[發明專利]基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器

在審

• 申請號: 201710116953.8
• 申請日: 2017-03-01
• 公開（公告）號: CN106772801A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 馮吉軍;顧昌林;曾和平
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G02B6/125
• 分類號: G02B6/125;G02B6/124
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司31001
• 代理人: 吳寶根

技術領域

本發明涉及一種光學器件，特別涉及一種基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器。

背景技術

氮化硅這一硅基材料在集成光電子器件方面有著廣泛應用，具有從可見到紅外的寬透射譜，其制作工藝與商用半導體加工工藝兼容等特性。基于氮化硅材料的光波導結構，與包覆層的折射率差值適中，器件尺寸在微米量級，制造容差較大，易于大規模商業化生產，且有關器件與外部光纖的耦合效率較高，傳輸損耗也比較低。在眾多的光學集成器件中，定向耦合器是基本組成部分，可以應用于波長解復用器，偏振光束分光器，光學開關和生物傳感器，定向耦合器由于其結構上簡單，沒有累贅的固有損耗等特性非常適用于光束分光，同時，定向耦合器簡單易設計，其分光比可以通過改變耦合長度或波導間隔來調節。盡管定向耦合器被廣泛應用但它的帶寬很窄且有嚴格的制造容差，這是由于在交叉耦合中必須滿足嚴格的相位匹配條件，鑒于該缺點，目前有幾種方法被提出以拓寬定向耦合器的帶寬：1、通過在馬赫森德干涉儀中連接耦合器的方法帶寬有所改善但以更大的器件封裝尺寸為代價【在先技術1：J. Feng and R. Akimoto, Jpn. J. Appl. Phys. 54, 04DG08 (2015)】。2、通過在耦合區采用特定的錐形波導，非對稱耦合器可以獲得寬帶寬但同樣極大增加了封裝尺寸【在先技術2：G. Paloczi, A. Eyal, and A. Yariv, IEEE Photon. Technol. Lett. 16, 515 –517 (2004)】。3、將耦合器的形狀彎曲雖然有效但會導致相位響應的退化【在先技術3：D. Dai and J. E. Bowers, Opt. Express 19(19), 18614–18620 (2011)】。

最近，亞波長結構的光柵引起廣泛關注，當它的光柵周期足夠小時，能夠充當均勻媒介并且有效抑制衍射效應，通過改變占空比和光柵周期，亞波長光柵波導有效模式的折射率和色散可以很容易改變,便于光學器件的集成與設計，矩形光柵是利用微電子深刻蝕工藝，在基底上加工出的具有矩形槽形的光柵。高密度矩形光柵的衍射理論，不能簡單地由波導學中光束傳播法來解釋，須采用三維有限時域差分算法，通過編碼的計算機程序精確地計算出結果。但據我們所知，目前為止，還沒有人針對1550納米光通信波段給出在氮化硅基片上制作的亞波長光柵結構的寬帶耦合器的設計參數。

發明內容

本發明是針對定向耦合器存在的問題，提出了一種基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器，波長為1550納米的TE偏振光（振動方向垂直于傳播方向）沿波導入射時,可以實現50:50的耦合比，從1500到1620納米波段的TE偏振光沿光柵波導入射時，可實現分束光功率差值在0.2 分貝以內。

本發明的技術方案為：一種基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器，由兩個完全左右前后對稱的結構相同的氮化硅波導耦合組成，輸入端為分離的直波導，經過彎曲的錐形波導進入耦合區，到周期光柵結構，再到彎曲的錐形波導到輸出端分離的直波導，錐形波導中間為從直波導寬度漸變小的錐形，兩邊為等寬的鋸齒形，鋸齒形的間隔結構與光柵結構相同，該波導耦合器從頭到尾寬度和高度完全相等。

所述彎曲的錐形波導為S形的錐形波導，入射端兩直波導間距是光柵結構波導間距的十倍以上。

所述兩個完全左右前后對稱的結構相同的氮化硅波導外由微米厚的二氧化硅層包裹。

所述光柵結構波導導寬為1800納米,高度為330納米，光柵周期為350納米，占空比為0.315，占空比即為硅條紋寬度和周期的比值，耦合長度25.2微米，波長為1550納米的TE偏振光從輸入端直波導沿波導入射時,實現50:50的耦合比，光柵結構波導間距450納米時實現從1500納米到1620納米波段耦合器出射端光功率差值在0.2分貝以內。

本發明的有益效果在于：本發明基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器，設計的光柵結構的氮化硅寬帶耦合器較傳統意義上的耦合器而言能夠極大地拓寬了傳輸帶寬，傳輸損耗低，耦合效率高，性能穩定，在1550納米光通信波段具有重要的應用前景。

附圖說明

圖1為本發明基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器三維結構圖；

圖2為本發明光柵結構耦合器的耦合效果圖；

圖3為本發明基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器制備過程示意圖。

具體實施方式