CN115755275A - 一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件 - Google Patents
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Abstract
一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，包括SOI基体和集成于SOI基体上表面的波导模式转换装置；所述波导模式转换装置以SOI基体长度方向的中心线轴对称分布；所述波导模式转换装置包括沿光路依次连接的条形输入波导、带有微刻蚀结构的模式转换波导和狭缝输出波导；输入所述条形输入波导的光场模斑表现为高斯模式，经由模式转换波导时，受到微刻蚀结构的调制从而转换至狭缝波导模式，被调制为狭缝波导模式的光进一步耦合至狭缝输出波导中，并最终输出所述小型化狭缝波导模式转换器件。本发明实现了极低损耗的条形波导‑狭缝波导间模式转换与传输，在条形波导与狭缝波导之间建立平滑的连接。
Description
技术领域
本发明涉及集成光电子领域，尤其涉及一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件。
背景技术
随着集成电路中数据传输的带宽和功率密度限制越来越明显，基于CMOS的电子计算硬件正在接近计算速度和能效的极限。相比之下。集成光学场景已显示出以低功耗实现超快和宽带信息处理的前景，这可以绕过受半导体技术的物理极限导致的电学瓶颈。该领域已报道了各种应用，如芯片级光信号处理、通信和模拟计算，以及量子、光通信和光通信领域的新兴技术，然而，集成光路中最基本的传统光波导的局限性阻碍了光子集成技术的最新进展，与此同时，光子芯片日益提高的集成度对其中结构单元的小型化提出了更高的要求。
狭缝波导结构通过在两个高折射率硅波导缝隙之间嵌入低折射率材料，可实现在纳米级尺寸的低折射率材料构成的特殊光波导结构中光的限制和传输。这种特殊的波导结构具有严格的模式限制和优良的光场束缚能力，可以极大提高光与物质的相互作用，相比常规光波导实现了集成度的有效提高，更有利于器件在芯片上的紧凑集成，因此在光学传感、高速调制、偏振控制和非线性光学等领域具有重要应用。然而，狭缝波导传输损耗几乎比条形波导大一个数量级，不可能在全部的集成光路中都是用狭缝波导进行信号的传输处理，一般仅在需要狭缝波导的功能区(如高速电光调制器)处使用狭缝波导结构，而芯片的其他部分则使用传统的条形波导。由于狭缝波导的(非高斯模)与条形波导(高斯模)之间的光模失配，在这两种波导之间采用直接对接耦合的效率较低，这阻碍了狭缝波导在集成光子学的进一步应用。
为了解决两种波导模式的模场匹配问题，实现低损耗模场转化，国内外学者提出了很多研究方案。如引入光滑的曲线形状结构，从而实现模式间的有效耦合，然而这种结构对制造工艺提出了较高的要求，曲线形状必须形状良好，否则将导致耦合效率显著下降。另一种方法是利用多模干涉(MMI)方案，设计出有利于制造的条形波导-狭缝波导模式转换器件，但是这种方案由于波导的突变产生了反射，耦合效率同样有所降低，同时，基于多模干涉方案的器件一般具有较大的占地面积，不利于器件在片上的紧凑集成。
发明内容
基于上述问题，为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种集成度高、制备工艺简单且损耗极小的基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件。
本发明采用的技术方案是：一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，包括SOI基体和集成于SOI基体上表面的波导模式转换装置；所述波导模式转换装置以SOI基体长度方向的中心线轴对称分布；
所述波导模式转换装置包括沿光路依次连接的条形输入波导、带有微刻蚀结构的模式转换波导和狭缝输出波导；输入所述条形输入波导的光场模斑表现为高斯模式，经由模式转换波导时，受到微刻蚀结构的调制从而转换至狭缝波导模式，被调制为狭缝波导模式的光进一步耦合至狭缝输出波导中，并最终输出所述小型化狭缝波导模式转换器件。
进一步，所述条形输入波导的材料为硅，条形输入波导用于低损耗地输入高斯模斑的输入光，条形输入波导的输出端连接至模式转换波导的输入端。
进一步，所述带有微刻蚀结构的模式转换波导包括硅波导和刻蚀在硅波导上的二氧化硅刻蚀圆柱孔阵列，通过二氧化硅刻蚀圆柱孔阵列将高斯模式的光斑调制为狭缝波导模式；所述带有微刻蚀结构的模式转换波导的输出端连接至狭缝输出波导的输入端。
进一步，所述二氧化硅圆柱孔阵列包括若干个等直径的微刻蚀圆柱孔，所述微刻蚀圆柱孔垂直于条形输入波导以及模式转换波导中硅波导部分刻蚀，其刻蚀深度与条形输入波导的高度相等；若干个等直径的微刻蚀圆柱孔沿模式转换波导中光传输方向中心线等间距分布，微刻蚀圆柱孔用于高斯模输入光的模式调制。
进一步，所述狭缝输出波导为三层结构，将狭缝输出波导的长度方向称为左右方向，宽度方向称为前后方向；所述三层结构中的前侧层、后侧层材料为硅；三层结构中的中间层为狭缝，狭缝的材料为二氧化硅。
进一步，所述模式转换波导中硅波导的高度和宽度与所述条形输入波导的高度和宽度相一致。
进一步，所述二氧化硅圆柱孔阵列中每个微刻蚀圆柱孔的直径为100nm，相邻两个微刻蚀圆柱孔的圆心间隔为150nm；其中位于最右侧的微刻蚀圆柱孔与狭缝输出波导之间的距离为60nm。
进一步，所述狭缝输出波导中狭缝深度与所述条形输入波导的高度相等。
进一步，所述狭缝输出波导中狭缝的宽度为80nm～100nm。
进一步，所述波导模式转换装置外层覆盖有保护膜，保护膜的材料为二氧化硅。
进一步，由于光路可逆，所述狭缝波导模式转换器件可以逆向应用于狭缝波导-条形波导模式转换。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，实现了极低损耗的条形波导-狭缝波导间模式转换与传输，在条形波导与狭缝波导之间建立平滑的连接。这种低损耗的模式转换器有助于狭缝波导在光学传感、高速调制和非线性光学领域的广泛应用。
(2)本发明有力促进了硅基条形波导-狭缝波导模式转换器件的小型化。本发明提出的硅基条形波导-狭缝波导模式转换器件，长度仅为百纳米级别，宽度与波导宽度相当。首先，这种极小型化的模式转换器件，有助于有效提高硅基光电子芯片的集成度。同时，由于每个器件在芯片上的实际面积减小，有效降低了单个器件的制备成本，提升了与现有CMOS工艺的兼容度。
(3)本发明提出了一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件的实现方案，易于制造和扩展。
附图说明
图1为本发明一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件的结构示意图。
图2为本发明一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件的俯视图。
图3为本发明一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件的截面示意图。
图4为本发明一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件对应高斯模光输入时器件中光场分布的仿真结果示意图。
图5为本发明一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件与直接耦合的耦合效率对比仿真计算结果示意图。
附图标记说明：1-SOI基体，2-波导模式转换装置，21-条形输入波导，22-模式转换波导，221-二氧化硅刻蚀圆柱孔，23-狭缝输出波导。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”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，如出现术语“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。
图1中示意出了本发明一实施例中的基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器的结构示意图。如图1所示，本实施例中的狭缝波导模式转换器包括：自下而上的SOI基体1和波导模式转换装置2，其中，所述波导模式转换装置2由条形输入波导21、模式转换波导22以及狭缝输出波导23构成，所述模式转换装置22包含4个嵌入波导中的二氧化硅刻蚀圆柱孔221。在本实施例中，所述基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件的占地面积最小可至0.45×0.6um2。
具体而言，所示SOI基体1的厚度例如为5um-200um。
所述波导模式转换装置2，其整体长度与所述SOI基体1大致相等，集成于所述SOI基体1的上表面，且以所述SOI基体1的长度方向的中心线轴对称分布。
进一步地，所述波导模式转换装置2，该装置外覆盖有SiO2保护膜。
继续参考图1所示，所述波导模式转换装置2，由条形输入波导21、模式转换波导22以及狭缝输出波导23沿光路传播方向依次连接构成。输入条形波导21的光场模斑表现为高斯模式，经由模式转换波导22时，受到嵌入波导中的二氧化硅刻蚀圆柱孔221的调制从而转换至狭缝波导模式(非高斯模)，被调制为狭缝波导模式的光进一步高效耦合至狭缝输出波导23中并最终输出该小型化狭缝波导模式转换器件。
进一步地，所述条形输入波导21，其材料为硅，波导高度为220nm，波导宽度为600nm。用于低损耗地输入高斯模斑的输入光，所述条形输入波导21的输出端连接至所述模式转换波导22的输入端。
进一步地，所述模式转换波导22，其材料为硅波导-二氧化硅刻蚀圆柱孔，用于通过二氧化硅圆柱孔阵列221将光斑调制为狭缝波导模式，所述模式转换波导22的输出端连接至所述狭缝输出波导23的输入端，所述模式转换波导22中硅波导部分的高度与宽度与所述条形输入波导21相一致。
具体而言，所述二氧化硅圆柱孔阵列221，其包含4个等直径的微刻蚀圆柱孔，垂直于所述条形输入波导21以及模式转换波导22中硅波导部分刻蚀，刻蚀深度与所述条形输入波导21的高度相等。所述4个等直径的微刻蚀圆柱孔沿所述波导模式转换装置2中光传输方向中心线等间距分布，用于高斯模输入光的模式调制。
进一步地，所述二氧化硅圆柱孔阵列221，其直径为100nm，每个相邻圆柱孔的圆心间隔为150nm。其中，最右侧圆柱孔的圆心与狭缝输出波导23之间的距离为60nm。
进一步地，所述狭缝输出波导23，其材料结构为硅-二氧化硅-硅，中心低折射率狭缝材料为二氧化硅，狭缝深度与所述条形输入波导21的高度相等，狭缝宽度为100nm。
为了验证本发明在实际应用中的效果，通过以下仿真实验进行说明：
本实验采用时域有限差分法(FDTD)进行计算分析，仿真实验中，条形输入波导21中的输入光场主要参数包括：输入光中心波长为1310nm，带宽为100nm，输入光场的传播模式为TE0阶模式。
参考图4所示，首先考虑对应基模光从条形输入波导21传入时，不经过所述基于亚波长结构的狭缝模式转换波导22，而直接耦合到对应狭缝输出波导23的情况。仿真结果表明，不使用所述基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器的情况下，在1260nm至1360nm波段，直接耦合的光透射率在0.923至0.928之间浮动，对应耦合损耗的范围：0.325dB至0.348dB。当使用所述基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器，即在对应条形输入波导21与狭缝输出波导23之间***基于亚波长结构的狭缝模式转换波导22之后，在1260nm至1360nm波段，模式耦合的光透射率在0.982至0.986之间浮动，对应耦合损耗的范围：0.061dB至0.078dB。考虑到在相关基于狭缝波导的调制器、传感器等器件的实际应用中，往往需要多次进行基模-狭缝模式之间的光场转换，模场转换过程中的损耗将不可忽视。例如，在进行10次基模-狭缝模式之间的模场转换后，直接耦合的损耗将大于3dB，而采用本发明提出的基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件之后，模式耦合的损耗将减少至0.8dB以下。
综上，本发明提供了一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，可以在狭缝波导和条形波导之间建立平滑的连接，实现了低损耗的模式转换和传输。该器件具有以下特点：i)模场转换过程具有超低损耗，单次转换过程损耗低于0.08dB；ii)波长不敏感，在1260nm至1360nm之间100nm带宽的波长范围内，模式耦合的光透过率均大于0.982，损耗均小于0.08dB；iii)本发明提出的器件尺寸十分紧凑，占地面积仅为0.45×0.6um2；iv)本发明无需制造复杂且精密的曲面结构，亦无需引入多模耦合(MMI)等其他器件，易于制造和扩展。基于以上特点，本发明有望在光学传感、高速调制、非线性光学等应用场合下发挥出重要作用。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (11)
1.一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，其特征在于：包括SOI基体(1)和集成于SOI基体(1)上表面的波导模式转换装置；所述波导模式转换装置以SOI基体(1)长度方向的中心线轴对称分布；
所述波导模式转换装置包括沿光路依次连接的条形输入波导(21)、带有微刻蚀结构的模式转换波导(22)和狭缝输出波导(23)；输入所述条形输入波导(21)的光场模斑表现为高斯模式，经由模式转换波导(22)时，受到微刻蚀结构的调制从而转换至狭缝波导模式，被调制为狭缝波导模式的光进一步耦合至狭缝输出波导(23)中，并最终输出所述小型化狭缝波导模式转换器件。
2.如权利要求1所述的一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，其特征在于：所述条形输入波导(21)的材料为硅，条形输入波导(21)用于低损耗地输入高斯模斑的输入光，条形输入波导(21)的输出端连接至模式转换波导(22)的输入端。
3.如权利要求2所述的一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，其特征在于：所述带有微刻蚀结构的模式转换波导(22)包括硅波导和刻蚀在硅波导上的二氧化硅刻蚀圆柱孔阵列，通过二氧化硅刻蚀圆柱孔阵列(221)将高斯模式的光斑调制为狭缝波导模式；所述带有微刻蚀结构的模式转换波导(22)的输出端连接至狭缝输出波导(23)的输入端。
4.如权利要求3所述的一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，其特征在于：所述二氧化硅圆柱孔阵列(221)包括若干个等直径的微刻蚀圆柱孔，所述微刻蚀圆柱孔垂直于条形输入波导(21)以及模式转换波导(22)中硅波导部分刻蚀，其刻蚀深度与条形输入波导(21)的高度相等；若干个等直径的微刻蚀圆柱孔沿模式转换波导(22)中光传输方向中心线等间距分布，微刻蚀圆柱孔用于高斯模输入光的模式调制。
5.如权利要求4所述的一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，其特征在于：所述狭缝输出波导(23)为三层结构，将狭缝输出波导(23)的长度方向称为左右方向，宽度方向称为前后方向；所述三层结构中的前侧层、后侧层材料为硅；三层结构中的中间层为狭缝，狭缝的材料为二氧化硅。
6.如权利要求5所述的一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，其特征在于：所述模式转换波导(22)中硅波导的高度和宽度与所述条形输入波导(21)的高度和宽度相一致。
7.如权利要求5所述的一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，其特征在于：所述二氧化硅圆柱孔阵列(221)中每个微刻蚀圆柱孔的直径为100nm，相邻两个微刻蚀圆柱孔的圆心间隔为150nm；其中位于最右侧的微刻蚀圆柱孔与狭缝输出波导(23)之间的距离为60nm。
8.如权利要求5所述的一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，其特征在于：所述狭缝输出波导(23)中狭缝深度与所述条形输入波导(21)的高度相等。
9.如权利要求5所述的一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，其特征在于：所述狭缝输出波导(23)中狭缝的宽度为80nm～100nm。
10.如权利要求5所述的一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，其特征在于：所述波导模式转换装置外层覆盖有保护膜，保护膜的材料为二氧化硅。
11.如权利要求5所述的一种基于亚波长结构的小型化狭缝波导模式转换器件，其特征在于：由于光路可逆，所述狭缝波导模式转换器件可以逆向应用于狭缝波导-条形波导模式转换。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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