一种基于二维光栅波导的模式不敏感的模斑转换器制造技术

一种基于二维光栅波导的模式不敏感的模斑转换器，属于平面光波导器件技术领域。由硅片衬底、二氧化硅下包层、芯层直波导和聚合物上包层组成，芯层直波导被完全包覆在聚合物上包层之中；沿光的传输方向，芯层直波导由聚合物外芯层直波导和被聚合物外芯层直波导包覆的内芯层直波导组成，内芯层直波导由顺次连接的二维光栅波导和输出直波导组成；内芯层直波导的长度小于聚合物外芯层直波导的长度，且输出直波导和聚合物外芯层直波导的输出端面位于同一平面。本发明专利技术器件结构充分发挥了氮化硅材料透明窗口大、热稳定性高以及聚合物材料和氮化硅材料加工工艺成熟且相兼容的优势，为解决基于少模波导的光子集成芯片与少模光纤的耦合方法提供了新思路。耦合方法提供了新思路。耦合方法提供了新思路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维光栅波导的模式不敏感的模斑转换器


[0001]本专利技术属于平面光波导器件
，具体涉及一种基于二维光栅波导的以硅片作为衬底、二氧化硅作为下包层、氮化硅作为波导内芯层、有机聚合物作为波导外芯层、有机聚合物作为波导上包层的模式不敏感模斑转换器。

技术介绍

[0002]近年来，随着5G、大数据、物联网和云计算等新型技术和业务的飞速发展，人们对光通信系统的容量和传输速率也提出了更高的要求。为了提高通信容量，波分复用(WDM)、时分复用(TDM)和偏分复用(PDM)等技术被相继提出并逐渐成熟。然而，由于光纤的非线性效应和香浓极限的影响，传统的单模光纤依然具有局限性。为了克服单模光纤通信的瓶颈，研究人员提出了模分复用(MDM)技术，即采用多个相互正交的空间模式同时传输信息，使通信系统的传输容量成倍增加。为了进一步满足大容量的光通信系统的需求，片上MDM系统也得到了快速发展，用以灵活处理MDM系统的光信号。
[0003]目前用于研制片上MDM系统的波导材料主要有铌酸锂、氮化硅、SOI和有机物聚合物材料等。其中，氮化硅凭借其传输损耗低、器件尺寸小、透明窗口宽和CMOS工艺兼容等优点，近年来在平面波导器件和片上MDM系统中得到了快速发展和广泛关注。虽然氮化硅在实现器件小型化和集成化方面具有一定的优势，但是由于其本身尺寸小、折射率差大的特点会导致较高的耦合损耗，这给片上MDM系统与少模光纤的高效耦合带来了挑战。在光通信网络中，模斑转换器常用于板间光互连、模块间光互连和芯片与光纤的互连等，其耦合效率将直接影响各种光子集成器件和系统的性能。虽然研究人员已经提出了基于三维锥形耦合器、悬挂式锥形耦合器、倒锥形阵列波导和阶梯结构等结构的模斑转换器，但是仍存在着制备成本高、工艺难度大和带宽窄等问题，并且多数器件只能实现对基模信号的模斑转换，实现少模波导与少模光纤之间的高效模斑转换具有一定的挑战。
[0004]本专利技术采用二维光栅波导和聚合物波导混合结构来设计模斑转换器，利用聚合物波导制作成本低、易于集成、与光纤耦合效率高等优点，实现了不同模式的高效率模斑转换，而且经过模斑转换器的模场形状不发生改变，在MDM系统中具有重要的应用价值。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于二维光栅波导的模式不敏感模斑转换器，该器件结构连接聚合物波导和氮化硅波导，实现了多种模式的低损耗模斑转换，解决了现有器件支持模式少、偏振敏感和带宽窄的问题。
[0006]本专利技术采用二维光栅波导作为该器件的基本结构，由于其成熟的制备工艺，稳定的器件性能，在光子集成芯片和光通信网络中具有至关重要的价值。基于光的衍射原理，将大尺寸聚合物波导中的光耦合至氮化硅二维光栅波导部分，光在二维光栅波导区域耦合之后传输至氮化硅波导，进而解决传统模斑转换器只能传输基模的局限。
[0007]本专利技术采用硅片作为器件衬底，二氧化硅作为波导的下包层材料，氮化硅作为波
导内芯层，有机聚合物作为波导外芯层，并采用与外芯层聚合物不同的聚合物材料作为波导上包层。本专利技术充分发挥了氮化硅波导传输损耗低、透明窗口宽和热稳定性好的优势，以及聚合物材料种类多、制备工艺简单等优势，以及这两种材料工艺成熟、相互兼容的特点，适合大规模制备生产，具有重要的应用前景。
[0008]如图1所示，一种基于二维光栅波导的模式不敏感模斑转换器，从下至上由硅片衬底31、在硅片衬底31上制备的二氧化硅下包层32、在二氧化硅下包层32上制备的芯层直波导、在二氧化硅下包层32和芯层直波导上制备的聚合物上包层35组成，芯层直波导被完全包覆在聚合物上包层35之中；沿光的传输方向，芯层直波导由聚合物外芯层直波导1和被聚合物外芯层直波导1包覆的氮化硅内芯层直波导组成，氮化硅内芯层直波导由顺次连接的二维光栅波导2和输出直波导3组成；氮化硅内芯层直波导的长度(X轴方向)小于聚合物外芯层直波导1的长度，且输出直波导3和聚合物外芯层直波导1的输出端面位于同一平面。
[0009]如图2所示，聚合物外芯层直波导1的长度L1为1.6～3cm；二维光栅波导2是在氮化硅内芯层直波导中在与硅片衬底31上表面平行的平面内刻蚀出的一系列尺寸相同的凹槽阵列，凹槽在与光的传输方向(X轴方向)相平行方向(X轴方向)和相垂直方向(Y轴方向)都均匀排布，平行于光的传输方向的相邻凹槽的间隔距离与凹槽长度相同，垂直于光的传输方向的相邻凹槽的间隔距离与凹槽宽度相同，二维光栅波导2的长度L2为8～30μm，输出直波导3的长度L3为0.8～1.5cm。
[0010]如图3所示，为氮化硅内芯层结构示意图，二维光栅波导2中平行于光的传输方向的相邻凹槽的间隔距离与凹槽长度W1相同为0.5～1μm，垂直于光的传输方向的相邻凹槽的间隔距离与凹槽宽度相同W2相同为0.08～0.15μm，且沿光的传播方向相邻凹槽彼此交错设置相互间不重合；凹槽平行于光的传输方向的行数N
x
为16～30个，凹槽垂直于光的传输方向的列数N
y
为40～60个；
[0011]如图1所示，图1(a)、图1(b)和图1(c)分别为图2中A
‑
A
’
、B
‑
B
’
、C
‑
C
’
位置的波导截面图，聚合物外芯层直波导1的宽度W3为3.5～10μm；氮化硅内芯层直波导的宽度W4为3.2～9μm；硅片衬底31的厚度(Z轴方向)为0.6～1mm，二氧化硅下包层32的厚度(Z轴方向)为3～5μm，氮化硅内芯层直波导的厚度(Z轴方向)为0.2～0.6μm，位于二氧化硅下包层32之上的聚合物外芯层直波导1的厚度(Z轴方向)为2～3μm，聚合物上包层35的厚度(Z轴方向)为3～5μm。
[0012]光从聚合物外芯层直波导1输入，经过氮化硅内芯层的二维光栅波导2时，光从聚合物外芯层直波导1中衍射至二维光栅波导2中，二维光栅可以使两种偏振不同模式的光都实现高效率耦合，优化后的二位光栅结构可以使得衍射过程中不同模式的光在耦合之后在内芯层波导保持模式不发生变化，之后将光传输至输出直波导3中，耦合前后光的模斑发生了转换而模式不发生变化，从而实现模式不敏感的模斑转换功能。
[0013]本专利技术所述的一种模式不敏感的模斑转换器，其制备工艺流程见图4，具体叙述为：
[0014]A：二氧化硅下包层表面的清洁处理
[0015]使用带有丙酮的棉球擦拭清理二氧化硅基片表面(由硅片衬底31和位于硅片衬底31上的二氧化硅下包层32组成)，再使用沾有乙醇的棉球擦拭清理二氧化硅基片表面，最后用去离子水冲洗基片使得基片表面洁净，之后用氮气吹干，并放入干净培养皿中密封；
[0016]B：氮化硅薄膜制备
[0017]使用LPCVD方法，750～850℃下在二氧化硅下包层32上沉积化学计量比为Si3N4的氮化硅薄膜，沉积的氮化硅薄膜厚度为0.2～0.6μm；
[0018]C：氮化硅内芯层直波导的制备...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维光栅波导的模式不敏感模斑转换器，其特征在于：从下至上由硅片衬底(31)、在硅片衬底(31)上制备的二氧化硅下包层(32)、在二氧化硅下包层(32)上制备的芯层直波导、在二氧化硅下包层(32)和芯层直波导上制备的聚合物上包层(35)组成，芯层直波导被完全包覆在聚合物上包层(35)之中；沿光的传输方向，芯层直波导由聚合物外芯层直波导(1)和被聚合物外芯层直波导(1)包覆的内芯层直波导组成，内芯层直波导由顺次连接的二维光栅波导(2)和输出直波导(3)组成；内芯层直波导的长度小于聚合物外芯层直波导(1)的长度，且输出直波导(3)和聚合物外芯层直波导(1)的输出端面位于同一平面。2.如权利要求1所述的一种基于二维光栅波导的模式不敏感模斑转换器，其特征在于：二维光栅波导(2)是在内芯层直波导中在与硅片衬底(31)上表面平行的平面内刻蚀出的一系列尺寸相同的凹槽阵列，凹槽在与光的传输方向相平行方向和相垂直方向都均匀排布，平行于光的传输方向的相邻凹槽的间隔距离与凹槽长度相同，垂直于光的传输方向的相邻凹槽的间隔距离与凹槽宽度相同。3.如权利要求2所述的一种基于二维光栅波导的模式不敏感模斑转换器，其特征在于：聚合物外芯层直波导(1)的长度L1为1.6～3cm，二维光栅波导(2)的长度L2为8～30μm，输出直波导(3)的长度L3为0.8～1.5cm；二维光栅波导(2)中平行于光的传输方向的相邻凹槽的间隔距离...

【专利技术属性】
技术研发人员：王希斌，车远华，孙士杰，余启东，孙小强，张大明，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：