一种基于对称垂直光栅耦合结构的SOI基光隔离器，包括：一个垂直耦合光栅；两个模式转换器，分别制作在垂直耦合光栅的两侧，实现近似无损耗的能量传输以及模式转换；两个单模脊型波导，其分别与两个模式转换器的一端连接；一个光学合束器，其分别与两个单模脊型波导的另一端连接；其中所述的一个垂直耦合光栅、两个模式转换器、两个单模脊型波导和一个光学合束器均制作在一衬底上。其具有耦合与光隔离功能一体化、易于对准、低插入损耗、制作工艺与CMOS工艺兼容等潜在的特性和优点，有望在未来的片上/片间光互连网络中获得重要应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及到硅基光子学及芯片级光互连技术，尤其涉及到基于对称垂直光栅耦合结构的SOI基光隔离器。
技术介绍
近半个世纪来，随着集成电路的发展，硅基材料和器件工艺已经非常成熟，而且随着工艺特征尺寸的不断缩小，集成电路的集成度也一直按照摩尔定律飞速向前发展。芯片更高的集成度带来的不仅仅是晶体管数目的增加，更是芯片功能和处理速度的提升。然而，随着特征尺寸的不断缩小和集成度的不断增加，微电子工艺的局限性也日趋明显。虽然单个晶体管的延时和功耗越来越小，但是互连线的延时和功耗却越来越大并逐渐占据主导。在当今的处理器中，电互连引起的功耗占了整个芯片总功耗的80%以上。因此，可以看到深亚微米特征尺寸下电互连延迟和功耗的瓶颈，已经严重制约了芯片性能的进一步提高。于是人们把目光投向了光互连。光互连能解决电互连固有的瓶颈，具有高带宽、抗干扰和低功耗等优点，可用于系统芯片中时钟信号传输，解决信号的相互干扰和时钟歪斜问题。近年来，SOI材料由于其强的光限制能力以及硅在光通信波段透明的特性，成为一个极具吸引力的硅光子技术平台，并且发展十分迅速，许多有重大意义的成果相继被提出和验证，光栅耦合器、MZI调制器、微环调制器、锗波导探测器、复用解复用器件等的问世也似乎宣告了一个光电子时代即将到来。然而，挑战和困难也是巨大的。由于硅是间接带隙半导体材料，无法用硅制作半导体激光器，导致片上光源的缺失，需要用光栅耦合或端面耦合等方式将片外光源耦合进入片上硅波导。此外，半导体激光器、光放大器等有源器件对反射光非常敏感，反射光会导致半导体激光器振荡特性劣化。在高速直接调制、直接检测光通信系统中，反射光会产生附加噪声，使系统的性能劣化。因此，需要用光隔离器遮住要入射到光有源器件的光，防止光有源器件器特性退化。现有的晶体型光隔离器根据偏振特性可分为偏振相关型和偏振无关型，两种隔离器都是基于磁光晶体的法拉第效应(FaradayEffect，一种磁光效应)，利用法拉第旋转的非互易性，允许光向一个方向通过而阻止反方向通过。传统的光隔离器体积大，造价高，而且制作工艺不能与CMOS工艺兼容，不能做到单片集成，这也制约了光互连的实现。光栅耦合器作为一种芯片与片外光源的接口，它具有大的对准容差能力、可以随意放置、易于实现片上测试、无需端面抛光等优点，因此被认为是一种很有用的片上耦合器件。本专利技术提出一种基于对称垂直光栅I禹合结构的soi基光隔离器,其原理主要基于反射光的干涉相消和光栅的反射。SOI基光栅耦合器体积小，制作工艺简单，而且与CMOS工艺兼容，所以本专利技术提出的这种基于对称垂直光栅耦合结构的光隔离器可以解决光隔离器与其他SOI基光电器件如MZI调制器、锗硅探测器等单片集成的问题，同时又具有完成片外光源与硅波导耦合的功能，有望在未来的片上/片间光互连网络中获得广泛应用
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于对称垂直光栅I禹合结构的SOI基光隔离器,其具有耦合与光隔离功能一体化、易于对准、低插入损耗、制作工艺与CMOS工艺兼容等潜在的特性和优点，有望在未来的片上/片间光互连网络中获得重要应用。本专利技术提供一种基于对称垂直光栅稱合结构的SOI基光隔离器,包括—个垂直稱合光栅；两个模式转换器，分别制作在垂直耦合光栅的两侧，实现近似无损耗的能量传输以及模式转换；两个单模脊型波导，其分别与两个模式转换器的一端连接；一个光学合束器，其分别与两个单模脊型波导的另一端连接；其中所述的一个垂直耦合光栅、两个模式转换器、两个单模脊型波导和一个光学合束器均制作在一衬底上。由上面的分析可知，我们的这个方案是完全可行的，该器件可以完成耦合功能，同时实现光隔离，保护光有源器件，有望在片上光互连/光通信网络中获得应用。附图说明为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本专利技术进一步详细说明，其中图I是本专利技术三维立体示意图。图2是本专利技术中垂直耦合光栅11耦合截面示意图。图3是本专利技术中垂直耦合光栅11具体实施例耦合效率曲线。图4是本专利技术光隔离器具体实施例仿真曲线。具体实施方案由于本专利技术是基于SOI衬底材料设计的硅基光隔离器，对于不同的埋氧层厚度以及顶层硅厚度，为达到功能要求相应的最佳设计也不同，因此为了方便进行叙述，本专利技术衬底材料默认为具体实施参数，即埋氧层厚度为2 μ m，顶层硅厚度为220nm。图I为本专利技术的具体实施例三维示意图，参阅图I所示，本专利技术提供一种基于对称垂直光栅稱合结构的SOI基光隔离器,包括—个垂直稱合光栅11，所述的垂直稱合光栅11为对称的垂直稱合光栅I ;两个模式转换器12，分别制作在垂直耦合光栅11的两侧，作为垂直耦合光栅11处宽波导与单模脊型波导13的连接，实现近似无损耗的能量传输以及模式转换；两个单模脊型波导13，其分别与两个模式转换器12的一端连接；一个光学合束器(3dB分束器)14，其分别与两个单模脊型波导13的另一端连接，所述光学合束器(3dB分束器)14是Y分支或者MMI耦合器；其中所述的一垂直稱合光栅11、两个模式转换器12、两个单模脊型波导13和一光学合束器(3dB分束器)14均制作在一衬底上，所述的衬底为SOI衬底。所述的垂直耦合光栅11作为SOI基光隔离器与光纤的接口或耦合器，实现完全垂直耦合，在单模光纤21 (参阅图2)处于对称垂直耦合光栅11中心时，将耦合进入的光能量分成完全对称的两束光分别进入对称垂直耦合光栅11两侧的两个模式转换器12中，经模式转换进入单模脊型波导13，沿相反的方向单模传播，从而该结构具备耦合器和输入端的3-dB分束器的功能。当波导中的反射光沿光路反方向传播时，从单模脊型波导13入射的反射光进入模式转换器12，经过模式转换进入垂直耦合光栅11。所述光学合束器(3dB分束器)14将垂直耦合光栅11分出的两个单模脊型波导13中的光合为一束，提高耦合效率，同时波导中的反射光沿光路反方向传播时，此光学合束器(3dB分束器)14将反射光等分为两路，分别经过两个单模脊型波导13向模式转换器12传播，最后进入垂直稱合光栅11。当波导中的反射光沿光路反方向传播时，反射光经过光学合束器(3dB分束器)14、单模脊型波导13和模式转换器12向垂直稱合光栅11传播，在垂直稱合光栅11处发生干涉相消。同时，对于垂直稱合光栅11工作波长的光而言，光栅满足布拉格条件，可以实现对波导中此波长的光的强反射。在上述两种机制的作用下，该器件阻止芯片上硅波导中的反射光进入光纤，实现了光隔离的作用。图2为垂直I禹合光栅11 I禹合不意图，垂直I禹合光栅11上方为单模光纤21。单模光纤21与垂直稱合光栅11垂直并位于其中心。一般普通的单模光纤芯层直径为8-9 μ m,出射模式为高斯模式，模斑直径约为10. 4μπι，因此，为确保耦合效率，光栅长度应稍大，在我们的实施方案中，垂直耦合光栅11长度为12 μ m。从示意图中可以看出，当单模光纤21与垂直稱合光栅11同心时，从单模光纤21向垂直稱合光栅11入射的能量Pin在稱合进入芯片后，进入左侧单模脊型波导13的能量Pl与进入右侧单模脊型波导13的能量P2相等。此时，垂直耦合光栅11即作为耦合器又作为输入端的能量分束器将耦合进入的能量分成完全对称的两束TE偏振的光。为了获得最本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于对称垂直光栅耦合结构的SOI基光隔离器，包括：一个垂直耦合光栅；两个模式转换器，分别制作在垂直耦合光栅的两侧，实现近似无损耗的能量传输以及模式转换；两个单模脊型波导，其分别与两个模式转换器的一端连接；一个光学合束器，其分别与两个单模脊型波导的另一端连接；其中所述的一个垂直耦合光栅、两个模式转换器、两个单模脊型波导和一个光学合束器均制作在一衬底上。
【技术特征摘要】
1.一种基于对称垂直光栅稱合结构的SOI基光隔离器,包括一个垂直稱合光栅；两个模式转换器，分别制作在垂直耦合光栅的两侧，实现近似无损耗的能量传输以及模式转换；两个单模脊型波导，其分别与两个模式转换器的一端连接；一个光学合束器，其分别与两个单模脊型波导的另一端连接；其中所述的一个垂直耦合光栅、两个模式转换器、两个单模脊型波导和一个光学合束器均制作...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄北举，张赞，张赞允，陈弘达，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：
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