CN113900181A - 一种波导边缘集成耦合器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波导边缘集成耦合器及其制备方法。耦合器结构包括PIC器件平台、SOI波导结构和硅微透镜；光线在PIC器件平台经SOI波导结构传输并出射，硅微透镜对光束进行模斑转换，改变光线轨迹并限制光线入射纤芯的角度，然后光线经空间传播后入射单模光纤纤芯。耦合器制备方法分为四个步骤，首先，设计并仿真SOI结构，得到波导出射的模式特性；其次，对透镜参数进行设计；接着，将耦合器与单模光纤进行联合仿真，得到理论耦合效率；最后，根据设计完成耦合结构制作，经实际的有源测试结果完成优化，确定最终参数和耦合方案。相比于分立式耦合，该耦合器的整体结构可在集成光路芯片平台集成，工艺简单，便于封装。
Description
技术领域
本发明涉及硅光子集成技术领域，具体涉及一种耦合器及其制备方法。
背景技术
高速光通信的发展的同时推动着硅基光子学的进步，通信器件追求更高速、更大的带宽容量，也有更高集成度的需求。半导体光子器件尤其是硅光子器件的前景广阔，其中半导体器件中光的输入和输出经常采用硅波导结构完成，但是对外传输则经常需要耦合到光纤中去进行长距离传播，因此实现硅波导和单模光纤的高效耦合是提高器件/***的集成度需要解决的关键问题。
在光子集成(PIC)器件中经常可见分立式的透镜结构用于半导体器件和光纤的光路耦合，常用的分立式透镜为二氧化硅材料的透镜，难以与硅波导进行集成，且其尺寸较大，通常在远场进行耦合，导致光路***体积较大，不利于封装，且非阵列化耦合的成本较高，难以满足单元集成的效益需求。
发明内容
本发明目的是提供一种用于实现PIC器件中近场光路从硅波导至单模光纤有效耦合的波导边缘集成耦合器及其制备方法，旨在使用微小尺寸结构和在近场解决波导/纤芯的模斑尺寸失配、高折射率差而带来的耦合损耗问题，从而实现波导和单模光纤的有效耦合。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种波导边缘集成耦合器，该耦合器包括PIC器件平台、SOI(绝缘体上硅)波导结构和硅微透镜；该硅微透镜与该SOI波导结构为同一衬底集成于PIC器件平台；该硅微透镜位于SOI波导结构的出光端面边缘；该SOI波导结构在PIC器件平台中能够作为各种不同结构的硅基波导的光输出端，即SOI波导结构可用于光线的传输，也可仅作为硅基波导的输出端使用。该耦合器的具体耦合过程为：光信号在PIC器件平台经SOI波导传输并出射，硅微透镜对光束进行一定程度的模斑转换，改变光线轨迹并限制光线入射纤芯的角度，然后光线经空间传播后入射纤芯。
进一步的，该SOI结构包括衬底层、氧化埋层、脊波导外脊层、脊波导内脊层；该衬底层、氧化埋层、脊波导外脊层、脊波导内脊层自下而上依次堆叠；该衬底层材料为Si，该氧化埋层材料为SiO2，该波导外脊层、脊波导内脊层材料为Si；该波导外脊层、脊波导内脊层之上可存在其他材料的覆层。
进一步的，该SOI波导结构采用单模传输方式；脊波导外脊层厚度d、脊波导内脊层厚度h满足单模条件，即d＝γ×h,γ>0.5；该SOI波导结构的整体长度大于所设计的SOI结构的稳定单模长度；该SOI结构的稳定单模长度是指光线经过SOI波导结构传输，最终传输并参与耦合的光模式为稳定的单模模式或者基模模式时，此时的SOI波导结构长度。
进一步的，该硅微透镜位于SOI波导结构出光端面边缘，与SOI波导结构紧密贴合但不局限于贴合集成方式，即波导与微透镜后端面可存在短的间隔D1。该间隔D1应趋近于0μm以实现硅微透镜与波导结构的紧密贴合，若硅微透镜不与波导紧密贴合，则其波导端面位置应位于透镜物方焦距附近，此时入射光束的束腰直径为w0，入射光束腰位置与透镜距离为din。该硅微透镜与脊型波导的内脊层的对准形式为中心对准，面形为非球，材料为Si。
进一步的，该硅微透镜端面与单模光纤端面均有增透处理，以减小波导出射光束经空气入射纤芯的菲涅尔反射损失，使得该损失不超过1％。
进一步的，该硅微透镜端面与单模光纤端面的近场耦合距离不超过100μm，并且耦合距离D2满足：0≤D2≤|dout±ZR|的设计容限，式中dout为像方束腰位置与透镜的距离，ZR为像方高斯光束的瑞利距离,ZR＝πw0′2/4λ，w0′为像方束腰直径大小，λ为光波长；
进一步的，耦合结构与纤芯应保持(x，y)截面中心对准，Z向入射无夹角。
为了实现本发明目的，本发明还提供了一种波导边缘集成耦合器制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一、设计并仿真采用单模传输的SOI波导结构，根据SOI波导的结构参数得到波导出射光的模式特性；
步骤二、根据单模光纤参数及近场耦合距离要求对硅微透镜的结构参数进行设计，通过理论计算和数值模拟得到出射光的高斯光束参数；
步骤三、将耦合器整体结构与单模光纤进行联合仿真，得到理论耦合效率；
步骤四、根据步骤一和步骤二中得出的SOI波导结构、硅微透镜结构的理论设计参数完成耦合结构制作；经实际的有源测试结果对所述设计参数进行调试优化以得到相应的耦合效率和满足实际耦合需求的错位容限，并根据优化后的SOI波导的结构参数和硅微透镜的结构参数制备具体PIC平台的波导边缘集成耦合器。
进一步的，步骤一中所述SOI波导的结构参数包括衬底层、氧化埋层、脊波导外脊层、脊波导内脊层各层的厚度与使用的材料；所述波导出射光的模式特性包括偏振、能量分布、光斑尺寸。
进一步的，步骤二中所述单模光纤参数包括模场直径MFD、数值孔径NA、折射率分布n-profile；所述近场耦合距离要求是指不超过100μm,并且耦合距离D2满足：0≤D2≤|dout±ZR|的设计容限，式中dout为像方束腰位置与透镜的距离，ZR为像方高斯光束的瑞利距离,ZR＝πw0′2/4λ，w0′为像方束腰直径大小，λ为光波长；所述硅微透镜的结构参数包括前曲率R、厚度、面形尺寸；所述出射光的高斯光束参数包括腰斑尺寸、光斑形状、空间位置、瑞利距离、发散角、能量分布。
进一步的，步骤三中的仿真方法为光束传播法BPM或时域有限差分法FDTD。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1)使用小尺寸结构和在近场解决波导/单模光纤模斑匹配和高折射率差带来的耦合损耗问题，避免了远场能量损失；2)边缘集成的方式提高了单元集成度，降低封装难度，同时可减小硅光子器件体积；3)相比于分立耦合方式，非阵列化耦合的成本优势明显。
为更清楚说明本发明权利要求、发明内容该的器件的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是波导边缘集成耦合器结构示意图；
图2是SOI波导结构示意图；
图3是硅微透镜前后腰斑关系图；
图4是光场耦合过程示意图；
图5是耦合距离与耦合效率关系曲线图；
图6是端面错位与耦合效率关系等高线图；
附图标记为：1、PIC器件平台，2、SOI波导结构，3、硅微透镜，4、单模光纤，2a、衬底层，2b、氧化埋层，2c、脊波导外脊层，2d脊波导内脊层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1-6所示，本发明提供了一种波导边缘集成耦合器及制备方法，用于实现PIC器件平台中近场光路从硅波导至单模光纤的有效耦合。
本实施例设计了脊波导内脊层尺寸为3μm×3μm的SOI波导结构与芯径8.6μm的单模光纤在1550nm波长光下100μm近场距离耦合的边缘集成耦合结构，具体内容如下:
如图1所示，本波导边缘集成耦合器包括PIC器件平台、SOI波导结构、硅微透镜、单模光纤；该硅微透镜与该SOI波导结构集成于同一衬底，且述硅微透镜位于该SOI波导结构的出光面边缘。
如图2所示，SOI波导结构包括衬底层、氧化埋层、脊波导外脊层、脊波导内脊层，其中脊波导外脊层厚度为d、脊波导内脊层厚度为h，脊波导内脊层宽度为w，脊波导外脊层厚度d、内脊层厚度h满足单模条件，即d＝γ×h，γ>0.5。按照稳定单模条件，设计SOI波导结构，具体参数为：脊波导内脊层宽度和厚度：w＝h＝3μm，脊波导外脊层厚度：d＝1.8μm，氧化埋层厚度为1.2μm，衬底层厚度为2μm。衬底层材料为Si，氧化埋层材料为SiO2，脊波导层材料为Si；脊波导层之上为空气。
如图3所示，Z轴表示光线传播方向，经过时域有限差分法(FDTD)计算像方腰斑位置关系，本实施例所设计的硅微透镜与波导紧密贴合，即D1＝0μm，此时入射光束束腰直径w0与SOI波导出射光模斑大小相近，约为3.5μm，入射束腰位置与透镜距离din＝0μm。本实施例中，脊波导模斑/纤芯模场尺寸(MFD)约为3.5μm/9.89μm,按照模斑匹配要求设计了硅微透镜3结构，具体参数为：前曲率R＝25μm，厚度30μm，面形尺寸为10μm×10μm，材料为Si。经计算，该透镜像方有效焦距约为13μm，光束经该透镜出射后，像方束腰直径w0′约为10.6μm，与单模光纤模场直径大小MFD匹配，瑞利距离ZR约为40μm，像方束腰位置与透镜的距离dout约为18μm，耦合距离D2的理论设计容限满足：0≤D2≤58μm，在该范围可达80％以上的耦合效率。
如图4所示，光束由脊波导出射经过微透镜改变光束传播路径并进行一定程度的模斑转换，经空间传播后入射单模光纤纤芯。使用光束传播算法(BPM)计算沿Z方向的由脊波导到单模光纤纤芯中的光场分布。具体过程为：将SOI结构、硅微透镜、单模光纤进行联合仿真，光束传播沿Z方向；脊波导/纤芯模场尺寸约为3.5μm/9.89μm；1550nm波长下脊波导/纤芯折射率分布为3.45/1.4682。同时，微透镜和光纤端面进行增透处理，反射损耗控制在1％内。
如图5所示，得到耦合距离D2与耦合效率的关系曲线，可见在该本实施例中，1dB耦合范围为0μm至60μm，且在40μm内可达到90％以上的耦合效率，在近场的100μm内可保证68％的耦合效率。
如图6所示，考虑实际耦合中会存在端面错位造成的耦合损耗，通过设置单模光纤和SOI波导截面的错位参数，仿真在端面平行情况下的错位损耗容限，得到端面错位与耦合效率关系等高线图。可见在(x,y)截面上，对于y方向的偏移更加敏感，且横向偏移量δx、纵向偏移量δy均<1.5μm时可有80％以上的耦合效率。
最终可根据本实施例的设计结构完成耦合器件制作，经实际的有源测试结果对所述设计参数进行调试优化以得到相应的耦合效率和满足实际耦合需求的错位容限，并根据优化后的SOI波导的结构参数和硅微透镜的结构参数制备具体PIC平台的波导边缘集成耦合器。
Claims (10)
1.一种波导边缘集成耦合器，其特征在于，该耦合器包括PIC器件平台(1)、SOI波导结构(2)和硅微透镜(3)；所述硅微透镜(3)与所述SOI波导结构(2)为同一衬底集成于PIC器件平台(1)；所述硅微透镜(3)位于SOI波导结构(2)的出光端面边缘；光线在所述PIC器件平台(1)经所述SOI波导结构(2)出射，所述硅微透镜(3)对光束进行模斑转换，改变光线轨迹并限制光线入射纤芯的角度，然后光线经空间传播后入射单模光纤(4)纤芯。
2.根据权利要求1所述的一种波导边缘集成耦合器，其特征在于，所述SOI结构(2)包括衬底层(2a)、氧化埋层(2b)、脊波导外脊层(2c)、脊波导内脊层(2d)；所述衬底层(2a)、氧化埋层(2b)、脊波导外脊层(2c)、脊波导内脊层(2d)自下而上依次堆叠；所述衬底层(2a)材料为Si，所述氧化埋层(2b)材料为SiO2，所述脊波导外脊层(2c)、脊波导内脊层(2d)材料为Si；所述脊波导外脊层(2c)、脊波导内脊层(2d)之上能够存在其他材料的覆层。
3.根据权利要求2所述的一种波导边缘集成耦合器，其特征在于，所述SOI波导结构(2)采用单模传输方式；所述脊波导外脊层(2c)厚度d、脊波导内脊层(2d)厚度h满足单模条件，即d＝γ×h，γ>0.5；所述SOI波导结构(2)的整体长度大于SOI波导的稳定单模长度；所述SOI波导的稳定单模长度是指光线经过SOI波导结构(2)传输，最终传输并参与耦合的光模式为稳定的单模模式或者基模模式时，此时SOI波导结构(2)的长度。
4.根据权利要求2所述的一种波导边缘集成耦合器，其特征在于，所述硅微透镜(3)与所述SOI波导结构(2)出光端面之间的间隔为D1，D1取值≥0μm且≤所述硅微透镜(3)的焦距长度；所述硅微透镜(3)与所述脊波导内脊层(2d)的对准形式为中心对准，所述硅微透镜(3)面形为非球，材料为Si。
5.根据权利要求1所述的一种波导边缘集成耦合器，其特征在于，所述硅微透镜(3)端面与所述单模光纤(4)端面均有增透处理，以减小波导出射光束经空气入射纤芯的菲涅尔反射损失，使得该损失不超过1％。
6.根据权利要求1所述的一种波导边缘集成耦合器，其特征在于，所述硅微透镜(3)端面与所述单模光纤(4)端面的近场耦合距离不超过100μm，并且耦合距离D2满足：0≤D2≤|dout±ZR|的设计容限，式中dout为像方腰斑位置与透镜的距离，ZR为像方高斯光束的瑞利距离，ZR＝πw0′2/4λ，w0′为像方束腰直径大小，λ为光波长。
7.一种波导边缘集成耦合器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、设计并仿真采用单模传输的SOI波导结构，根据SOI波导的结构参数得到波导出射光的模式特性；
步骤二、根据单模光纤参数及近场耦合距离要求对硅微透镜的结构参数进行设计，通过理论计算和数值模拟得到出射光的高斯光束参数；
步骤三、将耦合器整体结构与单模光纤进行联合仿真，得到理论耦合效率；
步骤四、根据步骤一和步骤二中得出的SOI波导结构、硅微透镜结构的理论设计参数完成耦合结构制作；经实际的有源测试结果对所述设计参数进行调试优化以得到相应的耦合效率和满足实际耦合需求的错位容限，并根据优化后的SOI波导的结构参数和硅微透镜的结构参数制备具体PIC平台的波导边缘集成耦合器。
8.根据权利要求7所述的一种波导边缘集成耦合器的制备方法，其特征在于，步骤一中所述SOI波导的结构参数包括衬底层、氧化埋层、脊波导外脊层、脊波导内脊层各层的厚度与使用的材料；所述波导出射光的模式特性包括偏振、能量分布、光斑尺寸。
9.根据权利要求7所述的一种波导边缘集成耦合器的制备方法，其特征在于，步骤二中所述单模光纤参数包括模场直径MFD、数值孔径NA、折射率分布n-profile；所述近场耦合距离要求是指不超过100μm,并且耦合距离D2满足：0≤D2≤|dout±ZR|的设计容限，式中dout为像方束腰位置与透镜的距离，ZR为像方高斯光束的瑞利距离,ZR＝πw0′2/4λ，w0′为像方束腰直径大小，λ为光波长；所述硅微透镜的结构参数包括前曲率R、厚度、面形尺寸；所述出射光的高斯光束参数包括腰斑尺寸、光斑形状、空间位置、瑞利距离、发散角、能量分布。
10.根据权利要求7所述的一种波导边缘集成耦合器的制备方法，其特征在于，步骤三中的仿真方法为光束传播法BPM或时域有限差分法FDTD。
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