CN219496722U - 一种多层结构层间耦合器 - Google Patents
一种多层结构层间耦合器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种多层结构层间耦合器，包括：下波导部分，包括至少两层堆叠的波导层，每层波导层均包括依次连接的第一波导和第一渐变波导，沿第一波导指向第一渐变波导的方向，第一渐变波导的宽度逐渐变窄；第一渐变波导之间呈错层结构；上波导部分，包括至少两层堆叠的波导层，每层波导层均包括依次连接的第二渐变波导和第二波导，沿第二渐变波导指向第二波导的方向，第二渐变波导的宽度逐渐变宽；第二渐变波导之间呈错层结构；包层，位于上波导部分和下波导部分之间；第一渐变波导和第二渐变波导的空间交叠部分形成层间耦合区。本实用新型能够提高耦合效率，同时减小器件尺寸。
Description
技术领域
本实用新型涉及硅基光电子技术领域，特别是涉及一种多层结构层间耦合器。
背景技术
随着硅基光电子技术的发展，光芯片通常具有复杂的片内波导路由网络和许多波导交叉结构，传统的单层光网络无法解决波导交叉带来的限制，而多层系统可以通过避免物理交叉来减少或消除这些限制，同时可以避免传统的芯片上有限空间的限制。3D光子集成为硅光子研究提供一个新的探索空间，为更密集、更复杂的光网络的实现提供了可行方案，从而使其具有更高的集成度和更多的功能。同时随着光子集成材料体系的发展和光子芯片集成工艺的成熟，三维集成光子芯片结合了多种材料体系的优势。层间耦合器可以实现光信号在不同波导层之间的转移和耦合。
现有公开专利文献CN107942444A公开了一种基于二维光栅折射率调控的倏逝波耦合方案的层间耦合器，其在三维光子集成芯片波导层之间引入调控折射率的二维光栅，实现不同波导层之间的折射率匹配，从而实现波导层之间基于倏逝波的耦合，该方案存在对结构的尺寸和加工工艺要求较高，误差容忍度低的问题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种多层结构层间耦合器，能够提高耦合效率，同时减小器件尺寸，并且对耦合对准误差不敏感。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种多层结构层间耦合器，包括：
下波导部分，包括至少两层堆叠的波导层，每层波导层均包括依次连接的第一波导和第一渐变波导，沿所述第一波导指向所述第一渐变波导的方向，所述第一渐变波导的宽度逐渐变窄；所述第一渐变波导之间呈错层结构；
上波导部分，包括至少两层堆叠的波导层，每层波导层均包括依次连接的第二渐变波导和第二波导，沿所述第二渐变波导指向所述第二波导的方向，所述第二渐变波导的宽度逐渐变宽；所述第二渐变波导之间呈错层结构；
包层，位于所述上波导部分和下波导部分之间；
所述第一渐变波导和第二渐变波导的空间交叠部分形成层间耦合区。
所述第一渐变波导中越下层的渐变波导距离所述上波导部分的波导层的距离越近；所述第二渐变波导中越上层的渐变波导距离所述下波导部分的波导层的距离越近。
所述第一渐变波导与所述第四渐变波导以所述包层的中心呈中心对称；所述第二渐变波导与所述第三渐变波导以所述包层的中心呈中心对称。
所述下波导部分中，上一层波导层的第一渐变波导位于下一层波导层的波导的上表面；所述上波导部分中，所述下一层波导层的渐变波导位于所述上一层波导层的波导的下表面
所述上波导部分中，每层波导层的材料相同；所述下波导部分中，每层波导层的材料相同。
所述波导层采用的材料为多晶硅、氮化硅、氮氧化硅、或锗。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种多层结构层间耦合器，包括：
下波导部分，包括至少两层堆叠的波导层，每层波导层均包括依次连接的第一波导和第一渐变波导，沿所述第一波导指向所述第一渐变波导的方向，所述第一渐变波导的宽度逐渐变窄；所述第一渐变波导之间呈错层结构；
上波导部分，包括第二渐变波导，沿所述第一波导指向所述第一渐变波导的方向，所述第二渐变的宽度逐渐变宽；
包层，位于所述上波导部分和下波导部分之间；
所述第一渐变波导和第二渐变波导的空间交叠部分形成层间耦合区。
所述下波导部分中，上一层波导层的第一渐变波导位于下一层波导层的波导的上表面。
所述下波导部分中，每层波导层的材料相同。
所述波导层采用的材料为多晶硅、氮化硅、氮氧化硅、或锗；所述第二渐变波导的材料为多晶硅、氮化硅、氮氧化硅、或锗。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本实用新型在耦合部分采用多层结构，可以独立调整多个波导层的锥形结构的参数，使上下波导之间的有效折射率不连续性最小化，从而使耦合效率最大化，并且有利于减小器件尺寸，且该结构的加工工艺较低，对耦合对准误差不敏感。
附图说明
图1是本实用新型第一实施例的层间耦合器的结构示意图；
图2是本实用新型第二实施例的层间耦合器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本实用新型的第一实施方式涉及一种多层结构层间耦合器，包括：
下波导部分，包括至少两层堆叠的波导层，每层波导层均包括依次连接的第一波导和第一渐变波导，沿所述第一波导指向所述第一渐变波导的方向，所述第一渐变波导的宽度逐渐变窄；所述第一渐变波导之间呈错层结构；
上波导部分，包括至少两层堆叠的波导层，每层波导层均包括依次连接的第二渐变波导和第二波导，沿所述第二渐变波导指向所述第二波导的方向，所述第二渐变波导的宽度逐渐变宽；所述第二渐变波导之间呈错层结构；
包层，位于所述上波导部分和下波导部分之间；
所述第一渐变波导和第二渐变波导的空间交叠部分形成层间耦合区。
下面通过一个具体的实施例进一步说明本实用新型，本实施例如图1所示，包括：
下波导部分，包括由下至上堆叠的第一波导层1和第二波导层2；所述第一波导层1包括依次连接的波导11和渐变波导12，沿所述波导11指向所述渐变波导12的方向，所述渐变波导12的宽度逐渐变窄；所述第二波导层2包括依次连接的波导21和渐变波导22，沿所述波导21指向所述渐变波导22的方向，所述渐变波导22的宽度逐渐变窄。
上波导部分，包括由下至上堆叠的第三波导层3和第四波导层4；所述第三波导层3包括依次连接的渐变波导32和波导31，沿渐变波导32指向波导31的方向，所述渐变波导32的宽度逐渐变宽；所述第四波导层4包括依次连接的渐变波导42和波导41，沿所述渐变波导42指向所述波导41的方向，所述渐变波导42的宽度逐渐变宽。
包层5，位于所述上波导部分和下波导部分之间，包层的材料可以是二氧化硅；
所述渐变波导12和所述渐变波导22与所述渐变波导32和所述渐变波导42的空间交叠部分形成层间耦合区；所述渐变波导12相比于所述渐变波导22更靠近所述波导31，所述渐变波导42相比于所述渐变波导32更靠近所述波导21。本实施方式中，渐变波导12与渐变波导42以包层5的中心呈中心对称结构，渐变波导22和渐变波导32也以包层5的中心呈中心对称结构。
由此可见，本实施例的多层结构层间耦合器主要由第一波导层、第二波导层、第三波导层和第四波导层构成，四个波导层耦合部分均为逐渐变窄的锥形结构的渐变波导，其材料可以为多晶硅、氮化硅、氮氧化硅、锗中的任意一种。以光从第一波导层和第二波导层输入，从第三波导层和第四波导层输出为例，第一波导层和第二波导层材料相同，第二波导层在第一波导层上方，并且第二波导层的第二渐变波导在第一波导层的第一渐变波导的前方。第三波导层和第四波导层材料相同，第四波导层在第三波导层上方，并且第四波导层的第四渐变波导在第三波导层的第三渐变波导的前方。第三波导层在第二波导层上方，两者中间为二氧化硅包层。光能够从第一波导层和第二波导层耦合进入第三波导层和第四波导层。
在本实施例的多层结构层间耦合器中，下层波导部分通过第一波导层和第二波导层分两步逐渐变窄，首先是上方的第二波导层，然后是下方的第一波导层。上层波导部分通过第三波导层和第四波导层分两步逐渐变宽，首先是上方的第四波导层，然后是上方的第三波导层。在层间耦合的情况下，由于不同波导层间的高折射率对比度会导致菲涅尔反射，从而降低耦合效率，本实施方式通过在耦合部分采用多层结构，可以独立调整四个波导层锥形结构的渐变波导的参数，能够使上下波导之间的有效折射率不连续性最小化，从而使耦合效率最大化，并且有利于减小器件尺寸，且该结构对耦合对准误差不敏感。
本实用新型的第二实施方式同样涉及一种多层结构层间耦合器，包括：
下波导部分，包括至少两层堆叠的波导层，每层波导层均包括依次连接的第一波导和第一渐变波导，沿所述第一波导指向所述第一渐变波导的方向，所述第一渐变波导的宽度逐渐变窄；所述第一渐变波导之间呈错层结构；
上波导部分，包括第二渐变波导，沿所述第一波导指向所述第一渐变波导的方向，所述第二渐变波导的宽度逐渐变宽；
包层，位于所述上波导部分和下波导部分之间；
所述第一渐变波导和第二渐变波导的空间交叠部分形成层间耦合区。
下面通过一个具体的实施例进一步说明本实用新型，本实施例如图2所示，包括：
下波导部分，包括由下至上堆叠的第一波导层1和第二波导层2；所述第一波导层1包括依次连接的波导11和渐变波导12，沿所述波导11指向所述渐变波导12的方向，所述渐变波导12的宽度逐渐变窄；所述第二波导层2包括依次连接的波导21和渐变波导22，沿所述波导21指向所述渐变波导22的方向，所述渐变波导22的宽度逐渐变窄；
上波导部分，包括渐变波导3，沿所述波导11指向所述渐变波导12的方向，渐变波导3的宽度逐渐变宽；
包层5，位于所述上波导部分和下波导部分之间，包层的材料可以是二氧化硅；
所述渐变波导12和所述渐变波导22与所述渐变波导3的空间交叠部分形成层间耦合区。
本实施例的多层结构层间耦合器主要由第一波导层、第二波导层和渐变波导3构成，两个波导层的耦合部分均为逐渐变窄的锥形结构的渐变波导，与渐变波导3相互匹配，波导层和渐变波导的材料为多晶硅、氮化硅、氮氧化硅、锗中的一种，第一波导层和第二波导层材料相同，第二波导层在第一波导层上方，并且第二波导层的锥形结构在第一波导层锥形结构的前方。渐变波导3在第二波导层上方，二者中间为二氧化硅包层。光从第一波导层和第二波导层耦合进入渐变波导3。
在该设计中，下层波导部分通过第一波导层和第二波导层分两步逐渐变窄，首先是上方的第二波导层，然后是下方的第一波导层。通过将下方波导部分的耦合部分采用双层结构，可以独立调整第一波导层和第二波导层的锥形结构的渐变波导参数，使上下波导之间的有效折射率不连续性最小化，来减少反射损失，从而使耦合效率最大化，并且有利于减小器件尺寸。并且该结构对耦合对准误差不敏感。
Claims (10)
1.一种多层结构层间耦合器，其特征在于，包括：
下波导部分，包括至少两层堆叠的波导层，每层波导层均包括依次连接的第一波导和第一渐变波导，沿所述第一波导指向所述第一渐变波导的方向，所述第一渐变波导的宽度逐渐变窄；所述第一渐变波导之间呈错层结构；
上波导部分，包括至少两层堆叠的波导层，每层波导层均包括依次连接的第二渐变波导和第二波导，沿所述第二渐变波导指向所述第二波导的方向，所述第二渐变波导的宽度逐渐变宽；所述第二渐变波导之间呈错层结构；
包层，位于所述上波导部分和下波导部分之间；
所述第一渐变波导和第二渐变波导的空间交叠部分形成层间耦合区。
2.根据权利要求1所述的多层结构层间耦合器，其特征在于，所述第一渐变波导中越下层的渐变波导距离所述上波导部分的波导层的距离越近；所述第二渐变波导中越上层的渐变波导距离所述下波导部分的波导层的距离越近。
3.根据权利要求1所述的多层结构层间耦合器，其特征在于，所述第一渐变波导与所述第二渐变波导以所述包层的中心呈中心对称。
4.根据权利要求1所述的多层结构层间耦合器，其特征在于，所述下波导部分中，上一层波导层的第一渐变波导位于下一层波导层的波导的上表面；所述上波导部分中，所述下一层波导层的渐变波导位于所述上一层波导层的波导的下表面。
5.根据权利要求1所述的多层结构层间耦合器，其特征在于，所述上波导部分中，每层波导层的材料相同；所述下波导部分中，每层波导层的材料相同。
6.根据权利要求5所述的多层结构层间耦合器，其特征在于，所述波导层采用的材料为多晶硅、氮化硅、氮氧化硅、或锗。
7.一种多层结构层间耦合器，其特征在于，包括：
下波导部分，包括至少两层堆叠的波导层，每层波导层均包括依次连接的第一波导和第一渐变波导，沿所述第一波导指向所述第一渐变波导的方向，所述第一渐变波导的宽度逐渐变窄；所述第一渐变波导之间呈错层结构；
上波导部分，包括第二渐变波导，沿所述第一波导指向所述第一渐变波导的方向，所述第二渐变波导的宽度逐渐变宽；
包层，位于所述上波导部分和下波导部分之间；
所述第一渐变波导和第二渐变波导的空间交叠部分形成层间耦合区。
8.根据权利要求7所述的多层结构层间耦合器，其特征在于，所述下波导部分中，上一层波导层的第一渐变波导位于下一层波导层的波导的上表面。
9.根据权利要求7所述的多层结构层间耦合器，其特征在于，所述下波导部分中，每层波导层的材料相同。
10.根据权利要求9所述的多层结构层间耦合器，其特征在于，所述波导层采用的材料为多晶硅、氮化硅、氮氧化硅、或锗；所述第二渐变波导的材料为多晶硅、氮化硅、氮氧化硅、或锗。
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| CN202320559890.4U CN219496722U (zh) | 2023-03-21 | 2023-03-21 | 一种多层结构层间耦合器 |
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| CN219496722U true CN219496722U (zh) | 2023-08-08 |
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Family Applications (1)
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2023
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