CN115267973A

CN115267973A - 一种光环行器及其制备方法

Info

Publication number: CN115267973A
Application number: CN202210900180.3A
Authority: CN
Inventors: 余志华; 李倩
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2022-07-28
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2042-07-28
Also published as: CN115267973B

Abstract

本申请公开了一种光环行器及其制备方法，光环行器包括基片，基片包括：正六边形的耦合区域，耦合区域包括三个同等大小的类扇形像素块，任意两个像素块间呈120°轴对称；每个像素块包括M个圆形像素，圆形像素的状态为打孔或不打孔，M为大于200的正整数；输入波导，其连接在正六边形的耦合区域的第一边上；第一输出波导，其连接在正六边形的耦合区域的第二边上；及第二输出波导，其连接在正六边形的耦合区域的第三边上；第一边、第二边和第三边间隔设置。本申请的光环行器实现了非磁光效应的三端口的环形功能，不依赖于外加磁场的作用，并且具有高度集成的特点；本申请的光环行器端口一致性佳，各端口插入损耗在1.5 dB以下，端口隔离度高于22.5 dB。

Description

一种光环行器及其制备方法

技术领域

本申请属于集成光子器件技术领域，具体涉及一种光环行器及其制备方法。

背景技术

随着全球信息交流的指数增长，对通信系统高速率大容量要求越来越高，光互联技术是现今最有潜力克服通信网络传输瓶颈的途径，同时光学器件的高度集成化正成为大势所趋。硅基光学器件具有高度集成化以及能和CMOS平台兼容的特性，正受到越来越多的关注。如何在减少器件尺寸同时依然保有高性能，一直是硅基光子学领域的一项重大挑战。光环行器是一种重要的光学元件，广泛应用于各类光学系统中，它对端口的插入损耗特性和隔离度特性等都有相当高的要求。

近年来，随着集成光模块、硅基光电子芯片技术的进步，光通信/光互连系统均逐渐向更小尺寸、更低成本、更高性能的光电集成芯片发展。其中一个迫切的需求是实现非互易光学材料和器件的平面集成化、小型化和低成本化。围绕这一难题，尽管全球开展了几十余年的研究，但仍没有完全攻克这一难题。虽然近年来有学者提出了一些非磁性的解决方案，如非线性效应、时空调制等，但是器件带宽、功耗、功率依赖等科学问题尚在基础研究层面，离实际应用还有一定的距离。因此，基于磁光效应的集成非互易器件仍是目前最接近实际应用的技术方向。

虽然，目前商用的光环行器通常是基于磁光法拉第效应制备的，但基于磁光材料的光环行器在器件尺寸上偏大，其工艺难度及材料成本较高，且集成磁光材料需要的工艺与CMOS工艺不兼容。因此，实现光环行器等非互易光学器件的集成化、小型化和低成本化是该领域内的一大需求。

发明内容

本申请的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高度集成的光环行器及其制备方法，以解决现有技术的光环行器依赖磁光材料集成工艺困难、器件尺寸大、集成度低的技术问题。

为了实现上述申请目的，本申请的第一方面，提供了一种光环行器，包括基片，所述基片包括：

正六边形的耦合区域，所述耦合区域包括三个同等大小的类扇形像素块，任意两个所述像素块间呈120 °轴对称；每个所述像素块包括M个圆形像素，所述圆形像素的状态为打孔或不打孔，M为大于200的正整数；

输入波导，其连接在所述正六边形的耦合区域的第一边上；

第一输出波导，其连接在所述正六边形的耦合区域的第二边上；及

第二输出波导，其连接在所述正六边形的耦合区域的第三边上；

所述第一边、所述第二边和所述第三边间隔设置。

进一步地，所述输入波导垂直连接在所述第一边上，所述第一输出波导垂直连接在所述第二边上，所述第二输出波导垂直连接在所述第三边上。

进一步地，所述输入波导、所述第一输出波导和所述第二输出波导为矩形波导。

进一步地，所述输入波导、所述第一输出波导和所述第二输出波导相互间呈120 °轴对称设置。

进一步地，所述输入波导、所述第一输出波导和所述第二输出波导的宽度为500nm。

进一步地，所述耦合区域的边长为2.4 µm~2.5 µm。

进一步地，所述圆形像素的直径为80 nm~100 nm，孔深为120 nm~220 nm。

本申请的第二方面，提供了一种光环行器的制备方法，包括以下步骤：

在SOI基片上形成一个正六边形的耦合区域；所述耦合区域包括三个同等大小的类扇形像素块，任意两个所述像素块间呈120 °轴对称；每个所述像素块包括M个圆形像素，所述圆形像素的状态为打孔或不打孔，M为大于200的正整数；

在所述正六边形的耦合区域的相间隔的三个边上分别形成输入波导、第一输出波导和第二输出波导；

通过随机改变一个所述圆形像素的打孔状态来计算新的输出光谱，并当新的输出光谱比改变前的输出光谱更接近目标输出时，保留改变后的状态；反之，则不采用此改变；所述的目标输出是指在预先设定的波段内，光以所述输入波导为输入端口，光在所述第一输出波导端口保持高的透射率，在所述第二输出波导端口被隔离；

接着改变另一个所述圆形像素的打孔状态，不断循环重复上述过程，经过多次迭代后，获得一个最优的亚波长圆形像素打孔状态的分布。

进一步地，所述最优的亚波长圆形像素打孔状态的分布通过优化算法得到，所述优化算法包括粒子群算法、二进制算法中的任意一种。

与现有技术相比，本申请具有以下的技术效果：

本申请的光环行器实现了非磁光效应的三端口的环形功能，不依赖于外加磁场的作用，并且尺寸极小，即具有高度集成的特点；本申请的光环行器端口一致性佳，各端口插入损耗在1.5 dB以下，端口隔离度高于22.5 dB。

本申请的光环行器制备方法简单，可以制备出性能稳定、可控的光环行器。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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为本申请实施例提供的一种光环行器的俯视结构示意图；

图2为图1中一个类扇形像素块的部分结构示意图；

图3本申请实施例提供的一种最优空气阵列光环行器的俯视结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种最优空气阵列光环行器的仿真测试结果图。

其中，图1~图3中，1、输入波导，2、第一输出波导，3、第二输出波导；

图1、图3中，黑色圆形像素代表不打孔状态，即为硅材料基片；白色圆形像素代表打孔状态，即空气填充孔；

图4中，t1线代表插入损耗，t2线代表隔离度。

具体实施方式

为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，“ a，b，或c中的至少一项（个）”，或，“a，b，和c中的至少一项（个）”，均可以表示：a，b，c，a-b（即a和b），a-c，b-c，或a-b-c，其中a，b，c分别可以是单个，也可以是多个。

应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本申请实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。具体地，本申请实施例说明书中所述的质量可以是µg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XX也可以被称为第二XX，类似地，第二XX也可以被称为第一XX。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

第一方面，本申请实施例提供了一种光环行器，包括基片、输入波导1、第一输出波导2和第二输出波导3。基片包括正六边形的耦合区域，该耦合区域包括三个同等大小的类扇形像素块，任意两个像素块间呈120 °轴对称，即任意一个像素块沿着它与另一个像素块的一个相邻边做120 °旋转后都能与所述的另一个像素块重叠；每个像素块包括M个圆形像素，圆形像素的状态为打孔或不打孔，M为大于200的正整数；输入波导1连接在正六边形的耦合区域的第一边上；第一输出波导2连接在正六边形的耦合区域的第二边上；第二输出波导3连接在正六边形的耦合区域的第三边上；第一边、第二边和第三边间隔设置。

本申请实施例的光环行器的俯视结构示意图如图1、图2、图3所示，其中，图2仅示意出了正六边形的耦合区域的部分结构，重点在于突出显示正六边形的耦合区域内的一个类扇形像素块的大小和形状。

在本申请实施例中，输入波导1垂直连接在第一边上，第一输出波导2垂直连接在第二边上，第二输出波导3垂直连接在第三边上。输入波导1、第一输出波导2和第二输出波导3中的任意一个端口都可以作为光输入端口，而另外两个端口可以作为光输出端口，光从其中一个输出端口高效投射，而被另一个输出端口隔离。

在本申请实施例中，输入波导1、第一输出波导2和第二输出波导3为矩形波导。矩形波导结构简单、机械强度大，可以避免外界干扰和辐射损耗。

在本申请实施例中，输入波导1、第一输出波导2和第二输出波导3相互间呈120 °轴对称设置，即任意两个波导所在直线之间的夹角为120 °。这样，可形成结构对称的光环行器。

在本申请实施例中，输入波导1、第一输出波导2和第二输出波导3的宽度可选为硅波导宽度的典型值，即500 nm。

在本申请实施例中，耦合区域的边长可选为2.4 µm~2.5 µm。即本申请实施例可将光环行器的尺寸控制到5µm ×5µm以下，制备出具有高度集成特点的光环行器。

在本申请实施例中，圆形像素的直径为80 nm~100 nm，孔深为120 nm~220 nm。考虑到器件加工时的EBL过程的精度限制及时间成本，圆形像素的通孔直径不宜过小，通常大于80 nm；另外，通孔直径也不宜过大，通常小于100 nm，否则在器件加工时的ICP过程中，会造成相邻的通孔之间出现刻穿，造成工艺误差，增加器件的插损；通孔的深度与通孔直径成正比关系，且与工艺条件有关，包括ICP过程中的离子气体浓度、气压等有关。

本申请实施例的第二方面，提供了一种光环行器的制备方法，包括以下步骤：

（1）在SOI基片上形成一个正六边形的耦合区域；耦合区域包括三个同等大小的类扇形像素块，任意两个像素块间呈120 °轴对称；每个像素块包括M个圆形像素，圆形像素的状态为打孔或不打孔，M为大于200的正整数；

（2）在正六边形的耦合区域的相间隔的三个边上分别形成输入波导1、第一输出波导2和第二输出波导3；

（3）通过随机改变一个圆形像素的打孔状态来计算新的输出光谱，并当新的输出光谱比改变前的输出光谱更接近目标输出时，保留改变后的状态；反之，则不采用此改变；所述的目标输出是指在预先设定的波段内，光以输入波导1为输入端口，光在第一输出波导2端口保持高的透射率，在第二输出波导3端口被隔离；

（4）接着改变另一个圆形像素的打孔状态，不断循环重复上述过程，经过多次迭代后，获得一个最优的亚波长圆形像素打孔状态的分布。

在本申请实施中，最优的亚波长圆形像素打孔状态的分布通过优化算法得到，该优化算法包括粒子群算法、直接二进制算法中的任意一种。

本申请实施例的光环行器实现了非磁光效应的三端口的环形功能，不依赖于外加磁场的作用，并且尺寸极小（可达5 µm ×5 µm以下），即具有高度集成的特点，端口一致性佳，各端口插入损耗在1.5 dB以下，端口隔离度高于22.5 dB。

本申请实施例打孔后的耦合区域，其折射率分布可以等效为一种非均匀缓变的折射率分布，使得耦合区域可以同时对不同的波长进行引导，从而使得不同的波长都能够达到在输出端口有效输出的目的。

以下通过具体实施例来举例说明本申请实施例的一种光环行器及其制备方法。

本申请实施例提供了一种由亚波长圆形像素阵列构成的硅基超材料光环行器，环形器包括三个矩形波导，任一波导均可作为输入波导或输出波导，一个正六边形耦合区域；耦合区域包括三个同等大小的类扇形像素块，任意两个像素块间呈120 °轴对称；每个像素块包括M个圆形像素，圆形像素的状态为打孔或不打孔，为了使器件性能满足低损耗要求，M值通常大于200，M为整数。

此外，要构成环形器，需对圆形像素的状态进行优化，圆形像素的状态为打孔或不打孔，最终形成一个满足二进制优化算法的打孔阵列。

本申请实施例提出的结构包括三个矩形波导，其中任一波导作为输入波导，另两个波导即作为输出波导，以及一个正六边形的耦合区，耦合区内包括亚波长尺寸的圆形像素阵列，圆形像素的状态为打孔或不打孔。入射光通过输入波导进入耦合区域，然后从对应的输出波导输出，另一输出波导端口被隔离。

本申请实施例中，空气孔阵列分布经由优化算法得来，算法可以为粒子群算法、直接二进制算法等针对现有输出和目标输出的差值进行优化，其中所述目标输出是指由输入波导输入的模式光由下行端口输出，另一端口被隔离，经数次迭代，最终得到一个满足目标输出条件的打孔阵列。由于本申请实施例要解决的问题属于多最优值问题，利用不同的优化算法或取不同的初始分布时，其优化结果具有不同的最优分布。

本申请实施例中，打孔后的亚波长尺寸的圆形像素的排布可以等效为一种非均匀缓变的折射率分布区域，对光波传输进行引导，从而使得光波都能够达到在下行输出端口有效输出，在另一输出端口被隔离的目的。

本申请实施例中，所取加工材料为普通 SOI 基片，如图1所示，首先，特殊的，取三个矩形波导作为输入、输出端口，1为输入波导端口，2、3均为输出波导端口，波导宽度均取硅波导宽度的典型值500 nm，将厚220 nm，边长为2.4 µm的正六边形耦合区域分割为3个同等大小的类扇形区域，各个类扇形区域包含呈轴对称分布的圆形像素，每个圆形像素具有随机初始状态：中心打孔或不打孔，若打孔，孔直径范围为90 nm，孔深度为220 nm。

然后，经由优化算法，针对目标输出进行优化。通过改变一个或多个圆形像素的刻蚀状态，并计算新的输出光谱，若新的输出光谱比原输出光谱更接近目标输出，则保留改变后的状态。一次迭代指一次计算过程，经过多次迭代后，将得到一个最优的亚波长空气孔阵列分布，如图3所示。本发明要解决的问题属于多最优值问题，利用不同算法或取不同的初始分布时（例如图1），其对应的优化结果具有不同的最优分布（例如图3）。

经数次迭代，最终得到一个满足条件的打孔阵列，本申请实施例可以实现至少1540 nm～1560 nm宽波段范围内的低损耗硅基片上集成光环行器。

本申请实施例的光环行器经过仿真优化完成的测试结果如图4所示，t1线代表输入的模式光在一个输出波导端口的投射率，即插入损耗，t2线代表输入的模式光在另一个输出波导端口的投射率，即隔离度。从图4中看到，在1540 nm~1560 nm波段内，插入损耗小于1.5 dB，隔离度高于22.5 dB 。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种光环行器，其特征在于，包括基片，所述基片包括：

输入波导，其连接在所述正六边形的耦合区域的第一边上；

所述第一边、所述第二边和所述第三边间隔设置。

2.如权利要求1所述的一种光环行器，其特征在于，所述输入波导垂直连接在所述第一边上，所述第一输出波导垂直连接在所述第二边上，所述第二输出波导垂直连接在所述第三边上。

3.如权利要求1所述的一种光环行器，其特征在于，所述输入波导、所述第一输出波导和所述第二输出波导为矩形波导。

4.如权利要求2所述的一种光环行器，其特征在于，所述输入波导、所述第一输出波导和所述第二输出波导相互间呈120 °轴对称设置。

5.如权利要求1所述的一种光环行器，其特征在于，所述输入波导、所述第一输出波导和所述第二输出波导的宽度为500 nm。

6.如权利要求1所述的一种光环行器，其特征在于，所述耦合区域的边长为2.4 µm~2.5µm。

7.如权利要求1所述的一种光环行器，其特征在于，所述圆形像素的直径为80 nm~100nm，孔深为120 nm~220 nm。

8.如权利要求1~7任一项所述的一种光环行器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的一种光环行器的制备方法，其特征在于，所述最优的亚波长圆形像素打孔状态的分布通过优化算法得到，所述优化算法包括粒子群算法、二进制算法中的任意一种。