CN115933054A - 一种全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，该光栅耦合器上包层、顶硅结构、下包层和硅衬底，其中，顶硅结构包括使用更多自由参数与逆向设计方法优化的亚波长光栅结构、两个相互垂直的输出/输入端口、单模过度波导和使用基于伴随法逆向方法设计的偏振合束器/偏振分离器；偏振合束器/偏振分离器采用的逆向方法设计。本发明可在标准硅光子学平台上制造，所引入的亚波长超材料结构和逆向设计方法可以有效降低器件的耦合损耗和尺寸，且具有较高的工作带宽；本发明能够同时允许光纤中以横电模式或横磁模式的光耦合进波导；本发明的亚波长光栅结构制作工艺简单，具有较大的制造公差，受制造工艺水平的影响较小。

Description

一种全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器

技术领域

本发明涉及光通讯和光互连领域，尤其涉及一种全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器。

背景技术

硅光子器件的密集集成是提供低成本和高性能光子的解决方案设备和系统，而兼容硅绝缘体上硅(SOI)的互补金属氧化物半导体工艺(CMOS)已成为下一代片上光学互连技术最重要的平台之一，设计实现了如片上光源、高速调制器等高性能光学元件。但硅光子芯片面临的挑战是如何有效地将光耦合到光纤和从光纤耦合出光。数据通信的标准光纤是单模光纤(SMF)，其模场直径(MFD)为在1310nm处接近10μm，而波导的宽度只有数百纳米，由于模态尺寸不匹配，光纤与芯片之间的高效耦合存在挑战。这个问题通常使用两个解决方案：边缘耦合器和垂直光栅耦合器。

边缘耦合器可实现高耦合效率(CE)、大带宽(BW)和低偏振相关损耗(PDL)，然而需要具有严格光滑度要求的切割和抛光，同时因为它们的占地面积相对较大并且必须放置在边缘，制造成本增加，灵活性降低。此外，边缘耦合器对准容差较低，也不便于进行晶圆级测试，这将进一步增加芯片成本，并要求更高的测试精度和封装。

垂直光栅耦合器在任意性方面更加灵活，在芯片封装上也较为简单，然而光栅对波长和偏振都较为敏感。现有的一些垂直光栅耦合器虽然可以同时实现较高耦合效率和偏振无关的功能，但在工艺上都需要进行多个步骤，如套刻或者生长氮化硅等材料。鉴于CMOS流片往往需要较长时间，不适于分立器件的测试，而对于实验室条件，实现额外工艺较为困难，因此需要一种工艺较简单的偏振无关光栅耦合器。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器。本发明通过同时调整x方向和y方向的占空比与周期长度，调节光栅耦合器各周期的折射率，实现单模光纤与波导之间的偏振无关的耦合。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，同时允许光纤中以横电模式或横磁模式的光耦合进波导，所述光栅耦合器由上至下依次包括：上包层、顶硅结构、下包层和硅衬底，所述顶硅结构包括使用自由参数与逆向设计方法优化的第一亚波长光栅结构和第二亚波长光栅结构、相互垂直的第一输出端口和第二输出端口、相互垂直的第一输入端口和第二输入端口、第一单模过渡波导、第二单模过渡波导、偏振合束器和偏振分离器；

其中，所述第一亚波长光栅结构和第二亚波长光栅结构通过以下方法设计获得：横电模式光沿x轴传播，由第二输出端口输出光栅或第二输入端口输入光栅，横磁模式光沿y轴传播，由第一输出端口输出光栅或第一输入端口输入光栅，每个单元亚波长结构在x方向和y方向的占空比均不相同，x方向和y方向的周期长度与对应方向传输模式的单元亚波长结构的等效折射率和占空比存在关系式；单元亚波长结构在x方向和y方向上依次排列，称为单元亚波长结构队列；单元亚波长结构参数需要通过多次迭代决定；通过调整单元亚波长结构参数以实现光栅的偏振无关；使用逆向设计方法对对参数进行优化。

可选地，所述偏振合束器和偏振分离器采用基于伴随法的逆向方法设计获得，所述偏振合束器用于将耦合进波导的横电模式光与横磁模式光合束，所述偏振分离器用于将耦合进光纤的横电模式光与横磁模式光分离。

可选地，所述第一输出端口包括采用绝热结构的第一锥波导和第一单模波导；所述第二输出端口包括采用绝热结构的第二锥波导和第二单模波导；所述第一输入端口包括采用绝热结构的第三锥波导和第三单模波导；所述第二输入端口包括采用绝热结构的第四锥波导和第四单模波导；所述第一单模波导、第二单模波导、第三单模波导和第四单模波导用于将单模式光从光栅过渡至波导或从波导过渡到光栅。

可选地，所述第一锥波导、第二锥波导、第三锥波导和第四锥波导的结构为线性、指数型、抛物线型中的一种。

可选地，所述第一单模过渡波导采用平滑圆弧与条波导连接第一单模波导和偏振合束器的横磁模式光输入端口，以保证在波导中传输的是单模式光；所述第二单模过渡波导采用平滑圆弧与条波导连接第三单模波导和偏振分离器的横磁模式光输出端口，以保证在波导中传输的是单模式光。

可选地，所述平滑圆弧的半径为30μm。

可选地，所述偏振合束器和偏振分离器的横电模式光与横磁模式光混合输入/输出端口位于器件的一侧且在下方，横电模式光输入/输出端口和横磁模式光输入/输出端口位于器件的另一侧，且横电模式光输入/输出端口位于器件的下方，横磁模式光输入/输出端口位于器件的上方。

可选地，第一亚波长光栅结构、第二亚波长光栅结构、第一输出端口、第二输出端口、第一输入端口、第二输入端口、偏振合束器、偏振分离器、第一单模过渡波导、第二单模过渡波导各组成部分的材料包括硅、二氧化硅、氮化硅、空气中的一种或多种。

可选地，所述单元亚波长结构的参数包括x方向的第一占空比、y方向的第二占空比、x方向的第一周期长度和y方向的第二周期长度。

可选地，所述单元亚波长结构队列的参数包括构成队列的单元亚波长结构的参数、构成队列的单元亚波长结构在x方向的第一周期数和在y方向的第二周期数；其中，所述第一周期数和第二周期数由光纤的模斑半径与光栅的模斑半径共同决定，其表达式为：第一周期数＝二倍的光纤模斑半径/第一周期长度，第二周期数＝二倍的光纤模斑半径/第二周期长度。

本发明的有益效果是，本发明通过同时调整x方向和y方向的占空比与周期长度，调节光栅耦合器各周期的折射率，即可实现单模光纤与波导之间的偏振无关的耦合；本发明能够同时允许横电模式和横磁模式的光从光纤耦合进入波导，或从波导耦合进入光纤；本发明的亚波长光栅结构制作工艺简单，具有较大的制造公差，受制造工艺水平的影响较小。

附图说明

图1为本发明实施例中的光栅耦合器的二维结构示意图；

图2为本发明实施例中光纤与光栅位置分布示意图；

图3为本发明实施例中的部分光栅结构示意图；

图4为本发明实施例中的偏振合束器/偏振分离器示意图；

图5为部分拟合函数示意图；其中，(a)是泄露因子关于x方向坐标位置的理论值函数，(b)是泄露因子关于第二占空比fy的仿真值的拟合函数，(c)是功率关于x方向坐标位置的仿真结果与计算泄露因子的拟合函数；

图6为制备方法过程中的结构示意图；其中，(a)是SOI片，(b)是刻蚀后形成的硅波导结构、锥波导结构和亚波长光栅结构示意图，(c)是生成上包层后的结构示意图。

图中：上包层1、顶硅结构2、第一亚波长光栅结构100、第一输出端口101、第一锥波导1011、第一单模波导1012、第二输出端口102、第二锥波导1021、第二单模波导1022、偏振合束器103、第一单模过渡波导104、第一单模光纤105、第二亚波长光栅结构200、第一输入端口201、第三锥波导2011、第三单模波导2012、第二输入端口202、第四锥波导2021、第四单模波导2022、偏振分离器203、第二单模过渡波导204、第一单模光纤205、下包层3、硅衬底4。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明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。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

本发明中的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，可以同时允许光纤中以横电模式或横磁模式的光耦合进波导，如图1所示，该光栅耦合器由上至下依次包括：上包层1、顶硅结构2、下包层3和硅衬底4。

参见图1，硅衬底4位于该光栅耦合器的最低层；下包层3设置在硅衬底4的上方；顶硅结构2设置在下包层3的上方；上包层1设置在顶硅结构2的上方。

本实施例中，顶硅结构2包括使用更多自由参数与逆向设计方法优化的第一亚波长光栅结构100和第二亚波长光栅结构200、相互垂直的第一输出端口101和第二输出端口102、相互垂直的第一输入端口201和第二输入端口202、第一单模过渡波导104、第二单模过渡波导204、使用基于伴随法的逆向方法设计的偏振合束器103和偏振分离器203，如图2所示。

其中，第一亚波长光栅结构100和第二亚波长光栅结构200通过以下方法设计获得：

横电模式光(TE模式光)沿x轴传播，由第二输出端口102输出光栅或第二输入端口202输入光栅，横磁模式光(TM模式光)沿y轴传播，由第一输出端口101输出光栅或第一输入端口201输入光栅，每个单元亚波长结构在x方向和y方向的占空比均不相同，x方向和y方向的周期长度与对应方向传输模式的单元亚波长结构的等效折射率和占空比存在关系式；单元亚波长结构在x方向和y方向上依次排列，称为单元亚波长结构队列；单元亚波长结构参数需要通过多次迭代决定；通过调整单元亚波长结构参数以实现光栅的偏振无关；使用逆向设计方法对对参数进行优化，以减小耦合损耗。

本实施例中，单元亚波长结构的参数包括x方向的第一占空比、y方向的第二占空比、x方向的第一周期长度和y方向的第二周期长度。

需要说明的是，由于亚波长光栅对误差的容忍性较高，以耦合损耗增加为代价，相应的，第一占空比、第二占空比、第一周期长度和第二周期长度可以存在一定范围(例如占空比±0.2，周期长度±50nm)的调整，通过调整这四个参数来满足偏振无关的设计需求，如此设计，可以对四个参数进行选择，提高了参数选择的自由度。另外，针对耦合损耗增加的问题，选择使用逆向设计方法对参数进行优化，如此便可减小耦合损耗。

本实施例中，单元亚波长结构队列的参数包括构成单元亚波长结构的参数、构成队列的单元亚波长结构在x方向和y方向的数目，即x方向的第一周期数与y方向的第二周期数，该数目由光纤的模斑半径与光栅的模斑半径共同决定，其表达式为：x方向的第一周期数＝光二倍的光纤模斑半径/x方向的第一周期长度，y方向的第二周期数＝二倍的光纤模斑半径/y方向的第二周期长度。

本实施例中，单元亚波长结构的参数需要通过多次迭代确定，迭代的过程包括以下步骤：

(1)对横电模式光的单元亚波长结构队列(沿y轴方向排列)的TE模式等效折射率n_{swg_TE}在[上包层1折射率，硅折射率]区间范围内均匀间隔取点，记取点的间隔为i1，取点的数量为n1；当TE等效折射率n_{swg_TE}取一定值时，对第一占空比fx在[0，1]区间范围内间隔取点，记取点的间隔为i2，取点的数量为n2，在本实施例中，为了减少仿真时间，取i2＝0.05，n2＝21，即间隔0.05取21个点；当TE等效折射率n_{swg_TE}与第一占空比fx均取一定值时，可由布拉格衍射公式与等效媒质理论公式计算x方向的第一周期长度px。

本实施例中，布拉格衍射公式为：

其中，p为单元亚波长结构的周期长度，λ为中心波长，n_hole为上包层1折射率，θ为单模光纤5与上包层1的垂直面的夹角，θ＝0，n_eff为单元亚波长结构队列一个周期的等效折射率。

进一步地，对于横电模式光，n_eff＝f×n_swg+(1-f)×n_si，其中，f为单元亚波长结构的占空比，n_si为硅在对应中心波长下的折射率，n_swg为单元亚波长结构的等效折射率。

进一步地，对于横磁模式光，

其中，f为单元亚波长结构的占空比，n_si为硅在对应中心波长下的折射率，n_swg为单元亚波长结构的等效折射率。

本实施例中，可以根据下列的等效媒质理论(EMT)公式计算获取等效折射率的理论计算值：

其中，n_{swg_TE_2}为横电模式光下的等效折射率的二阶近似解，即横电模式光下的等效折射率的理论近似值，n_{swg_TM_2}为横磁模式光下的等效折射率的二阶近似解，即横磁模式光下的等效折射率的理论近似值，n_{swg_TE_1}为横电模式光下的等效折射率的一阶近似解，n_{swg_TM_1}为横磁模式光下的等效折射率的一阶近似解，f为单元亚波长结构的占空比，n_si为硅在对应中心波长下的折射率，n_hole为上包层1的折射率，p为单元亚波长结构的周期长度，λ为中心波长，n_{swg_TE}为横电模式光平板波导等效折射率，n_{eff_TM}为横磁模式光平板波导等效折射率。

示例性地，当中心波长为1310nm时，对TE模式，单元亚波长结构队列等效折射率n_{swg_TE}在[1.45，3.5]区间范围内间隔0.05均匀取点；当n_{swg_TE}取2.40时，对第一占空比fx在[0，1]区间范围内间隔0.05均匀取点；当n_{swg_TE}取2.40，第一占空比fx取0.5时，可由布拉格衍射公式与等效媒质理论公式计算x方向的第一周期长度px为444.07nm。同理，对TM模式，单元亚波长结构队列等效折射率n_{swg_TM}在[1.45，3.5]区间范围内间隔0.05均匀取点；当n_{swg_TM}取2.40时，对第一占空比fx在[0，1]区间范围内间隔0.05均匀取点；当n_{swg_TM}取2.40，第一占空比fx取0.5时，可由布拉格衍射公式与等效媒质理论公式计算x方向的第一周期长度px为460.06nm。

(2)在FDTD中，对所有TE模式等效折射率n_{swg_TE}和第一占空比fx的取值进行仿真，得到n组不同TE模式等效折射率n_{swg_TE}下的对应第一占空比fx和第一周期长度px的泄露因子的仿真值。拟合函数表示为g(x)＝ax⁵+bx⁴+cx³+dx²+ex+f，其中a、b、c、d、e、f为通过拟合计算出的常数，在第一占空比fx-泄露因子的仿真值的拟合中，x表示fx，g(x)表示泄露因子的仿真值；在第一周期长度px-泄露因子的仿真值的拟合中，x表示px，g(x)表示泄露因子的仿真值。对x方向坐标位置和泄露因子仿真值进行拟合，得到n组不同TE模式等效折射率n_{swg_TE}下的泄露因子关于第一占空比fx的拟合函数，拟合函数表示为：

Power(x)＝P₀×e^-2εx。

其中，ε为泄露因子的仿真值，P₀为输入光源的光场功率，x为光栅沿x方向的长度，Power(x)表示光场功率。

示例性地，对TE模式，单元亚波长结构队列等效折射率n_{swg_TE}在[1.45，3.5]区间范围内间隔0.05均匀取点；当n_{swg_TE}取2.40时，对第一占空比fx在[0，1]区间范围内间隔0.05均匀取点，由步骤(1)中相关步骤计算第一周期长度px；当n_{swg_TE}取2.40，第一占空比fx取0.5，第一周期长度px为444.07nm时，泄露因子的仿真值计算为0.455，当fx取值足够多时，即可得到相应的第一占空比fx-泄露因子的仿真值和第一周期长度px-泄露因子的仿真值的拟合函数。功率关于x方向坐标位置的变化曲线如图5(c)所示，其中虚线表示仿真结果对应的曲线，实线表示拟合函数对应的曲线，对泄露因子关于第一占空比fx的拟合函数，取仿真所得功率中的最大值点与其对应的x方向坐标位置，依据拟合函数Power(x)＝P₀×e^-2εx进行拟合，即可得到相应的第一占空比fx-泄露因子的仿真值的拟合函数。

(3)将如图5(a)所示的泄露因子关于x方向坐标位置的理论值函数与n组不同TE模式等效折射率n_{swg_TE}下的泄露因子关于第一占空比fx的拟合函数逐周期对应，得到每个周期的TE模式等效折射率n_{swg_TE}和第一占空比fx；对于独立的单元亚波长结构队列，存在多种TE模式等效折射率n_{swg_TE}和x方向占空比fx满足泄露因子的理论值函数，同时考虑到泄露因子仿真值拟合函数的误差和由等效媒质理论公式计算的第一周期长度px为近似值，选择适当取值范围的TE模式等效折射率n_{swg_TE}和第一占空比fx，将理论值函数对应的等效折射率记为n_{swg_TE_k_theory}，其中k表示第k个周期。

本实施例中，泄露因子的理论计算值可以通过下列公式计算获取：

其中，G(x)表示归一化高斯分布，x为光栅沿x方向的长度，w₀为单模光纤对应的模场半径，2a(x)表示泄露因子的理论计算值。

示例性地，在计算第1个周期对应的TE模式等效折射率n_{swg_TE_1_theory}和第一占空比fx₁时，使步骤(3)中所得的第一占空比px-泄露因子的仿真值的拟合函数与上述关于x方向坐标位置的理论值函数相等或相近，求解x，即为对应的第1个周期的第一周期长度px₁＝0.53μm；在计算第5个周期对应的TE模式等效折射率n_{swg_TE_5_theory}和第一占空比fx₅时，首先计算前4个周期长度之和，带入上述关于x方向坐标位置的理论值函数，解得对应的泄露因子理论值，使步骤(3)中所得的第一占空比px-泄露因子的仿真值的拟合函数与上述理论值函数相等或相近，求解x，即为对应的第5个周期的第一周期长度px₅＝0.96μm。

(4)同时由x方向的第一周期长度px和第一占空比fx的取值范围，可以计算横磁模式的单元亚波长结构队列(沿x轴方向排列)的TM模式等效折射率n_{swg_TM}，记为[n_{swg_TM_1}，n_{swg_TM_2}]，在此区间范围内均匀间隔取点，记取点间隔为j1，取点数为m1；由于[n_{swg_TM_k1}，n_{swg_TM_k2}]已知，解出对于横电模式的单元亚波长结构队列y方向的第二占空比fy取值范围，记为[fy_{_k1}，fy_{_k2}]；当TM模式等效折射率n_{swg_TM}取某一定值时，对y方向的第二占空比fy在[fy_{_k1}，fy_{_k2}]区间范围内均匀间隔取点，记取点间隔为j2，取点数为m2，本实施例中，取j2＝0.05进行取点；当TM模式等效折射率n_{swg_TM}与第二占空比fy均取一定值时，可由布拉格衍射公式与等效媒质理论公式计算y方向的第二周期长度py。

示例性地，对第1个周期的第一周期长度px₁＝0.53μm的±50nm范围内计算TM模式中单元亚波长结构队列等效折射率n_{swg_TM}，得到取值范围为[2.85,3.05]，间隔0.02均匀取点；当n_{swg_TM}取2.95时，对第二占空比fy在[0.6,0.8]区间范围内间隔0.02均匀取点；当n_{swg_TM}取2.95，第二占空比fy取0.7时，可由布拉格衍射公式与等效媒质理论公式计算y方向的第二周期长度py为1200.56nm。

(5)对所有TM模式等效折射率n_{swg_TM}与第二占空比fy的取值进行仿真，得到m组不同TM模式等效折射率n_{swg_TM}下的对应第二占空比fy和第二周期长度py的泄露因子的仿真值，对y方向坐标位置和泄露因子仿真值进行拟合，得到m组不同TM模式等效折射率n_{swg_TM}下的泄露因子关于y方向的第二占空比fy的拟合函数。拟合函数表示为g(x)＝ax⁵+bx⁴+cx³+dx²+ex+f，其中a、b、c、d、e、f为通过拟合计算出的常数，在第二占空比fy-泄露因子的仿真值的拟合中，x表示fy，g(x)表示泄露因子的仿真值，如图5(b)所示；在和第二周期长度py-泄露因子的仿真值的拟合中，x表示py，g(x)表示泄露因子的仿真值。应当理解的是，各拟合函数的常数a、b、c、d、e、f不相同。

示例性地，当(4)中fy取值足够多时，即可得到相应的第二占空比fy-泄露因子的仿真值和第一周期长度px-泄露因子的仿真值的拟合函数。对泄露因子关于第二占空比fy的拟合函数，取仿真所得功率中的最大值点与其对应的y方向坐标位置，依据拟合函数Power(x)＝P₀×e^-2εx进行拟合，即可得到相应的第二占空比fy-泄露因子的仿真值的拟合函数。

(6)与步骤(3)同理，根据泄露因子关于y方向坐标位置的理论值函数，将所述理论值函数与m组不同TM模式等效折射率n_{swg_TM}下的泄露因子关于第二占空比fy的拟合函数逐周期对应，得到第二周期长度py的取值范围，则横电模式的单元亚波长结构队列的等效折射率n_{swg_TE_k}的取值范围已知，选择其与n_{swg_TE_k_theory}最接近一点记为最终结果n_{swg_TE_k_result}；同理依次得到y方向的第二占空比的最终结果fy_{_k_result}，y方向的第二周期长度的最终结果py_{_k_result}，横磁模式的单元亚波长结构队列的等效折射率的最终结果n_{swg_TM_k_result}，x方向的第一占空比的最终结果fx_{_k_result}和x方向的第一周期长度的最终结果px_{_k_result}。

(7)使用基于伴随法的逆向设计方法进行优化。应当理解的是，对单元亚波长结构进行优化，是指对亚波长单元结构的拓扑结构的像素化离散图像进行优化。

本实施例中，逆向设计方法对拓扑结构进行优化具体为：在常规设计(即前向设计)中，已知输入x_n(n为自然数)，且输出y_n与输入x_n之间存在约束式F_n，在设计中给定设计区参数p_n，得到输出y_n＝F_n(x_n,p_n)。在对输出结果进行优化时，通过多次改变设计区参数p_n(如粒子群优化算法)，得到依据于初始参数的最优解。

在逆向设计中，设计模型由方程组F_n(x_n,p_n)＝y_n表示，已知输入x_n以及希望得到的输出y_n，对F_n(x_n,p_n)＝y_n求解，得到设计区参数p_n。在对输出结果进行优化时，通过多次比较输出y_n与希望得到的输出y_n之间的差值，改变设计区参数p_n，使输出结果接近输出y_n，得到设计区参数p_n的最优解。

其中，对于亚波长结构光栅，设计区参数p_n是完成每个单元亚波长结构的第一周期长度px和第一占空比fx、第二周期长度py和第二占空比fy的选取后绘制的像素化离散图像；对于偏振合束/分离器，设计区参数p_n是一个2x2μm的正方形的像素化离散图像。另外，部分光栅结构示意图如图3所示。

本实施例中，泄露因子仿真值ε的计算是通过对不同单元亚波长结构队列的等效折射率n_swg与占空比f进行仿真，得到光栅向上衍射的光功率关于位置的分布曲线，由泄露因子理论值函数可知光功率与位置的关系为对数函数，对仿真所得光功率的极值与其所对应位置做对数函数拟合，得到对应等效折射率n_swg与占空比f的泄露因子仿真值。

本实施例中，第一亚波长光栅结构100、第二亚波长光栅结构200、第一输出端口101、第二输出端口102、第一输入端口201、第二输入端口202、偏振合束器103、偏振分离器203、第一单模过渡波导104、第二单模过渡波导204各组成部分的材料包括硅、二氧化硅、氮化硅、空气中的一种或多种。

本实施例中，参见图2，第一输出端口101包括采用绝热结构的第一锥波导1011和第一单模波导1012，第二输出端口102包括采用绝热结构的第二锥波导1021和第二单模波导1022，第一输入端口201包括采用绝热结构的第三锥波导2011和第三单模波导2012，第二输入端口202包括采用绝热结构的第四锥波导2021和第四单模波导2022。其中，第一单模波导1012、第二单模波导1022、第三单模波导2012和第四单模波导2022将单模式光从光栅过渡至波导或从波导过渡到光栅。

其中，第一锥波导1011、第二锥波导1021、第三锥波导2011和第四锥波导2021的结构为线性、指数型、抛物线型中的一种。

进一步地，第一单模过渡波导104采用平滑圆弧与条波导连接第一单模波导1012和偏振合束器103的横磁模式光输入端口，保证在波导中传输的是单模式光；第二单模过渡波导204采用平滑圆弧与条波导连接第三单模波导2012和偏振分离器203的横磁模式光输出端口，保证在波导中传输的是单模式光。应当理解的是，第一单模过渡波导104连接的是第一输出端口101和偏振合束器103的横磁模式光输入端口，第二单模过渡波导204连接的是第一输入端口201和偏振分离器203的横磁模式光输出端口，以此，保证了在波导中传输的是单模式光。其中，平滑圆弧的半径为30μm。

本实施例中，如图4所示，偏振合束器103和偏振分离器203的横电模式光与横磁模式光混合输入端口位于器件的一侧且在下方，横电模式光输入端口和横磁模式光输入端口位于器件的另一侧，且横电模式光输入端口位于器件的下方，横磁模式光输入端口位于器件的上方；偏振合束器103和偏振分离器203的横电模式光与横磁模式光混合输出端口位于器件的一侧且在下方，横电模式光输出端口和横磁模式光输出端口位于器件的另一侧，且横电模式光输出端口位于器件的下方，横磁模式光输出端口位于器件的上方。其中，横电模式光与横磁模式光混合输入端口和横电模式光与横磁模式光混合输出端口位于器件的同一侧，横电模式光输入端口和横电模式光输出端口与横磁模式光输入端口和横磁模式光输出端口均位于器件的同一侧。

偏振合束器103将耦合进波导的横电模式光与横磁模式光合束，偏振分离器203将耦合进光纤的横电模式光与横磁模式光分离，采用基于伴随法的逆向方法设计，器件尺寸仅有2x2μm²，使得该光栅耦合器的结构更加紧凑。

进一步地，对于中心波长为1310nm的横电模式光和横磁模式光，第一单模波导1012、第二单模波导1022、第三单模波导2012、第四单模波导2022、第一单模过渡波导104、第二单模过渡波导204的宽度均为500nm。

在本实施例中，该光栅耦合器的制备是指通过电子束曝光和电感耦合等离子刻蚀在SOI片上实现的，再利用等离子增强化学气相沉积的方式将2μm后的二氧化硅薄膜沉积在芯片上，其中下包层3厚度为3μm，上包层1厚度为2μm。

具体地，将如图6(a)中所示的SOI片放入匀胶机中旋涂光刻胶层，然后烘干，采用电子束曝光工艺对SOI片表面的光刻胶进行曝光，形成第一亚波长光栅结构100、第一输出端口101、第二输出端口102、偏振合束器103、偏振分离器203、第二输入端口202、第一输入端口201和第二亚波长光栅结构200的硬掩膜图形，采用电感耦合等离子体刻蚀，形成第一亚波长光栅结构100、第一输出端口101、第二输出端口102、偏振合束器103、偏振分离器203、第二输入端口202、第一输入端口201和第二亚波长光栅结构200，并清洗光刻胶，其结构示意如图6(b)中所示，只需要在SOI片上进行一步刻蚀即可；最后再利用等离子增强化学气相沉积的方式将2μm厚的二氧化硅薄膜沉积在芯片上，如图6(c)中所示，即使得上包层2覆盖在顶硅结构1上。应当理解的是，上包层2是采用二氧化硅薄膜形成的包层。

在另外一些实施例中，还会提供一种光学装置，该光学装置包括光链路和测试链路，其中，测试链路包括前述光栅耦合器；光链路包括激光器、用于调整光纤中传输模式光的偏振态的偏振控制器、用于传输横电模式光或横磁模式光的第一单模光纤105、用于传输横电模式光或横磁模式光的第二单模光纤205、功率计；测试链路与光链路光学连接。

本实施例中，激光器、偏振控制器、第一单模光纤105、测试链路、第二单模光纤205、功率计依次连接，第一单模光纤105和第二单模光纤205设置在上包层1的上方，且与上包层1垂直，单模式光经过布拉格衍射输入波导或光纤中，完成光纤到波导的耦合或波导到光纤的耦合。

在该测试链路中，横电模式光与横磁模式光从左侧第一单模光纤105输入左侧的第一亚波长光栅结构100，其中横磁模式光从第一输出端口101输入到第一锥波导1011，经过第一单模波导1012与第一单模过渡波导104，进入偏振合束器103，横电模式光从第二输出端口102，输入到第二锥波导1021，经过第二单模波导1022，进入到偏振合束器103，完成偏振合束，此时在波导中传输的光为包含横电模式光与横磁模式光；继而由偏振合束器103进入到偏振分离器203中，横磁模式光从位于上方的横磁模式光输出端口进入到第二单模过渡波导204中，经过第四锥波导2012和第三锥波导2011进入第一输入端口201，输入第二亚波长光栅结构200，同时横电模式光从位于下方的横电模式光输出端口进入第二输入端口202中，输入第二亚波长光栅结构200中；横电模式光与横磁模式光经过第二亚波长光栅结构200从第二单模光纤205中输出。

在测试过程中，打开激光器，调整光纤位置，使用偏振控制器调节横电模式光或横磁模式光的偏振态，进一步调整第一单模光纤105和第二单模光纤205的位置，至功率计示数最大，横电模式光或横磁模式光会在测试链路中传输。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，同时允许光纤中以横电模式或横磁模式的光耦合进波导，其特征在于，所述光栅耦合器由上至下依次包括：上包层(1)、顶硅结构(2)、下包层(3)和硅衬底(4)，所述顶硅结构(2)包括使用自由参数与逆向设计方法优化的第一亚波长光栅结构(100)和第二亚波长光栅结构(200)、相互垂直的第一输出端口(101)和第二输出端口(102)、相互垂直的第一输入端口(201)和第二输入端口(202)、第一单模过渡波导(104)、第二单模过渡波导(204)、偏振合束器(103)和偏振分离器(203)；

其中，所述第一亚波长光栅结构(100)和第二亚波长光栅结构(200)通过以下方法设计获得：横电模式光沿x轴传播，由第二输出端口(102)输出光栅或第二输入端口(202)输入光栅，横磁模式光沿y轴传播，由第一输出端口(101)输出光栅或第一输入端口(201)输入光栅，每个单元亚波长结构在x方向和y方向的占空比均不相同，x方向和y方向的周期长度与对应方向传输模式的单元亚波长结构的等效折射率和占空比存在关系式；单元亚波长结构在x方向和y方向上依次排列，称为单元亚波长结构队列；单元亚波长结构参数需要通过多次迭代决定；通过调整单元亚波长结构参数以实现光栅的偏振无关；使用逆向设计方法对对参数进行优化。

2.根据权利要求1所述的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述偏振合束器(103)和偏振分离器(203)采用基于伴随法的逆向方法设计获得，所述偏振合束器(103)用于将耦合进波导的横电模式光与横磁模式光合束，所述偏振分离器(203)用于将耦合进光纤的横电模式光与横磁模式光分离。

3.根据权利要求1所述的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述第一输出端口(101)包括采用绝热结构的第一锥波导(1011)和第一单模波导(1012)；所述第二输出端口(102)包括采用绝热结构的第二锥波导(1021)和第二单模波导(1022)；所述第一输入端口(201)包括采用绝热结构的第三锥波导(2011)和第三单模波导(2012)；所述第二输入端口(202)包括采用绝热结构的第四锥波导(2021)和第四单模波导(2022)；所述第一单模波导(1012)、第二单模波导(1022)、第三单模波导(2012)和第四单模波导(2022)用于将单模式光从光栅过渡至波导或从波导过渡到光栅。

4.根据权利要求3所述的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述第一锥波导(1011)、第二锥波导(1021)、第三锥波导(2011)和第四锥波导(2021)的结构为线性、指数型、抛物线型中的一种。

5.根据权利要求3所述的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述第一单模过渡波导(104)采用平滑圆弧与条波导连接第一单模波导(1012)和偏振合束器(103)的横磁模式光输入端口，以保证在波导中传输的是单模式光；所述第二单模过渡波导(204)采用平滑圆弧与条波导连接第三单模波导(2012)和偏振分离器(203)的横磁模式光输出端口，以保证在波导中传输的是单模式光。

6.根据权利要求5所述的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述平滑圆弧的半径为30μm。

7.根据权利要求1所述的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述偏振合束器(103)和偏振分离器(203)的横电模式光与横磁模式光混合输入/输出端口位于器件的一侧且在下方，横电模式光输入/输出端口和横磁模式光输入/输出端口位于器件的另一侧，且横电模式光输入/输出端口位于器件的下方，横磁模式光输入/输出端口位于器件的上方。

8.根据权利要求1所述的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，其特征在于，第一亚波长光栅结构(100)、第二亚波长光栅结构(200)、第一输出端口(101)、第二输出端口(102)、第一输入端口(201)、第二输入端口(202)、偏振合束器(103)、偏振分离器(203)、第一单模过渡波导(104)、第二单模过渡波导(204)各组成部分的材料包括硅、二氧化硅、氮化硅、空气中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述单元亚波长结构的参数包括x方向的第一占空比、y方向的第二占空比、x方向的第一周期长度和y方向的第二周期长度。

10.根据权利要求9所述的全刻蚀偏振无关亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述单元亚波长结构队列的参数包括构成队列的单元亚波长结构的参数、构成队列的单元亚波长结构在x方向的第一周期数和在y方向的第二周期数；其中，所述第一周期数和第二周期数由光纤的模斑半径与光栅的模斑半径共同决定，其表达式为：第一周期数＝二倍的光纤模斑半径/第一周期长度，第二周期数＝二倍的光纤模斑半径/第二周期长度。

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