贝塞尔曲线光波导耦合器及其干涉仪、集成光滤波器制造技术

本发明专利技术公开了一种贝塞尔曲线光波导耦合器及其干涉仪、集成光滤波器。包含两根同向并行放置的耦合波导，每根耦合波导均包括位于两端的直线波导以及位于中间的沿贝塞尔曲线布置的曲线波导，两根耦合波导组成一个两输入端口和两输出端口的定向耦合器结构；耦合波导的曲线波导的中心线以单段贝塞尔曲线布置或多段顺次相连的贝塞尔曲线布置；以及包含一个或多个定向耦合器的马赫增德尔干涉仪、包含一个或多个级联的马赫增德尔干涉仪的集成光滤波器。本发明专利技术通过引入贝塞尔曲线拓扑结构，可实现具备远小尺寸、大容差、大带宽、任意耦合系数等优点，应用于级联马赫增德尔干涉仪型集成光滤波器可大幅提升滤波器容差、紧凑性和性能，可适用于不同波导平台。可适用于不同波导平台。可适用于不同波导平台。

【技术实现步骤摘要】
贝塞尔曲线光波导耦合器及其干涉仪、集成光滤波器


[0001]本专利技术实施涉及光通信和集成光学领域的一种光波导耦合器和滤波器，具体设计了一种贝塞尔曲线光波导耦合器及基于其的集成光滤波器。

技术介绍

[0002]光通信技术是现代工业和生活的各领域必须的关键技术。随着通信容量需求的迅猛增长，光子集成技术成为光通信模块发展的核心技术，光子集成指将各种光子器件和光电器件在同一种薄膜衬底上集成，将光电模块或系统集成为光子或光电回路，具有高稳定性、小尺寸、低功耗、高性能优势。光子集成代表性技术包括硅基光子技术、铌酸锂光子集成、III
‑
V族光子集成技术等。硅基光子集成通过硅基集成电路技术的CMOS(互补金属氧化物半导体的缩写)工艺将各种有源和无源功能光子器件集成在硅基芯片上，进一步实现光电融合集成和封装。硅基波导的强折射率限制为硅光器件和光子集成回路提供了高集成度优势，得益于成熟CMOS工艺的巨大产能，硅基光子芯片/光电芯片具备突出的低成本优势。铌酸锂光子集成在电光调制、非线性效应器件方面具有突出优势，III
‑
V族光子集成在高性能有源器件方面具有优势。
[0003]耦合器是集成光子芯片中核心组成部分，其作用是进行能量分束，广泛应用于光开关、光调制器、各种光滤波器、光功率分束等器件。耦合器通常在光子集成器件及回路被大量使用，其性能、尺寸对于光子集成芯片的性能、尺寸有很重要影响，如何实现超低损耗、超小尺寸、大容差的耦合器是重要的研究问题。
[0004]马赫增德尔干涉仪光滤波器是一种典型的光滤波器，其优点在于扩展性强，单个马赫增德尔干涉仪是交叉复用器，组合设计实现各种通道间隔和数量的滤波器，具有良好平顶特性、损耗低、通道均匀性好、调谐性能好，马赫增德尔干涉仪光滤波器的性能、制作容差和紧凑性前还存在很大的提升空间，主要问题在于如何提升其中光波导耦合器的紧凑性、带宽、容差等。

技术实现思路

[0005]针对
技术介绍
提出的问题，本专利技术提出一种贝塞尔曲线耦合器，可实现突出的性能、尺寸、容差优势，此外，将其应用到马赫增德尔干涉仪滤波器后，可实现滤波器的性能、紧凑性和容差的提升，降低损耗小，减小尺寸，增大容差。
[0006]本专利技术通过在马赫增德尔干涉仪光滤波器引入小尺寸、大带宽、大容差贝塞尔曲线光波导耦合器，可解决上述问题，实现了具备远小尺寸、大容差、大带宽、任意耦合系数等优点，应用于级联马赫增德尔干涉仪型集成光滤波器可大幅提升滤波器容差、紧凑性和性能，可适用于不同波导平台。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一、一种基于贝塞尔曲线光波导的定向耦合器：
[0009]包含两根同向并行放置的耦合波导，每根耦合波导均包括位于两端的直线波导以
及位于中间的沿贝塞尔曲线布置的曲线波导，两根耦合波导接近平行地布置进而组成一个两输入端口和两输出端口的定向耦合器结构。
[0010]每根耦合波导的两端部均为直线波导，两端的直线波导之间为沿贝塞尔曲线布置的曲线波导，曲线波导的两个端口分别和各自的一根作为输入的直线波导、一根作为输出的直线波导相连，这样定向耦合器具有两输入端口和两输出端口的共计四个端口。
[0011]两根耦合波导两端中同一端的直线波导段平行对齐布置；两根耦合波导的曲线波导沿同一贝塞尔曲线平行布置，或者沿不同的贝塞尔曲线布置。
[0012]所述耦合波导的曲线波导的中心线以单段贝塞尔曲线布置或多段顺次相连的贝塞尔曲线布置。所述的贝塞尔曲线的段数和阶数可根据场景自由设置。
[0013]每根耦合波导对应的贝塞尔曲线由贝塞尔曲线的控制点确定，波导在水平面内的形状由控制点的坐标参数和预设的耦合波导的波导宽度参数唯一确定。
[0014]所述波导的轮廓通过中心线和波导宽度确定。在波导平台材料、截面尺寸等参数确定后，耦合器可通过耦合区的贝塞尔曲线控制点和波导宽度确定结构形貌，控制点的坐标参数和波导宽度参数组成的集合和耦合器的结构一一对应。
[0015]具体实施中，耦合波导两侧的轮廓形状通过贝塞尔曲线扩展确定，扩展方法：对耦合波导的中心线上的任意点，从该点开始沿中心线的法线方向两侧平移耦合波导的一半波导宽度距离，得到耦合波导两侧边界点，将所有耦合波导边界点依次连接确定耦合波导水平面内形状，即耦合波导沿垂直于厚度方向的截面的形状。
[0016]本专利技术所述贝塞尔曲线具体为：
[0017][0018][0019]其中，t是遍历整条贝塞尔曲线的辅助参数，0≤t≤1，B
i，n
(t)是伯恩斯坦函数，P
i
代表第i个控制点，i＝0,...,n，n为贝塞尔曲线的阶数。
[0020]例如2阶贝塞尔曲线表示为：P2(t)＝(1
‑
t)2P0+2t(1
‑
t)P1+t2P2。
[0021]具体实施中，可根据计算机辅助设计方法，包括但不限于拓扑优化、逆向设计、深度学习等不同名称的方法，根据所需光耦合比例倒推器件的结构参数。
[0022]基于目标耦合系数比可以确定耦合波导的几何参数，该过程可通过逆向设计方法实现，具体过程包括以下：首先确定需要实现的耦合系数，选取耦合器结构初值样本(例如常规直波导耦合器)，通过电磁场求解算法(例如时域有限差分算法,Finite Difference
‑
Time Domain)确定耦合器散射矩阵，利用目标耦合系数和计算耦合系数评估样本的品质因子(figure of merit)，例如进化算法、进化策略等计算机辅助优化算法，对样本进行逐代迭代，直到品质因子达到设计需求，得到设计结果。在设计过程中，可通过增加控制条件使得耦合波导与输入输出波导平滑连接，例如设置所有相连波导中心线连续(端点重合)且连接点处的切线连续。
[0023]例如：耦合波导中心线可以采用单段贝塞尔曲线，保证首尾控制点和切线参数确定，或者将每根耦合波导的中心线分为三段贝塞尔曲线，其中两端为过渡区，中间部分为自
由优化区，保证波导中心线平滑连接，即线条接口处的导数连续。上述设计过程可针对不同的目标耦合系数对重复开展，得到一系列不同耦合系数比的贝塞尔曲线型耦合器。
[0024]所述耦合波导均主要由从下到上的晶圆衬底、波导衬底层、波导包层以及埋设在波导包层中的传输波导构成，同时传输波导布置在波导衬底层上表面上。
[0025]各层材料由选取的波导平台确定，其中有代表性的包括硅、铌酸锂、III
‑
V族材料波导平台等。
[0026]以常用的绝缘片上硅(SOI)波导平台为例，衬底、波导衬底层、波导芯层分别为硅、二氧化硅、硅，波导上包层为二氧化硅或空气。
[0027]二、一种采用贝塞尔曲线光波导耦合器的马赫增德尔干涉仪：
[0028]包括所述定向耦合器以及输入波导、输出波导；马赫增德尔干涉仪至少具有一个所述定向耦合器，干涉仪的两端设置输入波导和输出波导，输入波导和输出波导之间的干涉仪中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于贝塞尔曲线光波导的定向耦合器，其特征在于：包含两根同向并行放置的耦合波导，每根耦合波导均包括位于两端的直线波导(1、3、4、6)以及位于中间的沿贝塞尔曲线布置的曲线波导(2、5)，两根耦合波导组成一个两输入端口和两输出端口的定向耦合器结构。2.根据权利要求1所述的一种基于贝塞尔曲线光波导的定向耦合器，其特征在于：两根耦合波导的曲线波导沿同一贝塞尔曲线平行布置，或者沿不同的贝塞尔曲线布置。3.根据权利要求1所述的一种基于贝塞尔曲线光波导的定向耦合器，其特征在于：所述耦合波导的曲线波导的中心线以单段贝塞尔曲线布置或多段顺次相连的贝塞尔曲线布置。4.根据权利要求1所述的一种基于贝塞尔曲线光波导的定向耦合器，其特征在于：每根耦合波导对应的贝塞尔曲线由控制点确定，波导在水平面内的形状由控制点的坐标参数和波导宽度参数唯一确定。5.根据权利要求1所述的一种基于贝塞尔曲线光波导的定向耦合器，其特征在于：所述耦合波导主要由从下到上的晶圆衬底(7)、波导衬底层(8)、波导包...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭敬书，戴道锌，虞来文，
申请(专利权)人：浙江大学嘉兴研究院，
类型：发明
国别省市：