CN115407456A - 一种双层偏振无关光栅耦合器 - Google Patents

一种双层偏振无关光栅耦合器 Download PDF

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CN115407456A CN202211051005.8A CN202211051005A CN115407456A CN 115407456 A CN115407456 A CN 115407456A CN 202211051005 A CN202211051005 A CN 202211051005A CN 115407456 A CN115407456 A CN 115407456A
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waveguide layer
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朱京平
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Abstract

本发明公开了一种双层偏振无关光栅耦合器，包括衬底、第一波导层和第二波导层。衬底上依次设置下包层、中包层以及上包层；光纤设置在上包层上，并垂直于上包层所在平面；第一波导层用于耦合
Figure DDA0003822988770000011
偏振光，生长在下包层上；第二波导层用于耦合
Figure DDA0003822988770000012
偏振光，生长在中包层上；第二光栅位于第一光栅的上方，二者均位于光纤下方；第二光栅位于第一光栅绕光纤中心线旋转90°的位置。本发明的双层偏振无关光栅耦合器，通过在竖直方向上设计双层光栅，实现对光纤中的两种偏振光分别高效垂直耦合。与现有二维偏振无关光栅耦合器相比，本发明显著提升了耦合效率，提高了信号利用率，为芯片‑光纤偏振无关耦合与测试提供可行性方案。

Description

一种双层偏振无关光栅耦合器
技术领域
本发明属于光通信、光传感、光探测技术领域，涉及一种双层偏振无关光栅耦合器。
背景技术
通常，集成光波导与光纤间有两种耦合方式：端耦合和面耦合。前者通过锥形结构(taper)对波导模斑进行无损扩展，使波导与光纤模场匹配，可实现较大的耦合效率(<0.5dB)。然而，无损模斑转换往往需要taper长约几百微米，而且，在实际操作中为了保证taper末端横截面和光纤间的完美连接，还需要对芯片端面进行切割、研磨、抛光等复杂处理。光栅耦合器作为一种面耦合方式，提供了一种芯片级自动化耦合测试方案，具有无需切割研磨工艺步骤、成本低、操作简单等优势。然而，因为材料的双折射效应，传统光栅耦合器仅针对一种偏振光设计，大大降低了能量利用率。如何实现芯片-光纤的偏振无关高效耦合是光器件制作中的一项关键技术。
基于二维光栅结构可实现芯片–光纤低偏振相关损耗耦合。Jinghui Zou等人提出了一种由五个圆柱体光栅单元组成的二维光栅，通过调节柱体之间的距离降低偏振相关损耗(Two-dimensional grating coupler with a low polarization dependent loss of0.25dB covering the C-band,Optics Letters,2016,41(18):4206-4209)；Yanyun Xue等人设计了一种椭圆状二维光栅，通过优化椭圆的几何尺寸使两种偏振光的耦合谱相匹配(Two-dimensional silicon photonic grating coupler with low polarization-dependent loss and high tolerance,Optics Express,2019,27(16):22268-22274)。然而，上述两种方案中，单个二维光栅需同时支持两种偏振光的耦合，器件耦合损耗较大(>3dB)，这限制了其在光通信、光互连等领域的进一步应用。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中无法保证两种偏振光高效耦合的问题，提供一种双层偏振无关光栅耦合器。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
第一方面，本发明提供一种双层偏振无关光栅耦合器，包括：
衬底，所述衬底上依次设置下包层、中包层以及上包层；光纤设置在所述上包层上，并垂直于上包层所在平面，用于输出
Figure BDA0003822988750000021
及
Figure BDA0003822988750000022
偏振光；
第一波导层，所述第一波导层用于耦合
Figure BDA0003822988750000023
偏振光，所述第一波导层生长在下包层上，中包层生长在第一波导层上；所述第一波导层包括相连的第一光栅和第一直波导；
第二波导层，所述第二波导层用于耦合
Figure BDA0003822988750000024
偏振光，所述第二波导层生长在中包层上，上包层生长在第二波导层上；所述第二波导层包括相连的第二光栅和第二直波导；所述第二光栅位于第一光栅的上方，二者均位于光纤下方；第二光栅位于第一光栅绕光纤中心线旋转90°的位置。
上述耦合器进一步的改进在于：
所述中包层的厚度h由中心波长λc处
Figure BDA0003822988750000025
偏振光经第二波导层和中包层透射到第一波导层的透射率峰值决定。
所述第一光栅为啁啾闪耀结构，用于将光束衍射到第一直波导；所述第二光栅为啁啾闪耀结构，用于将光束衍射到第二直波导。
所述第一光栅与第一直波导的宽度w1相等；所述第二光栅与第二直波导的宽度w2相等。
所述第一光栅包括第一光栅波导层和第二光栅波导层；第一光栅波导层由一系列第一光栅波导狭缝和第一光栅波导介质条沿第一直波导方向交替分布构成；第二光栅波导层由一系列第二光栅波导狭缝和第二光栅波导介质条交替分布构成；第一光栅波导介质条的延伸方向平行于第二光栅波导介质条的延伸方向，平行于x轴，垂直于第一直波导的传输方向。
所述第一光栅波导层的填充比为：
Figure BDA0003822988750000031
其中，D1-1为第一光栅波导层的填充比；d1-1为第一光栅波导介质条的宽度；Λ1-1为第一光栅波导层的光栅周期；
所述第二光栅波导层的填充比为：
Figure BDA0003822988750000032
其中，D1-2为第二光栅波导层的填充比；d1-2为第二光栅波导介质条的宽度；Λ1-2为第二光栅波导层的光栅周期。
所述第二光栅波导层在第一光栅波导层之上，且相对第一光栅波导层沿第一直波导的反方向平移第一设定距离s1。
所述第二光栅包括第三光栅波导层和第四光栅波导层；第三光栅波导层由一系列第三光栅波导狭缝和第三光栅波导介质条沿第二直波导方向交替分布构成；第四光栅波导层由一系列第四光栅波导狭缝和第四光栅波导介质条交替分布构成；第三光栅波导介质条的延伸方向平行于第四光栅波导介质条的延伸方向，平行于y轴，垂直于第二直波导的传输方向。
所述第三光栅波导层的填充比为：
Figure BDA0003822988750000033
其中，D2-1为第三光栅波导层的填充比；d2-1为第三光栅波导介质条的宽度；Λ2-1为第三光栅波导层的光栅周期；
所述第四光栅波导层的填充比为：
Figure BDA0003822988750000034
其中，D2-2为第四光栅波导层的填充比；d2-2为第四光栅波导介质条的宽度；Λ2-2为第四光栅波导层的光栅周期。
所述第四光栅波导层在第三光栅波导层之上，且相对第三光栅波导层沿第二直波导的反方向平移第二设定距离s2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的双层偏振无关光栅耦合器，通过在竖直方向上设计双层光栅，实现对光纤中的两种偏振光分别高效耦合。与现有二维偏振无关光栅耦合器相比，本发明显著提升了耦合效率，提高了信号利用率，为芯片-光纤偏振无关耦合与测试提供可行性方案。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是双层偏振无关光栅耦合器的结构示意图。
图2是第一光栅、第一直波导、第二光栅、第二直波导的结构示意图。
图3是图1部分结构的示意图，其中(a)为前视图，(b)为右视图。
图4是图3部分结构的横截面示意图，其中(a)第二光栅，(b)第一光栅。
图5是第二光栅的结构参数示意图。
图6是本发明实施例中第二光栅中，第三光栅波导层的周期Λ2-1、填充比D2-1及第四光栅波导层的填充比D2-2。
图7是本发明实施例中使用FDTD法模拟的
Figure BDA0003822988750000041
偏振光经第二光栅及中包层透射到第一波导层的中心波长λc处透射率曲线随中包层厚度h的变化曲线。
图8是本发明实施例中使用FDTD法模拟的光的电场分布图，其中(a)为
Figure BDA0003822988750000042
偏振光在第二波导层中的电场分布，(b)为
Figure BDA0003822988750000043
偏振光在第一波导层中的电场分布。
图9是本发明实施例中使用FDTD法模拟的
Figure BDA0003822988750000044
和
Figure BDA0003822988750000045
偏振光耦合到相应直波导中的光功率谱。
其中：1为衬底；2为下包层；3为第一波导层；4为中包层；5为第二波导层；6.上包层；7为第一光栅；7-1为第一光栅波导层；7-1-1为第一光栅波导狭缝；7-1-2为第一光栅波导介质条；7-2为第二光栅波导层；7-2-1为第二光栅波导狭缝；7-2-2为第二光栅波导介质条；8为第一直波导；9为第二光栅；9-1为第三光栅波导层；9-1-1为第三光栅波导狭缝；9-1-2为第三光栅波导介质条；9-2为第四光栅波导层；9-2-1为第四光栅波导狭缝；9-2-2为第四光栅波导介质条；10为第二直波导；11为光纤。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明实施例公开了一种双层偏振无关光栅耦合器，包括衬底1、下包层2、第一波导层3、中包层4、第二波导层5、上包层6和光纤11；下包层2生长于衬底1上；第一波导层3生长于下包层2上；中包层4生长于第一波导层3上；第二波导层5生长于中包层4上；上包层6生长于第二波导层5上；光纤11在上包层6上；第一波导层3由第一光栅7和第一直波导8连接构成；第二波导层5由第二光栅9和第二直波导10连接构成；光纤垂直于第一波导层3和第二波导层5，输出
Figure BDA0003822988750000061
偏振光及
Figure BDA0003822988750000062
偏振光；
Figure BDA0003822988750000063
偏振光经第二光栅9后耦合到第二直波导10；
Figure BDA0003822988750000064
偏振光经第二波导层5和中包层4透射到第一波导层3，再经第一光栅7耦合到第一直波导8；第一光栅7和第一直波导8为第二光栅9和第二直波导10绕光纤11中心线旋转90°后，再沿光纤11中心线平移到第一波导层3所得；中包层4的厚度h由中心波长λc处
Figure BDA0003822988750000065
偏振光经第二波导层5和中包层4透射到第一波导层3的透射率峰值决定。
如图2所示，第一光栅7为啁啾闪耀结构，将光束高效衍射到第一直波导8；第二光栅9为啁啾闪耀结构，将光束高效衍射到第二直波导10；第一光栅7与第一直波导8的宽度w1相等；第二光栅9与第二直波导10的宽度w2相等。
如图3、图4、图5所示，第一光栅7包括第一光栅波导层7-1和第二光栅波导层7-2；第一光栅波导层7-1由一系列第一光栅波导狭缝7-1-1和第一光栅波导介质条7-1-2沿第一直波导8方向交替分布构成；第二光栅波导层7-2由一系列第二光栅波导狭缝7-2-1和第二光栅波导介质条7-2-2交替分布构成；第一光栅波导介质条7-1-2的延伸方向平行于第二光栅波导介质条7-2-2的延伸方向，平行于x轴，垂直于第一直波导8的传输方向；第一光栅波导层7-1的光栅周期为Λ1-1，周期数为N1；第二光栅波导层7-2的光栅周期为Λ1-2，周期数为N1；第一光栅波导层7-1的填充比为D1-1(第一光栅波导介质条7-1-2宽度/第一光栅波导层7-1光栅周期Λ1-1)；第二光栅波导层7-2的填充比为D1-2(第二光栅波导介质条7-2-2宽度/第二光栅波导层7-2光栅周期Λ1-2)；第二光栅波导层7-2在第一光栅波导层7-1之上，且相对第一光栅波导层7-1沿第一直波导8的反方向平移第一设定距离s1。
第二光栅9包括第三光栅波导层9-1和第四光栅波导层9-2；第三光栅波导层9-1由一系列第三光栅波导狭缝9-1-1和第三光栅波导介质条9-1-2沿第二直波导10方向交替分布构成；第四光栅波导层9-2由一系列第四光栅波导狭缝9-2-1和第四光栅波导介质条9-2-2交替分布构成；第三光栅波导介质条9-1-2的延伸方向平行于第四光栅波导介质条9-2-2的延伸方向，平行于y轴，垂直于第二直波导10的传输方向；第三光栅波导层9-1的光栅周期为Λ2-1，周期数为N2；第四光栅波导层9-2的光栅周期为Λ2-2，周期数为N2；第三光栅波导层9-1的填充比为D2-1(第三光栅波导介质条9-1-2宽度/第三光栅波导层9-1光栅周期Λ2-1)；第四光栅波导层9-2的填充比为D2-2(第四光栅波导介质条9-2-2宽度/第四光栅波导层9-2光栅周期Λ2-2)；第四光栅波导层9-2在第三光栅波导层9-1之上，且相对第三光栅波导层9-1沿第二直波导10的反方向平移第二设定距离s2。
本发明还公开了一种双层偏振无关光栅耦合器的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：确定第二光栅9结构参数(Λ2-1、D2-1、D2-2、s2、N2及w2)及光纤11中心相对第二光栅9第二直波导一侧起始处的位置p，使第二光栅9将由光纤11入射的
Figure BDA0003822988750000081
偏振光高效耦合到第二直波导10；
步骤2：模拟由光纤11入射的
Figure BDA0003822988750000082
偏振光经第二光栅9及中包层4透射到第一波导层3的中心波长λc处透射率曲线随中包层4厚度的变化曲线，并由该曲线峰值透射率确定中包层4厚度h；
步骤3：确定第一光栅7结构参数(Λ1-1、D1-1、D1-2、s1、N1及w1)，使第一光栅将由光纤11入射的
Figure BDA0003822988750000083
偏振光高效耦合到第一直波导8。
下面通过具体实例来说明本发明双层偏振无关光栅耦合器的优势。本实例相关材料参数如下：衬底、第一直波导、第二直波导、第一光栅波导介质条、第二光栅波导介质条、第三光栅波导介质条、第四光栅波导介质条为Si，折射率nSi＝3.476；下包层、中包层、上包层、第一光栅波导狭缝、第二光栅波导狭缝、第三光栅波导狭缝、第四光栅波导狭缝、第一波导层除去第一光栅和第一直波导的部分、第二波导层除去第二光栅和第二直波导的部分为SiO2，折射率nSiO2＝1.444；第一波导层和第二波导层的厚度为220nm；下包层和上包层的厚度为2μm；光纤为通信单模光纤，纤芯直径为9μm；中心波长为λc＝1.55μm。
首先使用FDTD Solutions自带的粒子群算法(PSO)优化第二光栅结构参数，设定刻蚀尺寸下限为50nm。当w2＝15μm、p＝5.9μm、N2＝25，且第1、2、3个周期s2分别为0.096μm、0.134μm、0.114μm，第4～11个周期s2＝0.176μm，第12～25个周期s2＝0.190μm，第1、2、……、25个周期的Λ2-1、D2-1、D2-2满足图6所示时，二维模拟结果显示，由光纤入射的
Figure BDA0003822988750000084
偏振光经第二光栅到第二直波导的峰值耦合效率高达94％(h＝2μm时)。
此时，由光纤入射的
Figure BDA0003822988750000085
偏振光经第二光栅及中包层透射到第一波导层的透射率曲线(λc处)随中包层厚度h的变化曲线如图7所示。可见，该透射率随h的增大呈正弦震荡变化。取h＝0.46μm，此时，该透射率位于曲线峰值。
在本实施例中，第一光栅和第二光栅设计所用材料种类及其厚度完全相同，因此，两光栅结构参数相同。将第二光栅及第二直波导绕光纤中心线旋转90°后，再沿光纤中心线平移到第一波导层，即可得到第一光栅及第一直波导。至此，本实施例基于SOI的双层偏振无关光栅耦合器设计完成。
使用FDTD法模拟的该双层偏振无关光栅耦合器中的光的电场分布与耦合光谱曲线分别如图8、图9所示。可见，对于光纤中的
Figure BDA0003822988750000091
和
Figure BDA0003822988750000092
偏振光，经该双层偏振无关光栅耦合器后，均可高效耦合到相应的直波导中，其中，峰值耦合效率分别为91％(0.4dB)、82％(0.9dB)。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，包括：
衬底(1)，所述衬底(1)上依次设置下包层(2)、中包层(4)以及上包层(6)；光纤(11)设置在所述上包层(6)上，并垂直于上包层(6)所在平面，用于输出
Figure FDA0003822988740000011
及
Figure FDA0003822988740000012
偏振光；
第一波导层(3)，所述第一波导层(3)用于耦合
Figure FDA0003822988740000013
偏振光，所述第一波导层(3)生长在下包层(2)上，中包层(4)生长在第一波导层(3)上；所述第一波导层(3)包括相连的第一光栅(7)和第一直波导(8)；
第二波导层(5)，所述第二波导层(5)用于耦合
Figure FDA0003822988740000014
偏振光，所述第二波导层(5)生长在中包层(4)上，上包层(6)生长在第二波导层(5)上；所述第二波导层(5)包括相连的第二光栅(9)和第二直波导(10)；所述第二光栅(9)位于第一光栅(7)的上方，二者均位于光纤(11)下方；第二光栅(9)位于第一光栅(7)绕光纤(11)中心线旋转90°的位置。
2.根据权利要求1所述的双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，所述中包层(4)的厚度h由中心波长λc处
Figure FDA0003822988740000015
偏振光经第二波导层(5)和中包层(4)透射到第一波导层(3)的透射率峰值决定。
3.根据权利要求1所述的双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，所述第一光栅(7)为啁啾闪耀结构，用于将光束衍射到第一直波导(8)；所述第二光栅(9)为啁啾闪耀结构，用于将光束衍射到第二直波导(10)。
4.根据权利要求1或3所述的双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，所述第一光栅(7)与第一直波导(8)的宽度w1相等；所述第二光栅(9)与第二直波导(10)的宽度w2相等。
5.根据权利要求1所述的双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，所述第一光栅(7)包括第一光栅波导层(7-1)和第二光栅波导层(7-2)；第一光栅波导层(7-1)由一系列第一光栅波导狭缝(7-1-1)和第一光栅波导介质条(7-1-2)沿第一直波导(8)方向交替分布构成；第二光栅波导层(7-2)由一系列第二光栅波导狭缝(7-2-1)和第二光栅波导介质条(7-2-2)交替分布构成；第一光栅波导介质条(7-1-2)的延伸方向平行于第二光栅波导介质条(7-2-2)的延伸方向，平行于x轴，垂直于第一直波导(8)的传输方向。
6.根据权利要求5所述的双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，所述第一光栅波导层(7-1)的填充比为：
Figure FDA0003822988740000021
其中，D1-1为第一光栅波导层(7-1)的填充比；d1-1为第一光栅波导介质条(7-1-2)的宽度；Λ1-1为第一光栅波导层(7-1)的光栅周期；
所述第二光栅波导层(7-2)的填充比为：
Figure FDA0003822988740000022
其中，D1-2为第二光栅波导层(7-2)的填充比；d1-2为第二光栅波导介质条(7-2-2)的宽度；Λ1-2为第二光栅波导层(7-2)的光栅周期。
7.根据权利要求5或6所述的双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，所述第二光栅波导层(7-2)在第一光栅波导层(7-1)之上，且相对第一光栅波导层(7-1)沿第一直波导(8)的反方向平移第一设定距离s1。
8.根据权利要求1所述的双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，所述第二光栅(9)包括第三光栅波导层(9-1)和第四光栅波导层(9-2)；第三光栅波导层(9-1)由一系列第三光栅波导狭缝(9-1-1)和第三光栅波导介质条(9-1-2)沿第二直波导(10)方向交替分布构成；第四光栅波导层(9-2)由一系列第四光栅波导狭缝(9-2-1)和第四光栅波导介质条(9-2-2)交替分布构成；第三光栅波导介质条(9-1-2)的延伸方向平行于第四光栅波导介质条(9-2-2)的延伸方向，平行于y轴，垂直于第二直波导(10)的传输方向。
9.根据权利要求1所述的双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，所述第三光栅波导层(9-1)的填充比为：
Figure FDA0003822988740000023
其中，D2-1为第三光栅波导层(9-1)的填充比；d2-1为第三光栅波导介质条(9-1-2)的宽度；Λ2-1为第三光栅波导层(9-1)的光栅周期；
所述第四光栅波导层(9-2)的填充比为：
Figure FDA0003822988740000031
其中，D2-2为第四光栅波导层(9-2)的填充比；d2-2为第四光栅波导介质条(9-2-2)的宽度；Λ2-2为第四光栅波导层(9-2)的光栅周期。
10.根据权利要求8或9所述的双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，所述第四光栅波导层(9-2)在第三光栅波导层(9-1)之上，且相对第三光栅波导层(9-1)沿第二直波导(10)的反方向平移第二设定距离s2。
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