CN111175889A - 一种集成光学分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成光学分束器，包括：第一波导；第二波导，第二波导的折射率对比度高于第一波导的折射率对比度；设置在第一波导和第二波导之间的模斑转换器，用于实现第一波导和第二波导之间的模式转换；第一波导包括输入波导和分束结构，第一波导包括顺序设置的第一下包层、第一芯层、第一上包层；第二波导包括输出波导，第二波导包括顺序设置的第二下包层、第一芯层、第二芯层和第二上包层；模斑转换器包括第一下包层、第一芯层、第二芯层和第一上包层。本发明具有如下优点：分束器的输入端可以与标准单模光纤低损耗耦合，并具有高光学非线性阈值；分束器的输出部分可与高集成度的功能器件低损耗耦合。

Description

一种集成光学分束器
技术领域
本发明涉及光学芯片技术领域，具体涉及一种集成光学分束器。
背景技术
硅基集成光学芯片以单晶硅为衬底材料，通过外延生长、沉积、键合、掺杂等方法形成波导包层及芯层结构，通过电子束光刻、紫外光刻及刻蚀、剥离等方式实现波导图形转移，最终制备成具有光电功能的集成器件及***。
与传统空间或光纤光学器件相比，硅基集成光学芯片具有可光电集成、结构紧凑、材料来源广泛、与微电子工艺兼容、易于大批量生产、成本低等优点。随着微电子CMOS工艺的成熟，近年来硅基集成光学芯片在光学通信、传感、显示、计算等领域的应用已逐渐成为热点。
硅基光学芯片集成度的提高，使得所需输入光源功率或光源数量随之增加。
光源数量的增加则会增加芯片的复杂度，耦合封装难度，以及芯片的整体成本。而多个光学元件共用同一光源，则要求输入波导能够承受高功率。当光波导内功率密度过高时，光波导的非线性效应，如双光子吸收、Kerr效应将会使芯片损耗增加，信号畸变，导致芯片性能劣化。当功率密度超过集成波导损伤阈值时，将导致光学结构的不可逆损坏。降低波导内的功率密度，需要增大波导的有效模场面积，而这将使波导的弯曲半径增加，使芯片的集成度下降。
现有技术中，硅/二氧化硅，或氮化硅/二氧化硅材料体系具有较高折射率对比度，单模波导在光通信C-Band模场面积通常在0.5um^2以下，弯曲半径5um-100um，集成度较高，但非线性效应阈值低；折射率对比度较低的掺杂二氧化硅体系，单模波导C-Band模场面积可以达到80um^2以上，非线性效应阈值较高，但集成度低，波导弯曲半径在毫米量级，芯片尺寸较大。
综上，基于现有技术难以制作出可承受高功率光束，同时具有高集成度的硅基光学芯片。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种低损耗的集成光学分束器。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种集成光学分束器，包括：第一波导，所述第一波导具有第一折射率对比度；第二波导，所述第二波导具有第二折射率对比度，所述第二折射率对比度高于所述第一折射率对比度；设置在所述第一波导和第二波导之间的模斑转换器，所述模斑转换器用于实现所述第一波导和所述第二波导之间的模式转换；其中，所述第一波导包括输入波导和分束结构，所述输入波导和所述分束结构包括顺序设置的衬底、第一下包层、第一芯层、第一上包层；所述第二波导包括顺序设置的所述衬底、第二下包层、所述第一芯层、第二芯层和第二上包层，所述第一上包层与所述第二上包层相连，所述第一下包层和所述第二下包层相连；所述模斑转换器包括所述衬底、所述下包层、所述第一芯层、所述第二芯层和所述上包层。
根据本发明实施例的集成光学分束器，分束器的输入端可以与标准单模光纤低损耗耦合，并具有高光学非线性阈值；分束器的输出部分可与高集成度的功能器件低损耗耦合。
另外，根据本发明上述实施例的集成光学分束器还可以具有如下附加的技术特征：
可选地，所述第一上包层与所述第二上包层材料相同且为二氧化硅、掺锗二氧化硅和硼磷共掺二氧化硅的其中之一，所述第一下包层和所述第二下包层材料相同且为二氧化硅、掺锗二氧化硅和硼磷共掺二氧化硅的其中之一。
可选地，所述第一芯层的材料为掺锗二氧化硅、硼磷共掺二氧化硅、氮氧化硅或氮化硅。
可选地，所述第二芯层的材料为硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝或铌酸锂。
可选地，所述第一波导为单模波导，所述第一波导的C-Band模场直径在4um-15um之间。
可选地，所述第二波导为单模波导。
可选地，所述模斑转换器中的所述第二芯层为倒锥形结构。
可选地，所述倒锥形结构为单级倒锥结构或阶梯式多级倒锥结构。
可选地，所述单级倒锥结构的尖端宽度0.1um-1um，长度300um-2000um；所述多级倒锥结构阶梯高度为所述第二波导高度的1/5-1/2，尖端宽度0.1um-1um，长度100um-1000um。
可选地，所述分束结构包括Y分支、多模干涉耦合器、定向耦合器和辐射模耦合器。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例中集成光学分束器的结构示意图；
图2是图1所示集成光学分束器中模斑转换器的侧视图；
图3是图2的俯视图、截面图和模场分部示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，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。
在本发明的描述中，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；可以是机械连接，也可以是电连接；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发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述本发明。
图1是本发明一个实施例中集成光学分束器的结构示意图，图2是图1的侧视图，图3是图2的俯视图、截面图和视场分部示意图。如图1-图3所示，本发明实施例的集成光学分束器，包括：第一波导、第二波导和模斑转换器。
其中，第一波导为低折射率对比度波导，具有第一折射率对比度。第一波导包括输入波导和分束结构。
本发明实施例的分束结构包括但不限于单级1xN分束、多个1xN分束器级联(N≥2)。
输入波导和分束结构包括衬底100、位于衬底100之上的第一下包层200，第一芯层300和第一上包层400。
在本发明的一个实施例中，第一波导为单模波导，第一波导的C-Band模场直径在4um-15um之间，与典型光纤模场直径匹配。
第二波导为高折射率对比度波导，具有第二折射率对比度。第二折射率对比度高于第一折射率对比度。第二波导包括顺序设置的衬底100、第二下包层500、第一芯层300、第二芯层600和第二上包层700。第二上包层700与第一上包层400相连，第二下包层500与第一下包层200相连。
在本发明的一个实施例中，第二波导为单模波导。
在本发明的一个实施例中，第二芯层600的材料为硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝或铌酸锂。高折射率层折射率与包层折射率差的绝对值与高折射率层折射率比值，在20％-60％之间。
模斑转换器位于第一波导和第二波导之间，用于实现第一波导和第二波导之间的模式转换。模斑转换器包括衬底100、第一下包层200、部分第一芯层300、部分第二芯层600和第一上包层400。
在本发明的一个实施例中，模斑转换器包括混合波导芯层，第二芯层600在混合波导芯层的中为倒锥形结构。其中，混合波导芯层低折射率部分的材料、厚度均与第一波导中一致，且位于同一材料层上，高度一致，互相连通；倒锥形结构的材料、厚度均与第二波导中的第二芯层一致，且位于同一材料层上，高度一致，互相连通。
模斑转换器与高折射率对比度波导连接处，混合波导芯层中高折射率部分宽度W2H与高折射率对比度波导芯层宽度WH一致(W2H＝WH)，混合波导芯层中低折射率部分宽度W2L远大于高折射率波导宽度W2H(W2L>>W2H)，此处混合波导的模场接近于高折射率对比度波导，与高折射率对比度波导模式失配较小。
模斑转换器中间过渡区域，混合波导芯层中高折射率部分宽度由W1H渐变为W2H，形成倒锥波导结构，低折射率部分宽度由W1L渐变为W2L。渐变区长度足够大，波导模式变换满足绝热近似，光束模场由接近于低折射率对比度波导的大模场逐渐变为接近于高折射率对比度波导的小模场。
由于模斑转换器与高低折射率波导的模场失配较小，且模场转换过程中辐射损耗较小，因此可以实现低损耗的模场变换。
进一步地，倒锥形结构为单级倒锥结构或阶梯式多级倒锥结构。
进一步地，单级倒锥结构的尖端宽度0.1um-1um，长度300um-2000um；多级倒锥结构阶梯高度为第二波导高度的1/5-1/2，尖端宽度0.1um-1um，长度100um-1000um。
在本发明的一个实施例中，第一下包层200和第二下包层500的厚度范围为6-20um，第一上包层400和第二上包层700的厚度范围为1-8um。
在本发明的一个实施例中，第一芯层300的形状为矩形或脊形。第二芯层600的形状为矩形或脊形。
根据本发明实施例的集成光学分束器，分束器的输入端可以与标准单模光纤低损耗耦合，并具有高光学非线性阈值；分束器的输出部分可与高集成度的功能器件低损耗耦合。
另外，本发明实施例的集成光学分束器的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种集成光学分束器，其特征在于，包括：
第一波导，所述第一波导具有第一折射率对比度；
第二波导，所述第二波导具有第二折射率对比度，所述第二折射率对比度高于所述第一折射率对比度；
设置在所述第一波导和第二波导之间的模斑转换器，所述模斑转换器用于实现所述第一波导和所述第二波导之间的模式转换；
其中，所述第一波导包括输入波导和分束结构，所述输入波导和所述分束结构包括顺序设置的衬底、第一下包层、第一芯层、第一上包层；所述第二波导包括顺序设置的所述衬底、第二下包层、所述第一芯层、第二芯层和第二上包层，所述第一上包层与所述第二上包层相连，所述第一下包层和所述第二下包层相连；所述模斑转换器包括所述衬底、所述下包层、所述第一芯层、所述第二芯层和所述上包层。
2.根据权利要求1所述的集成光学分束器，其特征在于，所述第一上包层与所述第二上包层材料相同且为二氧化硅、掺锗二氧化硅和硼磷共掺二氧化硅的其中之一，所述第一下包层和所述第二下包层材料相同且为二氧化硅、掺锗二氧化硅和硼磷共掺二氧化硅的其中之一。
3.根据权利要求1所述的集成光学分束器，其特征在于，所述第一芯层的材料为掺锗二氧化硅、硼磷共掺二氧化硅、氮氧化硅或氮化硅。
4.根据权利要求1所述的集成光学分束器，其特征在于，所述第二芯层的材料为硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝或铌酸锂。
5.根据权利要求1所述的集成光学分束器，其特征在于，所述第一波导为单模波导，所述第一波导的C-Band模场直径在4um-15um之间。
6.根据权利要求1所述的集成光学分束器，其特征在于，所述第二波导为单模波导。
7.根据权利要求1所述的集成光学分束器，其特征在于，所述模斑转换器中的所述第二芯层为倒锥形结构。
8.根据权利要求7所述的集成光学分束器，其特征在于，所述倒锥形结构为单级倒锥结构或阶梯式多级倒锥结构。
9.根据权利要求8所述的集成光学分束器，其特征在于，所述单级倒锥结构的尖端宽度0.1um-1um，长度300um-2000um；所述多级倒锥结构阶梯高度为所述第二波导高度的1/5-1/2，尖端宽度0.1um-1um，长度100um-1000um。
10.根据权利要求1所述的集成光学分束器，其特征在于，所述分束结构包括Y分支、多模干涉耦合器、定向耦合器和辐射模耦合器。
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