[發明專利]基于亞波長光柵的異質集成垂直耦合器及其應用

在審

• 申請號: 202010010935.3
• 申請日: 2020-01-06
• 公開（公告）號: CN113075765A
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 趙佳;趙然;孫崇磊;徐曉
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/124;G02B6/12
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 趙龍群

本發明涉及基于亞波長光柵的異質集成垂直耦合器及其應用，垂直耦合器包括絕熱拉錐波導，絕熱拉錐波導上設置有亞波長光柵；絕熱拉錐波導的寬度從始端到末端均勻減少，絕熱拉錐波導的兩個側邊對稱設置有亞波長光柵，亞波長光柵中光柵的長度由絕熱拉錐波導的始端到末端均勻增大；絕熱拉錐波導的長度為12.4?58.9μm。本發明結合了亞波長光柵的特性，優化了絕熱拉錐波導的耦合效果，使得耦合器的尺寸大大減少，并依然能保持97％以上的耦合率和100nm的帶寬。

技術領域

本發明涉及基于亞波長光柵的異質集成垂直耦合器及其應用，屬于垂直耦合器技術領域。

背景技術

硅晶絕緣體(Silicon-on-insulator，SOI)由于折射率差大，制備工藝與CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工藝兼容一直廣受學術界及工業屆的青睞，被廣泛應用于高密度光電集成線路。為了滿足日益增長的數據吞吐量及集成密度的需求，實現可擴展的、具有高成本效益的Si基光電集成線路，三維(Three-dimensional,3D)集成逐漸引起科學家的廣泛關注。

垂直光耦合器作為3D集成的關鍵器件，實現了多層平板光集成線路(Photonicintegrated circuits，PICs)之間的互連。垂直光耦合器的實現方式主要有絕熱拉錐波導，垂直聚合物光波導及懸臂耦合器。其中，絕熱拉錐波導由于耦合率高，制備簡單而展現出了廣闊的應用前景。但是，為了降低耦合損耗，波導必須滿足絕熱拉錐條件，因此器件尺寸較大。

以應用于硅基(Si)-鈮酸鋰(LiNO₃，LN)混合集成光調制器中的垂直耦合器為例，鈮酸鋰晶體波導位于硅波導的上方，硅波導中的能量通過絕熱拉錐結構時耦合進入上方鈮酸鋰波導中，為了實現大于97％的耦合率，硅波導的拉錐長度高達150μm，如此大的尺寸不利于提高集成度。如果直接縮小拉錐波導的長度，耦合效率下降明顯，將不符合器件對耦合效率的要求。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了基于亞波長光柵的異質集成垂直耦合器及其應用，該垂直耦合器的尺寸大大減少，并能保持97％以上的耦合率，且對工藝制造誤差有較大的誤差容限。

術語說明：

亞波長光柵：subwavelength grating，SWG，光柵周期小于入射波長，對入射光只存在零級反射和衍射。

本發明的技術方案為：

基于亞波長光柵的異質集成垂直耦合器，所述垂直耦合器包括絕熱拉錐波導，所述絕熱拉錐波導上設置有亞波長光柵；所述絕熱拉錐波導的寬度從始端到末端逐漸減少，所述絕熱拉錐波導的兩個側邊對稱設置有亞波長光柵，所述亞波長光柵的長度由絕熱拉錐波導的始端到末端逐漸增大；所述絕熱拉錐波導的長度為12.4-58.9μm；

光在從絕熱拉錐波導的始端進入垂直耦合器，并在垂直耦合器中繼續傳輸；由于亞波長光柵等效為一個均勻材料波導，入射到亞波長光柵上的光，入射光電場極化方向平行于光柵周期界面方向，隨絕熱拉錐波導寬度減少，垂直耦合器的有效折射率逐漸減小，導致光由始端到末端進行傳輸并逐漸向上耦合到上層波導中，然后在上層波導中繼續進行傳輸。

絕熱拉錐波導層上設置亞波長光柵結構，根據等效介質理論，亞波長光柵等效為一個均勻材料波導，亞波長光柵的等效折射率介于絕熱拉錐波導和上層波導之間，降低了耦合器與待傳輸波導的折射率差，因而能縮小絕熱拉錐波導的長度。

根據本發明優選的，亞波長光柵的周期T為220-320nm，亞波長光柵的占空比為0.32-0.45；優選的，亞波長光柵的周期T為300nm，占空比為0.33。占空比即為亞波長光柵中相鄰狹縫之間的光柵塊的長度a與光柵周期T的比值。