CN116990905B - 折射率可调的亚波长光栅耦合器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种折射率可调的亚波长光栅耦合器及其设计方法。该光栅耦合器包括依次层叠的衬底、埋氧层、波导层和上包层，模式光在波导层上沿第一方向传播，波导层包括光栅结构，光栅结构包括沿第一方向依次排列的多个单元光栅结构，其中，单元光栅结构包括第一折射率区和第二折射率区，第一折射率区包括第一波导；第二折射率区与第一折射率区相邻，第二折射率区包括多个沿第一方向交替排列的第二波导和间隔区，第二波导的折射率不等于间隔区的折射率，第一折射率区的等效折射率不等于第二折射率区的等效折射率，光栅结构的结构参数通过多次迭代确定。可实现调整光栅结构的有效折射率，降低器件的耦合损耗和尺寸，受制造工艺水平的影响较小。
Description
技术领域
本申请涉及集成光电子器件技术领域，具体涉及一种折射率可调的亚波长光栅耦合器及其设计方法。
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、大带宽和低偏振相关损耗，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。相关技术中的一些垂直光栅耦合器虽然可以实现较高耦合效率或偏振无关的功能，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光栅耦合器。
发明内容
本申请针对相关技术的缺点，提出一种光栅耦合器及其设计方法，用以解决相关技术中光栅耦合器的制作工艺复杂、受制造工艺水平影响较大的问题。
本申请提供一种折射率可调的亚波长光栅耦合器，包括依次层叠的衬底、埋氧层、波导层和上包层，模式光在所述波导层上沿第一方向传播，所述波导层包括光栅结构，所述光栅结构包括沿所述第一方向依次排列的多个单元光栅结构，其中，所述单元光栅结构包括第一折射率区和第二折射率区，第一折射率区包括第一波导；第二折射率区与所述第一折射率区相邻，所述第二折射率区包括多个沿所述第一方向交替排列的第二波导和间隔区，所述第二波导的折射率不等于所述间隔区的折射率，所述第一折射率区的等效折射率不等于所述第二折射率区的等效折射率，所述光栅结构的结构参数通过多次迭代确定。
根据上述实施例可知，本实施例中的光栅耦合器通过设置相邻的等效折射率不同的区域，即第一折射率区和第二折射率区，进一步通过多次迭代的方式确定第一折射率区和第二折射率区的结构参数，即可调节光栅耦合器各个不同周期的等效折射率，降低器件的耦合损耗和尺寸，且具有较高的工作带宽；本实施例提供的光栅耦合器制作工艺简单，具有较大的制造公差，受制造工艺水平的影响较小，因此更有利于推广应用。
在一个实施例中，所述光栅结构的结构参数包括第一占空比和第二占空比；所述第一占空比为所述第二折射率区在所述第一方向上的尺寸与所述单元光栅结构在所述第一方向上的尺寸之间的比值；所述第二占空比为多个所述第二波导在所述第一方向上的总尺寸与所述第二折射率区在所述第一方向上的尺寸之间的比值。
在一个实施例中，所述光栅结构的结构参数还包括周期长度、第一折射率区长度和第二折射率区长度、所述第二折射率区的所述第二波导的数量；其中，所述周期长度为所述第一折射率区长度与所述第二折射率区长度之和；所述第二折射率区内的多个所述第二波导在所述第一方向上的尺寸均相同并且沿均匀间隔排列于所述第二折射率区内，当所述第二折射率区的数量为n时，所述间隔区的数量为n＋1。
在一个实施例中，所述光栅结构的结构参数还包括所述单元光栅结构的数量以及所述单元光栅结构沿第二方向的尺寸，所述第二方向垂直于所述第一方向且与所述第一方向共同形成所述光栅结构所在的平面。
在一个实施例中，所述上包层至少部分填充于所述间隔区内，所述上包层的材质包括二氧化硅和空气中的任意一种或多种；所述第一波导以及所述第二波导的材质包括硅、二氧化硅、氮化硅和空气中的任意一种或多种；其中，所述第一波导的折射率不等于所述上包层的折射率，所述第二波导的折射率不等于所述上包层的折射率。
在一个实施例中，所述第一波导在所述衬底上的正投影呈条形或弯曲弧形，所述第一波导的延伸方向垂直于所述第一方向；
在一个实施例中，所述第二波导在所述衬底上的正投影呈条形或弯曲弧形，所述第二波导的延伸方向垂直于所述第一方向。
在一个实施例中，所述波导层还包括相互连接的条波导和锥波导，所述锥波导用于将模式光从所述光栅结构过渡至条波导或从所述条波导过渡到所述光栅结构，所述锥波导的结构为线性、指数型、抛物线型中的一种。
在一个实施例中，所述第一波导在所述衬底上的正投影和所述第二波导在所述衬底上的正投影均呈条形或弯曲弧形。
本申请还提供一种光栅耦合器的设计方法，所述光栅耦合器包括依次层叠的衬底、埋氧层、波导层和上包层，模式光在所述波导层上沿第一方向传播，所述波导层包括光栅结构，所述光栅结构包括沿所述第一方向依次排列的多个单元光栅结构，所述单元光栅结构包括第一折射率区和第二折射率区，所述第一折射率区包括第一波导；所述第二折射率区与所述第一折射率区相邻，所述第二折射率区包括多个沿所述第一方向交替排列的第二波导和间隔区，所述第二波导的折射率不等于所述间隔区的折射率，所述第一折射率区的等效折射率不等于所述第二折射率区的等效折射率，其中，所述设计方法包括：
对所述第二折射率区的所述第二波导的数量进行取值；
对所述单元光栅结构的第一占空比进行取值，所述第一占空比为所述第二折射率区在所述第一方向上的尺寸与所述单元光栅结构在所述第一方向上的尺寸之间的比值，所述第一占空比的取值范围为（0，1）；
通过多次迭代确定所述第二折射率区的第二占空比，所述第二占空比为多个所述第二波导在所述第一方向上的总尺寸与所述第二折射率区在所述第一方向上的尺寸之间的比值；
根据所述第二占空比确定所述单元光栅结构在所述第一方向上的尺寸以及所述第二波导在所述第一方向上的尺寸。
在一个实施例中，所述通过多次迭代依次确定所述第二折射率区的第二占空比具体包括：
在多个预设第二占空比条件下获取对应的光栅结构的周期长度，采用时域有限差分法进行建模仿真得到对应的所述光栅结构的泄露因子的仿真值，建立所述光栅结构的泄露因子的仿真值与所述第二占空比之间的拟合函数，确定所述第二折射率区的第二占空比。
在一个实施例中，在所述对所述第二折射率区的所述第二波导的数量进行取值之前还包括：
确定入射模式光的光纤的入射角和所述光纤的模斑直径；
根据所述入射模式光的光纤的入射角和所述光纤的模斑直径确定所述单元光栅结构的数量以及所述单元光栅结构沿第二方向的尺寸，所述第二方向垂直于所述第一方向且与所述第一方向共同形成所述光栅结构所在的平面。
在一个实施例中，所述根据所述第二占空比确定所述单元光栅结构在所述第一方向上的尺寸以及所述第二波导在所述第一方向上的尺寸具体包括：
根据所述第一折射率区的等效折射率和所述第二折射率区的等效折射率结合预设关系式确定所述单元光栅结构在所述第一方向上的尺寸；
根据所述第二占空比、所述第一占空比以及所述第二波导的数量确定所述第二波导在所述第一方向上的尺寸。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1所示为本申请实施例提供的一种光栅耦合器的结构示意图；
图2所示为图1中A处的放大示意图；
图3所示为本申请实施例提供的一种光栅耦合器的俯视图；
图4所示为本申请实施例提供的另一种光栅耦合器的俯视图；
图5~图7所示为本申请实施例提供的光栅耦合器的部分拟合函数示意图；其中，图5是泄露因子关于x方向坐标位置的理论值函数，图6是泄露因子的关于第二占空比仿真值的拟合函数，图7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8~图10所示为本申请实施例提供的光栅耦合器的制备方法各步骤的结构示意图。
其中：1-衬底；2-埋氧层；3-波导层；31-光栅结构；310-单元光栅结构；310a-第一折射率区；310b-第二折射率区；311-第一波导；312-第二波导；313-间隔区；32-锥波导；33-条波导；4-上包层；5-光纤。
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例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请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。
研究发现，光栅对波长和偏振都较为敏感，相关技术中的亚波长光栅耦合器虽然可以同时实现较高耦合效率或偏振无关的功能，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。
本申请提供的一种折射率可调的亚波长光栅耦合器及其设计方法，旨在解决相关技术的如上技术问题。
下面结合附图，对本申请实施例中的折射率可调的亚波长光栅耦合器及其设计方法进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互补充或相互组合。
本申请提供一种折射率可调的亚波长光栅耦合器，如图1~图3所示，图1所示的光栅耦合器是图3所示的光栅耦合器沿虚线BB的剖面图，该光栅耦合器包括沿z方向依次层叠的衬底1、埋氧层2、波导层3和上包层4，模式光在波导层3上沿第一方向x传播，波导层3包括光栅结构31，光栅结构31包括沿第一方向x依次排列的多个单元光栅结构310，其中，单元光栅结构310包括第一折射率区310a和第二折射率区310b，第一折射率区310a包括第一波导311；第二折射率区310b与第一折射率区310a相邻，第二折射率区310b包括多个沿第一方向x交替排列的第二波导312和间隔区313，第二波导312的折射率不等于间隔区313的折射率，第一折射率区310a的等效折射率不等于第二折射率区310b的等效折射率，光栅结构31的结构参数通过多次迭代确定。
本实施例中的光栅耦合器通过设置相邻的等效折射率不同的区域，即第一折射率区310a和第二折射率区310b，进一步通过多次迭代的方式确定第一折射率区310a和第二折射率区310b的结构参数，即可调节光栅耦合器各个不同周期的等效折射率，实现光纤5与波导之间的耦合，降低器件的耦合损耗和尺寸，且具有较高的工作带宽；本实施例提供的光栅耦合器制作工艺简单，具有较大的制造公差，受制造工艺水平的影响较小，因此更有利于推广应用。
在一些实施例中，模式光为基模。
在一些实施例中，如图2所示，光栅结构31的结构参数包括第一占空比和第二占空比；第一占空比为第二折射率区310b在第一方向x上的尺寸Pl与单元光栅结构310在第一方向x上的尺寸Px之间的比值，第一占空比的取值范围为（0，1），可在取值范围内对第一占空比进行选择性取值；第二占空比为多个第二波导312在第一方向x上的总尺寸n1Ll（n1为第二波导在单元光栅结构中的数量，本实施例中取n1=2）与第二折射率区310b在第一方向x上的尺寸Pl之间的比值，第二占空比通过多次迭代确定。
需要说明的是，本实施例中的第一占空比根据实际情况设定，示例性地，第一占空比可为0.3、0.4、0.5、0.6或0.7，本领域技术人员可根据实际情况设定，不限于此。本实施例中的第二占空比通过多次迭代确定，具体地，需要结合相关关系式进行进一步拟合和计算，具体内容在后续实施例中展开说明。
在一些实施例中，如图2所示，光栅结构31的结构参数还包括周期长度Px、第一折射率区310a长度Ph和第二折射率区310b长度Pl、第二折射率区310b的第二波导312的数量n1；其中，周期长度Px为第一折射率区310a长度Ph与第二折射率区310b长度Pl之和，周期长度Px根据第一折射率区310a的等效折射率和第二折射率区310b的等效折射率结合预设关系式确定；第二折射率区310b内的多个第二波导312在第一方向x上的尺寸Ll均相同并且沿均匀间隔排列于第二折射率区310b内，当第二波导312的数量为n时，间隔区313的数量为n＋1。在一个示例中，当第二波导312的数量为1时，间隔区313的数量为2；在另一个示例中，当第二波导312的数量为2时，间隔区313的数量为3。
本实施例中光栅结构31的周期长度Px通过计算第一折射率区310a的等效折射率和第二折射率区310b的等效折射率来确定，通过结合相关预设关系式即可确定，计算较为简单。同时，令第二折射率区310b的多个第二波导312均匀间隔分布于第二折射率区310b内。
在一些实施例中，预设关系式为布拉格衍射公式。
在一些实施例中，如图3所示，光栅结构31的结构参数还包括单元光栅结构310的数量以及单元光栅结构310沿第二方向y的尺寸h1，第二方向y垂直于第一方向x且与第一方向x共同形成光栅结构31所在的平面；其中，单元光栅结构310的数量以及单元光栅结构310沿第二方向y的尺寸h1由入射模式光的光纤5的入射角以及光纤5的模斑直径决定。
本实施例中单元光栅结构310在第二方向y上的尺寸根据光纤5的模斑直径决定，根据不同光纤5的实际情况灵活设定，可提升光栅结构31与光纤5之间的匹配度。
在一些实施例中，如图1所示，上包层4至少部分填充于间隔区313内，上包层4的材质包括二氧化硅和空气中的任意一种或多种；第一波导311以及第二波导312的材质包括硅、二氧化硅、氮化硅和空气中的任意一种或多种；其中，第一波导311的折射率不等于上包层4的折射率，第二波导312的折射率不等于上包层4的折射率。
示例性地，上包层4的材质为二氧化硅，第一波导311和第二波导312的材质均为硅。第一波导311的折射率大于上包层4的折射率，第二波导312的折射率大于上包层4的折射率。
在一些实施例中，如图3所示，第一波导311在衬底1上的正投影呈条形，第一波导311的延伸方向垂直于第一方向x。
在一些实施例中，如图3所示，第二波导312在衬底1上的正投影呈条形，第二波导312的延伸方向垂直于第一方向x。
示例性地，如图3所示，第一波导311和第二波导312共同形成矩形光栅。
在一些实施例中，如图3所示，波导层3还包括相互连接的条波导33和锥波导32。锥波导32远离条波导33的一侧与光栅结构31连接，条波导33和锥波导32用于输入或输出模式光，锥波导32用于将模式光从光栅结构31过渡至条波导33或从条波导33过渡到光栅结构31。
在一些实施例中，锥波导32的侧面边界为线性、指数型、抛物线型中的一种。
在一些实施例中，如图4所示，第一波导311在衬底1上的正投影和第二波导312在衬底1上的正投影均呈弯曲弧形，以实现聚焦光栅。
在一些实施例中，如图4所示，当第一波导311和第二波导312呈弯曲弧形时，第一波导311和第二波导312的弯曲弧度根据锥波导32的角度进行设计。进一步地，锥波导32的角度大于等于10°，且小于等于90°。示例性地，锥波导32的角度为15°。
基于同一发明构思，本申请还提供一种光栅耦合器的设计方法，基于前述实施例中的光栅耦合器，具体地，光栅耦合器包括依次层叠的衬底1、埋氧层2、波导层3和上包层4，模式光在波导层3上沿第一方向x传播，波导层3包括光栅结构31，光栅结构31包括沿第一方向x依次排列的多个单元光栅结构310，单元光栅结构310包括第一折射率区310a和第二折射率区310b，第一折射率区310a包括第一波导311；第二折射率区310b与第一折射率区310a相邻，第二折射率区310b包括多个沿第一方向x交替排列的第二波导312和间隔区313，第二波导312的折射率不等于间隔区313的折射率，第一折射率区310a的等效折射率不等于第二折射率区310b的等效折射率，其中，结合图1~图2所示，设计方法包括以下步骤：
步骤110：对第二折射率区310b的第二波导312的数量进行取值；
步骤120：对单元光栅结构310的第一占空比进行取值，第一占空比为第二折射率区310b在第一方向x上的尺寸Pl与单元光栅结构310在第一方向x上的尺寸Px之间的比值，第一占空比的取值范围为（0，1）；
步骤130：通过多次迭代确定第二折射率区310b的第二占空比，第二占空比为多个第二波导312在第一方向x上的总尺寸n1Ll（n1为第二波导在单元光栅结构中的数量，本实施例中取n1=2）与第二折射率区310b在第一方向x上的尺寸Pl之间的比值；
步骤140：根据第二占空比确定单元光栅结构310在第一方向x上的尺寸Px以及第二波导312在第一方向x上的尺寸Ll。
本实施例中的设计方法通过对第二占空比进行多次迭代，需要考虑的结构参数较少，计算较为简单，同时按照本实施例设计的光栅耦合器中光栅结构31的形状的制备工艺中较为简单，受制备工艺的影响较小。
在一些实施例中，步骤130具体包括以下步骤：
在多个预设第二占空比条件下获取对应的光栅结构31的周期长度Px，采用时域有限差分法进行建模仿真得到对应的光栅结构31的泄露因子的仿真值，建立光栅结构31的泄露因子的仿真值与第二占空比之间的拟合函数，确定第二折射率区310b的第二占空比。
在一些实施例中，设计方法在步骤110之前还包括以下步骤：
步骤001：确定入射模式光的光纤5的入射角θ和光纤5的模斑直径；
步骤002：根据入射模式光的光纤5的入射角θ和光纤5的模斑直径确定单元光栅结构310的数量以及单元光栅结构310沿第二方向y的尺寸h1，第二方向y垂直于第一方向x且与第一方向x共同形成光栅结构31所在的平面。
在一些实施例中，步骤140具体包括以下步骤：
根据第一折射率区310a的等效折射率和第二折射率区310b的等效折射率结合预设关系式确定单元光栅结构310在第一方向x上的尺寸Px；
根据第二占空比、第一占空比以及第二波导312的数量确定第二波导312在第一方向x上的尺寸Ll。
为便于理解，本申请提供一种光栅耦合器的设计方法的具体实施例，包括以下步骤：
步骤001：确定入射模式光的光纤5的入射角θ和光纤5的模斑直径，本实施例中入射角θ为10°；
步骤002：根据入射模式光的光纤5的入射角θ和光纤5的模斑直径确定单元光栅结构310的数量以及单元光栅结构310沿第二方向y的尺寸h1，第二方向y垂直于第一方向x且与第一方向x共同形成光栅结构31所在的平面，本实施例中单元光栅结构310的数量为20，单元光栅结构310沿第二方向y的尺寸h1为10μm。
步骤110：对单元光栅结构310沿第二折射率区310b中沿第一方向x分布的第二波导312的数目进行取值，在本实施例中，考虑实际加工难度，取/>。
步骤120：对单元光栅结构310的占空比进行取值。单元光栅结构310的周期长度=第二折射率区310b在第一方向x上的尺寸/>+第一折射率区310a在第一方向x上的尺寸/>，则/>//>为单元光栅结构310的第一占空比/>，在本实施例中，考虑制造限制，。
步骤130~步骤140：（1）通过多次迭代确定第二折射率区310b的第二占空比。首先，令单元光栅结构310中各个第二波导312沿第一方向x上的尺寸为，则/>为第二波导312沿第一方向x上的总尺寸/>，/>为第二占空比，对第二占空比f在[0，1]区间范围内间隔取点，记取点的间隔为i，取点的数量为/>，在本实施例中，取i=0.001，，即间隔0.001取1001个点；当第二占空比f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单元光栅结构310在第一方向x上的周期长度/>。
本实施例中，布拉格衍射公式为：
其中，为单元光栅结构310的周期长度，/>为中心波长，/>为上包层4的折射率，/>为光纤5与上包层4之间的垂直面的夹角，/>为单元光栅结构310在一个周期的等效折射率。
进一步地，对于横电模式光，，其中，f为第二占空比，/>为第二波导312在对应中心波长下的折射率，/>为第二折射率区310b的等效折射率。
进一步地，对于横磁模式光，，其中，f为第二占空比，/>为第二波导312在对应中心波长下的折射率，/>为第二折射率区310b的等效折射率。
进一步地，第二折射率区310b的等效折射率由等效媒质理论（EMT）公式计算：
其中，f为第二占空比，为第二波导312在对应中心波长下的折射率，/>为上包层4的折射率，/>为横电模式光下的等效折射率的一阶近似解，即横电模式下第二折射率区310b的等效折射率/>，/>为横磁模式光下的等效折射率的一阶近似解，即横磁模式下第二折射率区310b的等效折射率/>。示例性地，当中心波长为1310nm，/>为10°，第一波导311和第二波导312的材质均为硅，上包层4的材质为二氧化硅时，对TE模式，对第二折射率区310b的第二占空比f在[0，1]区间范围内间隔0.001均匀取点；当第二占空比f取0.5时，可由布拉格衍射公式与等效媒质理论公式计算第二折射率区310b在第一方向x上的尺寸/>，第一折射率区310a在第一方向x上的尺寸/>，第二波导312在第一方向x上的尺寸/>，单元光栅结构310在第一方向x上的周期长度/>。
（2）对所有模式光下的第二折射率区310b的第二占空比f在[0，1]区间范围内间隔取点，记取点的间隔为，取点的数量为/>，在本实施例中，为了减少仿真时间，取，/>。由步骤（1）可得第二折射率区310b的第二占空比f对应的周期长度，在FDTD中进行建模仿真，如图7所示，得到光栅向上衍射的光功率关于位置的分布曲线，得到对应泄露因子的仿真值。如图6所示，对在第一方向x上的坐标位置和泄露因子仿真值进行拟合，得到泄露因子关于第一方向x的坐标位置的拟合函数，拟合函数表示为：
其中，为泄露因子的仿真值，/>为输入光源的光场功率，x为光栅沿第一方向x的尺寸，/>表示光场功率。
计算泄露因子的仿真值关于第二折射率区310b的第二占空比f的拟合函数。拟合函数表示为，其中a、b、c、d、e、m为通过拟合计算出的常数，在泄露因子的仿真值关于第二折射率区310b的第二占空比f的拟合中，x表示f，/>表示泄露因子的仿真值。
示例性地，对TE模式，当第二占空比f取0.5，周期长度为526.9nm时，泄露因子的仿真值计算为0.455，当f取值足够多时，即可得到泄露因子的仿真值关于第二折射率区310b的第二占空比f的拟合函数。
（3）将如图5所示的泄露因子关于x方向坐标位置的理论值函数与泄露因子的仿真值关于低折射率区占空比f的拟合函数逐周期对应，得到每个周期的第二占空比f，第二折射率区310b在第一方向x上的尺寸，第一折射率区310a在第一方向x上的尺寸/>，第二波导312在第一方向x上的尺寸/>和单元光栅结构310在第一方向x上的周期长度/>。
本实施例中，如图5所示，泄露因子的理论值可以通过下列公式计算获取：
其中，表示归一化高斯分布，x为光栅沿第一方向x的尺寸，/>为光纤5对应的模场半径，/>表示泄露因子的理论计算值。
示例性地，在TE模式下，计算第1个周期对应的低折射率区等效折射率和第二占空比/>时，使步骤（2）中所得的泄露因子的仿真值关于第二折射率区310b的第二占空比f的拟合函数与上述关于第一方向x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个周期的周期长度/>；在计算第5个周期对应的TE模式等效折射率/>和第二占空比/>时，首先计算前4个周期长度之和，带入上述关于第一方向x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（2）中所得的泄露因子的仿真值关于第二折射率区310b的第二占空比f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个周期的周期长度。
基于同一发明构思，本申请还提供一种光栅耦合器的制备方法，如图8~图10所示，包括以下步骤：
步骤210：如图8所示，提供SOI硅片，SOI硅片包括依次层叠的衬底1、埋氧层2和波导层3；
步骤220：如图9所示，在波导层3上形成光栅结构31；
步骤230：如图10所示，在光栅结构31上覆盖上包层4。
在一些实施例中，步骤220具体包括：在SOI硅片靠近波导层3的一层形成光刻胶层，对光刻胶层进行电子束曝光形成硬掩膜图形，然后根据形成的硬掩膜图形对SOI硅片进行电感耦合等离子体刻蚀，形成光栅结构31、条波导33以及锥波导32，去除光刻胶。
在一些实施例中，步骤230具体包括：采用等离子增强化学气相沉积将上包层4沉积在光栅结构31上。
在一些实施例中，步骤210中的埋氧层2的厚度为3μm。
在一些实施例中，步骤230中的上包层4的厚度为2μm，材质为二氧化硅。
本申请的上述实施例，在不产生冲突的情况下，可互为补充。
本技术领域技术人员可以理解，本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，相关技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种折射率可调的亚波长光栅耦合器，包括依次层叠的衬底、埋氧层、波导层和上包层，其特征在于，模式光在所述波导层上沿第一方向传播，所述波导层包括光栅结构，所述光栅结构包括沿所述第一方向依次排列的多个单元光栅结构，其中，所述单元光栅结构包括：
第一折射率区，包括第一波导；
第二折射率区，与所述第一折射率区相邻，所述第二折射率区包括多个沿所述第一方向交替排列的第二波导和间隔区，所述第二波导的折射率不等于所述间隔区的折射率，所述第一折射率区的等效折射率不等于所述第二折射率区的等效折射率，所述光栅结构的结构参数通过多次迭代确定，所述第二折射率区沿所述第一方向上的尺寸随所述光栅周期长度的不同而不同，所述光栅周期长度由等效折射率的理论计算值与仿真值以及泄露因子的理论计算值和仿真值决定；所述泄露因子的仿真值关于所述第二折射率区的占空比的拟合函数表示为，其中a、b、c、d、e、m为通过拟合计算出的常数，x表示所述第二折射率区的占空比，/>表示泄露因子的仿真值。
2.根据权利要求1所述的折射率可调的亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述光栅结构的结构参数包括第一占空比和第二占空比；
所述第一占空比为所述第二折射率区在所述第一方向上的尺寸与所述单元光栅结构在所述第一方向上的尺寸之间的比值；
所述第二占空比为多个所述第二波导在所述第一方向上的总尺寸与所述第二折射率区在所述第一方向上的尺寸之间的比值。
3.根据权利要求1所述的折射率可调的亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述光栅结构的结构参数还包括周期长度、第一折射率区长度和第二折射率区长度、所述第二折射率区的所述第二波导的数量、所述单元光栅结构的数量以及所述单元光栅结构沿第二方向的尺寸；其中，
所述周期长度为所述第一折射率区长度与所述第二折射率区长度之和；
所述第二折射率区内的多个所述第二波导在所述第一方向上的尺寸均相同并且沿均匀间隔排列于所述第二折射率区内，当所述第二折射率区的数量为n时，所述间隔区的数量为n＋1；
所述第二方向垂直于所述第一方向且与所述第一方向共同形成所述光栅结构所在的平面。
4.根据权利要求1所述的折射率可调的亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述上包层至少部分填充于所述间隔区内，所述上包层的材质包括二氧化硅和空气中的任意一种或多种；所述第一波导以及所述第二波导的材质包括硅、二氧化硅、氮化硅和空气中的任意一种或多种；其中，
所述第一波导的折射率不等于所述上包层的折射率，所述第二波导的折射率不等于所述上包层的折射率。
5.根据权利要求1所述的折射率可调的亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述第一波导在所述衬底上的正投影呈条形或弯曲弧形，所述第一波导的延伸方向垂直于所述第一方向；
和/或，所述第二波导在所述衬底上的正投影呈条形或弯曲弧形，所述第二波导的延伸方向垂直于所述第一方向。
6.根据权利要求1所述的折射率可调的亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述波导层还包括相互连接的条波导和锥波导；
所述锥波导用于将模式光从所述光栅结构过渡至所述条波导或从所述条波导过渡到所述光栅结构，所述锥波导的结构为线性、指数型、抛物线型中的一种。
7.一种折射率可调的亚波长光栅耦合器的设计方法，其特征在于，所述光栅耦合器包括依次层叠的衬底、埋氧层、波导层和上包层，模式光在所述波导层上沿第一方向传播，所述波导层包括光栅结构，所述光栅结构包括沿所述第一方向依次排列的多个单元光栅结构，所述单元光栅结构包括第一折射率区和第二折射率区，所述第一折射率区包括第一波导；所述第二折射率区与所述第一折射率区相邻，所述第二折射率区包括多个沿所述第一方向交替排列的第二波导和间隔区，所述第二波导的折射率不等于所述间隔区的折射率，所述第一折射率区的等效折射率不等于所述第二折射率区的等效折射率，所述第二折射率区沿所述第一方向上的尺寸随所述光栅周期长度的不同而不同，所述光栅周期长度由等效折射率的理论计算值与仿真值以及泄露因子的理论计算值和仿真值决定；所述泄露因子的仿真值关于所述第二折射率区的占空比的拟合函数表示为，其中a、b、c、d、e、m为通过拟合计算出的常数，x表示所述第二折射率区的占空比，/>表示泄露因子的仿真值，其中，所述设计方法包括：
对所述第二折射率区的所述第二波导的数量进行取值；
对所述单元光栅结构的第一占空比进行取值，所述第一占空比为所述第二折射率区在所述第一方向上的尺寸与所述单元光栅结构在所述第一方向上的尺寸之间的比值，所述第一占空比的取值范围为（0，1）；
通过多次迭代依次确定所述第二折射率区的第二占空比，所述第二占空比为多个所述第二波导在所述第一方向上的总尺寸与所述第二折射率区在所述第一方向上的尺寸之间的比值；
根据所述第二占空比确定所述单元光栅结构在所述第一方向上的尺寸以及所述第二波导在所述第一方向上的尺寸。
8.根据权利要求7所述的折射率可调的亚波长光栅耦合器的设计方法，其特征在于，所述通过多次迭代依次确定所述第二折射率区的第二占空比具体包括：
在多个预设第二占空比条件下获取对应的光栅结构的周期长度，采用时域有限差分法进行建模仿真得到对应的所述光栅结构的泄露因子的仿真值，建立所述光栅结构的泄露因子的仿真值与所述第二占空比之间的拟合函数，确定所述第二折射率区的第二占空比。
9.根据权利要求7所述的折射率可调的亚波长光栅耦合器的设计方法，其特征在于，在所述对所述第二折射率区的所述第二波导的数量进行取值之前还包括：
确定入射模式光的光纤的入射角和所述光纤的模斑直径；
根据所述入射模式光的光纤的入射角和所述光纤的模斑直径确定所述单元光栅结构的数量以及所述单元光栅结构沿第二方向的尺寸，所述第二方向垂直于所述第一方向且与所述第一方向共同形成所述光栅结构所在的平面。
10.根据权利要求7所述的折射率可调的亚波长光栅耦合器的设计方法，其特征在于，所述根据所述第二占空比确定所述单元光栅结构在所述第一方向上的尺寸以及所述第二波导在所述第一方向上的尺寸具体包括：
根据所述第一折射率区的等效折射率和所述第二折射率区的等效折射率结合预设关系式确定所述单元光栅结构在所述第一方向上的尺寸；
根据所述第二占空比、所述第一占空比以及所述第二波导的数量确定所述第二波导在所述第一方向上的尺寸。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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