一种基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器制造技术

一种基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器，属于集成光电子学技术领域。该三维边缘耦合器从下至上依次由基底层、下包层、下层条带、第一中间包层、中间波导芯层、第二中间包层、上层条带和上包层组成，下层条带与上层条带的结构与尺寸完全相同，在与光传输方向垂直的截面上，下层条带、上层条带与中间波导芯层垂直对准。下包层、第一中间包层、第二中间包层、上包层为低折射率的二氧化硅，下层条带、中间波导芯层、上层条带为高折射率的二氧化硅，基底层为硅。该三维边缘耦合器用于集成光子芯片与光纤的耦合连接，实现单模光纤与二氧化硅波导间的光信号耦合。该器件在光通信、高性能计算机、光学传感等领域具有重要的应用价值和发展前景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器


[0001]本专利技术属于集成光电子学
，具体涉及一种基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器。该三维边缘耦合器用于集成光子芯片与光纤的耦合连接，实现单模光纤与二氧化硅波导间的光信号耦合。该器件在光通信、高性能计算机、光学传感等领域具有重要的应用价值和发展前景。

技术介绍

[0002]光子芯片可应用于通信网络、数据中心及光计算等领域。在光子学中，功能集成可通过将不同功能元件制作在同一衬底，实现多个单一器件组合所具备的功能，例如将光学组件(波导、光学开关、边缘耦合器、偏振片等)与电学组件(场效应晶体管等)集成，实现光电收发器等功能。光集成芯片的重要指标之一就是光损耗，解决集成光子芯片波导与光纤之间耦合损耗问题，降低由于模场失配导致的光泄露，提高光纤与波导耦合效率，是实现高密度高性能光集成的关键技术。
[0003]边缘耦合器通常用于光纤与光子芯片上光波导的连接耦合。波导器件与光纤结构尺寸相差较大，模场大小及分布不同，所引起的耦合损耗成为光网络损耗的主要因素。该边缘耦合器包括一段小尺寸芯层波导，其波导截面面积小于光纤模场大小，这会导致光纤与边缘耦合器二氧化硅光波导芯层之间的耦合能量损失，耦合效率降低导致的损耗增大。
[0004]边缘耦合器需改进波导材料、结构及制造方法等在内的相关内容，通过优化光纤与波导模场匹配，减少模式失配导致的光损耗，同时增大对准容差，降低成本和工艺难度。
[0005]在过去几十年的研究中，基于二氧化硅材料的集成光学器件取得了巨大进步。二氧化硅材料具有低损耗、高工艺容差、CMOS工艺兼容及同单模光纤模场匹配好等优点，在光通信、光互连和集成光学中得到了广泛的应用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种耦合效率高、结构紧凑利于集成、易于封装、层间对准容差大、耦合效率随波长变化不敏感的基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器。
[0007]本专利技术所述的一种基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器，其特征在于：如图1和图2(a)所示，从下至上依次由基底层(4)、下包层(5)、下层条带(3)、第一中间包层(6)、中间波导芯层(1)、第二中间包层(7)、上层条带(2)和上包层(8)组成，下层条带(3)位于下包层(5)之上且被包覆在第一中间包层(6)之中，中间波导芯层(1)位于第一中间包层(6)之上且被包覆在第二中间包层(7)之中，上层条带(2)位于第二中间包层(7)之上且被包覆在上包层(8)之中；下层条带(3)与上层条带(2)的结构与尺寸完全相同，在与光传输方向垂直的截面上，下层条带(3)、上层条带(2)与中间波导芯层(1)垂直对准，中心位置偏移量为
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3μm～3μm；下包层(5)、第一中间包层(6)、第二中间包层(7)、上包层(8)的材料均为低折射率的二氧化硅，其折射率为1.445；下层条带(3)、中间波导芯层(1)、上层条带(2)的材料均为高折射率的二氧化硅，折射率均为1.481；基底层(4)为硅，折射率为3.455。
[0008]如图2(b)和图2(c)所示，中间波导芯层(1)由锥形耦合波导Core1和输出波导Core2构成；Core1为宽度线性变窄的锥形结构波导，输入端宽度W1＝8μm，输出端宽度W2＝3.5μm，厚度H1＝3.5μm，长度L1＝95μm；Core2为矩形结构直波导，输入端和输出端宽度相同为W2＝3.5μm，厚度H1＝3.5μm，长度L2＝20μm；下层条带(3)和上层条带(2)为结构尺寸相同的矩形结构直波导，两者相对于中间波导芯层(1)对称设置，下层条带(3)位于中间波导芯层(1)的正下方，上层条带(2)位于中间波导芯层(1)的正上方；下层条带(3)和上层条带(2)输入端和输出端宽度相同为W3＝3.5μm，厚度H2＝1.5μm，长度L3＝97μm；下层条带(3)与中间波导芯层(1)之间、上层条带(2)与中间波导芯层(1)之间的二氧化硅中间层的厚度Gap＝0.8μm。
[0009]该三维边缘耦合器的工作原理如下：
[0010]1、波导器件与光纤的耦合效率是指光纤中信号光通过光纤波导耦合器耦合进入波导中的能量占光纤中信号光能量的比例。光纤与二氧化硅光波导的耦合损耗包括波导
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光纤因结构、尺寸不同导致的模式失配损耗，以及光泄露产生的泄露光损耗。当光纤中传输的信号光自中心波导芯层(1)输入，进入宽度线性变窄的耦合波导Core1，根据光模式耦合原理，二氧化硅光波导宽度变窄会导致其所支持光模场尺寸随之下降，即光模场随耦合波导Core1的宽度变窄而被逐渐压缩，从高斯分布的圆锥形光纤模场逐渐过渡到到厄米
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高斯分布的椭圆形波导模场，并自输出波导Core2输出，该渐变波导结构可有效降低模式失配损耗。
[0011]2、当上层条带(2)和下层条带(3)折射率相同或折射率差较小时，如上层条带(2)和下层条带(3)与中心波导芯层(1)沿光传输方向平行排列时，中心波导芯层(1)泄露的光信号会耦合至上层条带(2)和下层条带(3)，经一段距离传输后，光场能量可由上层条带(2)和下层条带(3)耦合回中心波导芯层(1)中，从而抑制中心波导芯层(1)由于光泄露导致的损耗，满足高耦合效率的要求。
[0012]本专利技术所述的一种制备方法，包括：形成中间波导芯层；形成位于该中间波导芯层上方和下方的条带边缘耦合器(即上层条带(2)和下层条带(3))；形成中间包层、下包层和上包层。
[0013]与现有器件相比，本专利技术的有益效果是：相比于传统的锥型模斑转换器，本专利技术所述三维耦合器上、下两个条带可阻止垂直于光传播方向上的光泄露，并且尺寸较小，利于集成与封装。在实现光纤
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波导耦合的不同结构中，该结构耦合效率高、层间对准容差大，且波长不敏感，符合本专利技术技术要求，具有广泛的应用前景。
附图说明
[0014]图1是本专利技术所述的基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器结构示意图；
[0015]图2是本专利技术所述的基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器沿光传输方向的前视图(a)、俯视图(b)和左视图(c)；
[0016]图3(a)是通过时域有限差分法(Finite
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Difference Time
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Domain，FDTD)计算信号光波长为1550nm时，上(下)层条带中心与中心波导芯层(1)中心的垂直距离Z(Z＝(H1+H2)/2+Gap)与耦合效率的关系曲线；图3(b)是通过时域有限差分法计算，信号光波长为1550nm时，上(下)层条带中心与中心波导芯层(1)中心的垂直位置偏移量Y(即层间对准失调)与耦合效率的关系曲线；
[0017]图4是本专利技术所述的基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器的耦合效率随着信号光波长变化曲线；
[0018]图5是信号光从中间波导芯层(1)输入端输入时，该三维边缘耦合器的光场分布图(沿光传输方向xz平面)；
[0019]图6是本专利技术所述的基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器制备工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器，其特征在于：从下至上依次由基底层(4)、下包层(5)、下层条带(3)、第一中间包层(6)、中间波导芯层(1)、第二中间包层(7)、上层条带(2)和上包层(8)组成，下层条带(3)位于下包层(5)之上且被包覆在第一中间包层(6)之中，中间波导芯层(1)位于第一中间包层(6)之上且被包覆在第二中间包层(7)之中，上层条带(2)位于第二中间包层(7)之上且被包覆在上包层(8)之中；下层条带(3)与上层条带(2)的结构与尺寸完全相同，在与光传输方向垂直的截面上，下层条带(3)、上层条带(2)与中间波导芯层(1)垂直对准，中心位置偏移量为
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3μm～3μm；下包层(5)、第一中间包层(6)、第二中间包层(7)、上包层(8)的材料均为低折射率的二氧化硅，下层条带(3)、中间波导芯层(1)、上层条带(2)的材料均为高折射率的二氧化硅，基底层(4)为硅；中间波导芯层(1)由锥形耦合波导Core1和输出波导Core2构成，Core1为宽度线性变窄的锥形结构波导，Core2为矩形结构直波导；下层条带(3)和上层条带(2)为结构尺寸相同的矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙小强，王曼卓，岳建波，吴远大，张大明，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：