CN116859508A - 一种耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合器，包括衬底、包层、覆盖层、第一波导和第二波导，所述衬底、所述包层和所述覆盖层自下而上叠层设置，所述第一波导和所述第二波导设置在所述包层内，所述第一波导设置在所述第二波导的上方，所述第一波导和所述第二波导的折射率均大于所述包层的折射率。本发明光场被限制在第一波导和第二波导中，光场大小不受环境折射率的影响，实现了耦合损耗对环境不敏感，本发明采用折射率高于包层的第一波导将光场向上移动，从而减少了衬底对光的损耗，尤其是对TM偏振光的损耗，既降低了整体损耗，又减小了偏振敏感性，使得该端面耦合器在TE/TM偏振下的损耗都很小。
Description
技术领域
本发明涉及光子器件技术领域，具体涉及一种耦合器。
背景技术
硅光芯片与光纤的耦合非常重要，常见的耦合方式包括垂直耦合(verticalcoupling)和边缘耦合(edge coupling)。垂直耦合也即光栅耦合，具有容易加工、损耗大、带宽受限等特点；边缘耦合也叫水平耦合，采用光斑转换器(spot sizeconverter，简称SSC)实现小尺寸硅波导(500nm×200nm)和大尺寸光纤(模场直径约10μm)之间的耦合，具有损耗小、偏振无关、工作带宽大、加工难度大等特点。
光斑转换器通常基于倒楔形(inverse部分)波导实现，然后在上面生长一层比二氧化硅折射率略大的材料实现过渡，横截面尺寸大约是3μm×3μm，再匹配光斑束腰直径大约3μm的透镜光纤就可以实现硅光芯片和单模光纤的耦合。该种方法也叫双芯(doublecore，或者叫overlay)光斑转换器，第一芯为倒楔形波导，第二芯为聚合物波导。采用双芯结构的光斑转换器降低了和外接光纤的对准难度，为实现低损耗耦合，线性倒楔形波导(inverse部分)的窄端(tip)往往要求小于100nm，加工时难度较大，需要采用特征尺寸小于100nm的光刻工艺，或者采用双图案(double patterning)光刻技术。光器件与光纤的耦合加工往往期望放松器件与光纤对准误差，可行的办法是增加第二芯的尺寸，例如，将第二芯增加至5μm×5μm，但在这种情况下，往往导致横电场(Transverse Electric，TE)信号和横磁场(Transverse Magnetic，TM)信号的偏振相关损耗差异较大，即使设计更小宽度的窄端，也收效甚微。
发明内容
为解决现有技术的至少一个技术问题，本发明提供一种耦合器。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种耦合器，包括衬底、包层、覆盖层、第一波导和第二波导，所述衬底、所述包层和所述覆盖层自下而上叠层设置，所述第一波导和所述第二波导设置在所述包层内，所述第一波导设置在所述第二波导的上方，所述第一波导和所述第二波导的折射率均大于所述包层的折射率。
进一步地，所述第二波导包括沿长度延伸方向连接为一体的常规波导和过渡波导，所述过渡波导设置在所述第一波导的正下方，所述过渡波导沿长度延伸方向超出所述第一波导的覆盖范围。
进一步地，所述过渡波导呈倒楔形。
进一步地，所述过渡波导的长度为300um，所述过渡波导窄端的高度为高度为200nm，宽度为50nm。
进一步地，所述过渡波导变化面的母线可采用抛物线、贝塞尔曲线、s i n曲线或欧拉曲线。
进一步地，所述第一波导的横截面呈矩形，所述第一波导的宽度为6um，高度为5um。
进一步地，所述第一波导的宽度大于所述第一波导的最大宽度。
进一步地，所述包层为低折射率氧化硅；
所述第一波导为高折射率氧化硅波导；
第二波导为硅波导、氮化硅波导、氮氧化硅波导、铌酸锂波导、磷化铟波动、氧化铝波导或聚合物波导。
进一步地，所述覆盖层的材质为氮化硅、氧化铝或氮氧化硅。
进一步地，所述第二波导可采用单层波导结构、双层波导结构或多层波导结构。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明光场被限制在第一波导和第二波导中，光场大小不受环境折射率的影响，实现了耦合损耗对环境不敏感；
2、本发明采用折射率高于包层的第一波导将光场向上移动，从而减少了衬底对光的损耗，尤其是对TM偏振光的损耗，既降低了整体损耗，又减小了偏振敏感性，使得该端面耦合器在TE/TM偏振下的损耗都很小；
3、本发明通过限制第一波导和第二波导的尺寸，来限制光场的模斑大小，从而不需要对波导侧部和底部进行刻蚀或挖槽，实现了简化工艺的目的。
附图说明
图1为实施例一中一种耦合器的端面视图；
图2为实施例一中一种耦合器的透视图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步地详细描述，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
包括衬底1、包层2、覆盖层3、第一波导4和第二波导5，衬底1、包层2和覆盖层3自下而上叠层设置，第一波导4和第二波导5设置在包层2内，第一波导4设置在第二波导5的上方，第一波导4和第二波导5的折射率均大于包层2的折射率。
第二波导5包括沿长度延伸方向连接为一体的常规波导51和过渡波导52，过渡波导52设置在第一波导4的正下方，常规波导51沿长度延伸方向超出第一波导4的覆盖范围。
过渡波导52呈倒楔形，过渡波导52变化面的母线可以采用线性、指数、抛物线、贝塞尔曲线、s in曲线、欧拉曲线、亚波长结构或上述曲线的组合。
过渡波导52的长度为300um，过渡波导52窄端的高度为高度为200nm，宽度为50nm。
第二波导5可采用单层波导、双层波导或多层波导等结构。
第一波导4的横截面呈矩形，第一波导4的宽度为6um，高度为5um，第一波导4的宽度不变，且第一波导4的宽度大于第一波导4的最大宽度。
第一波导可采用折射率相同的单层结构，也可采用折射率相同的多层结构或折射率不同的多层结构。
包层可采用折射率相同的单层结构，也可采用折射率相同的多层结构，或折射率不同的多层结构。
包层2可采用低折射率氧化硅，第一波导4可采用高折射率氧化硅波导，第二波导5可采用为硅波导、氮化硅波导、氮氧化硅波导、铌酸锂波导、磷化铟波动、氧化铝波导、聚合物波导或其他高于氧化硅折射率材料的波导。
覆盖层3的材质为氮化硅、氧化铝或氮氧化硅。
本发明的光传输过程如下：
光先在第二波导5的常规波导51中传输，然后进入第二波导5的过渡波导52中，过渡波导52的尺寸不断变小，过渡波导52对光的束缚随着过渡波导52尺寸的变小逐渐由强变弱，光逐渐向外扩散，由于第二波导5上方设置有第一波导且第一波导的折射率率高于包层的折射率，TE偏振的光和TM偏振的光被第一波导拉高且被限制，因此降低了硅衬底在光传输过程中对光的吸收，从而整体降低了端面耦合器的传输损耗，TE/TM的传输损耗均小于0.3dB。由于光场完全被限制在尺寸较大的氧化硅包层内，环境折射率对光的传输和模场大小无影响，实现了耦合损耗对环境不敏感。
同时，由于在包层上方设置有覆盖层，覆盖层能够隔绝将包层与环境隔绝，使得包层不受水汽的影响。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的上述实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种耦合器，其特征在于，
包括衬底(1)、包层(2)、覆盖层(3)、第一波导(4)和第二波导(5)，所述衬底(1)、所述包层(2)和所述覆盖层(3)自下而上叠层设置，所述第一波导(4)和所述第二波导(5)设置在所述包层(2)内，所述第一波导(4)设置在所述第二波导(5)的上方，所述第一波导(4)和所述第二波导(5)的折射率均大于所述包层(2)的折射率。
2.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于，
所述第二波导(5)包括沿长度延伸方向连接为一体的常规波导(51)和过渡波导(52)，所述过渡波导(52)设置在所述第一波导(4)的正下方，所述常规波导(51)沿长度延伸方向超出所述第一波导(4)的覆盖范围。
3.如权利要求2所述的耦合器，其特征在于，
所述过渡波导(52)呈倒楔形。
4.如权利要求3所述的耦合器，其特征在于，
所述过渡波导(52)的长度为300um，所述过渡波导(52)窄端的高度为高度为200nm，宽度为50nm。
5.如权利要求3所述的耦合器，其特征在于，
所述过渡波导(52)变化面的母线可采用抛物线、贝塞尔曲线、sin曲线、或欧拉曲线。
6.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于，
所述第一波导(4)的横截面呈矩形，所述第一波导(4)的宽度为6um，高度为5um。
7.如权利要求1所述的耦合器，其特征在于，
所述第一波导(4)的宽度大于所述第二波导(5)的最大宽度。
8.如权利要求1至7任一项所述的耦合器，其特征在于，
所述包层(2)的材质为低折射率氧化硅；
所述第一波导(4)为高折射率氧化硅波导；
第二波导(5)为硅波导、氮化硅波导、氮氧化硅波导、铌酸锂波导、磷化铟波动、氧化铝波导或聚合物波导。
9.如权利要求1至7任一项所述的耦合器，其特征在于，
所述覆盖层(3)的材质为氮化硅、氧化铝或氮氧化硅。
10.如权利要求1至7任一项所述的耦合器，其特征在于，
所述第二波导(5)可采用单层波导结构、双层波导结构或多层波导结构。
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