CN115079341B - 一种波导器件 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种波导器件，包括：衬底；位于所述衬底上的波导层；至少部分覆盖所述波导层的包覆层；其中，所述波导层中至少有一段波导为以下波导中的一种：基于Hermite曲线的弯曲波导、基于B样条曲线的弯曲波导和基于Hermite曲线的锥形波导。本公开提供的波导器件，不仅能保持良好的单模传输特性、超低传输损耗和超低的高阶模式激发比等优势，并且结构尺寸小，可以大大提高光电器件的集成度，从而进一步降低成本，适用于大规模量产。
Description
技术领域
本公开涉及半导体光电技术领域，具体涉及一种波导器件。
背景技术
随着5G、云计算和大数据的快速发展和广泛应用，数据中心作为未来网络的控制节点和内容载体，正在经历着云端化和ICT(信息通信技术)融合带来的巨大变革。而随着数据中心的规模化发展，云计算数据中心网络拓扑的持续升级演进，对数据中心光互连技术提出了更高的要求。硅光技术以其材料特性和与CMOS工艺相兼容的先天优势，能够很好的满足数据中心对更低成本、更高集成、更低功耗、更高互联密度等要求。一般而言，硅基光互连的核心技术是在硅基上实现各种光功能器件的集成分布，分立器件主要有硅基激光器、电光调制器、光电探测器、滤波器、波分复用器、耦合器、分光器等。而实现这些功能器件的基本结构是硅基光波导结构，波导连接不同的光学组件，实现光传递。依据波导的几何形状，波导可分为弯曲波导和直波导。
弯曲波导是提高集成光学集成度的重要组件。它可以实现连接非共线光学组件，改变光束的传播方向，当传输损耗低于一定阈值时，其它形式的损耗将起主导作用。因此，欲实现小尺寸、低损耗的弯曲波导，需要分析光束在弯曲波导部分的模式传输特性和损耗特性，降低其它形式损耗。弯曲波导部分将会出现基模和高阶模之间耦合现象，由于模式之间耦合，会引起一定程度的损耗。故实现光在较小弯曲半径的低损耗传输，从而提高集成光学的集成度是弯曲波导今后的发展趋势。
目前，为了实现低损耗的弯曲波导，弯曲半径通常是百微米量级，优势是具有较小的双折射现象、低的界面损耗、工艺容忍度较大、与标准光纤耦合损耗较小、制造成本低。当弯曲半径小于100μm时，通常选用高折射率对比材料，可有效减少弯曲波导部分损耗。但是为了提高集成度，需要进一步降低弯曲波导半径。在降低弯曲波导半径到亚微米尺寸时，具有强烈的偏振的敏感度，对于沿着不同轴向的光的偏振具有不同响应，并且有背景反射和串扰现象；需要昂贵的制造设备和较小的工艺误差。因此，如何获得低损耗、宽响应、小弯曲半径的弯曲波导是研究重点。
除此之外，在片上光子系统中，通常会用到不同宽度的直波导，而不同宽度直波导之间的光波传输和模式转换就需要用到模斑转换器，从而确保光波以某一特定的模式低损耗地传输。在集成光子系统中，大部分器件需要保持基模的单模传输状态，就需要将高阶模式不断地转化成基模。而模式转换损耗主要来自于模场之间的不匹配引起的损耗。在弯曲波导和直波导连接部分，由于模场之间的不匹配将会引起一定程度的损耗。传统方法中通常将模场转换器设计成一个简单的突变的折线轮廓，并使其两端宽度分别对应需要连接的直波导的宽度，这种方法设计起来简单但是有很多限制，模场转换器轮廓线与其连接的直波导轮廓线在连接点处会形成折线，而如果将模场转换器设计的太短，则形成的折线夹角的角度会过小，这会激发高阶模同时增加基模的损耗。所以传统方法设计是通过增加锥形(taper)波导的长度来减少连接点处形成的折线角，进而降低基模损耗和高阶模的模式激发比，但这不益于片上光子系统的小型化，制约着片上光子系统的集成度的提高。
因此，提供一种具有单模超低损耗传输或转换的波导器件，以解决现有波导中传输损耗大、模式间串扰严重等问题实属必要。
发明内容
本公开的目的是提供一种波导器件，能够实现超低损耗的基模传输，具有结构尺寸小和超低的高阶模式激发比等优势。
本公开实施例提供一种波导器件，包括：
衬底；
位于所述衬底上的波导层；
至少部分覆盖所述波导层的包覆层；
其中，所述波导层中至少有一段波导为以下波导中的一种：
基于Hermite曲线的弯曲波导、基于B样条曲线的弯曲波导和基于Hermite曲线的锥形波导。
在本申请的一些实施方式中，所述基于Hermite曲线的弯曲波导包括两条曲线，分别为第一内轮廓曲线和第一外轮廓曲线，所述第一外轮廓曲线是基于三次Hermite曲线公式得到的；所述三次Hermite曲线的参数表达式为：
P(t)＝(2t3-3t2+1)P0+(t3-2t2+t)M0+(t3-2t2)M1+(-2t3+3t2)P1；
其中，所述P0是曲线起始点，P1是曲线终结点，M0是起始点处的切线方向，M1是终结点处的切线方向；参数t从0变化到1的过程中P(t)形成的轨迹构成了从P0到P1的平滑曲线。
在本申请的一些实施方式中，所述第一内轮廓曲线是由一系列与所述第一外轮廓曲线一一对应的点组成的，所述第一内轮廓曲线上的点到所述第一外轮廓曲线上对应点的距离相等。
在本申请的一些实施方式中，所述基于Hermite曲线的弯曲波导宽度为1.6μm，有效半径为20μm。
在本申请的一些实施方式中，所述基于Hermite曲线的弯曲波导的弯曲程度为90°。
在本申请的一些实施方式中，所述基于B样条曲线的弯曲波导包括两条曲线，分别为第二内轮廓曲线和第二外轮廓曲线，所述第二外轮廓曲线是基于二次B样条曲线和三次B样条曲线拼接而得到；
所述二次B样条曲线矩阵形式如下：
所述三次B样条曲线矩阵形式如下：
其中，t、P1至P4为B样条曲线的控制参数。
在本申请的一些实施方式中，所述第二内轮廓曲线是由一系列与所述第二外轮廓曲线一一对应的点组成的，所述第二内轮廓曲线上的点到所述第二外轮廓曲线上对应点的距离相等。
在本申请的一些实施方式中，所述基B样条曲线的弯曲波导宽度为1.6μm，有效半径为16μm。
在本申请的一些实施方式中，所述基于基B样条曲线的弯曲波导的弯曲程度为90°。
在本申请的一些实施方式中，所述基于Hermite曲线的锥形波导包括两条曲线，分别为上轮廓曲线和下轮廓曲线，所述上轮廓曲线与所述下轮廓曲线是关于水平轴对称的。
在本申请的一些实施方式中，所述基于Hermite曲线的锥形波导的宽度由0.45μm渐变到1.6μm。
在本申请的一些实施方式中，所述波导层的高度为0.22μm。
本公开与现有技术相比的优点在于：
本公开提供的波导器件中至少包括基于Hermite曲线的弯曲波导、基于B样条曲线的弯曲波导以及基于Hermite曲线的锥形波导中之一，这些类型的波导不仅能保持良好的单模传输特性和超低传输损耗，并且尺寸小，可以大大提高光电器件的集成度，从而进一步降低成本，适用于大规模量产。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其它的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本公开所提供的基于Hermite曲线的弯曲波导的结构示意图；
图2示出了本公开所提供的基于Hermite曲线的弯曲波导仿真后在输出端得到的传输损耗结果；
图3示出了本公开所提供的基于B样条曲线的弯曲波导的结构示意图；
图4示出了本公开所提供的基于B样条曲线的弯曲波导仿真后在输出端得到的传输损耗结果；
图5示出了本公开所提供的基于Hermite曲线的锥形波导的结构示意图；
图6示出了本公开所提供的基于Hermite曲线的锥形波导的光场分布图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。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公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
为了解决现有技术中存在的问题，本公开实施例提供一种波导器件，该波导器件可以为任一种能够传输光信号的器件，例如硅光器件、锗硅光器件等。硅光器件如微环谐振腔结构，下面结合附图进行说明。
本公开提供的上述波导器件，包括：衬底(未示出)；位于所述衬底上的波导层(未示出)；以及至少部分覆盖所述波导层的包覆层(未示出)；其中，所述波导层中至少有一段波导为以下波导中的一种：
基于Hermite曲线的弯曲波导、基于B样条曲线的弯曲波导和基于Hermite曲线的锥形波导。
其中，基于Hermite曲线的弯曲波导可以是基于Hermite曲线的90°弯曲波导，基于B样条曲线的弯曲波导可以是基于B样条曲线的90°弯曲波导，基于Hermite曲线的锥形波导是指taper波导，具体可以是模斑转换器。
可以理解，所述波导层中可以包括多段波导，例如弯曲波导、直波导和锥形波导，弯曲波导是基于Hermite曲线的弯曲波导，或者基于B样条曲线的弯曲波导，锥形波导是基于Hermite曲线的锥形波导。根据本公开的一些实施方式中，所述波导器件中波导层的高度可以为0.22μm。
根据本公开的一些实施方式中，所述波导器件的衬底包括：硅衬底，以及在所述硅衬底上的埋氧层；
应理解，所述波导器件可以采用SOI材料，SOI全称为Silicon-On-Insulator，即绝缘体上硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧层。
优选标准的SOI工艺来制备上述波导器件，包括底层硅、埋氧层及顶层硅，对顶层硅进行刻蚀得到0.22μm高的波导，这得益于单晶硅对在1330nm-1600nm通信波长的光具有较低的吸收损耗，同时硅基光波导的加工工艺与成熟的COMS技术有着较好的兼容性。
图1所示为基于Hermite曲线的90°弯曲波导，如图1所示，所述基于Hermite曲线的弯曲波导包括两条曲线，分别为第一内轮廓曲线110和第一外轮廓曲线120，第一外轮廓曲线120是基于三次Hermite曲线公式得到的，
Hermite曲线的变化取决于四个基函数的大小。
所述三次Hermite曲线的参数表达式为：
P(t)＝(2t3-3t2+1)P0+(t3-2t2+t)M0+(t3-2t2)M1+(-2t3+3t2)P1。
其中，所述P0是曲线起始点，P1是曲线终结点，M0是起始点处的切线方向，M1是终结点处的切线方向；参数t从0变化到1的过程中P(t)形成的轨迹构成了从P0到P1的平滑曲线。
具体的，所述第一内轮廓曲线110是由一系列与所述第一外轮廓曲线120一一对应的点组成的，所述第一内轮廓曲线110上的点到所述第一外轮廓曲线120上对应点的距离相等。
根据本申请的一些实施方式中，如图1所示，所述基于Hermite曲线的弯曲波导宽度为1.6μm，有效半径为20μm。
如图1所示，基于Hermit曲线的90°弯曲波导的一端作为基模光场的输入端，另一端作为输出端。优选激光波长在1500nm-1600nm范围的基模作为输入光场。
实际应用中，运用FDTD(时域有限差分法)对上述基于Hermit曲线的90°弯曲波导进行光场传输模拟仿真测试，得到在弯曲波导的输出端光场的结果如图2所示，具有很好的基模完整保持性和高阶模的抑制比。特别是在波长为1.55μm处的基模，经过基于Hermit曲线的90°弯曲波导传输后，一阶模式的激发比小于-48dB。同时该弯曲波导的透过率达到0.99992，对应的TE0-TE0的传输损耗是0.04dB/cm。如图2所示，弯曲波导的有效半径Reff仅为20μm实现了小尺寸、单模超低损耗的传输性能。
图3所示为基于B样条曲线的90°弯曲波导，如图3所示，所述基于B样条曲线的弯曲波导包括两条曲线，分别为第二内轮廓曲线210和第二外轮廓曲线220，所述第二外轮廓曲线220是基于二次B样条曲线和三次B样条曲线拼接而得到，具体的，中间是一段三次B样条曲线，两边是二次B样条曲线，是中心对称的。
所述二次B样条曲线矩阵形式如下：
所述三次B样条曲线矩阵形式如下：
其中，t、P1至P4为B样条曲线的控制参数。
具体的，第二内轮廓曲线210是由一系列与第二外轮廓曲线220一一对应的点组成的，第二内轮廓曲线210上的点到第二外轮廓曲线220上对应点的距离相等。
根据本申请的一些实施方式中，如图3所示，所述基B样条曲线的弯曲波导宽度为1.6μm，有效半径为16μm。
如图3所示，基于B样条曲线90°弯曲波导的一端作为基模光场的输入端，另一端作为输出端。优选激光波长在1500nm-1600nm范围的基模作为输入光场。
实际应用中，运用FDTD(时域有限差分法)对上述基于B样条曲线90°弯曲波导进行光场传输模拟仿真测试，得到在弯曲波导的输出端光场的结果如图4所示，具有很好的基模完整保持性和高阶模的抑制比。特别是在波长为1.55μm处的基模，经过基于B样条曲线的90°弯曲波导传输后，一阶模式的激发比小于-50dB。同时该弯曲波导的透过率达到0.999902，对应的弯曲波导的单位传输损耗计算值可低至是0.06dB/cm。如图4所示，弯曲波导的有效半径Reff仅为20μm，故该结构优化后能够实现小尺寸、单模低损耗传输的效果。
图5所示为基于Hermite曲线的锥形波导，如图5所示，基于Hermite曲线的锥形波导包括两条曲线，分别为上轮廓曲线310和下轮廓曲线320，上轮廓曲线310与下轮廓曲线320是关于水平轴对称的。
上轮廓曲线310的变化是基于Hermite公式设计得到的。所述Hermite曲线公式为：
P(t)＝(2t3-3t2+1)P0+(t3-2t2+t)M0+(t3-2t2)M1+(-2t3+3t2)P1；
其中，P0是起始点，P1是终结点，M0是起始点处的切线方向，M1是终结点处的切线方向，参数t从0变化到1的过程中P(t)形成的轨迹构成了从P0到P1的平滑曲线。
下轮廓曲线320是由一系列与上轮廓曲线310一一对应的点组成，且上轮廓曲线310上的点到与下轮廓曲线320上的对应点是关于波导宽度中心对称的。
如图3所示，优选基于Hermite曲线的锥形波导的窄边宽度为0.45μm，宽边宽度为1.6μm，长度为15μm。由于Hermite曲线的变化是取决于四个基函数的大小，因此，本申请中基于Hermite曲线的锥形波导的宽度按照四个基函数间的关系由0.45μm渐变到1.6μm。
实际应用中，优选基于Hermite曲线的锥形波导的较宽一端(1.6μm宽)作为光场输入端，另一端(0.45μm宽)为输出端。优选激光波长在1500nm-1600nm范围的基模作为输入光。
实际应用中，运用FDTD(时域有限差分法)对上述基于Hermite曲线的锥形波导进行光场透过率的模拟仿真测试，得到在其输出端光场的结果如图6所示，说明该模斑转换器具有很好的基模完整保持性和高阶模的抑制比。特别是在波长为1.55μm处的基模，经过锥形波导传输后，最终该锥形波导的单位损耗降低至2.67dB/cm。基模的透过率为0.996，如图6所示，基于Hermite曲线的锥形波导的长度仅为15μm，继而获得结构紧凑的模斑转换器，更利于硅基光电集成。
实际应用中，可以在微环谐振腔结构中引入本公开的波导器件来代替现有的波导器件，以使微环谐振腔结构能够保持良好的单模传输特性和超低传输损耗。
本公开与现有技术相比的优点在于：
本公开提供的波导器件，不仅能保持良好的单模传输特性、超低传输损耗和超低的高阶模式激发比等优势，并且结构尺寸小，可以大大提高光电器件的集成度，从而进一步降低成本，适用于大规模量产。
为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (7)
1.一种波导器件，其特征在于，包括：
衬底；所述衬底包括：硅衬底，以及在所述硅衬底上的埋氧层；
位于所述衬底上的波导层；
至少部分覆盖所述波导层的包覆层；
其中，所述波导层中至少有一段波导为以下波导中的一种：
基于Hermite曲线的弯曲波导、基于B样条曲线的弯曲波导和基于Hermite曲线的锥形波导；
所述基于Hermite曲线的弯曲波导的弯曲程度为90°；所述基于Hermite曲线的弯曲波导包括两条曲线，分别为第一内轮廓曲线和第一外轮廓曲线，所述第一外轮廓曲线是基于三次Hermite曲线公式得到的；所述三次Hermite曲线的参数表达式为：
；
其中，所述P0是曲线起始点，P1是曲线终结点，M0是起始点处的切线方向，M1是终结点处的切线方向；参数t从0变化到1的过程中P(t)形成的轨迹构成了从P0到P1的平滑曲线；
所述基于B样条曲线的弯曲波导的弯曲程度为90°；所述基于B样条曲线的弯曲波导包括两条曲线，分别为第二内轮廓曲线和第二外轮廓曲线，所述第二外轮廓曲线是基于二次B样条曲线和三次B样条曲线拼接而得到；所述第二外轮廓曲线中间是一段三次 B 样条曲线，两边是二次 B 样条曲线，是中心对称的；
所述二次B样条曲线矩阵形式如下：
所述三次B样条曲线矩阵形式如下：
其中，t、P1至P4为B样条曲线的控制参数；
所述基于Hermite曲线的锥形波导包括两条曲线，分别为上轮廓曲线和下轮廓曲线，所述上轮廓曲线与所述下轮廓曲线是关于水平轴对称的；
所述上轮廓曲线的变化是基于所述三次Hermite曲线得到的。
2.根据权利要求1所述的波导器件，其特征在于，所述第一内轮廓曲线是由一系列与所述第一外轮廓曲线一一对应的点组成的，所述第一内轮廓曲线上的点到所述第一外轮廓曲线上对应点的距离相等。
3.根据权利要求2所述的波导器件，其特征在于，所述基于Hermite曲线的弯曲波导宽度为1.6μm，有效半径为20μm。
4.根据权利要求1所述的波导器件，其特征在于，所述第二内轮廓曲线是由一系列与所述第二外轮廓曲线一一对应的点组成的，所述第二内轮廓曲线上的点到所述第二外轮廓曲线上对应点的距离相等。
5.根据权利要求4所述的波导器件，其特征在于，所述B样条曲线的弯曲波导宽度为1.6μm，有效半径为16μm。
6.根据权利要求1所述的波导器件，其特征在于，所述基于Hermite曲线的锥形波导的宽度由0.45μm渐变到1.6μm。
7.根据权利要求1所述的波导器件，其特征在于，所述波导层的高度为0.22μm。
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