CN207924188U - 一种片上衰减器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种片上衰减器，衰减器结构类二维码分布，主体区域为2.4×2.4μm2，将优化区域分为20×20的方形像素点，像素点尺寸为120×120 nm2，自动优化得到满足目标的类二维码结构的衰减器。最终得到5个不同衰减值的衰减器，分别为：1dB，3dB，6dB，10dB，20dB，衰减器带宽为50nm。所述衰减器与其它衰减器相比，其尺寸结构非常小，且设计时间短，可根据目标要求自动优化设。所述衰减器在硅光器件中有一定的应用范围，可在器件中引入衰减，平衡或者增大光路的插损，如在MZ器件的两波导臂上应用衰减器可平衡其光路损耗。
Description
技术领域
本实用新型涉及集成硅光子学领域，尤其涉及衰减器。
背景技术
近年来，光通信技术飞速发展，对人们的生活产生很大影响。随着人们对信息化的追求越来越高，高速率、低功耗和高集成度越来越变成了我们所追求的目标。Si材料在成本，集成能力，有源性能，无源性能和损耗上的平均表现力是最好的，因此Si体系是一个最好的选择，目前，硅的无源器件已经比较丰富，有源器件中探测器和调制器也有相对较成熟的方法，硅器件(有源和无源器件)的研究就成为了方向之一。例如调制器、探测器、滤波器、光耦合器、衰减器等。随着对硅光子学的研究越发深入且成熟，硅基无源器件已经相对成熟，并且体积和性能相对较稳定。
随后，反向自动优化设计方法被提出并应用于硅光子器件设计，通过优化算法脚本在短时间内得到性能不亚于传统设计，且尺寸相对较小的优化器件。使用这种反向设计优化方法实现的硅基无源器件，可以打破器件设计第一准则，并为设计者提供更大的参量空间，得到更加紧凑的器件，有效的提高无源器件集成度。自动优化设计方法为今后的器件设计提出了一个新可能，即机器自动代替人为手工，并保证器件的高集成度。
到目前为止，我们可以根据最终优化结构将其分为两类：像素点型和拓扑型，这两种方法的区别在于像素点型的优化最小单位为规则图形(一般为方形)，通过研究人员搭配不同的计算机优化方法来调整优化结构的优化速度及优化结果，而拓扑型的优化结构往往是不规则的，优化的速度相对较快。一般我们选择像素点型结构进行设计，这种结构会更有利于器件的制备，因此更具有实用价值，我们已经采用反向优化设计实现了类二维结构分布的耦合器、MMI功率分束器等。这种设计结构和方法在片上衰减器中属于首次应用。因此本实用新型所述的衰减器是首个采用类二维码结构的衰减器。
实用新型内容
本实用新型的目的在于突破硅光器件的尺寸限制，提供一种基于反向自动优化方法的硅基超小型衰减器。衰减器主体类似二维码结构，该衰减器具有器件结构紧凑、衰减值可设计，带宽平坦等优点。
为了解决现有技术中问题，本实用新型提供了一种片上衰减器，其为一种基于绝缘衬底硅上的衰减器，所述绝缘衬底硅上设顶层硅和掩埋氧化层，所述掩埋氧化层为中间层，所述顶层硅区域分为M×N的像素点，每个像素点有两种状态：硅和空气，通过优化算法决定每个像素点的状态。
作为本实用新型的进一步改进，所述掩埋氧化层为二氧化硅。
作为本实用新型的进一步改进，所述顶层硅为220nm±10％厚，所述掩埋氧化层为3μm±10％厚。
作为本实用新型的进一步改进，所述顶层硅和掩埋氧化层的尺寸为：2.4×2.4μm2。
作为本实用新型的进一步改进，所述衰减器的波导宽度为0.5μm±10％。
作为本实用新型的进一步改进，所述衰减器的衰减值为1～20dB。
作为本实用新型的进一步改进，所述衰减器的带宽为0～300nm。
作为本实用新型的进一步改进，所述衰减器的光源为以1550nm为中心的基模TE偏振光,TE:横电模。
作为本实用新型的进一步改进，所述顶层硅和掩埋氧化层区域分为10×10至40×40的方形像素点。
作为本实用新型的进一步改进，所述像素点为方形像素点，方形像素点的尺寸为≥100×100nm2。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型是采用反向自动优化算法实现一种超小结构的衰减器。衰减器主体类似二维码结构，该衰减器具有器件结构紧凑、衰减值可设计，带宽平坦等优点。
与传统衰减器相比，本实用新型衰减器有很大的优势。首先结构紧凑，尺寸仅为2.4×2.4μm2，其次是通过程序设定可以不断优化衰减器的带宽和衰减值等性能，另外本衰减器设计是程序自动优化，节省时间和精力，最后我们还可以通过用户的需求实现精准设计。
所述衰减器在硅光器件中有一定的应用范围，可在器件中引入衰减，平衡或者增大光路的插损，如在MZ器件的两波导臂上应用衰减器可平衡其光路损耗。
附图说明
图1a是衰减器结构的三维结构示意图，图1b是衰减器的垂直结构截面图。
图2为本实用新型类二维码结构的设计步骤示意图。
图3为本实用新型基于反向自动优化算法设计的5个硅基衰减器的平面结构示意图，5个结构的衰减值分别为：1dB，3dB，6dB，10dB，20dB。
图4为本实用新型基于有限时域差分(FDTD)仿真的5个衰减器的光场分布示意图。
图5为本实用新型基于FDTD仿真的5个衰减器的波长-衰减值图(波长以1.55μm为中心，50nm带宽范围之内的衰减值)。
图6为本实用新型制备的5个衰减器的扫描电子显微镜(SEM)图。
图7为本实用新型实验测量的5个衰减器器件的波长-衰减值图(波长以1.55μm为中心，50nm带宽范围之内的衰减值)。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
一、该衰减器是一种片上衰减器，即在硅片上进行衰减器设计。硅片的尺寸结构为220nm厚的顶层硅和3μm厚的氧化层。为了验证我们的设计方法具有通用性，我们需要选定一个最简单的1×1MMI型结构为起始模型。经它包含一个输入波导，一个方形优化区域及一个输出波导。单模波导的宽度为500nm，中间多模波导区域先规定大小为2.4μm×2.4μm，具体大小根据之后的优化算法做调整。
二、使用反向设计的自动优化方法进行类二维码结构的衰减器设计，我们使用Lumerical FDTD软件进行建模仿真并且利用其脚本功能编写自动优化方法。反向设计就是通过设定衰减器的目标函数，运行程序使器件结构改变，使器件性能自动向目标靠近，达到目标函数后算法程序结束运行。本实用新型采用快速二进制搜索算法。
三、类二维码结构设计。目前最反向优化结构有两类：像素点型和拓扑型。像素点型的优化结构就是类二维码结构。这种结构优化最小单位为规则图形，一般为方形，且方形尺寸也可以根据仪器的工艺定义。因此这种类二维码结构的器件更易制备，工艺误差也更小。在本文中衰减器设计也采用类二维码结构，方形像素点尺寸为120×120nm2。
四、对优化好的衰减器进行制备和实验测量，整个实验过程需要在超净无尘间和光学实验间共同完成，涉及到许多实验操作过程。经过对工艺的调试以及一定的准备工作，我们能够制备出与仿真结构尺寸差异较小的实际样品。之后，需要在光学间将实验光路搭建完整。将制备的衰减器样品逐一进行测量。选出最接近于仿真结果的实验数据进行分析。并讨论该自动优化方法对该衰减器设计的可行性。
本衰减器采用绝缘衬底上的硅结构,包括220nm顶层硅和3μm掩埋氧化层。
在优化设计之前，首先进行建模仿真，根据我们选定的参数，在Lumerical FDTD结构中建立模型，选定一个简单的1×1MMI为起始模型，它包含一个输入波导，一个方形优化区域及一条输出波导。中间优化区域2.4μm×2.4μm。从输入波导端输入一个中心波长为1550nm的TE模式光，输出波导上放一个监视器，可以从中得到功率和电磁场信息。
具体的设计步骤如下：
先把优化区域划分为20×20的方形像素点，定义每个像素点大小为：120×120nm2，并且设定每个像素点有两种可转换状态：硅和空气。起始设定所有的像素点处于“硅”状态。然后定义品质因数(FOM)、目标和收敛条件。在本实用新型中，品质因数定义为衰减器当前的衰减值并通过设置监视器监测。目标定义为衰减器的目标衰减值。收敛方式采用直接二进制搜索算法。
步骤一：按照顺序，改变第一个方形像素点的状态，即由硅变为空气。运行仿真计算器件当前的衰减值，并比较其是否满足收敛条件。
步骤二：如果第一个像素点满足收敛条件，那么此像素点的状态被保存，即此时像素点为空气，然后程序移动到下一个像素点，改变其状态进行运算。
步骤三：如果第一个像素点不满足收敛条件，那么此像素点返回原来的状态，即此时像素点为硅，然后程序移动到下一个像素点，改变其状态进行运算。
程序重复步骤一至三继续进行优化，直到达到设定的结构目标。这样确定所有的像素状态，我们最终得到衰减器的类二维码优化结构。
之后利用半导体制备流程对样品进行制备，按标准完成了：切片、洗片、匀胶、电子束曝光、显影定影、电感耦合等离子体刻蚀和氧离子去胶的过程。成功制备出多个类二维码结构的衰减器。
这样我们最终实现了一种硅基的超小型衰减器。一种设计了5个不同衰减值的衰减器结构分别为：1dB，3dB，6dB，10dB，20dB。这种衰减器结构类似二维码分布。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种片上衰减器，其特征在于：其为一种基于绝缘衬底硅上的衰减器，所述绝缘衬底硅上设顶层硅和掩埋氧化层，所述掩埋氧化层为中间层，所述顶层硅区域分为M×N的像素点，每个像素点有两种状态：硅和空气，通过优化算法决定每个像素点的状态。
2.根据权利要求1所述的一种片上衰减器，其特征在于：所述掩埋氧化层为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种片上衰减器，其特征在于：所述顶层硅为220nm±10%厚，所述掩埋氧化层为3μm±10%厚。
4.根据权利要求1所述的一种片上衰减器，其特征在于：所述顶层硅和掩埋氧化层的尺寸为：2.4×2.4 μm2。
5.根据权利要求1所述的一种片上衰减器，其特征在于：所述衰减器的波导宽度为0.5μm±10%。
6.根据权利要求1所述的一种片上衰减器，其特征在于：所述衰减器的衰减值为1~20dB。
7.根据权利要求1所述的一种片上衰减器，其特征在于：所述衰减器的带宽为0~300nm。
8.根据权利要求1所述的一种片上衰减器，其特征在于：所述衰减器的光源为以1550nm为中心的基模TE偏振光, TE:横电模。
9.根据权利要求1所述的一种片上衰减器，其特征在于：所述顶层硅和掩埋氧化层区域分为10×10至40×40的方形像素点。
10.根据权利要求1所述的一种片上衰减器，其特征在于：所述像素点为方形像素点，方形像素点的尺寸为100×100nm2。
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| CN110187499A (zh) * | 2019-05-29 | 2019-08-30 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种基于神经网络的片上集成光功率衰减器的设计方法 |
| CN110320663A (zh) * | 2019-03-20 | 2019-10-11 | 华中科技大学 | 基于直接二元搜索算法设计的超小尺寸大带宽模式滤波器 |
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