CN210572857U - 一种偏振不敏感型模斑转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种偏振不敏感型模斑转换器，能实现硅纳米波导和光纤之间的偏振不敏感高效耦合。通过基于多层相位匹配波导的定向耦合器结构实现底层硅纳米波导与上层多层波导之间的横电模和横磁模的高效模式耦合与能量转换。引入模式过渡器实现横磁模无损耗转换，进而实现底层横磁模与横电模独立耦合。通过偏振合束器将耦合至上层多层波导中的横电模与横磁模进行合并，进而与光纤实现偏振不敏感耦合。本实用新型具有耦合性强、工艺成熟、CMOS工艺兼容性高的进步，可实现批量化制造，其生产效率较高，具有显著的竞争优势。

Description

一种偏振不敏感型模斑转换器

技术领域

本实用新型涉及光通信器件，尤其涉及一种偏振不敏感型模斑转换器。

背景技术

得益于高折射率对比度和互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)兼容的制造工艺，硅光子学(silicon photonics)是大规模光子集成电路(photonic integrated circuits，PICs)的一个有吸引力的平台。利用成熟的CMOS工艺，基于绝缘体上硅(SOI)的硅光子学，可以为我们提供一个低成本、高集成度的光子平台。目前，由于缺乏高效的硅激光器和高性能的调制器，硅光子学的广泛应用受到了限制。此外，硅纳米波导和光纤之间的耦合是一难题。硅纳米波导典型尺寸为0.2μm²，单模光纤(single-mode fibre，SMF)的典型尺寸为80μm²，尺寸和模式差异巨大，从而耦合很难。

为了解决耦合问题，业界提出了多种实现单一偏振的方案，比如一维光栅、倒锥形、二维或三维锥形、透镜和锥形光纤；但是由于硅纳米波导具有偏振依赖问题，需要偏振不敏感耦合结构；目前已经报道了各种实现偏振不敏感的方案，如一维和二维光栅耦合器、带或不带高分子聚合物覆层倒置锥体、多级锥体和垂直弯曲的硅纳米波导(siliconnanowire)等结构。

但是这些方案仍然存在着一些问题，一维和二维光栅耦合器可以有效地耦合横电模(Transverse Electric，TE)和横磁模(Transverse Magnetic，TM)之间的偏振，但是它需要一个相对复杂的优化，并且一维光栅和二维光栅都存在固有的耦合效率和带宽之间的权衡问题；使用倒置锥体将硅NW模式转换为聚合物波导的模式，与透镜光纤的模式相匹配，需要将带或不带聚合物覆层的硅锥体逐渐变细到具有纳米尺寸宽度的超窄尖端，但是为实现耦合倒锥面需要抛光；使用双级锥体，可以提供偏振不敏感(polarization-independent，PI)和波长不敏感的模式转换，也可以与CMOS工艺兼容，但是锥形长度较长，耦合损耗较大且制作工艺复杂；PI象鼻型耦合器将硅纳米波导的端面垂直弯曲，弯曲曲率为几微米级。虽然这种垂直耦合器在晶片级测试和集成芯片表面光学元件方面都有很好的应用前景，但垂直弯曲硅芯的制造则更具挑战性。

实用新型内容

实用新型目的：为了解决现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种偏振不敏感型模斑转换器，通过基于多层相位匹配波导的定向耦合器结构实现底层硅纳米波导与上层多层波导之间的横电模和横磁模的高效模式耦合与能量转换，进而实现了硅纳米波导和光纤之间的偏振不敏感高效耦合。

技术方案：一种偏振不敏感型模斑转换器，包括衬底层，在衬底层上设有下包层，在下包层上设有前锥形后锥形的模式过渡器，所述模式过渡器包括与TE匹配的硅纳米波导、用于过渡TM模式的硅锥形过渡波导以及与TM匹配的硅纳米波导，所述与TE匹配的硅纳米波导的长度为TE模的耦合长度，所述与TM匹配的硅纳米波导的长度为TM模的耦合长度；在与TE匹配的硅纳米波导上设有TE模匹配多层波导，在与TM匹配的硅纳米波导上设有TM模匹配多层波导，所述TM模匹配多层波导将TM模耦合到TE模匹配多层波导中，所述TE模匹配多层波导将TE模和TM模同时耦合到光纤中，所述光纤与TE模匹配多层波导中心对准；在TE模匹配多层波导和TM模匹配多层波导上设有上覆盖层。

进一步的，所述与TE匹配的硅纳米波导的长度为100-200μm。所述硅锥形过渡波导为锥形结构，长度大于50μm。所述与TM匹配的硅纳米波导的长度为100-150μm。所述TE模匹配多层波导与TM模匹配多层波导之间的间距为100nm-500nm。所述模式过渡器的材料为硅、磷化铟或砷化镓。所述TE模匹配多层波导为多晶硅、磷化铟或者砷化镓和二氧化硅相互间隔的多层结构。

与现有技术相比，本实用新型具有耦合性强、工艺成熟、CMOS工艺兼容性高的进步。基于多层相位匹配波导的定向耦合器结构实现底层硅纳米波导与上层多层波导之间的横电模和横磁模的高效模式耦合与能量转换，有效地减少了耦合损耗，提高了耦合效率，为实现光通信、光子系统中高性能光信号处理芯片或器件奠定了基础。基于成熟的CMOS工艺制备，通过对现有技术的利用，其操作成本低，可实现批量化制造，由于现有技术成熟，其生产效率较高，存在竞争性的优势。

附图说明

图1是本实用新型的一种偏振不敏感型模斑转换器的结构示意图；

图2是图1结构的截面示意图；

图3是一种偏振不敏感型模斑转换器的沿z方向准TE模传播场图；

图4是一种偏振不敏感型模斑转换器的准TE单模光纤的模场分布图；

图5是一种偏振不敏感型模斑转换器相位匹配的H场的类奇超模剖面图；

图6是一种偏振不敏感型模斑转换器相位匹配的H场的类偶超模剖面图；

图7是一种偏振不敏感型模斑转换器中模式过渡器的结果图；

图8是一种偏振不敏感型模斑转换器中偏振合束器的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做详细的说明。

如图1所示，一种偏振不敏感型模斑转换器，其结构包括衬底层1，在衬底层上设有下包层2，在下包层2上设有前锥形后锥形的模式过渡器3；模式过渡器3包括与TE匹配的硅纳米波导301、硅锥形过渡波导302以及与TM匹配的硅纳米波导303；在与TE匹配的硅纳米波导301上设有TE模匹配多层波导4，在与TM匹配的硅纳米波导303上设有TM模匹配多层波导5，在TE模匹配多层波导4和TM模匹配多层波导5上设有上覆盖层6，TM模匹配多层波导5将TM模耦合到TE模匹配多层波导4中，TE模匹配多层波导4可将TE模和TM模同时耦合到光纤7中，光纤7和输出的多层波导中心对准，左右和上下位置偏差小于1μm。可通过调节TE模匹配多层波导4和TM模匹配多层波导5的高度和间隔来实现多层波导和光纤7之间的模式转换。

本实用新型的工作原理如下：

1、由于TE模和与TE匹配的硅纳米波导301的相位匹配关系，TE模会在与TE匹配的硅纳米波导301的末端向上面覆盖的TE模匹配多层波导4短暂耦合，然后沿TE模匹配多层波导4经过两个S波导最后沿直波导传播。

2、TM模经过硅锥形过渡波导302过渡后，在与TM匹配的硅纳米波导303处与TM模匹配多层波导5相位匹配。因此，TM模也会在与TM匹配的硅纳米波导303末端从TM模匹配多层波导5短暂耦合，然后沿此波导传播。

3、通过调节TE超模和TM超模的耦合长度和间隔，将TM模耦合到TE模匹配多层波导4中，构成偏振合束器。利用偏振合束器(polarisation combiner)将两个偏振态合并到TE模匹配多层波导4，然后和光纤7进行耦合。

一种偏振不敏感型模斑转换器，基于传统的COMS工艺，得到模式过渡器3；再利用PECVD工艺得到上层的多层结构；最后通过光刻和刻蚀，得到TE模匹配多层波导4、TM模匹配多层波导5。

图3、4所示的一种偏振不敏感型模斑转换器的模场分布，属于特定情况分析实例，计算了在400nm×220nm的模式过渡器、TE模匹配多层波导4和TM模匹配多层波导5的高度为105nm、多晶硅之间的二氧化硅的高度为400nm、TE模匹配多层波导4和模式过渡器之间的高度为200nm的条件下，TE模的耦合长度为158.67μm，耦合效率为95.2％，总耦合损耗为2.72dB，反射比为6.8％；在225nm×220nm的模式过渡器、多层波导的高度为105nm、多层硅之间的二氧化硅的高度为400nm、TE模匹配多层波导4和模式过渡器的高度为200nm的条件下，TM模的耦合长度为113.9μm，耦合效率为95.5％，总耦合损耗为2.45dB，反射比为5.4％。图3是沿z方向准TE模传播场图，图4是准TE单模光纤的模场分布图。

图5、6为一种偏振不敏感型模斑转换器相位匹配的H场的类奇、类偶超模剖面图；图7为一种偏振不敏感型模斑转换器中模式过渡器的结果图，其中横坐标代表锥形长度，纵坐标代表准TE模的能量传输效率；图8是一种偏振不敏感型模斑转换器中偏振合束器的结果图，其中横坐标代表准TE超模和准TM超模之间的间隔，纵坐标代表耦合长度。

综上，本实用新型实现了偏振不敏感的高效耦合，耦合效率可达98.8％；其次，本实用新型基于多层相位匹配波导，利用传统的COMS工艺得到模式过渡器3，利用PECVD工艺得到上层的多层结构，最后进行光刻和刻蚀，得到TE模匹配多层波导4、TM模匹配多层波导5，只需要多加一次刻蚀工艺；此外，本实用新型可实现的长度为200μm-1000μm，宽度为1μm-10μm，厚度为80nm-120nm，带宽为40nm-60nm，相比于现有基于模式演变的耦合结构，集成度得到了显著的提高，相比于光栅耦合结构，带宽更宽。

Claims (7)

1.一种偏振不敏感型模斑转换器，其特征在于：包括衬底层(1)，在衬底层(1)上设有下包层(2)，在下包层(2)上设有前锥形后锥形的模式过渡器(3)，所述模式过渡器(3)包括与TE匹配的硅纳米波导(301)、用于过渡TM模式的硅锥形过渡波导(302)以及与TM匹配的硅纳米波导(303)，所述与TE匹配的硅纳米波导(301)的长度为TE模的耦合长度，所述与TM匹配的硅纳米波导(303)的长度为TM模的耦合长度；在与TE匹配的硅纳米波导(301)上设有TE模匹配多层波导(4)，在与TM匹配的硅纳米波导(303)上设有TM模匹配多层波导(5)，所述TM模匹配多层波导(5)将TM模耦合到TE模匹配多层波导(4)中，所述TE模匹配多层波导(4)将TE模和TM模同时耦合到光纤(7)中，所述光纤(7)与TE模匹配多层波导(4)中心对准；在TE模匹配多层波导(4)和TM模匹配多层波导(5)上设有上覆盖层(6)。

2.根据权利要求1所述的偏振不敏感型模斑转换器，其特征在于：所述与TE匹配的硅纳米波导(301)的长度为100-200μm。

3.根据权利要求1所述的偏振不敏感型模斑转换器，其特征在于：所述硅锥形过渡波导(302)为锥形结构，长度大于50μm。

4.根据权利要求1所述的偏振不敏感型模斑转换器，其特征在于：所述与TM匹配的硅纳米波导(303)的长度为100-150μm。

5.根据权利要求1所述的偏振不敏感型模斑转换器，其特征在于：所述TE模匹配多层波导(4)与TM模匹配多层波导(5)之间的间距为100nm-500nm。

6.根据权利要求1所述的偏振不敏感型模斑转换器，其特征在于：所述模式过渡器(3)的材料为硅、磷化铟或砷化镓。

7.根据权利要求1所述的偏振不敏感型模斑转换器，其特征在于：所述TE模匹配多层波导(4)为多晶硅、磷化铟或者砷化镓和二氧化硅相互间隔的多层结构。

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