[發明專利]一種用于在固體波導和SWG波導之間建立耦合的耦合結構

有效

• 申請號: 201911157455.3
• 申請日: 2019-11-22
• 公開（公告）號: CN111025473B
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發明（設計）人: 趙復生;王碩;李靜婷;趙俊洋
• 申請（專利權）人: 纖瑟（天津）新材料科技有限公司
• 主分類號: G02B6/136
• 分類號: G02B6/136;G02B6/122
• 代理公司: 北京棘龍知識產權代理有限公司 11740
• 代理人: 戴麗偉

本發明屬于光波導技術領域，涉及一種SWG波導及耦合結構，所述SWG波導包括220nm厚硅波導核心層、3μm厚SiO₂襯底及2μm厚SiO₂上覆層，所述耦合結構包括第一結構和第二結構，所述第一結構為絕熱錐形結構。本發明利用CMOS工藝中成熟的多層刻蝕技術，在引入第三個維度結構變化，得到了與0.18μm CMOS工藝兼容的SWG波導及耦合結構，且仿真結果表明，1.55μm的光可以在這種SWG波導中以低損耗傳輸，耦合結構在過渡階數分別為10和20階時，損耗分別為1.1db和0.5db，這一結果為利用CMOS工藝兼容制造SWG結構提供了很好的理論基礎和技術支持。

技術領域

本發明屬于光波導技術領域，涉及一種用于在固體波導和SWG波導之間建立耦合的耦合結構。

背景技術

亞波長光柵(SWG)結構是一種超材料，是指由周期性或非周期性的塊體組成的結構，其特征尺寸等于或小于光的波長。SWG結構在衍射光學元件中的應用已有50多年的歷史，與光子晶體類似，SWG結構的每個基本構建塊都等效于光子晶體的晶格，當塊的大小遠小于光的波長時，衍射被抑制，結構表現為具有均勻有效折射率的材料，這種結構可用于設計不同折射率、模式尺寸和色散的集成光子器件；

近年來，SWG結構在硅基光子集成(PICs)領域得到了廣泛的應用，與傳統的PIC器件相比，SWG結構有效折射率的降低大大增加了模式尺寸，增強了光與物質的相互作用，這有利于生化傳感應用；SWG結構可以精確控制模式尺寸，并在光纖和波導之間起到高效邊緣耦合器的作用；它們還可以被設計成具有高熱穩定性或特殊色散的性質，可用于熱穩定應用或實現新型光學元件。SWG結構極大地提高了硅基PICs的設計靈活性；

SWG結構通常是嵌入傳統PIC網絡中用作于特殊功能的隔離設備,由于SWG結構的有效折射率較低，需要在SWG結構和固體波導之間建立耦合結構。SWG結構和固體波導之間的耦合通常是通過逐漸將固體波導的填充因子從1緩慢改變為SWG結構的填充因子來實現的(其中填充因子的定義是芯材體積除以結構總體積)。電子束曝光技術(EBL)為這種過渡結構的制備提供了一種容易實現的方法，因為它可實現10nm的最小線寬，只需要通過改變結構的二維設計，就能使填充因子實現平穩過渡。

事實上，據發明人所知，迄今為止現有技術中所有SWG結構都是用EBL制造的，其限制了SWG結構在大規模生產中的應用。因此為了實現SWG結構的廣泛應用，需要與CMOS工藝兼容的SWG結構設計。這項工作面臨的主要挑戰是一般CMOS工藝的最小線寬較大，如果在設計中只考慮二維變化，則會導致耦合結構的填充因子不連續。

發明內容

為解決上述背景技術中提出的問題，本發明提供了一種利用CMOS工藝中成熟的多層刻蝕技術，在引入第三維度結構變化，得到了與0.18μmCMOS工藝兼容的SWG波導及耦合結構。

本發明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現：

一種用于在固體波導和SWG波導之間建立耦合的耦合結構，所述SWG波導包括硅波導核心層、SiO₂襯底及SiO₂上覆層，所述耦合結構包括第一結構和第二結構，所述第一結構為絕熱錐形結構；

所述第一結構與固體波導耦合，所述第二結構利用CMOS工藝多層刻蝕技術，引入厚度維度結構變化，實現第二結構到SWG波導耦合時平滑的填充因子轉換。

所述硅波導核心層的厚度為220nm，SiO₂襯底的厚度為3μm，SiO₂上覆層的厚度為2μm。

所述SWG波導的適用的波長為1.55μm。

所述SWG波導的寬度小于350nm。

所述SWG的寬度為300nm。

所述SWG波導的填充因子為50％，周期為400nm。