一种氮化硅平台的SMF-28光纤到芯片超低损端面耦合器

阅读：评论：0

一种氮化硅平台的smf-28光纤到芯片超低损端面耦合器
技术领域
1.本发明属于硅基光电子学领域，具体涉及一种氮化硅平台的smf-28光纤到芯片超低损端面耦合器。

背景技术：

2.硅光技术具有低功耗、高带宽、结构紧凑的优点，有望满足下一代光通信系统对功耗、速率和体积等方面的需求。硅光技术的发展趋势是增大集成度、降低成本、降低功耗，并在材料面积和材料功能之间取得更优的利用率。随着集成光子学的快速发展，光纤与光子集成电路之间的封装问题日益凸显，光子集成电路系统中光纤与集成波导之间的光耦合结构越来越受到关注。然而目前由于普通光纤模斑直径约为10μm，而典型的硅波导的模斑直径约为0.5μm，模斑直径差距过大。因此，光纤与硅光波导的高效耦合仍然难以实现。
3.为实现光纤与硅光波导的高效耦合，需解决的关键问题是通过波导端面耦合结构设计，实现波导模场与光纤模场的完全匹配。在现有的研究技术中，目前常用的耦合结构为倒锥形耦合器和正锥形耦合器：倒锥形耦合器原理是通过压缩波导尺寸，降低有效折射率，实现模场的扩展，以匹配光纤的模场；正锥形耦合器原理是扩大波导尺寸，实现模场扩展，以匹配光纤的模场。
4.目前已有研究者结合swg结构(亚波长光栅)与倒锥结构设计耦合器，但由于其尺寸较小，制备困难，前期研究已通过实验证明，虽然通过倒锥形耦合器和swg结构其能将光波导模场扩大至10μm，与最常用的标准单模光纤smf-28光纤模场直径(10.4μm)匹配，但波导与光纤模场的电场分布并不一致，导致目前报道中光波导与光纤耦合损耗较高，为1.2db/端面。

技术实现要素：

5.针对上述存在问题或不足，为了实现芯片与smf-28光纤的高效耦合，本发明提供了一种氮化硅平台的smf-28光纤到芯片超低损端面耦合器。该结构主要采用了具有不同折射率的氮氧化硅和sin两种材料，及倒锥形耦合器结构，通过将低折射率的氮氧化硅材料做成扁平层以大幅度扩大模场，且其电场分布与光纤电场分布更接近，可提高波导端面模式与smf-28光纤模式的重叠效率，从而有效提高了端面耦合效率。
6.一种氮化硅平台的smf-28光纤到芯片超低损端面耦合器，由端面耦合结构和模斑渐变结构两个部分组成。
7.所述端面耦合结构，共分为上中下三层，上下两层材料相同且关于中间层对称。
8.上下两层为sio
x
n层，其厚度h3＜100nm，宽度w5＞8μm，上下两层中心间隔h4为2μm-5μm，通过改变sio
x
n制备时的氧分压控制其折射率为1.45-2。
9.中间层为厚度h2＜300nm的第一sin中心波导，在其长度l1＞600μm第一sin中心波导宽度由w1线性变宽直至w4，w1＜250nm，w4＞500nm。
10.本发明在端面耦合结构部分，通过设计sio
x
n和sin层厚度、折射率分布，以显著提
高端面处的模场直径使其与smf-28光纤匹配。光进入芯片后，在端面耦合结构的长度内三层结构的光通过绝热渐变，全部耦合进入第一sin中心波导。
11.所述模斑渐变结构包括第二sin中心波导和其上叠层设置的一层倒锥结构。
12.第二sin中心波导为端面耦合结构中第一sin中心波导的延申，其长度l2＞300μm，在l2长度第二sin中心波导的宽度从w4线性变窄至w3，w3＞500nm。
13.倒锥结构的起始端为第一sin中心波导和第二sin中心波导的衔接处，是宽度从w2在l2长度线性变宽至w3的sin波导，w2＜200nm，倒锥结构的厚度为h1，且有h1+h2＝h0，h0为标准光波导的厚度。倒锥结构的宽度w2应尽可能小来减小耦合损耗。
14.第二sin中心波导和倒锥结构两波导在l2的末端处，宽度均渐变至w3成为一个波导，且两者总厚度与标准厚度光波导相同。由于标准尺寸光波导的厚度与端面处sin中心波导的厚度并不相同，因此通过设计模斑渐变结构，使第一部分端面耦合结构sin中心波导中的光能通过该模斑渐变结构低损的耦合进入标准厚度尺寸的光波导。
15.进一步的，所述端面耦合结构中的上下两层sio
x
n层均使用亚波长光栅结构替换，亚波长光栅结构的折射率为1.45-2。
16.进一步的，所述倒锥结构使用亚波长光栅结构替换，通过该方式以进一步优化倒锥结构由于工艺等问题起始端宽度w2无法做到0产生的额外损耗，进一步降低整体损耗。
17.本发明器件在工作时，光首先与芯片端面耦合，此时三层结构中都存在光，随着第一sin中心波导宽度逐渐变宽，其有效折射率逐渐变大，三层结构中的光最终都全部耦合进入第一sin中心波导；之后在第二sin中心波导上方增加一个厚度为传输波导厚度减去第二sin中心波导厚度的倒锥结构，其宽度逐渐变宽，而第二sin中心波导宽度逐渐变窄，最终两者宽度渐变至相同，并合成为一个标准波导，光此时高效的耦合进最终的传输波导。
18.综上所述，本发明采用具有不同折射率氮氧化硅和sin两种材料的三层结构，再配合倒锥结构，通过将低折射率的氮氧化硅材料做成扁平层以大幅度扩大模场，使其电场分布与光纤电场分布更接近，提高了波导端面模式与smf-28光纤模式的重叠效率，从而有效提高了端面耦合效率，实现芯片与smf-28光纤的高效耦合。本发明对于硅基集成光学系统中的光通信、光互连、光传感和激光探测等模块具有重大意义。
附图说明
19.图1为本发明的三维结构示意图；
20.图2为本发明端面耦合结构部分的三视图；
21.图3为本发明模斑渐变结构部分的三视图以及整体结构的俯视图；
22.图4为本发明的端面模场图及smf-28光纤端面模场图；
23.图5为本发明smf-28光纤到sin芯片的整体耦合传输场图；
24.图6为本发明的制备容差与对准容差分析图。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
26.如背景技术部分中所述，由于普通光纤模斑直径与典型的硅波导的模斑直径差距过大，很难实现光纤与硅基集成芯片间的高效耦合。本发明提出的氮化硅平台上的smf-28
光纤到芯片超低损耗端面耦合器可实现芯片与smf-28光纤的高效耦合目的。
27.本发明氮化硅平台的smf-28光纤到芯片超低损耗端面耦合器的三维结构如图1所示，制备方法为：在sio2基底上首先光刻出所需sio
x
n层的形状，然后使用溅射/pecvd/lpcvd制备一层65nm的sion，通过光刻、刻蚀将sion图形化为所需尺寸。继续使用溅射/pecvd/lpcvd生长sio2，然后使用溅射/pecvd/lpcvd制备400nm的sin薄膜，对其进行两次刻蚀使其变为sin中心波导的形状。再次使用溅射/pecvd/lpcvd生长sio2，然后使用溅射/pecvd/lpcvd制备一层65nm的sio
x
n，通过光刻、刻蚀将sio
x
n图形化为所需尺寸。最后再次使用溅射/pecvd/lpcvd生长sio2。
28.端面处耦合效率主要受到以下5个参数的影响：第一sin中心波导宽度与高度，上下sio
x
n层的厚度以及折射率，上下sio
x
n层之间的间隔。本实施例使用lumerical 3d-fdtd对上述参数进行理论分析和优化，得到最终的最优结果。端面处的具体尺寸为：w1＝h2＝210nm，h3＝65nm，w5＝9.5μm，sio
x
n层折射率为1.75，上下层间隔h4为3.8μm。
29.端面的场图与smf-28光纤的场图如图4所示，最终，对于tm模式端面处的耦合损耗为0.063db，对于te模式端面处的耦合损耗为0.154db。为了将光全部耦合进入sin中心波导，在长度l1(900μm)下第一sin中心波导的宽度由w1(210nm)线性渐变为w4(1.8μm)，该段的传输场图如图5所示。
30.本实施例最终所需的传输波导的厚度为400nm，为了使光完全耦合进入传输波导，本实施例模斑渐变结构的第二sin中心波导上方添加了厚度为h1(190nm)的倒锥形结构。宽度在400μm的长度下由w2(180nm)到w3(1μm)线性渐变，第二sin中心波导宽度在相同长度下从w4到w3线性渐变。该段的耦合损耗约为0.3db(tm模式)，其损耗的主要部分是由倒锥形结构的尖端处的模式失配造成的。
31.图6为该结构的容差分析，由图可知，中心波导尺寸即使制备误差达到30nm，其耦合损耗只变化了0.06db。光纤对准时，x方向的容差优于y方向，且1-db偏移容差距离可达2μm。
32.最终，本实施例设计的氮化硅平台上的smf-28光纤到芯片超低损端面耦合器对于tm模式实现了0.36db的超低耦合损耗，同时te模式也可实现1db以内的耦合损耗。尺寸制备容差可忽略不计，且1-db偏移容差距离可达2μm。
33.通过以上实施例可见，本发明采用具有不同折射率氮氧化硅和sin两种材料的三层结构，再配合倒锥结构，通过将低折射率的氮氧化硅材料做成扁平层以大幅度扩大模场，使其电场分布与光纤电场分布更接近，提高了波导端面模式与smf-28光纤模式的重叠效率，从而有效提高了端面耦合效率，实现芯片与smf-28光纤的高效耦合。

技术特征：

1.一种氮化硅平台的smf-28光纤到芯片超低损端面耦合器，其特征在于：由端面耦合结构和模斑渐变结构两个部分组成；所述端面耦合结构，共分为上中下三层，上下两层材料相同且关于中间层对称；上下两层为sio
x
n层，其厚度h3＜100nm，宽度w5＞8μm，上下两层中心间隔h4为2μm-5μm，通过改变sio
x
n的氧分压控制其折射率为1.45-2；中间层为厚度h2＜300nm的第一sin中心波导，在其长度l1＞600μm第一sin中心波导宽度由w1线性变宽直至w4，w1＜250nm，w4＞500nm；所述模斑渐变结构包括第二sin中心波导和其上叠层设置的一层倒锥结构；第二sin中心波导为端面耦合结构中第一sin中心波导的延申，其长度l2＞300μm，在l2长度第二sin中心波导的宽度从w4线性变窄至w3，w3＞500nm；倒锥结构的起始端为第一sin中心波导和第二sin中心波导的衔接处，是宽度从w2在l2长度线性变宽至w3的sin波导，w2＜200nm，倒锥结构的厚度为h1，且有h1+h2＝h0，h0为标准光波导的厚度；第二sin中心波导和倒锥结构两波导在l2的末端处，宽度均渐变至w3成为一个波导，且两者总厚度与标准厚度光波导相同。2.如权利要求1所述氮化硅平台的smf-28光纤到芯片超低损端面耦合器，其特征在于：所述端面耦合结构中的上下两层sio
x
n层均使用亚波长光栅结构替换，亚波长光栅结构的折射率为1.45-2。3.如权利要求1所述氮化硅平台的smf-28光纤到芯片超低损端面耦合器，其特征在于：所述倒锥结构使用亚波长光栅结构替换，以降低整体损耗。

技术总结

本发明属于硅基光电子学领域，具体涉及一种氮化硅平台的SMF-28光纤到芯片超低损端面耦合器。本发明基于端面耦合的模式耦合理论，通过采用具有不同折射率氮氧化硅和SiN两种材料的三层结构，再配合倒锥结构，通过将低折射率的氮氧化硅材料做成扁平层以大幅度扩大模场，使其电场分布与光纤电场分布更接近，提高了波导端面模式与SMF-28光纤模式的重叠效率，从而有效提高了端面耦合效率，实现芯片与SMF-28光纤的高效耦合。本发明对于硅基集成光学系统中的光通信、光互连、光传感和激光探测等模块具有重大意义。块具有重大意义。块具有重大意义。