CN114384632B - 一种基于阵列波导光栅和波导型探测器的模斑转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵列波导光栅和波导型探测器的模斑转换器，采用包括第一波导和第二波导的双台阶式波导结构，第一波导和第二波导均为反向锥形波导结构，其过渡方式均为抛物线型过渡；第一波导的大端面和第二波导的大端面对齐，第一波导的大端面为阵列波导光栅输出光的入射面，第二波导的小端面为出光面，原本被限制在第一波导芯层中的光耦合到第二波导的芯层中，从而缩小模场，使阵列波导光栅中的模场转换为波导型探测器脊形波导中的模场，实现阵列波导光栅与波导型探测器模场的匹配。本发明采用端面耦合的方式，将光场从侧面耦合进吸收区，减少光场在波导传播过程中的损耗与散射，进而增加了光耦合效率，便于光电探测器的集成应用。

Description

一种基于阵列波导光栅和波导型探测器的模斑转换器

技术领域

本发明涉及硅基光集成芯片技术领域，尤其涉及一种基于阵列波导光栅和波导型探测器的模斑转换器。

背景技术

近年来，光子集成电路在向着小尺寸、高密度的方向发展。利用平面光波导技术生产出的器件具有体积小、损耗低、集成度高、便于规模生产等优点，广泛应用于光通信系统中。该技术是通过一个平面衬底，将光波导制作于其中，并在波导中传输光信号的一种技术。实现阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)的光耦合到波导型探测器，是目前集成光学器件从实验室走向实用化的关键，耦合效率的高低直接影响到各种集成光学产品的性能。

而模斑转换器可以提升小尺寸芯片内光信号与芯片外大尺寸的器件中光信号的耦合效率，耦合效率越高，系统的输出功率就损失的越少，其传输距离越远，系统信噪比越高；反射率越小，对其他集成光学器件的工作性能就影响越小。由此可见，研究硅基光集成芯片的低损耗高效耦合具有非常重要的意义。

目前的侧入式波导型探测器的波导耦合层为单模脊形波导，其尺寸为2μm×1.048μm，由于其折射率分布和模场尺寸不同，所以很容易产生模场失配，从而造成较大的耦合损耗。因此，如何能让AWG发出的光信号低损耗地与波导型探测器进行耦合是一个亟待解决的问题，需要设计出特殊结构的基于光波导的模斑转换器来解决AWG和波导型探测器模场失配的问题，从而提高耦合效率。

发明内容

本发明的目的是在阵列波导光栅与波导型探测器无任何匹配结构，直接耦合条件下，设计一种基于阵列波导光栅和波导型探测器的模斑转换器，以减少由模式失配等因素引起的耦合损耗，有效地将AWG的光耦合到波导型探测器中。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的一种基于阵列波导光栅和波导型探测器的模斑转换器，所述的模斑转换器为包括第一波导和第二波导的双台阶式波导结构，第一波导和第二波导均为反向锥形波导结构，其过渡方式均为抛物线型过渡；第一波导的大端面和第二波导的大端面对齐，第一波导的大端面为阵列波导光栅输出光的入射面，第二波导的小端面为出光面，原本被限制在第一波导芯层中的光耦合到第二波导的芯层中，从而缩小模场，使阵列波导光栅中的模场转换为波导型探测器脊形波导中的模场，实现阵列波导光栅与波导型探测器模场的匹配。

进一步地，所述的第一波导和第二波导的输入波导宽度width分别与阵列波导光栅的输出波导宽度相等。

进一步地，所述的第一波导的耦合段长度L₁小于第二波导的传输段长度L₂。

进一步地，所述的第二波导的高度H₂与波导型探测器脊形波导层高度相同，第一波导的高度H₁为阵列波导光栅的输出波导高度height与第二波导高度H₂的差。

进一步地，所述的第二波导的输出宽度W₂与波导型探测器的脊形波导层宽度相同，第一波导锥形尖端宽度W_tip小于第二波导的输出宽度W₂。

进一步地，所述的阵列波导光栅选取波导芯和包层的二氧化硅相对折射率差Δn＝1.5％的四通道阵列波导光栅，其波导结构均为对称波导，矩形波导芯的宽度、厚度和平板波导的芯层厚度相同，平板波导是芯层大小为4.5μm×4.5μm的埋入型波导；所述的波导型探测器的波导耦合层为脊形波导结构，从AWG输出的光端面耦合进脊形波导层中心部分，其尺寸为2μm×1.048μm，材料为InGaAsP，折射率为3.310@1310nm。

进一步地，所述的第一波导和第二波导的输入波导宽度width为4.5μm，所述的第二波导的高度H₂为1.048μm，阵列波导光栅的输出波导高度height为4.5μm，所述第二波导的传输段长度L₂在2200μm～2500μm之间，所述第一波导的耦合段长度L₁在1750μm～1850μm之间。

进一步地，所述的第一波导的耦合段长度L₁为1800μm。

进一步地，所述的第一波导由二氧化硅SiO₂、氮化硅Si₃N₄或氮氧化硅SiON材料构成。

进一步地，所述的第二波导由二氧化硅SiO₂材料构成。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的基于阵列波导光栅和波导型探测器的模斑转换器，系统地根据光接收器件要求，去优化光波导耦合结构，使其具有高的耦合效率，低损耗的光连接。本发明将不同材料的波导进行组合，并改善波导的结构，以较低的光耦合损耗将阵列波导光栅中的光耦合至波导型探测器中，波导型探测器存在耦合层，采用端面耦合的方式，使光从AWG输出波导传播至波导型探测器耦合层，将光场从侧面耦合进吸收区，减少光场在波导传播过程中的损耗与散射，进而增加了光耦合效率，也便于光电探测器的集成应用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的波导截面图；

图2为本发明实施例提供的波导型探测器波导耦合层结构；

图3为本发明实施例提供的模斑转换器结构图。

图4为本发明实施例提供的模斑转化器俯视剖面示意图。

图5为本发明实施例提供的模斑转化器主视剖面示意图。

图6为本发明实施例提供的模斑转化器左视剖面示意图。

图7为本发明实施例提供的波导1耦合段长度L1对耦合效率的影响。

图8为本发明实施例提供的模斑转换器耦合效率。

图9为本发明实施例提供的传输光路图。

图10为本发明实施例提供的输入模场图。

图11为本发明实施例提供的输出模场图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种基于阵列波导光栅和波导型探测器的模斑转换器，采用包括第一波导和第二波导的双台阶式波导结构，第一波导和第二波导均为反向锥形波导结构，其过渡方式均为抛物线型过渡；第一波导的大端面和第二波导的大端面对齐，第一波导的大端面为阵列波导光栅输出光的入射面，第二波导的小端面为出光面，原本被限制在第一波导芯层中的光耦合到第二波导的芯层中，从而缩小模场，使阵列波导光栅中的模场转换为波导型探测器脊形波导中的模场，实现阵列波导光栅与波导型探测器模场的匹配。

本发明系统地根据光接收器件要求，去优化光波导耦合结构，使其具有高的耦合效率，低损耗的光连接。

AWG器件的尺寸和损耗特性与波导芯和包层的相对折射率差Δn的选取有关。当折射率差较低时，选取的波导芯尺寸和弯曲半径较大，但传输损耗较小；当折射率差较高时，选取的波导芯尺寸和弯曲半径较小，但传输损耗较大。因此，对于波导芯和包层折射率的选取，要保证传输损耗在相对合理的范围内，还要考虑器件的尺寸，小型化的器件有利于器件的集成和应用。具体地，在本发明实施例中，阵列波导光栅选用四通道AWG，选取波导芯和包层的二氧化硅相对折射率差Δn＝1.5％。选取的AWG中的波导结构均为对称波导，当波导芯宽度和高度尺寸不一致时，会带来双折射影响，为了减少这种影响，本实施例令矩形波导芯的宽度、厚度和平板波导的芯层厚度相同，芯层的大小是4.5μm×4.5μm的埋入型波导。如图1所示。

本发明实施例的波导型探测器的波导耦合层为脊形波导结构，如图2所示，从AWG输出的光端面耦合进脊形波导层中心部分，其尺寸为2μm×1.048μm，材料为InGaAsP，折射率为3.310@1310nm。

本发明实施例的模斑转换器结构如图3-图6所示，此模斑转换器为双台阶式波导结构。

参数说明：

第一波导、第二波导的输入宽度width与AWG输出波导宽度相等，即width＝4.5μm。

第二波导的高度H₂与波导型探测器脊形波导层高度相同，即H2＝1.048μm。

第一波导的高度H₁＝height-H₂＝4.5-1.048＝3.452μm。

第一波导的锥形尖端宽度Wtip＝0.1μm。

第二波导的输出宽度W₂与波导型探测器脊形波导层宽度相同，即W₂＝2μm。

第一波导的耦合段长度L₁。

第二波导的传输段长度L₂在2200μm～2500μm之间。

关于第一波导结构：

为反向锥形波导结构，其过渡方式为抛物线型过渡，则该波导的有效折射率变化相对缓慢，可以有效降低插入损耗；第一波导的大端面为AWG输出光的入射面，向与脊型波导连接的一端逐渐缩小成锥形，则原本被限制在第一波导芯层中的光耦合到第二波导芯层中，从而缩小模场，使AWG中的模场转换为脊形波导中的模场，实现了AWG与波导型探测器模场的匹配。

关于第一波导材料：

可由二氧化硅SiO₂、氮化硅Si₃N₄或氮氧化硅SiON材料构成。Si₃N₄是一种具有适中折射率差的材料，其优点体现为氮化硅光波导在通信波长范围内几乎不会存在自由载流子吸收。而SiON具有良好的稳定性、高透明度和可调节的折射率等特性，其折射率可从1.44(SiO₂)调节至2.00(Si₃N₄)。在包层是二氧化硅的情况下，氮化硅或氮氧化硅光波导具有较小的芯包层折射率差，就减少了由于侧壁粗糙导致的散射损耗。并且由于上述波导的数值孔径NA较高，所以收光能力较强，相当于AWG输出的光进入了收光更强的进光口，第一波导的光耦合入第二波导，达到改善耦合效率的目的。

关于第二波导芯层结构：

为反向锥形波导结构，其过渡方式为抛物线型过渡，由二氧化硅SiO₂材料构成。

关于第一波导锥形耦合段分析：

光从第一波导耦合段传输进第二波导所产生的耦合损耗是影响此波导耦合结构耦合效率的主要因素。我们可以通过分析第一波导耦合段的长度L₁来提升耦合效率，如图7所示，随着第一波导耦合端长度L₁从600μm增加到2000μm，耦合效率在不断升高，这是因为当波导₁耦合段两端的宽度确定时，它的长度越小，其截面面积减小的程度越快，则它的有效折射率在剧烈变化，从而在第一波导耦合段端面两侧与第二波导产生的折射率差在急剧减小，导致耦合光功率迅速减小。但为了同时满足高性能和小尺寸的要求，我们选择L₁在1750μm～1850μm取值。L₁当L₁＝1800μm时，该模斑转换器的耦合效率可达93％左右。如图8所示，第二波导的传输段长度L₂在2200μm～2500μm之间取值。传输光路如图9所示，输入模场如图10所示，输出模场如图11所示。

需要说明的是，本文使用的术语“耦合”是指任意连接、耦合、链接等，以及“光耦合”是指使得光线从一个元件被传递至另一元件的耦合。这种“耦合”装置并非必须直接连接至另一个，可通过操纵或修改这种信号的中间部件或装置被分离。同样，本文使用的术语“直接耦合”或“直接光耦合”是指没有中间装置比如光纤而允许光线从一个元件被传递至另一元件的任意光连接。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例、电子设备实施例、计算机可读存储介质实施例和计算机程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特殊进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于阵列波导光栅和波导型探测器的模斑转换器，所述的阵列波导光栅选取波导芯和包层的二氧化硅相对折射率差Δn＝1.5％的四通道阵列波导光栅，其波导结构均为对称波导，矩形波导芯的宽度、厚度和平板波导的芯层厚度相同，平板波导是芯层大小为4.5μm×4.5μm的埋入型波导；所述的波导型探测器的波导耦合层为脊形波导结构，从AWG输出的光端面耦合进脊形波导层中心部分，其尺寸为2μm×1.048μm，材料为InGaAsP，折射率为3.310@1310nm；其特征在于，所述的模斑转换器为包括第一波导和第二波导的双台阶式波导结构，第一波导和第二波导均为反向锥形波导结构，其过渡方式均为抛物线型过渡；第一波导的大端面和第二波导的大端面对齐，第一波导的大端面为阵列波导光栅输出光的入射面，第二波导的小端面为出光面，原本被限制在第一波导芯层中的光耦合到第二波导的芯层中，从而缩小模场，使阵列波导光栅中的模场转换为波导型探测器脊形波导中的模场，实现阵列波导光栅与波导型探测器模场的匹配；所述的第一波导和第二波导的输入波导宽度width为4.5μm，所述的第二波导的高度H₂为1.048μm，阵列波导光栅的输出波导高度height为4.5μm，所述第二波导的传输段长度L₂在2200μm～2500μm之间，所述第一波导的耦合段长度L₁在1750μm～1850μm之间；所述的第二波导的高度H₂与波导型探测器脊形波导层高度相同，第一波导的高度H₁为阵列波导光栅的输出波导高度height与第二波导高度H₂的差；所述的第二波导的输出宽度W₂与波导型探测器的脊形波导层宽度相同，第一波导锥形尖端宽度W_tip小于第二波导的输出宽度W₂。

2.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅和波导型探测器的模斑转换器，其特征在于，所述的第一波导的耦合段长度L₁为1800μm。

3.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅和波导型探测器的模斑转换器，其特征在于，所述的第一波导由二氧化硅SiO₂、氮化硅Si₃N₄或氮氧化硅SiON材料构成。

4.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅和波导型探测器的模斑转换器，其特征在于，所述的第二波导由二氧化硅SiO₂材料构成。

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