一种基于二氧化硅光波导的光栅型三叉戟结构大带宽模斑转换器制造技术

一种基于二氧化硅光波导的光栅型三叉戟结构大带宽模斑转换器，属于集成光电子学技术领域。从下至上依次由基底层、下包层、芯层波导和上包层组成，下包层位于基底层之上，芯层波导和上包层共同位于下包层之上且芯层波导被上包层所包覆；芯层波导由光栅型三叉戟输入波导(由Core1、Core2和Core3组成)和直波导结构的输出波导Core4构成，光栅型三叉戟波导中的Core1和Core3结构完全相同，由N个相似的小锥形波导构成且均匀排列，Core2由N个相似的小倒锥形波导构成且均匀排列；本发明专利技术制备的模斑转换器具有耦合效率高、带宽大、结构紧凑、易于封装、工艺复杂度低的特点，具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二氧化硅光波导的光栅型三叉戟结构大带宽模斑转换器


[0001]本专利技术属于集成光电子学
，具体涉及一种基于二氧化硅光波导的光栅型三叉戟结构大带宽模斑转换器，其可以用于光路集成中二氧化硅光波导与单模光纤的边缘耦合，在光通信、高性能计算、光学传感等领域具有重要的应用价值和发展前景。

技术介绍

[0002]光子芯片可用于光通信、大数据计算和人工智能系统等领域。光电子学中功能集成是指通过将不同功能的元件集成在一起，制造出多功能、高性能的器件，如光子芯片将光学组件(波导、调制器、开关和探测器等)与电子组件(场效应晶体管等)制作在同一衬底上，从而降低面积、成本以及功耗。在光电子集成中，光纤与波导的低损耗连接是制备高性能芯片的重要前提条件，也是有待解决的关键问题之一。模斑转换器通常用于光纤与光子芯片上波导器件的连接耦合。由于波导和光纤在结构和尺寸方面相差较大，模场尺寸及形状不同所引起的耦合损耗成为影响插入损耗的主要因素。
[0003]为实现光纤模场与波导模场的匹配，需优化模斑转换器的结构及制备方法，通过增强光纤与波导的有效折射率匹配和模场匹配，在降低耦合损耗的同时，减小工艺复杂度。基于二氧化硅材料的集成光学器件具有光损耗小，工艺容差大，与CMOS工艺兼容，同单模光纤模场匹配好等优点，在光通信、光互连和集成光学中具有广泛应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的是提供一种耦合效率高、带宽大、结构紧凑、工艺复杂度低的基于二氧化硅光波导的光栅型三叉戟结构大带宽模斑转换器。
[0005]本专利技术所述的一种基于二氧化硅光波导的光栅型三叉戟结构大带宽模斑转换器，其特征在于：
[0006]1、从下至上依次由基底层2、下包层3、芯层波导1和上包层4组成。如图1所示，下包层3位于基底层2之上，芯层波导1和上包层4共同位于下包层3之上且芯层波导1被上包层4所包覆；
[0007]2、下包层3和上包层4材料相同为二氧化硅，折射率为1.447；芯层波导1材料为掺锗二氧化硅，折射率为1.481；基底层2为硅片，折射率为3.455；
[0008]3、如图2(a)所示，芯层波导1位于下包层3之上，且被上包层4所包覆；如图2(b)和图2(c)所示，沿光的传输方向，芯层波导1由光栅型三叉戟输入波导(包括输入波导Core1、输入波导Core2和输入波导Core3三部分)和输出波导Core4构成；输出波导Core4为直波导结构；光栅型三叉戟输入波导和输出波导Core4的底面位于同一平面内，且共同位于下包层3的上表面之上；输入波导Core1和输入波导Core3结构完全相同，沿输入光方向输入波导Core1和输入波导Core3由N＝32个相似的小锥形波导构成且均匀排列、外边缘连线为直线，每个小锥形波导的长度(X轴方向)为d＝1.3μm，每两个小锥形波导间的距离(X轴方向)为d
＝1.3μm；输入波导Core1和输入波导Core3的输入端宽度(Y轴方向)W1＝1.8μm，输出端宽度(Y轴方向)W2＝1.1μm，高度(Z轴方向)H＝4μm，长度(X轴方向)L1＝83.2μm；输入波导Core2由N＝32个相似的小倒锥形波导构成且均匀排列、外边缘连线为直线，每个小倒锥形波导的长度为d＝1.3μm，每两个小倒锥形波导间的距离为d＝1.3μm；输入波导Core2的输入端宽度W3＝2.4μm，输出端宽度W＝4μm，高度H＝4μm，长度L1＝83.2μm；输入波导Core1和输入波导Core2、输入波导Core2和输入波导Core3输入端和输出端的距离相等均为gap＝1.3μm；输出直波导Core4的宽度W＝4μm，波导高度H＝4μm，长度L2＝232μm。
[0009]4、光栅型三叉戟输入波导中的输入截面(由输入波导Core1、输入波导Core2和输入波导Core3及相邻间隙共同组成)的有效光模场面积与光纤传输光场模斑尺寸匹配，且输入波导Core2输出端宽度与输出波导Core4的宽度相同，输入波导Core1、输入波导Core2、输入波导Core3和输出波导Core4的高度始终相同，光栅型三叉戟输入波导整体呈锥形结构，沿光的传输方向(X轴方向)宽度由宽至窄，从而实现波导内光模斑尺寸由大至小的变换。
[0010]该模斑转换器工作原理如下：
[0011]波导与光纤的耦合效率是指由光纤耦合进入波导的信号光能量占光纤输出光总能量的比例(或由波导耦合输出至光纤内信号光能量占波导输出光总能量的比例)。单模光纤与二氧化硅光波导的耦合损耗主要指波导与光纤因结构、尺寸和有效折射率差异所产生的模式失配损耗。根据光模式原理，当二氧化硅光波导宽度逐渐降低时，其所支持的光模场大小也随之降低。当来自光纤的信号光自芯层波导光栅型三叉戟结构的输入端进入时，波导内信号光模场被逐渐压缩，随三叉戟锥形结构的宽度变化，波导内光模场由高斯分布的圆形光纤模场(如图3所示)逐渐变为厄米
‑
高斯分布的椭圆形波导模场(如图4所示)；光栅型三叉戟输入波导的输入端截面所支持的模场尺寸与光纤所支持的光模场尺寸匹配，可有效降低模场失配导致的光损耗；三叉戟结构整体宽度逐渐减小，模斑尺寸随之减小；采用光栅结构，使信号光产生衍射，逐渐收缩进芯层波导内；采用三叉戟结构，两侧的Core1和Core3波导可以减少信号光的泄露，使信号光集中在Core2波导中，实现信号至输出波导的高效率传输，即实现单模光纤信号光至单模二氧化硅波导信号光的低损耗模斑转换(如图5所示)。
[0012]与现有器件相比，本专利技术的有益效果是：相比于传统的结构连续锥型模斑转换器，本专利技术所述二氧化硅波导模斑转换器的输入端三叉戟结构不连续，采用光栅型波导，使信号光产生衍射并逐渐被压缩至芯层波导内；采用三叉戟结构，两侧的Core1和Core3可以减少信号光的泄露，使信号光集中在中间Core3部分；整体的锥形结构增强了二氧化硅波导与光纤输出光信号的模场匹配。通过光栅型三叉戟输入波导结构，可实现光纤所传输的高斯型光模场至厄米
‑
高斯型光模场的低损耗变换，有利于集成与封装。在不同的光纤
‑
波导耦合结构中，该结构具有耦合效率高、带宽大、结构紧凑、易于封装、工艺复杂度低的特点，具有广泛的应用前景。
附图说明
[0013]图1是本专利技术所述的一种基于二氧化硅光波导的光栅型三叉戟结构大带宽模斑转换器结构示意图；其中，各部分名称为：基底层2、下包层3、芯层波导1和上包层4，芯层波导1和上包层4共同位于下包层3之上且芯层波导1被包覆在上包层4之中。
[0014]图2是本专利技术所述的一种基于二氧化硅光波导的光栅型三叉戟结构的大带宽模斑
转换器的输入端剖视图(a)、俯视图(b)和侧视图(c)；
[0015]图3是单模光纤和光栅型三叉戟输入波导输入端中传输的高斯分布的圆形光纤模场图；
[0016]图4是输出波导Core4中传输的厄米
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高斯分布的椭圆形波导模场图；
[0017]图5是光栅型三叉戟输入波导(Core1、Cor本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二氧化硅光波导的光栅型三叉戟结构的大带宽模斑转换器，其特征在于：从下至上依次由基底层(2)、下包层(3)、芯层波导(1)和上包层(4)组成，下包层(3)位于基底层(2)之上，芯层波导(1)和上包层(4)共同位于下包层(3)之上且芯层波导(1)被上包层(4)所包覆；沿光的传输方向，芯层波导(1)由光栅型三叉戟输入波导和直波导结构的输出波导Core4构成；光栅型三叉戟输入波导和输出波导Core4的底面位于同一平面内，且共同位于下包层(3)的上表面之上；光栅型三叉戟输入波导由输入波导Core1、输入波导Core2和输入波导Core3三部分组成，输入波导Core1和输入波导Core3结构完全相同，沿输入光方向输入波导Core1和输入波导Core3由N个相似的小锥形波导构成且均匀排列、外边缘连线为直线；输入波导Core2由N个相似的小倒锥形波导构成且均匀排列、外边缘连线为直线；光栅型三叉戟输入波导整体呈锥形结构，沿光的传输方向宽度由宽至窄，从而实现波导内光模斑尺寸由大至小的变换。2.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅光波导的光栅型三叉戟结构的大带宽模斑转换器，其特征在于：输入波导Core1和输入波导Core2、输入波导Core2和输入波导Core3的输入端和输出端距离相等；输入波导Core2输出...

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