一种大工艺容差弯曲定向耦合器及设计方法技术

本发明专利技术属于弯曲定向耦合器技术领域，公开了一种大工艺容差弯曲定向耦合器及设计方法，由下至上依次设置的衬底

【技术实现步骤摘要】
一种大工艺容差弯曲定向耦合器及设计方法


[0001]本专利技术属于铌酸锂薄膜光子集成
，尤其涉及一种大工艺容差弯曲定向耦合器
。

技术介绍

[0002]分光器作为铌酸锂薄膜光模块中不可或缺的器件，成为许多集成光电器件的核心部分，比如电光调制器
、
波长分复用器
、
模式
(
解
)
复用器
、
光开关
、
偏振分光器
/
旋转器
、
微环谐振器和功分器
。
尽管被广泛应用的多模干涉仪
(MMI)
结构紧凑
、
加工容差大，但在高精度光学测量系统和大规模光网络，
MMI
的较大反射和过大的超额损耗并不能适用，而且在一些应用对分光比有不同要求，
MMI
在这方面需要牺牲一部分光功率才能达到
。
在相位匹配条件下，由两个或多个波导组成的定向耦合器具有低插入损耗
、
低反射和任意分光比的灵活性，这在光子集成领域非常常见
。
然而，传统的定向耦合器在制造过程中容易受到工艺误差的影响，从而降低了器件的性能和稳定性，导致许多采用定向耦合器方案的功能器件无法大规模生产
。
[0003]尽管定向耦合器作为基本光学器件之一已被广泛研究，并采取各种方法降低对波长的敏感性以扩大工作带宽，但这些方法通常伴随其他缺陷
。
例如，结构尺寸较大，难以判断其能否从硅基平台迁移到铌酸锂平台；或者结构复杂度较高，增加制作过程的难度，不利于实现产业化
。
在实际生产中，轻微的工艺误差仅影响单个器件性能，严重的误差导致整个系统无法正常运作
。
由于定向耦合器属于核心器件类别，在目前的产业环境中，市场对紧凑型且具有较大工艺容差的定向耦合器需求迅速增长
。
因此，研究设计简洁
、
高效制作
、
具有大工艺容差且对波长不敏感的定向耦合器显得尤为重要
。
对于高密度集成和高良品率的工业生产市场，紧凑且工艺容差大的定向耦合器将成为必要的发展方向，研究宽带宽
、
超低损耗
、
超低反射
、
任意比例分光的大工艺容差的定向耦合器可以成为光子集成领域一个关键的创新点，为未来的光子学领域发展奠定基础，对实现高性能集成光学器件具有重要意义
。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种大工艺容差弯曲定向耦合器
。
[0005]本专利技术是这样实现的，一种大工艺容差弯曲定向耦合器在铌酸锂薄膜平台实现，包括由下至上依次设置的衬底
、
绝缘层
、
第一平板波导层
、
第一波导芯层，包层
。
[0006]所述第一波导芯层包括第一直波导
、
第一弯曲波导
、
第二弯曲波导
、
第三弯曲波导
、
第二直波导
、
第四弯曲波导
、
第五弯曲波导
、
第六弯曲波导
。
[0007]所述第一直波导与第一弯曲波导以及第二弯曲波导一侧连接然后进入弯曲耦合区在连接第三弯曲波导一侧，在连接连接第二直波导进行光功率输出
。
[0008]所述第一弯曲波导与第三弯曲波导弧度一致，第二弯曲波导弧长是前者两倍且弧长对应的圆心角方向相反
。
[0009]所述第四弯曲波导与第六弯曲波导弧度一致，第六弯曲波导弧长是前者两倍且弧长对应的圆心角方向相反
。
[0010]所述第一弯曲波导
、
第二弯曲波导
、
第三弯曲波导弧度小于第四弯曲波导
、
第五弯曲波导
、
第六弯曲波导
。
[0011]所述弯曲定向耦合器的弯曲波导通过恰当的调节弯曲波导之间的半径和耦合区间角度使分光比改变，器件左右完全对称
。
[0012]进一步，所述光波导采用铌酸锂薄膜材料
。
[0013]进一步，所述光波导采用的制备工艺包括但不限于
ICP
刻蚀
、
干法刻蚀
、
湿法刻蚀
。
[0014]进一步，所述包层为氧化硅层
。
[0015]本专利技术的另一目的在于提供一种大工艺容差弯曲定向耦合器的设计方法，包括：
[0016]步骤
1、
确认波导材料，明确边界条件，包括绝缘层以及包层
。
[0017]步骤
2、
构建数值模型，通过超模理论对相邻耦合波导进行计算对称模式和反对称模式有效折射率
。
[0018]步骤
3、
波导间的耦合性能可以通过模式拍长
L
π
表征为表征为
[0019]其中
n
even
和
n
odd
分别是两种模式的有效折射率，
λ
是光的波长
。
公式可以反映出来，两个波导之间的间距越窄，耦合强度应该越强，这将导致
L
π
变短
。
此外，较宽的波导具有较强的光限制，因此导致较弱的耦合强度
。
[0020]步骤
4、
工艺误差体现在波导宽度的同步变大或变窄，设定波导间距，在原始波导宽度变化
±
100nm
下通过计算
n
even
和
n
odd
得到
L
π
随工艺容差变化的曲线
。
[0021]步骤
5、
通过不断变化波导间距，得到不同间距和宽度的
L
π
曲线，找到斜率接近0的一组即
L
π
最平稳的一组，认定在此宽度和间隙下波导宽度变化对器件耦合性能影响最低
。
[0022]步骤
6、
建立弯曲定向耦合器模型，在之前
L
π
最平稳的一组的宽度和间隙下，进行全局优化，一般在此波导宽度和间隙进行微调即可
、
波导宽度和间隙微调范围不超过
200nm。
[0023]步骤
7、
通过调整弯曲波导的半径以及耦合区间的角度，可以获得波导工艺容差
±
200nm
刻蚀工艺容差
±
20nm
的任意分光比弯曲定向耦合器
。
[0024]本专利技术的另一目的在于提供一种大工艺容差弯曲定向耦合器在高端的芯片集成器件中的应用
。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种大工艺容差弯曲定向耦合器，其特征在于，所述弯曲定向耦合器的弯曲波导结构的两端来耦合输入直波导和输出直波导，通过恰当的调节弯曲波导之间的半径和耦合角度使分光比改变，通过改变宽度和间隙来找稳定的
L
π
，在此基础全局优化选定波导的宽度的间隙
。2.
如权利要求1所述的大工艺容差弯曲定向耦合器，其特征在于，所述大工艺容差弯曲定向耦合器包括由下至上依次设置的衬底层
、
绝缘层
、
平板波导层
、
波导芯层
、
包层
。3.
如权利要求2所述的大工艺容差弯曲定向耦合器，其特征在于，所述的第一波导芯层包括多个连接的直波导和弯曲波导
。4.
如权利要求3所述的大工艺容差弯曲定向耦合器，其特征在于，所述的弯曲波导的半径和间距可以被调整以改变分光比
。5.
如权利要求2所述的大工艺容差弯曲定向耦合器，其特征在于，所述弯曲定向耦合器在薄膜铌酸锂平台上，其薄膜铌酸锂厚度在
200
～
600nm。6.
一种大工...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄浦程，
申请(专利权)人：广州铌奥光电子有限公司，
类型：发明
国别省市：