一种双层偏振无关光栅耦合器制造技术

本发明专利技术公开了一种双层偏振无关光栅耦合器，包括衬底、第一波导层和第二波导层。衬底上依次设置下包层、中包层以及上包层；光纤设置在上包层上，并垂直于上包层所在平面；第一波导层用于耦合偏振光，生长在下包层上；第二波导层用于耦合偏振光，生长在中包层上；第二光栅位于第一光栅的上方，二者均位于光纤下方；第二光栅位于第一光栅绕光纤中心线旋转90

【技术实现步骤摘要】
一种双层偏振无关光栅耦合器


[0001]本专利技术属于光通信、光传感、光探测
，涉及一种双层偏振无关光栅耦合器。

技术介绍

[0002]通常，集成光波导与光纤间有两种耦合方式：端耦合和面耦合。前者通过锥形结构(taper)对波导模斑进行无损扩展，使波导与光纤模场匹配，可实现较大的耦合效率(<0.5dB)。然而，无损模斑转换往往需要taper长约几百微米，而且，在实际操作中为了保证taper末端横截面和光纤间的完美连接，还需要对芯片端面进行切割、研磨、抛光等复杂处理。光栅耦合器作为一种面耦合方式，提供了一种芯片级自动化耦合测试方案，具有无需切割研磨工艺步骤、成本低、操作简单等优势。然而，因为材料的双折射效应，传统光栅耦合器仅针对一种偏振光设计，大大降低了能量利用率。如何实现芯片
‑
光纤的偏振无关高效耦合是光器件制作中的一项关键技术。
[0003]基于二维光栅结构可实现芯片
–
光纤低偏振相关损耗耦合。Jinghui Zou等人提出了一种由五个圆柱体光栅单元组成的二维光栅，通过调节柱体之间的距离降低偏振相关损耗(Two
‑
dimensional grating coupler with a low polarization dependent loss of 0.25dB covering the C
‑
band,Optics Letters,2016,41(18):4206
‑
4209)；Yanyun Xue等人设计了一种椭圆状二维光栅，通过优化椭圆的几何尺寸使两种偏振光的耦合谱相匹配(Two
‑
dimensional silicon photonic grating coupler with low polarization
‑
dependent loss and high tolerance,Optics Express,2019,27(16):22268
‑
22274)。然而，上述两种方案中，单个二维光栅需同时支持两种偏振光的耦合，器件耦合损耗较大(>3dB)，这限制了其在光通信、光互连等领域的进一步应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决现有技术中无法保证两种偏振光高效耦合的问题，提供一种双层偏振无关光栅耦合器。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种双层偏振无关光栅耦合器，包括：
[0007]衬底，所述衬底上依次设置下包层、中包层以及上包层；光纤设置在所述上包层上，并垂直于上包层所在平面，用于输出及偏振光；
[0008]第一波导层，所述第一波导层用于耦合偏振光，所述第一波导层生长在下包层上，中包层生长在第一波导层上；所述第一波导层包括相连的第一光栅和第一直波导；
[0009]第二波导层，所述第二波导层用于耦合偏振光，所述第二波导层生长在中包层上，上包层生长在第二波导层上；所述第二波导层包括相连的第二光栅和第二直波导；所述第二光栅位于第一光栅的上方，二者均位于光纤下方；第二光栅位于第一光栅绕光纤中
心线旋转90
°
的位置。
[0010]上述耦合器进一步的改进在于：
[0011]所述中包层的厚度h由中心波长λ
c
处偏振光经第二波导层和中包层透射到第一波导层的透射率峰值决定。
[0012]所述第一光栅为啁啾闪耀结构，用于将光束衍射到第一直波导；所述第二光栅为啁啾闪耀结构，用于将光束衍射到第二直波导。
[0013]所述第一光栅与第一直波导的宽度w1相等；所述第二光栅与第二直波导的宽度w2相等。
[0014]所述第一光栅包括第一光栅波导层和第二光栅波导层；第一光栅波导层由一系列第一光栅波导狭缝和第一光栅波导介质条沿第一直波导方向交替分布构成；第二光栅波导层由一系列第二光栅波导狭缝和第二光栅波导介质条交替分布构成；第一光栅波导介质条的延伸方向平行于第二光栅波导介质条的延伸方向，平行于x轴，垂直于第一直波导的传输方向。
[0015]所述第一光栅波导层的填充比为：
[0016][0017]其中，D1‑1为第一光栅波导层的填充比；d1‑1为第一光栅波导介质条的宽度；Λ1‑1为第一光栅波导层的光栅周期；
[0018]所述第二光栅波导层的填充比为：
[0019][0020]其中，D1‑2为第二光栅波导层的填充比；d1‑2为第二光栅波导介质条的宽度；Λ1‑2为第二光栅波导层的光栅周期。
[0021]所述第二光栅波导层在第一光栅波导层之上，且相对第一光栅波导层沿第一直波导的反方向平移第一设定距离s1。
[0022]所述第二光栅包括第三光栅波导层和第四光栅波导层；第三光栅波导层由一系列第三光栅波导狭缝和第三光栅波导介质条沿第二直波导方向交替分布构成；第四光栅波导层由一系列第四光栅波导狭缝和第四光栅波导介质条交替分布构成；第三光栅波导介质条的延伸方向平行于第四光栅波导介质条的延伸方向，平行于y轴，垂直于第二直波导的传输方向。
[0023]所述第三光栅波导层的填充比为：
[0024][0025]其中，D2‑1为第三光栅波导层的填充比；d2‑1为第三光栅波导介质条的宽度；Λ2‑1为第三光栅波导层的光栅周期；
[0026]所述第四光栅波导层的填充比为：
[0027][0028]其中，D2‑2为第四光栅波导层的填充比；d2‑2为第四光栅波导介质条的宽度；Λ2‑2为第四光栅波导层的光栅周期。
[0029]所述第四光栅波导层在第三光栅波导层之上，且相对第三光栅波导层沿第二直波导的反方向平移第二设定距离s2。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0031]本专利技术的双层偏振无关光栅耦合器，通过在竖直方向上设计双层光栅，实现对光纤中的两种偏振光分别高效耦合。与现有二维偏振无关光栅耦合器相比，本专利技术显著提升了耦合效率，提高了信号利用率，为芯片
‑
光纤偏振无关耦合与测试提供可行性方案。
附图说明
[0032]为了更清楚的说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0033]图1是双层偏振无关光栅耦合器的结构示意图。
[0034]图2是第一光栅、第一直波导、第二光栅、第二直波导的结构示意图。
[0035]图3是图1部分结构的示意图，其中(a)为前视图，(b)为右视图。
[0036]图4是图3部分结构的横截面示意图，其中(a)第二光栅，(b)第一光栅。
[0037]图5是第二光栅的结构参数示意图。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，包括：衬底(1)，所述衬底(1)上依次设置下包层(2)、中包层(4)以及上包层(6)；光纤(11)设置在所述上包层(6)上，并垂直于上包层(6)所在平面，用于输出及偏振光；第一波导层(3)，所述第一波导层(3)用于耦合偏振光，所述第一波导层(3)生长在下包层(2)上，中包层(4)生长在第一波导层(3)上；所述第一波导层(3)包括相连的第一光栅(7)和第一直波导(8)；第二波导层(5)，所述第二波导层(5)用于耦合偏振光，所述第二波导层(5)生长在中包层(4)上，上包层(6)生长在第二波导层(5)上；所述第二波导层(5)包括相连的第二光栅(9)和第二直波导(10)；所述第二光栅(9)位于第一光栅(7)的上方，二者均位于光纤(11)下方；第二光栅(9)位于第一光栅(7)绕光纤(11)中心线旋转90
°
的位置。2.根据权利要求1所述的双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，所述中包层(4)的厚度h由中心波长λ
c
处偏振光经第二波导层(5)和中包层(4)透射到第一波导层(3)的透射率峰值决定。3.根据权利要求1所述的双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，所述第一光栅(7)为啁啾闪耀结构，用于将光束衍射到第一直波导(8)；所述第二光栅(9)为啁啾闪耀结构，用于将光束衍射到第二直波导(10)。4.根据权利要求1或3所述的双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，所述第一光栅(7)与第一直波导(8)的宽度w1相等；所述第二光栅(9)与第二直波导(10)的宽度w2相等。5.根据权利要求1所述的双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，所述第一光栅(7)包括第一光栅波导层(7
‑
1)和第二光栅波导层(7
‑
2)；第一光栅波导层(7
‑
1)由一系列第一光栅波导狭缝(7
‑1‑
1)和第一光栅波导介质条(7
‑1‑
2)沿第一直波导(8)方向交替分布构成；第二光栅波导层(7
‑
2)由一系列第二光栅波导狭缝(7
‑2‑
1)和第二光栅波导介质条(7
‑2‑
2)交替分布构成；第一光栅波导介质条(7
‑1‑
2)的延伸方向平行于第二光栅波导介质条(7
‑2‑
2)的延伸方向，平行于x轴，垂直于第一直波导(8)的传输方向。6.根据权利要求5所述的双层偏振无关光栅耦合器，其特征在于，所述第一光栅波导层(7
‑
1)的填充比为：其中，D1‑1为第一光栅波导层(7
‑
1)的填充比；d1‑1为第一光栅波导介质条(7
‑1‑
2)的宽...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱京平，李珂，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：