CN116381851A - 一种基于非等高直波导的非对称定向耦合器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于非等高直波导的非对称定向耦合器及其设计方法，其耦合部包括平行设置于衬底上的第一直波导和第二直波导；第一直波导在垂直方向上支持单个模式，在水平方向上支持多个模式；第二直波导在垂直和水平方向上支持单个模式，第一直波导的厚度大于第二直波导的厚度；第一直波导支持的高阶模TEn的有效折射率与第二直波导支持的基模TE0的有效折射率相等，该高阶模TEn的有效折射率关于其宽度的导数与该基模TE0的有效折射率关于其宽度的导数相等；其通过选择两种不同模式有效折射率随波导线宽的偏移量同步变化，显著解决了曝光工艺过程中波导宽度的误差引起的非对称定向耦合器低耦合效率问题。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种基于非等高直波导的非对称定向耦合器及其设计方法。
背景技术
近年来，随着大数据技术的兴起，人们对数据传输带宽有了更高的要求。对于光通信器件高带宽的实现，人们提出了模分复用(MDM)系统。而模式复用器和模式解复用器在模分复用系统中起着极为重要的作用。
其中由于非对称定向耦合器能够实现多种模式复用，因此对于扩展模式复用具有较大应用前景，但其需满足极为严苛的相位匹配条件，对工艺有着严格的要求。在加工工艺步骤中，曝光工艺决定了波导宽度的变化，线宽宽度的改变对于基模和高阶模的有效折射率的影响有着十分大的差异。在传统的非对称定向耦合器中，由于单模波导中基模TE0模式关于波导线宽宽度的高依赖性，使得波导线宽宽度在数十纳米的误差下，都会对器件的模式转化效率产生不可估量的影响。因此非对称定向耦合器在实际应用中受到了极大的限制。
而对于目前改良的非对称定向耦合器的设计，其中波片刻蚀定向耦合器在较高误差下(±40nm)，能够保持良好的性能。但是对器件工艺误差分析时，仅研究器件各个参数单独误差下的性能。对于器件多个参数误差同时发生的情况下，并没有给出深入的分析，因此很难在实际中应用表现出良好的效果。
同样人们也对波片型非对称定向耦合器受工艺误差影响进行了深入的研究分析，目前关于TE0-TE1的研究，其支持的误差范围也仅仅是±20nm，仍然不利于实际生产应用。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种大幅降低工艺误差敏感度，较大程度提高模式转化效率的非对称定向耦合器及其设计方法。该非对称定向耦合器中第一直波导支持的高阶模TEn的有效折射率与第二直波导支持的基模TE0的有效折射率相等，同时该高阶模TEn的有效折射率关于其对应截面宽度的导数与该基模TE0的有效折射率关于其对应截面宽度的导数相等；其通过选择两种不同模式有效折射率随波导线宽的偏移量同步变化，显著解决了曝光工艺过程中波导宽度的误差引起的非对称定向耦合器低耦合效率问题。基于该目的本发明至少提供如下技术方案。
本发明一方面提供一种基于非等高直波导的非对称定向耦合器，包括衬底、位于衬底上的波导芯层和包裹所述波导芯层的覆盖层，所述波导芯层的折射率高于所述衬底的折射率和所述覆盖层的折射率，所述波导芯层包括依次连接的输入端、耦合部和输出端，所述耦合部包括第一直波导和第二直波导，所述第一直波导和第二直波导以一定的间距平行设置于所述衬底上，所述直波导在其截面方向上具有厚度和宽度；
所述第一直波导为多模波导，所述第一直波导在垂直方向上支持单个模式，其在水平方向上支持多个模式，所述第一直波导的厚度为h1；
所述第二直波导为单模波导，所述第二直波导在垂直方向上支持单个模式，其在水平方向上支持单个模式，所述第二直波导的厚度为h2，其中h1＞h2；
所述第一直波导支持的高阶模TEn的有效折射率与第二直波导支持的基模TE0的有效折射率相等，所述第一直波导支持的高阶模TEn的有效折射率关于其宽度的导数与所述第二直波导支持的基模TE0的有效折射率关于其宽度的导数相等，n≥1。
进一步地，所述第一直波导和所述第二直波导选用相同的材料。
进一步地，所述第一直波导选用Si、Si3N4、GaAs以及InP中的至少一种；所述第二直波导选用Si、Si3N4、GaAs以及InP中的至少一种；所述覆盖层选用空气、SiO2以及聚合物中的至少一种。
进一步地，所述第二直波导厚度h2是所述第一直波导厚度h1的0.5倍至0.85倍。
进一步地，所述输入端沿垂直于光传输方向的截面具有厚度和宽度，该厚度等于相对应的所述直波导的厚度，该宽度等于相对应的所述直波导的宽度。
进一步地，所述输出端沿垂直于光传输方向的截面具有厚度和宽度，该厚度等于相对应的所述直波导的厚度，该宽度等于相对应的所述直波导的宽度。
本发明另一方面提供一种基于非等高直波导的非对称定向耦合器的设计方法，包括以下步骤：
S1、确定第一直波导沿光束传播方向的固定截面厚度h1，计算第一直波导沿光束传播方向的不同截面宽度下高阶模TEn的有效折射率，n≥1，第一直波导为多模波导；
S2、计算第一直波导中高阶模TEn有效折射率关于相应截面宽度的导数；
S3、选取第二直波导沿光束传播方向的固定截面厚度h2，计算第二直波导沿光束传播方向的不同截面宽度下基模TE0的有效折射率，第二直波导为单模波导，其中h1＞h2；
S4、计算第二直波导中基模TE0有效折射率关于相应截面宽度的导数；
S5、选取第一直波导在某一截面宽度下高阶模TEn的有效折射率等于所述第二直波导在某一截面宽度下基模TE0的有效折射率，同时该第一直波导和第二直波导对应的有效折射率关于对应截面宽度的导数相等，此时其对应的截面宽度即为直波导的宽度。
进一步地，所述第一直波导和所述第二直波导选用相同的材料。
进一步地，所述第一直波导选用Si、Si3N4、GaAs以及InP中的至少一种；所述第二直波导选用Si、Si3N4、GaAs以及InP中的至少一种；所述覆盖层选用空气、SiO2以及聚合物中的至少一种。
进一步地，所述第二直波导厚度h2是所述第一直波导厚度h1的0.5倍至0.85倍。
本发明至少具有如下有益效果：
在1550nm中心波长处，曝光误差在±50nm范围内，本发明提供的非对称定向耦合器实现了基模TE0与高阶模TE1的耦合效率仍能达到90％以上，大幅降低了工艺误差的敏感度，明显提高了模式转化效率。
另外，本发明对于第二直波导厚度的实现，可以结合光栅耦合器制备过程中所需要的二次曝光，实现第二直波导厚度的控制，减少不必要的工艺步骤，制备过程简单可行。
附图说明
图1是本发明一实施例的非对称定向耦合器中耦合部分的三维结构示意图。
图2是本发明一实施例中第一直波导的高阶模TE1在固定厚度0.22μm条件下的有效折射率与宽度关系图。
图3是本发明一实施例中根据图2结果获得的第二直波导的高阶模TE1的有效折射率与有效折射率关于宽度的导数的关系图。
图4是本发明一实施例中单模波导的基模TE0在固定厚度0.16μm条件下的有效折射率与宽度关系图。
图5是本发明一实施例中根据图4结果获得的第二直波导的基模TE0的有效折射率与有效折射率关于宽度的导数的关系图。
图6是本发明一实施例中第二直波导TE0模式与第一直波导TE1模式有效折射率与有效折射率关于宽度的导数的关系图。
图7是本发明一实施例的非对称定向耦合器三维结构示意图。
图8是本发明一实施例中波导宽度曝光误差在-50nm至+50nm范围内，基模TE0耦合到高阶模TE1的耦合效率曲线。
具体实施方式
接下来将结合本发明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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。下
本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个部件相对于第二部件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖部件的不同取向。
另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。在本发明的方案中，波导的厚度和宽度是指沿光传输方向上，垂直于该方向的截面中的厚度和宽度，如图1中的截面，直波导的厚度为h1和h2，其宽度为w1和w2。水平方向是指沿x轴的方向，垂直方向是指沿y轴的方向。
下面来对本发明做进一步详细的说明。本发明提供一种基于非等高直波导的非定向耦合器及其设计方法，如图1和图7示，该非定向耦合器包括衬底、位于衬底上的波导芯层和包裹该波导芯层的覆盖层，波导芯层的折射率高于衬底的折射率和覆盖层的折射率。如图7所示，该波导芯层包括输入端、耦合部和输出端，输入端的一端连接至耦合部的一端，耦合部的另一端连接至输出端，波导芯层沿垂直于光传输方向的截面具有厚度和宽度，输入端、耦合端和输出端的该厚度保持一致，同样的，其宽度也相应地保持一致。
如图1所示，该耦合部分包括第一直波导A和第二直波导B。第一直波导A和第二直波导B相距一定的间距设置于衬底上，覆盖层包裹第一直波导A和第二直波导B。图1中所示的第一直波导和第二直波导选自Si、Si3N4、GaAs以及InP中的至少一种，覆盖层选自空气、SiO2以及聚合物中的至少一种。第一直波导和第二直波导的折射率高于覆盖层。
第一直波导A具有厚度h1和宽度w1，该波导在垂直方向上支持单个模式，其厚度优选地可取为0.22～0.34μm。该第一直波导A的横向宽度取值不仅取决于在水平方向上支持两个或以上的多模式，还应取决于设计的第二直波导B的厚度和宽度。第二直波导B具有厚度h2和宽度w2，其在垂直方向上支持单个模式，其厚度优选地可选取0.12～0.25μm。该第二直波导B的宽度具体取值应与第一直波导A所支持的高阶模的有效折射率关于宽度的导数有关。
该实施例以TE0→TE1为例。为实现相位匹配从而进行模式转化，第一直波导A中高阶模TE1的有效折射率N1与第二直波导B中基模TE0的有效折射率N0应满足关系式(1)；
N1(w1)＝N0(w2) (1)
在波导宽度误差为Δw(Δw较小)的情况下，第一直波导A高阶模TE1的有效折射率N1与第二直波导B基模TE0的有效折射率N0的表达式如(2)、(3)所示；
若令第一直波导A高阶模TE1的有效折射率与第二直波导B基模TE0的有效折射率关于宽度的导数相等，则有关系式(4)成立；
N1(w1+Δw)＝N0(w2+Δw) (4)
因此在波导线宽宽度误差为Δw的情况下，两根直波导对应的有效折射率基本同步变化，仍维持相等，故仍能满足良好的相位匹配条件，实现较高的耦合转化效率，从而提升对工艺误差的容忍度。
图2为第一直波导A在固定厚度h1＝0.22μm条件下，高阶模TE1有效折射率N随波导宽度w1变化的情况，记为N＝f(w1)。根据图2的数据可以求出第一直波导高阶模TE1的有效折射率N对宽度w1的导数即dN/dw1，即可以得到有效折射率的导数dN/dw1关于宽度w1的曲线分布，记为f’(w1)。再结合图2中有效折射率N与宽度w1的关系，可以将有效折射率的导数dN/dw1(纵坐标)关于宽度w1(横坐标)的曲线分布转换为有效折射率导数dN/dw1(纵坐标)与有效折射率N(横坐标)之间的曲线关系，即将f’(w1)转换为f’(N)，如图3所示。图3即为该高阶模TE1有效折射率N与dN/dw1的关系图。同理，在某一固定厚度情况下，计算第二直波导B中基模TE0的有效折射率随宽度变化的关系图。图4为第二直波导B在固定厚度h2＝0.16μm条件下，基模TE0有效折射率随波导宽度变化的关系图。根据同样的原理，通过图4的数据可以求得第二直波导基模TE0的有效折射率N与其有效折射率导数dN/dw2的关系，如图5。结合图3与图5，在图6中同时绘制出第二直波导基模TE0与第一直波导高阶模TE1两种模式有效折射率N与dN/dw两条关系曲线，并找出两条曲线的交点，在该交点两条曲线具有相同的有效折射率(横坐标)和相同的有效折射率导数(纵坐标)。即在满足高阶模TE1和基模TE0两种模式有效折射率相等(此时相位匹配)的情况下，同时满足第一直波导支持的高阶模TEn的有效折射率对宽度的导数与第二直波导支持的基模TE0的有效折射率对宽度的导数也相等。此交点对应的有效折射率即为确定第一直波导A宽度与第二直波导B宽度的依据，将该匹配过的有效折射率代入图2和图4可分别求出第一直波导A对应的宽度w1和第二直波导B对应的宽度w2。此时便完成了对第一直波导A和第二直波导B的宽度选取。为了验证该基于非等高直波导的非定向耦合器受工艺误差的影响，同样以TE0→TE1为例设计了如图1所示的非对称定向耦合器的耦合部分。关于波导线宽宽度误差的选择，此处给出了+50nm、+40nm、+30nm、+20nm、+10nm、-10nm、-20nm、-30nm、-40nm和-50nm误差情况和无工艺误差情况下的结果对比图，如图8所示。本发明的耦合效率即使在±50nm的误差情况下，其对应最佳波长处仍能达到90％的耦合效率，而常规设计的耦合效率通常在±10nm的误差情况下即下降到90％甚至更低。此外，需要说明的是，本设计方法不仅适用于TE0→TE1的模式转化，而且还适用于任意TE0→TEn的模式转化，同样也适用于基模TM0到高阶模TMn的模式转化。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于非等高直波导的非对称定向耦合器，包括衬底、位于衬底上的波导芯层和包裹所述波导芯层的覆盖层，所述波导芯层的折射率高于所述衬底的折射率和所述覆盖层的折射率，所述波导芯层包括依次连接的输入端、耦合部和输出端，其特征在于，所述耦合部包括第一直波导和第二直波导，所述第一直波导和第二直波导以一定的间距平行设置于所述衬底上，所述直波导在其截面方向上具有厚度和宽度；
所述第一直波导为多模波导，所述第一直波导在垂直方向上支持单个模式，其在水平方向上支持多个模式，所述第一直波导的厚度为h1；
所述第二直波导为单模波导，所述第二直波导在垂直方向上支持单个模式，其在水平方向上支持单个模式，所述第二直波导的厚度为h2，其中h1＞h2；
所述第一直波导支持的高阶模TEn的有效折射率与第二直波导支持的基模TE0的有效折射率相等，所述第一直波导支持的高阶模TEn的有效折射率关于其宽度的导数与所述第二直波导支持的基模TE0的有效折射率关于其宽度的导数相等，n≥1。
2.根据权利要求1的所述非对称定向耦合器，其特征在于，所述第一直波导和所述第二直波导选用相同的材料。
3.根据权利要求1或2的所述非对称定向耦合器，其特征在于，所述第一直波导选用Si、Si3N4、GaAs以及InP中的至少一种；所述第二直波导选用Si、Si3N4、GaAs以及InP中的至少一种；所述覆盖层选用空气、SiO2以及聚合物中的至少一种。
4.根据权利要求3的所述非对称定向耦合器，其特征在于，所述第二直波导厚度h2是所述第一直波导厚度h1的0.5倍至0.85倍。
5.根据权利要求3的所述非对称定向耦合器，其特征在于，所述输入端沿垂直于光传输方向的截面具有厚度和宽度，该厚度等于相对应的所述直波导的厚度，该宽度等于相对应的所述直波导的宽度。
6.根据权利要求3的所述非对称定向耦合器，其特征在于，所述输出端沿垂直于光传输方向的截面具有厚度和宽度，该厚度等于相对应的所述直波导的厚度，该宽度等于相对应的所述直波导的宽度。
7.一种基于非等高直波导的非对称定向耦合器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定第一直波导沿光束传播方向的固定截面厚度h1，计算第一直波导沿光束传播方向的不同截面宽度下高阶TEn的有效折射率，n≥1，第一直波导为多模波导；
S2、计算第一直波导中高阶模TEn有效折射率关于相应截面宽度的导数；
S3、选取第二直波导沿光束传播方向的固定截面厚度h2，计算第二直波导沿光束传播方向的不同截面宽度下基模TE0的有效折射率，第二直波导为单模波导，其中h1＞h2；
S4、计算第二直波导中基模TE0有效折射率关于相应截面宽度的导数；
S5、选取第一直波导在某一截面宽度下高阶TEn的有效折射率等于所述第二直波导在某一截面宽度下基模TE0的有效折射率，同时该第一直波导和第二直波导对应的有效折射率关于对应截面宽度的导数相等，此时其对应的截面宽度即为直波导的宽度。
8.根据权利要求7的所述非对称定向耦合器，其特征在于，所述第一直波导和所述第二直波导选用相同的材料。
9.根据权利要求7或8的所述非对称定向耦合器，其特征在于，所述第一直波导选用Si、Si3N4、GaAs以及InP中的至少一种；所述第二直波导选用Si、Si3N4、GaAs以及InP中的至少一种；所述覆盖层选用空气、SiO2以及聚合物中的至少一种。
10.根据权利要求9的所述非对称定向耦合器，其特征在于，所述第二直波导厚度h2是所述第一直波导厚度h1的0.5倍至0.85倍。
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| CN116381851A true CN116381851A (zh) | 2023-07-04 |
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2023
- 2023-02-14 CN CN202310111078.XA patent/CN116381851A/zh active Pending
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