CN116794768A - 一种绝热模式耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成光电子技术领域，具体涉及一种绝热模式耦合器。本发明包括硅芯和包层，硅芯包括平板硅、第一硅脊以及第二硅基；平板硅上端分别设置第一硅脊与第二硅基；包层从下往上依次为起支撑作用的硅衬底、二氧化硅下包层、上包层；硅衬底连接二氧化硅下包层；二氧化硅下包层连接平板硅；平板硅、第一硅脊以及第二硅基均连接上包层。本发明解决目前绝热模式耦合器“尺寸大、集成度低”的问题，本发明旨在提出一种尺寸小、损耗低、传输效率高、结构简单、易加工的绝热模式耦合器。
Description
技术领域
本发明属于集成光电子技术领域，具体涉及一种绝热模式耦合器。
背景技术
硅光子学因其高集成度和互补金属氧化物半导体的工艺兼容性而成为大规模光子集成芯片的一种前途非常光明的技术，目前各种大规模光子集成芯片的应用非常广泛，如光子开关和可编程光子处理器，在论文R Soref,“The past,present,andfutureofsiliconphotonics,”IEEEJ.Sel.Top.Quantum Electron.,vol.12,no.6,pp.1678-1687,Nov.2006.中体现了这一点。这些应用通常都是基于级联Mach-Zehnder干涉仪来实现复杂的光子回路，从而用于传输光信号。2×23db耦合器是构成Mach-Zehnder干涉仪的基本组成部分。通常使用定向耦合器和多模干扰耦合器来实现3db的耦合器。实现3dB耦合器的原理是基于几个光学模式之间的模式跳动，这就导致制造公差和光学带宽非常有限，在论文V.Ng,A.Tuniz,J.M.Dawes,and C.M.de Sterke,“Insights from a systematic studyofcrosstalk in adiabatic couplers,”OSA Continuum,vol.2,no.3,pp.629-639,Mar.2019.体现了这一点。为了扩大带宽，基于绝热耦合器的3dB耦合器也已经提出了，在论文H.Yun,W.Shi,Y.Wang,L.Chrostowski,andN.A.F.Jaeger.“2×2adiabatic 3-dBcoupler on silicon-on-insulator rib waveguides,”presented at the PhotonicsNorth 2013,Ottawa,Canada,2013,p.89150V.中体现了这一点。为了保证绝热模式演化从而不激发其他模式，绝热耦合器需要比定向耦合器更大的器件尺寸，但是这就与光子集成芯片朝更高集成度的发展趋势背道而驰。
发明内容
本发明的目的在于解决目前绝热模式耦合器“尺寸大、集成度低”的问题，提供了一种绝热模式耦合器。
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种绝热模式耦合器，包括硅芯和包层，所述硅芯包括平板硅、第一硅脊以及第二硅基；所述平板硅上端分别设置第一硅脊与第二硅基；所述包层从下往上依次为起支撑作用的硅衬底、二氧化硅下包层、上包层；所述硅衬底连接二氧化硅下包层；所述二氧化硅下包层连接平板硅；所述平板硅、第一硅脊以及第二硅基均连接上包层。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述上包层为空气、二氧化硅及氮化硅中的任意一种。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述平板硅的厚度为h3＝0.11μm，宽度为W0，所述第一硅脊以及第二硅基的厚度均为h4＝0.11μm，第一硅脊的宽度为w1，第二硅基的宽度为w2，第一硅脊以及第二硅基的间隙宽度为g＝0.4μm，硅芯的折射率nSi＝3.455；硅衬底的厚度为h1且h1<0.2μm；所述二氧化硅下包层的厚度为h2＝1μm、折射率nSiO2＝1.445，宽度为W0；其中宽度W0：
进一步的作为本发明的优选技术方案，沿着能量传输方向，在硅芯上，w1+w2+g＝1.4μm，所述硅芯上的输入端口和输出端口均为平行板波导；输入端口的宽度w1＝0.8μm，w2＝0.12μm；输出端口的宽度w1＝0.5μm，w2＝0.5μm。
进一步的作为本发明的优选技术方案，在硅芯上，长度为L的区域由片段a～片段g共6个连续的片段构成；对于第一硅脊，其中片段a由直线连接宽度w1＝900nm和w1＝750nm，长度La＝2.96μm；片段b由直线连接宽度w1＝750nm和w1＝620nm，长度为Lb＝2.2μm；片段c由直线连接宽度w1＝620nm和w1＝550nm，长度为Lc＝1.3μm；片段d由直线连接宽度w1＝550nm和w1＝520nm，长度为Ld＝19.33μm；片段e由直线连接宽度w1＝520nm和w1＝510nm，长度为Le＝27.786μm；片段f由直线连接宽度w1＝510nm和w1＝505nm，长度为Lf＝23.26μm；片段g由直线连接宽度w1＝505nm和w1＝500nm，长度为Lg＝33.757μm。
进一步的作为本发明的优选技术方案，对于第二硅基，其中片段a由直线连接宽度w2＝100nm和w2＝250nm，长度La＝2.96μm；片段b由直线连接宽度w2＝250nm和w2＝380nm，长度为Lb＝2.2μm；片段c由直线连接宽度w2＝380nm和w2＝450nm，长度为Lc＝1.3μm；片段d由直线连接宽度w2＝450nm和w2＝480nm，长度为Ld＝19.33μm；片段e由直线连接宽度w2＝480nm和w2＝490nm，长度为Le＝27.786μm；片段f由直线连接宽度w2＝490nm和w2＝495nm，长度为Lf＝23.26μm；片段g由直线连接宽度w2＝495nm和w2＝500nm，长度为Lg＝33.757μm。
本发明所述的一种绝热模式耦合器，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)对于绝热模式耦合器的下包层的设计，其他设计分成两种：一种是没有硅衬底，这样能量自然就存在于硅芯中；另一种是存在硅衬底，但是硅衬底的厚度不明确。本发明通过仿真分析，得出由于硅衬底的材料和硅芯一样，如果硅衬底的厚度太大，会将能量引导到硅衬底中，而不会在硅芯中。因此本发明为了将能量引导到硅芯中，提出硅衬底的厚度要满足：h1<0.2μm。仿真结果证明了硅衬底厚度满足h1<0.2μm的情况下，能量确实在硅芯中传输。
(2)本发明开发出的绝热模式耦合器只需要总长度为46μm就可以实现90％的功率传输效率，而传统设计则需要290μm才能实现90％的功率传输效率。因此，相比于之前的设计，本发明设计出的器件尺寸可以整整缩短6倍，实现了绝热模式耦合器的紧凑型设计。
附图说明
图1为本发明实施例的绝热模式耦合器结构示意图；
图2为本发明实施例的硅芯上沿着能量传输的方向的俯视图；
图3为本发明实施例的绝热模式耦合器的功率传输效率示意图；
图4为本发明实施例的绝热模式耦合器输入端口的能量模式图；
图5为本发明实施例的绝热模式耦合器输出端口的能量模式图；
其中，附图标记为：1-硅衬底；2-二氧化硅下包层；3-平板硅；4-第一硅脊；5-第二硅脊；6-上包层。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
如图1所示，一种绝热模式耦合器，包括硅芯和包层，硅芯包括平板硅3、第一硅脊4以及第二硅基5；平板硅3上端分别设置第一硅脊4与第二硅基5；包层从下往上依次为起支撑作用的硅衬底1、二氧化硅下包层2、上包层6；硅衬底1连接二氧化硅下包层2；二氧化硅下包层2连接平板硅3；平板硅3、第一硅脊4以及第二硅基5均连接上包层6。上包层6为空气、二氧化硅及氮化硅中的任意一种。
平板硅3的厚度为h3＝0.11μm，宽度为W0，第一硅脊4以及第二硅基5的厚度均为h4＝0.11μm，第一硅脊4的宽度为w1，第二硅基5的宽度为w2，第一硅脊4以及第二硅基5的间隙宽度为g＝0.4μm，硅芯的折射率nSi＝3.455；由于硅衬底1的材料和硅芯一样，如果硅衬底1的厚度太大，会将能量引导到硅衬底中，而不会在硅芯中，因此为了将能量引导到硅芯中，硅衬底1的厚度要满足：h1<0.2μm；二氧化硅下包层2的厚度为h2＝1μm、折射率nSiO2＝1.445，宽度为W0；其中宽度W0：
如图2所示，沿着能量传输方向，在硅芯上，w1+w2+g＝1.4μm，硅芯上的输入端口和输出端口均为平行板波导；输入端口的宽度w1＝0.8μm，w2＝0.12μm；输出端口的宽度w1＝0.5μm，w2＝0.5μm。
在硅芯上，长度为L的区域由片段a～片段g共6个连续的片段构成；对于第一硅脊4，其中片段a由直线连接宽度w1＝900nm和w1＝750nm，长度La＝2.96μm；片段b由直线连接宽度w1＝750nm和w1＝620nm，长度为Lb＝2.2μm；片段c由直线连接宽度w1＝620nm和w1＝550nm，长度为Lc＝1.3μm；片段d由直线连接宽度w1＝550nm和w1＝520nm，长度为Ld＝19.33μm；片段e由直线连接宽度w1＝520nm和w1＝510nm，长度为Le＝27.786μm；片段f由直线连接宽度w1＝510nm和w1＝505nm，长度为Lf＝23.26μm；片段g由直线连接宽度w1＝505nm和w1＝500nm，长度为Lg＝33.757μm。
对于第二硅基5，其中片段a由直线连接宽度w2＝100nm和w2＝250nm，长度La＝2.96μm；片段b由直线连接宽度w2＝250nm和w2＝380nm，长度为Lb＝2.2μm；片段c由直线连接宽度w2＝380nm和w2＝450nm，长度为Lc＝1.3μm；片段d由直线连接宽度w2＝450nm和w2＝480nm，长度为Ld＝19.33μm；片段e由直线连接宽度w2＝480nm和w2＝490nm，长度为Le＝27.786μm；片段f由直线连接宽度w2＝490nm和w2＝495nm，长度为Lf＝23.26μm；片段g由直线连接宽度w2＝495nm和w2＝500nm，长度为Lg＝33.757μm。
如图3所示，给出了本实施例中设计的2×23dB绝热模式耦合器的功率传输效率，并与传统设计(线性连接)进行对比。3dB耦合器也称为50/50光功率分配器。从图3中可以看出，对于相同的功率传输，本发明算法设计出的器件长度比之前设计出的器件长度要短很多。例如，在功率传输效率为90％时，本发明设计所需要的长度为46μm，传统设计则需要290μm。因此，当需要90％的功率传输效率时，传统设计所需要的长度是本发明方法需要长度的6倍以上。充分证明了本发明提出的2×23dB绝热模式耦合器具有小尺寸的优点，可以实现紧凑型2×23dB绝热模式耦合器的设计，助力光子芯片朝更高集成度的方向发展。
通过FDTD Solutions对本发明提出的绝热模式耦合器进行仿真模拟，分别获得输入端口和输出端口的模式能量分布图，仿真结果如图4和图5所示。从图4和图5中可以看出，输入端的能量集中在其中一个硅脊中，能量传输到输出端时，能量在两个硅脊中平均分布了，验证了本发明实施例提供的一种紧凑型2×23dB绝热模式耦合器可以实现3dB的效果。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种绝热模式耦合器，包括硅芯和包层，其特征在于，所述硅芯包括平板硅(3)、第一硅脊(4)以及第二硅基(5)；所述平板硅(3)上端分别设置第一硅脊(4)与第二硅基(5)；所述包层从下往上依次为起支撑作用的硅衬底(1)、二氧化硅下包层(2)、上包层(6)；所述硅衬底(1)连接二氧化硅下包层(2)；所述二氧化硅下包层(2)连接平板硅(3)；所述平板硅(3)、第一硅脊(4)以及第二硅基(5)均连接上包层(6)。
2.根据权利要求1所述的一种绝热模式耦合器，其特征在于，所述上包层(6)为空气、二氧化硅及氮化硅中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种绝热模式耦合器，其特征在于，所述平板硅(3)的厚度为h3＝0.11μm，宽度为W0，所述第一硅脊(4)以及第二硅基(5)的厚度均为h4＝0.11μm，第一硅脊(4)的宽度为w1，第二硅基(5)的宽度为w2，第一硅脊(4)以及第二硅基(5)的间隙宽度为g＝0.4μm，硅芯的折射率nSi＝3.455；硅衬底(1)的厚度为h1且h1<0.2μm；所述二氧化硅下包层(2)的厚度为h2＝1μm、折射率nSiO2＝1.445，宽度为W0；其中宽度W0：
4.根据权利要求3所述的一种绝热模式耦合器，其特征在于，沿着能量传输方向，在硅芯上，w1+w2+g＝1.4μm，所述硅芯上的输入端口和输出端口均为平行板波导；输入端口的宽度w1＝0.8μm，w2＝0.12μm；输出端口的宽度w1＝0.5μm，w2＝0.5μm。
5.根据权利要求4所述的一种绝热模式耦合器，其特征在于，在硅芯上，长度为L的区域由片段a～片段g共6个连续的片段构成；对于第一硅脊(4)，其中片段a由直线连接宽度w1＝900nm和w1＝750nm，长度La＝2.96μm；片段b由直线连接宽度w1＝750nm和w1＝620nm，长度为Lb＝2.2μm；片段c由直线连接宽度w1＝620nm和w1＝550nm，长度为Lc＝1.3μm；片段d由直线连接宽度w1＝550nm和w1＝520nm，长度为Ld＝19.33μm；片段e由直线连接宽度w1＝520nm和w1＝510nm，长度为Le＝27.786μm；片段f由直线连接宽度w1＝510nm和w1＝505nm，长度为Lf＝23.26μm；片段g由直线连接宽度w1＝505nm和w1＝500nm，长度为Lg＝33.757μm。
6.根据权利要求5所述的一种绝热模式耦合器，其特征在于，对于第二硅基(5)，其中片段a由直线连接宽度w2＝100nm和w2＝250nm，长度La＝2.96μm；片段b由直线连接宽度w2＝250nm和w2＝380nm，长度为Lb＝2.2μm；片段c由直线连接宽度w2＝380nm和w2＝450nm，长度为Lc＝1.3μm；片段d由直线连接宽度w2＝450nm和w2＝480nm，长度为Ld＝19.33μm；片段e由直线连接宽度w2＝480nm和w2＝490nm，长度为Le＝27.786μm；片段f由直线连接宽度w2＝490nm和w2＝495nm，长度为Lf＝23.26μm；片段g由直线连接宽度w2＝495nm和w2＝500nm，长度为Lg＝33.757μm。
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