一种基于硅波导的模斑转换器的制作方法

1.本实用新型涉及硅基光子芯片技术领域，更准确的说涉及一种基于硅波导的模斑转换器。


背景技术：

2.随着现在对于光通信技术的速率、容量的需求越来越高，光子集成器件的研发得到了社会的广泛的关注。目前光子器件的材料很多，其中应用比较广泛的主要包括绝缘体上硅、inp、铌酸锂、化合物半导体。其中，硅具有较大的折射率，绝缘体上硅技术(soi)具有硅和二氧化硅层之间的高折射率对比度，可以使纳米光子器件的尺寸小到几百纳米。由于硅在通信波段是透明的，以硅为芯层的波导器件的光传输损耗可以达到一个比较小的数值。另外基于硅波导的纳米光子器件的工艺与互补金属氧化物半导体(cmos)工艺兼容，使得硅光子集成器件得到了越来越多的关注。
3.影响硅光子器件集成化的一个关键技术就是实现光波导和光纤的高效耦合。以硅为芯层的光波导器件的尺寸为百纳米量级，单模光纤(smf)尺寸为微米量级，相差两个数量级，直接将单模光纤与光波导对接的话会产生很大的耦合损耗。基于硅波导的模斑转换器可以连接硅光集成器件中的光波导与外部光纤，实现较大的耦合损耗和较低的相关损耗，所以得到了广泛的研究。目前国内外关于硅基光子模斑转换器的研究有很多，包括锥型波导、悬臂波导以及光栅耦合器等多种结构类型。其中锥型波导具有设计简单、大带宽、耦合效率高等优点。但是目前锥型波导模斑转换器大多采用单波导的结构，想要实现其与光纤高耦合效率，就需要模斑转换器与光纤连接处的端面尺寸很小，进而增加了加工的难度。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种基于硅波导的模斑转换器，包括氧化物包层、衬底以及硅波导结构，其中硅波导结构在二氧化硅包层内并采用三叉戟的锥型结构，通过硅波导宽度的逐渐缩小，波导对于光的限制作用减弱，当波导宽度缩小到一定程度时，光无法被限制在波导中，就会从波导中溢出，光斑尺寸随之增加，实现波导与光纤之间两种模斑的高效耦合。
5.为了达到上述目的，本实用新型提供一种基于硅波导的模斑转换器，包括氧化物包层、衬底以及硅波导结构，所述衬底在最下方，所述氧化物包层位于所述衬底上方，所述硅波导结构位于氧化物包层中。
6.优选地，所述硅波导结构由三部分波导体间隔一定距离依次排列组成三叉戟结构，包括中间波导体以及两侧波导体。
7.优选地，所述两侧波导体的结构相同，所述两侧波导体到所述中间波导体的距离相同。
8.优选地，所述两侧波导体以及中间波导体均包括依次排列的两段波导，第一段波导与第二段波导紧密连接。
9.优选地，所述两侧波导体和中间波导体的第一段波导及第二段波导的顶面均为平面，所述第一段波导与所述第二段波导的高度相同，所述第一段波导的宽度是逐渐连续变化的，所述第一段波导的输出端的宽度最小，输出端与光纤或激光器连接，所述第一段波导的输入端的宽度最大，所述第二段波导为直波导，所述第二段波导的宽度与所述第一段波导连接处的宽度相同。
10.优选地，所述两侧波导体的输入端面与所述中间波导的第一段波导与第二段波导的连接面在同一平面上。
11.优选地，所述两侧波导体与所述中间波导体的高度相同。
12.本实用新型公开的一种基于硅波导的模斑转换器，采用三叉戟的硅波导结构，三叉戟波导结构使用的三根波导体均采用锥型结构，一方面提高了光纤与光波导之间的耦合效率，另外一方面在保证耦合效率的情况下减小了加工工艺的难度，为以后光子集成器件的发展奠定了基础。
附图说明
13.图1是本实用新型一种基于硅波导的模斑转换器的侧视图。
14.图2是本实用新型一种基于硅波导的模斑转换器的硅波导结构的俯视图。
15.图3是本实用新型一种基于硅波导的模斑转换器的与光纤连接端面的硅波导宽度w1—模斑转换器与直径3μm光纤端面耦合效率的变化曲线以及w1—透过率的变化曲线。
16.图4是本实用新型一种基于硅波导的模斑转换器的中间波导体锥形结构的窄端面宽度w2—透射率的变化曲线。
17.图5是本实用新型一种基于硅波导的模斑转换器的两侧波导体的直波导的宽度w3—透射率的变化曲线。
18.图6是本实用新型一种基于硅波导的模斑转换器的两段锥型波导结构的长度变化分别与透射率的变化曲线。
具体实施方式
19.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
20.如图1所示，本实例提供一种基于硅波导的模斑转换器，包括衬底1、氧化物包层2以及硅波导结构30，氧化物包层2位于衬底1的上方，硅波导结构30位于氧化物包层2中。如图2所示，硅波导结构30为三叉戟结构，由两侧波导体和中间波导体间隔一定距离依次排列构成，两侧波导体由锥型波导301、直波导302、锥型波导303、直波导304组成，中间波导体由锥型波导305和直波导306组成。其中锥型波导301和锥型波导303的结构和尺寸相同，直波导302和直波导304的结构和尺寸相同，两侧波导体到中间波导体的距离相同，整个硅波导结构30从输入端到输出端的高度为固定值不变。与光波导连接部分为模斑转换器的输入端，则与光纤连接端为输出端。直波导302、直波导304的输入端面与锥型波导305的输出端面在同一平面上，直波导302、直波导304和直波导306的波导宽度保持不变。锥型波导301、
锥型波导303以及锥型波导305的波导宽度在输入端最大，从输入端到输出端宽度逐渐减小。
21.在本实施例中，模斑转换器的衬底1和波导结构30选用硅材料，氧化物包层2使用二氧化硅材料，硅波导结构30的厚度h＝220nm，硅波导结构30上方氧化物包层厚度h1＝2μm，硅波导结构30下方包层厚度h2＝3μm，两侧波导体沿光传输方向的中心轴线的距离l＝1μm。通过优化波导的宽度和长度以得到较高的耦合效率。
22.下面对参数设计过程进行描述：
23.首先研究锥型波导301和锥型波导303的宽度最小的端面宽度w1对于耦合效率的影响，宽度w1对于耦合效率的影响主要包括两个方面，一方面影响传输过程的透过率，另外一方面由于锥型波导301和锥型波导303的窄宽度端面与光线或者激光器连接，所以宽度w1还会影响与光纤的耦合效率。图3为宽度w1——模斑转换器与直径3μm光纤端面耦合效率的变化曲线以及宽度w1——透过率的变化曲线。根据宽度w1——透过率变化曲线可以发现，随着w1的增加，透过率越来越高，但是宽度w1——模斑转换器与直径3μm光纤端面耦合效率变化曲线反映出w1》0.15μm时，耦合效率随着宽度的增加而减小，综合两方面的因素，选择宽度w1＝0.16μm，此时模斑转换器与光纤耦合效率为88％，透过率为0.984。根据宽度w1＝0.16μm时模斑转换器与光纤连接的输出端面的场图可以看到，通过使用双侧波导体的结构相对于单个波导结构来说，可以在一定程度上增加模斑尺寸的同时降低加工工艺的难度，进而提高耦合效率。
24.然后研究锥型波导301和锥型波导303的宽度最大的端面宽度w2对于耦合效率的影响，固定宽度w1改变宽度w2时，实质上改变的是锥型波导的宽度变化率，当波导宽度w2的宽度逐渐增加时，锥型波导的宽度变化率逐渐增大，图4为宽度w2——模斑转换器透过率变化曲线，w2在0.2μm～0.3μm的范围内，透射率缓慢增加，当宽度w2＞0.3μm时，器件的透过率就会急剧减小，当w2＝0.4μm时，透过率减小到0.8。当宽度w2＝0.28μm时，透过率最大为0.984。
25.锥型波导305的宽度最小的端面宽度w3尺寸的变化对于耦合效率也会产生影响，图5为宽度w3——模斑转换器透过率变化曲线。根据图5可以发现，锥型波导305的宽度w2的变化会影响透过率，但是w3在0.05μm～0.15μm的范围内，透过率的变化幅度为0.01，透过率变化程度不大。在考虑到工艺方面的问题，当宽度越小时，光刻、刻蚀等方面的加工难度越大，故选用宽度w3＝0.15μm，此时模斑转换器的透过率为0.984。
26.锥型波导的宽度确定之后，研究锥型波导结构长度的变化对于器件耦合效率的影响，分别扫描锥型波导301和锥型波导303的长度l1和锥型波导305的长度l2，得到的l1和l2与透射率的关系曲线如图6所示。根据锥型波导的波导长度与透射率的关系曲线可以发现，当波导长度增加时透射率增加，耦合效率提高。
27.根据波导长度l1与透过率的关系曲线，在扫描长度0～60μm的范围内，在l1＜30μm时，器件的透过率从0.75变化到0.98左右，透过率的变化比较明显；当波导长度l2在大于30μm的范围内逐渐增加时，根据变化曲线可以发现，透过率的增加速率较为缓慢了，长度变化30μm的过程中透射率的变化幅度不超过0.02，考虑到器件后续集成化方面的需求，在不影响耦合效率的情况下，尽量选择较短的波导长度，选用锥型波导301和锥型波导303的波导长度l1为42μm，此时器件的透过率为0.99。
28.根据波导长度l2与透过率的关系曲线，在扫描长度0～60μm的范围内，在l1＜15μm时，器件的透过率从0.2到0.99之间起伏变化，透过率的变化幅度较大，且透过率不稳定；当波导长度l2在大于15μm的范围内逐渐增加时，根据l2—透过率变化曲线可以发现，透过率基本上已经趋于稳定了，长度变化45μm的过程中透射率在0.99的上下浮动，幅度变化不超过0.01，同样考虑到器件集成的因素，选用锥型波导305的波导长度l2为30μm，此时模斑转换器的透过率为0.99。
29.模斑转换器在上述选定尺寸(w1＝0.16μm，w2＝0.15μm，w3＝0.28μm，l1＝42μm，l2＝30μm)下在水平方向te模的场图，可以观察到te模在器件内部的传输过程，根据场图也可以看到一个较为明显的三叉戟的形状，te模从中间波导体的直波导306的输入端进入模斑转换器，当传输到两侧波导体直波导302和304的输入端面位置时，光逐渐耦合到两侧波导体中传输，光在两侧波导体锥型波导的宽度减小的过程中，光逐渐无法被束缚在波导中，模斑尺寸也随之变大，进而实现与输出端连接光纤的高效耦合。

技术特征：
1.一种基于硅波导的模斑转换器，其特征在于，包括氧化物包层、衬底以及硅波导结构，所述衬底在最下方，所述氧化物包层位于所述衬底上方，所述硅波导结构位于氧化物包层中；所述硅波导结构由三部分波导体间隔一定距离依次排列组成三叉戟结构，包括中间波导体以及两侧的波导体。2.根据权利要求1所述的一种基于硅波导的模斑转换器，其特征在于，两侧的波导体上下对称，且两侧的波导体到所述中间波导体的距离相同。3.根据权利要求1所述的一种基于硅波导的模斑转换器，其特征在于，两侧的波导体以及中间波导体均包括依次排列的两段波导，第一段波导与第二段波导紧密连接。4.根据权利要求3所述的一种基于硅波导的模斑转换器，其特征在于，所述第一段波导及第二段波导的顶面均为平面，所述第一段波导与所述第二段波导的高度相同，所述第一段波导的宽度是逐渐连续变化的，所述第一段波导的输出端的宽度最小，输出端与光纤或激光器连接，所述第一段波导的输入端的宽度最大，所述第二段波导为直波导，所述第二段波导的宽度与所述第一段波导连接处的宽度相同。5.根据权利要求4所述的一种基于硅波导的模斑转换器，其特征在于，两侧的波导体的输入端面与所述中间波导的第一段波导与第二段波导的连接面在同一平面上。6.根据权利要求1所述的一种基于硅波导的模斑转换器，其特征在于，两侧的波导体与中间波导体的高度相同。

技术总结
本实用新型公开了一种基于硅波导的模斑转换器，属于硅基光子芯片技术领域；其包括氧化物包层、衬底和硅波导结构，其中硅波导结构在二氧化硅包层内并采用三叉戟的结构。三叉戟结构硅波导的输入端为单个波导，与输入光波导连接，输出端为双波导，与光纤对接在一起，模斑转换器输出端通过采用这种三叉戟的结构可以提高波导与光纤之间的耦合效率。三叉戟硅波导的传输部分采用锥形的结构，通过硅波导宽度的逐渐缩小，波导对于光的限制作用减弱，当波导宽度缩小到一定程度时，光无法被限制在波导中，就会从波导中溢出，光斑尺寸随之增加，实现波导与光纤之间两种模斑的高效耦合。波导与光纤之间两种模斑的高效耦合。波导与光纤之间两种模斑的高效耦合。


技术研发人员：杨瑾 于文琦 李少波 梁晓东 马向 齐合飞 刘博缘 何剑涛
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/9/1