度，本公开对此不作限制。
在本公开一实施例中，第一波导层的折射率大于下包层2的折射率与中包层4的折射率。
在本公开一实施例中，第二波导层5的折射率大于中包层4的折射率与上包层6的折射率。
在本公开一实施例中，当第三波导部分9和/或第二波导层5为渐变型波导时，渐变型波导的宽度和长度之间均满足：
w＝w1+f(z)·(w2-w1)(0≤f(z)≤1)；
其中，w为渐变型波导长度，w1为渐变型波导首端的宽度，w2分别为渐变型波导末端的宽度，0≤z≤1，z为渐变型波导长度归一化后的值，渐变型波导的形状由函数f(z)决定，渐变型波导宽度不变时，f(z)＝0，渐变型波导宽度线性变化时，f(z)＝z，渐变型波导宽度幂函数型变化时，f(z)＝zk，其中k＞O，波导宽度呈e指数型变化时，f(z)＝(e(k·z-1)/(ek-1)，其中k≠0，k的取值决定渐变型波导的曲率。请参阅2，图2示例出与上述情况相应第三波导部分9和第二波导层5的波导形状。
在本公开一实施例中，第一波导部分7为直波导，第二波导部分8为锥形波导。第三部分可以是直波导或者锥形波导，本公开对此不做限制。
在一示例中，衬底层1为硅，下包层2、中包层4和上包层6均为二氧化硅，折射率为1.445，下包层2和上包层6的厚度为2μm，中包层4的厚度为260nm，第一波导层3和第二波导层5为硅，折射率为3.478，厚度均为220nm，第一波导部分7的宽度为0.4μm，长度为5μm，第二波导部分8的宽度由0.4μm线性变化到6μm，长度为50μm。第三波导部分9和第二波导层5的宽度为6μm，长度均为5μm，第三波导部分9和第二波导层5之间的空间交叠区长度为5μm。
依照上述示例，光信号从第一波导部分7的端面入射，入射光波长为1550nm，图3显示了使用FDTD法模拟的基于双层波导结构的模斑转换器的输出端面的模场分布，图4显示了使用FDTD法模拟的光在第一波导和第二波导传输时的电场分布。经过仿真计算可以得到，本公开的模斑转换器与普通单模光纤之间的耦合效率可以达到65％，耦合损耗为1.88dB，而常规的基于绝缘体上硅(Silicon on Insulator，SOI)单层锥形波导结构的模斑转换器与普通单模光纤之间的耦合效率为52％，耦合损耗为2.79dB。可见，本公开的模斑转换器可以使小尺寸光波导的光斑横纵双向扩展，能够实现与光纤的最大化模式匹配，提高波导与光纤的耦合效率，减小耦合损耗。
请参阅图5，图5为本公开一实施例提供的模斑转换器的制备方法的流程示意图，该方法可制备出如图1所示的模板转换器，该方法主要包括以下步骤：
S1、自下而上依次制备衬底层1、下包层2、第一波导层3、中包层4、第二波导层5和上包层6，第一波导层3包括依次沿长度方向连接的第一波导部分7、第二波导部分8和第三波导部分9；
在本公开一实施例中，第三波导部分9的长度与第二波导层5的长度相同。
在本公开一实施例中，第三波导部分9的长度与第二波导层5存在空间交叠。
在本公开一实施例中，第一波导层的折射率大于下包层2的折射率与中包层4的折射率。
在本公开一实施例中，第二波导层5的折射率大于中包层4的折射率与上包层6的折射率。
在本公开一实施例中，当第三波导部分9和/或第二波导层5为渐变型波导时，渐变型波导的宽度和长度之间均满足：
w＝w1+f(z)·(w2-w1)(0≤f(z)≤1)；
其中，w为渐变型波导长度，w1为渐变型波导首端的宽度，w2分别为渐变型波导末端的宽度，0≤z≤1，z为渐变型波导长度归一化后的值，渐变型波导的形状由函数f(z)决定，渐变型波导宽度不变时，f(z)＝0，渐变型波导宽度线性变化时，f(z)＝z，渐变型波导宽度幂函数型变化时，f(z)＝zk，其中k＞0，波导宽度呈e指数型变化时，f(z)＝(e(k·z)-1)/(ek-1)，其中k≠0，k的取值决定渐变型波导的曲率。
在本公开一实施例中，第一波导部分7为直波导，第二波导部分8为锥形波导。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种模斑转换器及其制备方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种模斑转换器，其特征在于，包括：
自下而上依次设置的衬底层(1)、下包层(2)、第一波导层(3)、中包层(4)、第二波导层(5)和上包层(6)；
所述第一波导层(3)包括依次沿长度方向连接的第一波导部分(7)、第二波导部分(8)和第三波导部分(9)；
所述第一波导部分(7)，用于接收光信号，并将所述光信号传输给所述第二波导部分(8)；
所述第二波导部分(8)，用于将所述光信号传输给第三波导部分(9)；
所述第三波导部分(9)，用于将所述光信号通过倏逝波耦合的方式传输给第二波导层(5)；
其中，所述第三波导部分(9)的长度、宽度与所述第二波导层(5)的长度、宽度相同；
所述第三波导部分(9)与所述第二波导层(5)在长度、宽度上存在空间交叠区；
当所述第三波导部分(9)和/或所述第二波导层(5)为渐变型波导时，所述渐变型波导的宽度和长度之间均满足：
w＝w1+f(z)·(w2-w1) (0≤f(z)≤1)；
其中，w为渐变型波导长度，w1为渐变型波导首端的宽度，w2分别为渐变型波导末端的宽度，0≤z≤1，z为渐变型波导长度归一化后的值，渐变型波导的形状由函数f(z)决定，渐变型波导宽度不变时，f(z)＝0，渐变型波导宽度线性变化时，f(z)＝z，渐变型波导宽度幂函数型变化时，f(z)＝zk，其中k＞0，波导宽度呈e指数型变化时，f(z)＝(e(k·z)-1)/(ek-1)，其中k≠0，k的取值决定渐变型波导的曲率；
所述第一波导部分(7)为直波导；
所述第二波导部分(8)为锥形波导。
2.根据权利要求1所述的模斑转换器，其特征在于，所述第一波导层(3)的折射率大于所述下包层(2)的折射率与所述中包层(4)的折射率。
3.根据权利要求1所述的模斑转换器，其特征在于，所述第二波导层(5)的折射率大于所述中包层(4)的折射率与所述上包层(6)的折射率。
4.一种模斑转换器的制备方法，其特征在于，包括：
自下而上依次制备衬底层(1)、下包层(2)、第一波导层(3)、中包层(4)、第二波导层(5)和上包层(6)，所述第一波导层(3)包括依次沿长度方向连接的第一波导部分(7)、第二波导部分(8)和第三波导部分(9)；
其中，所述第三波导部分(9)的长度、宽度与所述第二波导层(5)的长度、宽度相同；
所述第三波导部分(9)的长度、宽度与所述第二波导层(5)存在空间交叠；
当所述第三波导部分(9)和/或所述第二波导层(5)为渐变型波导时，所述渐变型波导的宽度和长度之间均满足：
w＝w1+f(z)·(w2-w1) (0≤f(z)≤1)；
其中，w为渐变型波导长度，w1为渐变型波导首端的宽度，w2分别为渐变型波导末端的宽度，0≤z≤1，z为渐变型波导长度归一化后的值，渐变型波导的形状由函数f(z)决定，渐变型波导宽度不变时，f(z)＝0，渐变型波导宽度线性变化时，f(z)＝z，渐变型波导宽度幂函数型变化时，f(z)＝zk，其中k＞0，波导宽度呈e指数型变化时，f(z)＝(e(k·z)-1)/(ek-1)，其中k≠0，k的取值决定渐变型波导的曲率；
所述第一波导部分(7)为直波导；
所述第二波导部分(8)为锥形波导。
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