一种大带宽、低损耗的集成硅基Y波导制造技术

本发明专利技术涉及集成硅基Y波导，具体是一种大带宽、低损耗的集成硅基Y波导。本发明专利技术解决了现有集成硅基Y波导带宽小、损耗高、加工误差敏感度高的问题。一种大带宽、低损耗的集成硅基Y波导，包括呈横向设置的主直波导段；主直波导段的右端延伸设置有左窄右宽的锥形波导段；锥形波导段的右端延伸设置有两个过渡直波导段，且两个过渡直波导段呈前后对称分布；两个过渡直波导段之间形成有耦合狭缝；两个过渡直波导段的右端各延伸设置有一个圆弧波导段，且两个圆弧波导段呈前后对称分布；耦合狭缝内填充有亚波长光栅，且亚波长光栅的各个栅条均呈纵向设置。本发明专利技术适用于光通信、光传感领域。光传感领域。光传感领域。

An integrated silicon-based y waveguide with large bandwidth and low loss

【技术实现步骤摘要】
一种大带宽、低损耗的集成硅基Y波导


[0001]本专利技术涉及集成硅基Y波导，具体是一种大带宽、低损耗的集成硅基Y波导。

技术介绍

[0002]近年来，随着硅基光子集成技术的快速发展，集成硅基Y波导在光通信、光传感领域的应用日益广泛。但在现有技术条件下，集成硅基Y波导的分支间隙采用尖角形间隙，导致其存在如下问题：其一，带宽小。其二，在加工过程中，光阻或蚀刻残留物容易残留在尖角形间隙内，由此导致集成硅基Y波导的分光功率不均匀、损耗高。其三，由于尖角形间隙的加工容限小，导致集成硅基Y波导的加工误差敏感度高。基于此，有必要专利技术一种大带宽、低损耗的集成硅基Y波导，以解决现有集成硅基Y波导带宽小、损耗高、加工误差敏感度高的问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术为了解决现有集成硅基Y波导带宽小、损耗高、加工误差敏感度高的问题，提供了一种大带宽、低损耗的集成硅基Y波导。
[0004]本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种大带宽、低损耗的集成硅基Y波导，包括呈横向设置的主直波导段；主直波导段的右端延伸设置有左窄右宽的锥形波导段；锥形波导段的右端延伸设置有两个过渡直波导段，且两个过渡直波导段呈前后对称分布；两个过渡直波导段之间形成有耦合狭缝；两个过渡直波导段的右端各延伸设置有一个圆弧波导段，且两个圆弧波导段呈前后对称分布；耦合狭缝内填充有亚波长光栅，且亚波长光栅的各个栅条均呈纵向设置；主直波导段的厚度、锥形波导段的厚度、两个过渡直波导段的厚度、两个圆弧波导段的厚度、亚波长光栅的厚度均一致；主直波导段的宽度、锥形波导段的左端宽度、两个过渡直波导段的宽度、两个圆弧波导段的宽度均一致；锥形波导段的右端宽度等于两个过渡直波导段的宽度与耦合狭缝的宽度之和。
[0005]具体工作过程如下：一、分光：在主直波导段的左端放置光源。光源发出的光束依次经主直波导段、锥形波导段、两个过渡直波导段（亚波长光栅）、两个圆弧波导段进行传播。在传播过程中，两个过渡直波导段能够降低本专利技术的插入损耗（图4所示为本专利技术的插入损耗性能仿真结果）。依据公式n
2eff
=f
·
n
2Si
+(1
−
f)
·
n
2air
（式中：f表示亚波长光栅的栅条的占空比，n
eff
表示亚波长光栅的等效折射率，n
Si
表示硅的折射率，n
air
表示空气的折射率）可知，亚波长光栅能够提高耦合狭缝的等效折射率，由此缩小耦合狭缝与两个圆弧波导段的折射率差，从而使得光束中的TE模以极低的耦合损耗从耦合狭缝内向两个圆弧波导段传播。插入损耗（IL）以公式IL=
‑
10lg((P
out1
+P
out2
)/P
in
)定义，即输出功率之和比输入总功率取
‑
10倍lg。二、合光：在两个圆弧波导段的右端各放置一个光源。两个光源发出的光束依次经两个圆弧波导段、两个过渡直波导段（亚波长光栅）、锥形波导段、主直波导段进行传播。在传播过程中，两个过渡直波导段能够降低本专利技术的插入损耗（图4所示为本专利技术的插入损
耗性能仿真结果）。依据公式n
2eff
=f
·
n
2Si
+(1
−
f)
·
n
2air
（式中：f表示亚波长光栅的栅条的占空比，n
eff
表示亚波长光栅的等效折射率，n
Si
表示硅的折射率，n
air
表示空气的折射率）可知，亚波长光栅能够提高耦合狭缝的等效折射率，由此缩小耦合狭缝与两个圆弧波导段的折射率差，从而使得光束中的TE模以极低的耦合损耗从两个圆弧波导段向耦合狭缝内传播。插入损耗（IL）以公式IL=
‑
10lg(P
out
/(P
in1
+P
in2
))定义，即输出总功率比输入功率之和取
‑
10倍lg。
[0006]基于上述过程，与现有集成硅基Y波导相比，本专利技术所述的一种大带宽、低损耗的集成硅基Y波导的分支间隙不再采用尖角形间隙，而是采用耦合狭缝，并在耦合狭缝内填充亚波长光栅，由此具备了如下优点：其一，由于采用了亚波长光栅，使得耦合特性与波长相关性小，因此本专利技术的带宽更大。其二，相较于尖角形间隙，光阻或蚀刻残留物在加工过程中不易残留在耦合狭缝内，因此本专利技术的分光功率均匀、损耗更低。其三，相较于尖角形间隙，耦合狭缝的加工容限更大，因此本专利技术的加工误差敏感度更低。
[0007]图6和图7所示分别为厚度h
Si
取190nm和250nm时本专利技术的插入损耗性能仿真结果。由图6和图7可知：本专利技术对厚度加工误差（加工容限为60nm）不敏感，即厚度变化时仍可保持插入损耗在1dB以下时具有较大带宽。
[0008]图8和图9所示分别为锥形波导段的长度L
taper
取2μm和15μm时本专利技术的插入损耗性能仿真结果。由图8和图9可知：本专利技术对锥形波导段的长度加工误差（≥2μm即可）不敏感，即锥形波导段的长度变化时仍可保持插入损耗在1dB以下时具有较大带宽。
[0009]图10和图11所示分别为过渡直波导段的长度L
s
取0.95μm和1.05μm时本专利技术的插入损耗性能仿真结果。由图10和图11可知：本专利技术对过渡直波导段的长度加工误差（加工容限为100nm）不敏感，即过渡直波导段的长度变化时仍可保持插入损耗在1dB以下时具有较大带宽。
[0010]图12和图13所示分别为耦合狭缝的宽度gap取0.2μm和0.28μm时本专利技术的插入损耗性能仿真结果。由图12和图13可知：本专利技术对耦合狭缝的宽度加工误差（加工容限为80nm）不敏感，即耦合狭缝的宽度变化时仍可保持插入损耗在1dB以下时具有较大带宽。
[0011]图14和图15所示分别为亚波长光栅的栅条的宽度Λ
·
f取0.085μm和0.115μm时本专利技术的插入损耗性能仿真结果。由图14和图15可知：本专利技术对亚波长光栅的栅条的宽度加工误差（加工容限为30nm）不敏感，即亚波长光栅的栅条的宽度变化时仍可保持插入损耗在1dB以下时具有较大带宽。
[0012]本专利技术结构合理、设计巧妙，有效解决了现有集成硅基Y波导带宽小、损耗高、加工误差敏感度高的问题，其可以级联形成1
×
NY分支功分器（图5所示为本专利技术级联形成的1
×
4 Y分支功分器），适用于光通信、光传感领域。
附图说明
[0013]图1是本专利技术的结构示意图。
[0014]图2是图1的右视图。
[0015]图3是图1的俯视图。
[0016]图4是本专利技术的插入损耗性能仿真结果图。
[0017]图5是本专利技术级联形成的1
×
4 Y分支本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大带宽、低损耗的集成硅基Y波导，其特征在于：包括呈横向设置的主直波导段（1）；主直波导段（1）的右端延伸设置有左窄右宽的锥形波导段（2）；锥形波导段（2）的右端延伸设置有两个过渡直波导段（3），且两个过渡直波导段（3）呈前后对称分布；两个过渡直波导段（3）之间形成有耦合狭缝；两个过渡直波导段（3）的右端各延伸设置有一个圆弧波导段（4），且两个圆弧波导段（4）呈前后对称分布；耦合狭缝内填充有亚波长光栅，且亚波长光栅的各个栅条（5）均呈纵向设置；主直波导段（1）的厚度、锥形波导段（2）的厚度、两个过渡直波导段（3）的厚度、两个圆弧波导段（4）的厚度、亚波长光栅的厚度均一致；主直波导段（1）的宽度、锥形波导段（2）的左端宽度、两个过渡直波导段（3）的宽度、两个圆弧...

【专利技术属性】
技术研发人员：周彦汝，尹程玉，刘文耀，邢恩博，唐军，刘俊，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：