一种基于梯度折射率倒脊形波导的边缘耦合器制造技术

一种基于梯度折射率倒脊形波导的边缘耦合器，属于二氧化硅波导集成光学技术领域。从下至上依次由衬底、低折射率二氧化硅下包层、低折射率二氧化硅中间包层和低折射率二氧化硅上包层组成，在低折射率二氧化硅中间包层之中包覆有高折射率二氧化硅第一波导芯层，在低折射率二氧化硅上包层之中包覆有高折射率二氧化硅第二波导芯层，第二波导芯层位于第一波导芯层和二氧化硅中间包层之上。第一波导芯层为锥形波导，第二波导芯层由锥形波导Core1和直波导Core2组成，第一波导芯层和锥形波导Core1共同构成梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器。来自光纤的光信号首先耦合至脊形结构波导中，然后由直波导Core2传输至光芯片等其他器件中。件中。件中。

【技术实现步骤摘要】
一种基于梯度折射率倒脊形波导的边缘耦合器


[0001]本专利技术属于二氧化硅波导集成光学
，具体涉及一种基于梯度折射率倒脊形波导的边缘耦合器。

技术介绍

[0002]随着集成光学的快速发展，面向光计算、存储和信息处理等应用的小型化光器件获得广泛关注，特别在网络通讯等方面得到了大量应用。成熟的CMOS工艺为集成光学发展提供了良好的加工平台，有力促进了光子芯片的小型化和集成化。但不同功能的集成光器件，如半导体激光器、光学滤波器、波长转换器、光逻辑门、光延时器、光调制器/光开关、光学传感器等，仍面临着与外界低损耗地实现光信息交换的需求。
[0003]对于波导型光子集成芯片而言，需要接收来自光纤的信号，或通过光纤向外发送光信号。因此，光纤与波导的低损耗耦合对保证光集成芯片的性能具有重要作用。但与片上光波导相比，目前商用光纤的SMF
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28单模光纤芯径约为8μm，远大于片上二氧化硅波导或硅波导的模斑尺寸，从而造成了光纤与波导间模场失配导致的耦合损耗。因此，通过匹配光纤和波导之间的模斑尺寸，减少由于光纤
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波导耦合带来的额外光学耦合损耗，增强光器件性能。
[0004]目前，光纤与波导间的耦合方式主要包括光栅耦合及水平端面耦合。光栅耦合具有很好的灵活度，可以在片上的任何位置进行耦合，但光栅耦合方式对波长较敏感，偏振相关性较强。端面耦合可使波导中的模场增大，或使光纤中的模场变小，从而实现光纤与波导的模场尺寸匹配。端面耦合对于波长不敏感，偏振相关性较小，耦合效率高，且易于封装。因此，端面耦合在光纤和集成光子芯片耦合方面占有重要地位，研究端面耦合器对于发展光子芯片具有重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于梯度折射率倒脊形波导的边缘耦合器，用于实现光纤和波导之间的低损耗互连。由于脊形结构波导相较于普通结构波导的模场尺寸更大，利用脊形结构的这个特点，可以设计一种边缘耦合器，实现单模光纤和波导的模场匹配，减低耦合损耗。
[0006]本专利技术所述的一种基于梯度折射率倒脊形波导的边缘耦合器，如图1和图2所示，从下至上依次由衬底(1)、低折射率二氧化硅下包层(2)、低折射率二氧化硅中间包层(3)和低折射率二氧化硅上包层(4)组成，在低折射率二氧化硅中间包层(3)之中包覆有高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)，且高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)和低折射率二氧化硅中间包层(3)具有相同的厚度；在低折射率二氧化硅上包层(4)之中包覆有高折射率二氧化硅第二波导芯层(6)，高折射率二氧化硅第二波导芯层(6)位于高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)和低折射率二氧化硅中间包层(3)之上，其厚度小于低折射率二氧化硅上包层(4)的厚度；低折射率二氧化硅上包层(4)、低折射率二氧化硅中间包层(3)和低折射率二氧化硅
下包层(2)具有相同的折射率，高折射二氧化硅第二波导芯层(6)的折射率大于高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)的折射率，高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)的折射率大于低折射率二氧化硅下包层(2)的折射率。
[0007]进一步，本专利技术所述的衬底(1)采用硅材料，低折射率二氧化硅上包层(4)、低折射率二氧化硅中间包层(3)和低折射率二氧化硅下包层(2)采用相同折射率的二氧化硅材料，折射率为1.4470；高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)由掺锗的高折射率二氧化硅构成，其折射率为1.4687；高折射二氧化硅第二波导芯层(6)由掺锗的高折射率二氧化硅构成，其折射率为1.4832。
[0008]如图3和图4所示，二氧化硅第一波导芯层(5)为锥形波导，沿光的传输方向(+x方向)，二氧化硅第一波导芯层(5)的宽度逐渐变窄，其最宽处宽度为W1，其最窄处宽度为W4；二氧化硅第二波导芯层(6)由锥形波导Core1和直波导Core2组成，沿光的传输方向，二氧化硅第一波导芯层(6)的宽度逐渐变窄，其最宽处宽度为W2，其最窄处宽度为W3；锥形波导Core1和高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)的长度相同，且锥形波导Core1居中设置于高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)的上表面，两者共同构成梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器；直波导Core2的宽度为W3。沿+x方向，来自光纤的光信号首先耦合至脊形结构波导中，然后由直波导Core2将耦合至脊形结构波导内的信号光传输至光芯片等其他器件中。
[0009]进一步的，脊形结构中，二氧化硅第一波导芯层(5)与二氧化硅第二波导芯层(6)的高度分别为H1和H2，且H1+H2＝6.5μm；锥形波导Core1的起始宽度W2为8μm，二氧化硅第一波导芯层(5)的起始宽度W1为12μm，从而增大模场尺寸，实现与单模光纤的模场匹配，增强光纤和波导之间的耦合效率。二氧化硅第一波导芯层(5)的高度H1为3μm，沿+x方向，二氧化硅第一波导芯层(5)的宽度由W1＝12μm逐渐减小至W4＝6μm；二氧化硅第二波导芯层(6)高度H2为3.5μm，二氧化硅第二波导芯层(6)之锥形波导Core1的宽度由W2＝8μm逐渐减小至W3＝3.5μm。由二氧化硅第一波导芯层(5)与锥形波导Core1组成的脊形结构波导长度L1＝70μm，输出端直波导Core2宽度W3＝3.5μm，高度H2＝3.5μm，从而使得模场沿+x方向逐渐变小；器件总长度L3＝0.1mm，L1+L2＝L3。低折射率二氧化硅下包层(2)和低折射率二氧化硅上包层(4)的高度均为15μm，低折射率二氧化硅中间包层(3)的高度为H1＝3μm。
[0010]图5为边缘耦合器的整体模场分布图，从图中可以清晰的看到，沿+x传输方向，来自单模光纤的输入光信号在x＝0处耦合进入由高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)和高折射率二氧化硅第二波导芯层(6)之锥形波导Core1共同构成的梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器中，经过宽度逐渐减小的脊型波导耦合器，光斑面积被压缩，逐渐变小，在x＝70μm处耦合进入直波导Core2中。图6为高折射率二氧化硅第二波导芯层(6)之直波导Core2截面模场分布，可见，单模光纤中的信号光通过梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器，成功耦合至高度和宽度均为3.5μm的直波导Core2中。
[0011]高折射率二氧化硅第二波导芯层(6)和高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)的折射率不同，首先是因为二氧化硅第一波导芯层(5)的宽度在长度为L1的锥形结构区域内大于二氧化硅第二波导芯层(6)的宽度，如第二波导芯层(6)和第一波导芯层(5)折射率相同，则第一波导芯层(5)有效折射率大于第二波导芯层(6)，不利于光模场由第一波导芯层(5)耦合至第二波导芯层(6)从而由直波导Core2输出。通过减小第一波导芯层(5)折射率，可降低其有效折射率，使得第一波导芯层(5)中光模场能够耦合至第二波导芯层(6)的锥形波导
Core1中，并由直波导Core2输出，减小传输过程中的光损耗。其次，减小第一波导芯层(5)的折射率，可以减小倒脊形结构边缘耦合器的整体有效折射率，从而减少光纤和边缘耦合器的折射率差，增强模场匹配，提高光耦合效率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度折射率倒脊形波导的边缘耦合器，其特征在于：从下至上依次由衬底(1)、低折射率二氧化硅下包层(2)、低折射率二氧化硅中间包层(3)和低折射率二氧化硅上包层(4)组成，在低折射率二氧化硅中间包层(3)之中包覆有高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)，且高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)和低折射率二氧化硅中间包层(3)具有相同的厚度；在低折射率二氧化硅上包层(4)之中包覆有高折射率二氧化硅第二波导芯层(6)，高折射率二氧化硅第二波导芯层(6)位于高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)和低折射率二氧化硅中间包层(3)之上，其厚度小于低折射率二氧化硅上包层(4)的厚度；低折射率二氧化硅上包层(4)、低折射率二氧化硅中间包层(3)和低折射率二氧化硅下包层(2)具有相同的折射率，高折射二氧化硅第二波导芯层(6)的折射率大于高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)的折射率，高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)的折射率大于低折射率二氧化硅下包层(2)的折射率；二氧化硅第一波导芯层(5)为锥形波导，沿光的传输方向，二氧化硅第一波导芯层(5)的宽度逐渐变窄；二氧化硅第二波导芯层(6)由锥形波导Core1和直波导Core2组成，沿光的传输方向，二氧化硅第一波导芯层(6)的宽度逐渐变窄；锥形波导Core1和高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)的长度相同，且锥形波导Core1居中设置于高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)的上表面，两者共同构成梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器；沿光的传输方向，来自光纤的光...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳建波，王曼卓，刘庭瑜，刘崧岳，孙小强，吴远大，张大明，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：