硅光子芯片光耦合结构及其设计方法技术

本申请提供一种硅光子芯片光耦合结构及其设计方法。硅光子芯片光耦合结构包括第一光栅耦合器和第二光栅耦合器。第一光栅耦合器包括在第一方向上依次设置的第一包层、第一波导层、第一埋氧层和第一反射层，第一波导层包括第一光栅。第二光栅耦合器和第一光栅耦合器在第一方向上相对设置，包括在第一方向上依次设置的第二包层、第二波导层、第二埋氧层和第二反射层，第二包层和第一包层连接。本申请提供的硅光子芯片光耦合结构通过设置第一反射层和第二反射层，使光耦合结构中衍射的光被限制在第一反射层和第二反射层之间并沿光栅的长度方向传播，最大程度地减少光泄露，从而实现较高的耦合效率并提升对准容差，且构造简单，易于优化及加工。易于优化及加工。易于优化及加工。

【技术实现步骤摘要】
硅光子芯片光耦合结构及其设计方法


[0001]本申请涉及光电集成
，尤其涉及一种硅光子芯片光耦合结构及其设计方法。

技术介绍

[0002]硅光子芯片光耦合技术对推动高速、低功耗数据交换等应用的发展至关重要。其中，光栅耦合具有容差大、方便晶圆级测试、安放位置自由等优点，是硅光子芯片光耦合技术中具有潜力的技术之一。
[0003]然而，目前基于光栅耦合的硅光子芯片光耦合技术的耦合损耗较大。

技术实现思路

[0004]本申请提供一种硅光子芯片光耦合结构及其设计方法，可以降低光耦合结构的耦合损耗。
[0005]本申请的一个方面提供一种硅光子芯片光耦合结构，包括：第一光栅耦合器，包括在第一方向上依次设置的第一包层、第一波导层、第一埋氧层和第一反射层，所述第一波导层包括第一光栅；第二光栅耦合器，和所述第一光栅耦合器在所述第一方向上相对设置，所述第二光栅耦合器包括在所述第一方向上依次设置的第二包层、第二波导层、第二埋氧层和第二反射层，所述第二包层和所述第一包层连接；所述第一波导层用于接收沿第二方向输入的入射光，并将所述入射光传输至所述第一光栅，所述第一光栅用于将所述入射光进行衍射；所述第一反射层用于反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第一反射层的方向衍射的光线；所述第二反射层用于反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第二反射层的方向衍射的光线；所述第二光栅用于将所述第一光栅衍射的光线及所述第一反射层和所述第二反射层反射的光线进行衍射，形成衍射光，以使至少部分所述衍射光耦合至所述第二波导层；其中，所述第一方向和所述第一波导层的延伸方向垂直，所述第二方向和所述第一方向垂直。
[0006]本申请提供的硅光子芯片光耦合结构通过设置第一反射层和第二反射层，使光耦合结构中衍射的光被限制在第一反射层和第二反射层之间的区域内并沿光栅的长度方向传播，最大程度地减少光泄露，从而实现较高的耦合效率并提升对准容差，且构造简单，易于优化及加工。
[0007]进一步地，所述第一反射层在所述第二方向上延伸的长度大于或等于所述第一光栅在所述第二方向上的栅区长度；和/或所述第二反射层在所述第二方向上延伸的长度大于或等于所述第二光栅在所述第二方向上的栅区长度。
[0008]进一步地，所述第一反射层和所述第二反射层平行设置，且所述第一光栅和所述
第二光栅平行设置。
[0009]进一步地，所述第一反射层的材料包括金属；和/或所述第二反射层的材料包括金属。
[0010]进一步地，所述第一埋氧层和所述第二埋氧层的厚度、所述第一光栅和所述第二光栅的栅区周期及占空比通过硅光子芯片光耦合结构的耦合模型确定，所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型是通过时域有限差分的方法在仿真环境中建立的。
[0011]进一步地，所述第一波导层的材料包括硅、氮化硅和铌酸锂中的至少一种；和/或所述第二波导层的材料包括硅、氮化硅和铌酸锂中的至少一种。
[0012]进一步地，所述第一光栅耦合器还包括第一衬底层，所述第一衬底层在所述第一方向上和所述第一反射层连接，所述第一衬底层的材料包括硅；和/或所述第二光栅耦合器还包括第二衬底层，所述第二衬底层在所述第一方向上和所述第二反射层连接，所述第二衬底层的材料包括硅。
[0013]本申请的另一方面提供一种硅光子芯片光耦合结构的设计方法，包括：确定硅光子芯片光耦合结构的特征参数，其中，所述硅光子芯片光耦合结构包括第一光栅耦合器和第二光栅耦合器，所述第一光栅耦合器在第一方向上依次包括第一包层、第一波导层、第一埋氧层和第一反射层，所述第一波导层包括第一光栅，所述第二光栅耦合器和所述第一光栅耦合器在所述第一方向上相对设置，所述第二光栅耦合器在所述第一方向上依次包括第二包层、第二波导层、第二埋氧层和第二反射层，所述第二包层和所述第一包层连接；所述第一波导层用于接收沿第二方向输入的入射光，并将所述入射光传输至所述第一光栅，所述第一光栅用于将所述入射光进行衍射；所述第一反射层用于反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第一反射层的方向衍射的光线；所述第二反射层用于反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第二反射层的方向衍射的光线；所述第二光栅用于将所述第一光栅衍射的光线及所述第一反射层和所述第二反射层反射的光线进行衍射，形成衍射光，以使至少部分所述衍射光耦合至所述第二波导层；其中，所述第一方向和所述第一波导层的延伸方向垂直，所述第二方向和所述第一方向垂直；根据所述硅光子芯片光耦合结构的特征参数，形成所述硅光子芯片光耦合结构。
[0014]进一步地，所述确定硅光子芯片光耦合结构的特征参数，包括：建立所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型；将入射光沿所述第二方向输入至所述耦合模型中的所述第一光栅耦合器，通过所述第一波导层接收所述入射光并传输至所述第一光栅，通过所述第一光栅将所述入射光进行衍射，通过所述第一反射层反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第一反射层的方向衍射的光线，通过所述第二反射层反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第二反射层的方向衍射的光线，通过所述第二光栅将所述第一光栅衍射的光线及所述第一反射层和所述第二反射层反射的光线进行衍射，形成衍射光，以使至少部分所述衍射光耦合至所述第二波导层；优化所述第一埋氧层、所述第二埋氧层、所述第一光栅和所述第二光栅的特征参数。
[0015]进一步地，所述建立所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型，包括：在仿真环境中，利用时域有限差分法建立硅光子芯片光耦合结构的耦合模型；
在所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型中，确定所述第一包层和所述第二包层的材料及厚度、所述第一波导层和所述第二波导层的材料及厚度、所述第一埋氧层和所述第二埋氧层的材料、所述第一反射层和所述第二反射层的材料及厚度、所述第一光栅和所述第二光栅的栅区刻蚀深度及栅区长度。
[0016]进一步地，所述优化所述第一埋氧层、第二埋氧层、第一光栅和第二光栅的特征参数，包括：监测所述第二波导层中的光功率；根据所述第二波导层中的光功率，确定所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型的耦合效率；根据所述耦合效率，确定所述第一埋氧层和所述第二埋氧层的厚度、所述第一光栅和所述第二光栅的栅区周期及占空比。
[0017]进一步地，所述根据所述硅光子芯片光耦合结构的特征参数，形成所述硅光子芯片光耦合结构，包括：根据优化后的所述第一埋氧层、所述第二埋氧层、所述第一光栅和所述第二光栅的特征参数，形成所述硅光子芯片光耦合结构。
附图说明
[0018]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
[0019]图1所示为本申请硅光子芯片光耦合结构一实施例的结构示意图；图2所示为本申请硅光子芯片光耦合结构的设计方法一实施例的流程示意图；图3所示为图2所示的硅光子芯片光耦合结构的设计方法的步骤S100一实施例的流程示意图；图4所示为图3所示的硅光子芯片光耦合结构的设计方法的步骤S110一实施例的流程示意图；图5所示为图3所示的硅光子芯片光耦合结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅光子芯片光耦合结构，其特征在于，包括：第一光栅耦合器，包括在第一方向上依次设置的第一包层、第一波导层、第一埋氧层和第一反射层，所述第一波导层包括第一光栅；第二光栅耦合器，和所述第一光栅耦合器在所述第一方向上相对设置，所述第二光栅耦合器包括在所述第一方向上依次设置的第二包层、第二波导层、第二埋氧层和第二反射层，所述第二包层和所述第一包层连接；所述第一波导层用于接收沿第二方向输入的入射光，并将所述入射光传输至所述第一光栅，所述第一光栅用于将所述入射光进行衍射；所述第一反射层用于反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第一反射层的方向衍射的光线；所述第二反射层用于反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第二反射层的方向衍射的光线；所述第二光栅用于将所述第一光栅衍射的光线及所述第一反射层和所述第二反射层反射的光线进行衍射，形成衍射光，以使至少部分所述衍射光耦合至所述第二波导层；其中，所述第一方向和所述第一波导层的延伸方向垂直，所述第二方向和所述第一方向垂直。2.根据权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于，所述第一反射层在所述第二方向上延伸的长度大于或等于所述第一光栅在所述第二方向上的栅区长度；和/或所述第二反射层在所述第二方向上延伸的长度大于或等于所述第二光栅在所述第二方向上的栅区长度。3.根据权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于，所述第一反射层和所述第二反射层平行设置，且所述第一光栅和所述第二光栅平行设置。4.根据权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于，所述第一反射层的材料包括金属；和/或所述第二反射层的材料包括金属。5.根据权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于，所述第一埋氧层和所述第二埋氧层的厚度、所述第一光栅和所述第二光栅的栅区周期及占空比通过硅光子芯片光耦合结构的耦合模型确定，所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型是通过时域有限差分的方法在仿真环境中建立的。6.根据权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于，所述第一波导层的材料包括硅、氮化硅和铌酸锂中的至少一种；和/或所述第二波导层的材料包括硅、氮化硅和铌酸锂中的至少一种。7.根据权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于，所述第一光栅耦合器还包括第一衬底层，所述第一衬底层在所述第一方向上和所述第一反射层连接，所述第一衬底层的材料包括硅；和/或所述第二光栅耦合器还包括第二衬底层，所述第二衬底层在所述第一方向上和所述第二反射层连接，所述第二衬底层的材料包括硅。8.一种硅光子芯片光耦合结构的设计方法，其特征在于，包括：确定硅光子芯片光耦合结构的特征参数，其中，所述硅光子芯片光耦合结构包括第一光栅耦合器和第二光栅耦合器，所述第一光栅耦合器在第一方向上依次包括第一包层、第一波导层、第一埋氧层和第一反射层，所述第一波导层包括第一光栅，所述第二光栅耦合器
和所述第一光栅耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敬好，王震，胡辰，张欢，李佳，王海涛，尹坤，吉晨，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：