CN115857098A - 一种硅基片上光学环行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基片上光学环行器，包括si基底和依次设置于所述si基底上的光输入波导层和光输出波导层，所述光输入波导层和所述光输出波导层外均设置有SiO₂包层，所述光输出波导层的折射率、所述光输入波导层的折射率和所述SiO₂包层的折射率依次减小。本发明采用上述结构的硅基片上光学环行器，利用异质波导层间耦合作用和高折射率差截面分布对光场的强束缚作用，实现片上光学传输路径非互易的功能结构，使光波导器件不同端口输入的光在波导对应出口段选择性输出，从而实现硅基片上光学环行器，理论隔离度可达20dB以上，双向环行插损小于4dB。

Description

一种硅基片上光学环行器

技术领域

本发明涉及一种光电集成技术，尤其涉及一种硅基片上光学环行器。

背景技术

基于光学原理的传感与探测系统普遍具有高精度、高灵敏度等优势，如激光干涉测距系统、光学惯性传感系统、光学相干层析成像系统等先进设备与装置，均被视为同领域内极具发展潜力和应用前景的重要研究方向。然而，基于传统分立光学器件的光学系统搭建方式通常面临体积大、干扰强、器件一致性差等问题，限制了上述系统的进一步推广和应用。

片上光学集成技术是当前光电集成技术领域的研究热点，通过微加工手段实现片上微纳米级光波导，可替代传统光学器件功能，结构尺寸仅为数十微米至数毫米量级，在实现光路体积小型化的同时，利用单一基底体制提升光路各器件一致性。

对于光波导器件而言，目前基于波导结构的光分束器、光耦合器、光模式转换器、起偏器等已经得到了广泛研究和实际应用。然而，受限于波导结构和加工工艺，片上器件难以实现非正交旋光等空间光路或光纤光路中的典型功能，目前尚未有可靠的片上波导光学环行器方案被提出。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种硅基片上光学环行器，利用异质波导层间耦合作用和高折射率差截面分布对光场的强束缚作用，通过对波导材料、截面形状、耦合间距的多自由度优化选取，即可利用简单的层叠形式实现高效的光学环行能力（理论隔离度≥20dB，双向环行插损≤4dB）。

为实现上述目的，本发明提供了一种硅基片上光学环行器，包括si基底和依次设置于所述si基底上的光输入波导层和光输出波导层，所述光输入波导层和所述光输出波导层外均设置有SiO₂包层，所述光输出波导层的折射率、所述光输入波导层的折射率和所述SiO₂包层的折射率依次减小。

优选的，所述光输出波导层采用Si材料，所述光输入波导层采用SiN材料，所述SiO₂包层采用SiO2材料。

优选的，所述光输出波导层采用矩形波导或脊形波导构型；所述光输入波导层采用矩形波导构型。

优选的，所述光输入波导层的一端采用弯曲波导方式与所述光输出波导层在水平方向分开，另一端采用拉锥波导方式实现整体截面由多层异质波导构型向单波导构型的过渡。

优选的，所述输入光波导层与所述输出光波导层之间的间距为50nm。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、实现片上光学传输路径非互易的功能结构，使单一光波导器件不同端口输入的光在对应出口段选择性输出；

2、实现硅基片上光学环行器，理论隔离度可达20dB以上，双向环行插损小于4dB，为先进光学传感与探测系统的小型化与性能提升奠定器件级基础；

3、硅基片上光学环形器方案可与现行光波导器件加工工艺兼容，适应批量生产，在规模效应下可大幅减少由无源光路器件引入的系统成本。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的硅基片上的波导层布置图；

图2为本发明的光学环形器俯视图；

图3为本发明的光学环形器正视图；

图4为本发明的光学环形器侧视图；

图5为正向传输光场变换示意图；

图6 为反向传输光场变换示意图。

其中：1、si基底；2、光输入波导层；3、光输出波导层；4、SiO₂包层。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

图1为本发明的硅基片上的波导层布置图，如图1所示，一种硅基片上光学环行器，包括si基底1和依次设置于si基底1上的光输入波导层2和光输出波导层3，光输入波导层2和光输出波导层3外均设置有SiO₂包层4，光输出波导层3的折射率、光输入波导层2的折射率和SiO₂包层4的折射率依次减小。优选的，所述光输出波导层采用Si材料，所述光输入波导层采用SiN材料，所述SiO₂包层采用SiO2材料（Si材料折射率约为3.49，SiN材料折射率约为1.98，SiO2材料，折射率约为1.45）。

采用上述结构，使得高折射率材料形成的光输出波导层3对光场的束缚能力更强，隔离器整体截面下的传输基模在光输出波导层3中的占比远大于在低折射率材料光制成的输入波导层中的占比。因此，初始在光输入波导层2中传输的光场会随着传输距离的增加而耦合进多层波导的传输基模中，也即大部分耦合进光输出波导层3中；即高折射率差以便光场实现非互易的垂直耦合，并稳定传输。

图2为本发明的光学环形器俯视图；图3为本发明的光学环形器正视图；图4为本发明的光学环形器侧视图，端口1为光输入波导层2的输入端口，端口2和端口3分别为光输出波导层3的输出输出端，如图2-4所示，光输出波导层3采用矩形波导或脊形波导构型；光输入波导层2采用矩形波导构型。在正向传输中，光从端口1经过弯曲波导进入光输出波导层3的正下方，并通过Taper（锥形）结构使模场外扩，以便更好与光输出波导层3发生耦合，使光稳定的在光输出波导层3中传输至端口2。在反向传输中，光从端口2入射，与光输入波导层2的耦合效率很低，因此在端口1处光能量很小，绝大部分光传输至端口3。

优选的，光输入波导层2的一端采用弯曲波导方式与光输出波导层3在水平方向分开，另一端采用拉锥波导方式实现整体截面由多层异质波导构型向单波导构型的过渡，利用截面构型的连续变化降低背向散射和耦合损耗，实现高效光输入输出。

优选的，输入光波导层与输出光波导层之间的间距为50nm。本实施例d值取大于0的任意值，中可通过调整d值权衡理论隔离度与双向环行插损，实现硅基片上光学环形器最优设计。

工作原理：

图5为正向传输光场变换示意图，如图5所示，光从端口1入射，初始传输截面仅有光输入波导层2，能量主要集中于光输入波导层2中。传输过程中传输截面变为光输入波导层2与光输出波导层3的组合形式，由于光输出波导层3折射率大于光输入波导层2，光逐渐耦合到中间模式中，此时能量大部分集中于光输出波导层3中。正向传输末端，传输截面变为仅有光输出波导层3，能量主要集中于光输出波导层3中传输，由端口2出射，正向传输插入损耗小于等于3.3dB。

图6 为反向传输光场变换示意图，如图6所示，光从端口2入射，初始传输截面仅有光输出波导层3，能量主要集中于光输出波导层3中。传输过程中传输截面变为光输入波导层2与光输出波导层3的组合形式，光逐渐耦合到中间模式中。反向传输末端，由于能量大部分集中于光输出波导层3中，低折射率的光输入波导层2可视为光输出波导层3的外包层，因此光向光输入波导层2的耦合效率很低，绝大部分光由端口3出射，反向传输插入损耗小于等于0.7dB，同时端口2与端口1间隔离度优于20dB。

因此，本发明采用上述结构的硅基片上光学环行器，利用异质波导层间耦合作用和高折射率差截面分布对光场的强束缚作用，实现片上光学传输路径非互易的功能结构，使光波导器件不同端口输入的光在波导对应出口段选择性输出，从而实现硅基片上光学环行器，理论隔离度可达20dB以上，双向环行插损小于4dB。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种硅基片上光学环行器，其特征在于：包括si基底和依次设置于所述si基底上的光输入波导层和光输出波导层，所述光输入波导层和所述光输出波导层外均设置有SiO₂包层，所述光输出波导层的折射率、所述光输入波导层的折射率和所述SiO₂包层的折射率依次减小。

2.根据权利要求1所述的一种硅基片上光学环行器，其特征在于：所述光输出波导层采用Si材料，所述光输入波导层采用SiN材料，所述SiO₂包层采用SiO2材料。

3.根据权利要求1所述的一种硅基片上光学环行器，其特征在于：所述光输出波导层采用矩形波导或脊形波导构型；所述光输入波导层采用矩形波导构型。

4.根据权利要求3所述的一种硅基片上光学环行器，其特征在于：所述光输入波导层的一端采用弯曲波导方式与所述光输出波导层在水平方向分开，另一端采用拉锥波导方式实现整体截面由多层异质波导构型向单波导构型的过渡。

5.根据权利要求4所述的一种硅基片上光学环行器，其特征在于：所述光输入波导层与所述光输出波导层之间的间距为50nm。

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