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CN106772801A - 基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器 - Google Patents

基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器 Download PDF

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CN106772801A
CN106772801A CN201710116953.8A CN201710116953A CN106772801A CN 106772801 A CN106772801 A CN 106772801A CN 201710116953 A CN201710116953 A CN 201710116953A CN 106772801 A CN106772801 A CN 106772801A
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silicon nitride
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broadband
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冯吉军
顾昌林
曾和平
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University of Shanghai for Science and Technology
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University of Shanghai for Science and Technology
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Abstract

本发明涉及一种基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器，由两个完全左右前后对称的结构相同的氮化硅波导耦合组成，输入端为分离的直波导，经过弯曲的锥形波导进入耦合区，到周期光栅结构，再到弯曲的锥形波导到输出端分离的直波导，锥形波导中间为从直波导宽度渐变小的锥形，两边为等宽的锯齿形，锯齿形的间隔结构与光栅结构相同，该波导耦合器从头到尾宽度和高度完全相等。设计的光栅结构的氮化硅宽带耦合器较传统意义上的耦合器而言能够极大地拓宽了传输带宽，传输损耗低，耦合效率高，性能稳定，在1550纳米光通信波段具有重要的应用前景。

Description

基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器
技术领域
本发明涉及一种光学器件，特别涉及一种基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器。
背景技术
氮化硅这一硅基材料在集成光电子器件方面有着广泛应用，具有从可见到红外的宽透射谱，其制作工艺与商用半导体加工工艺兼容等特性。基于氮化硅材料的光波导结构，与包覆层的折射率差值适中，器件尺寸在微米量级，制造容差较大，易于大规模商业化生产，且有关器件与外部光纤的耦合效率较高，传输损耗也比较低。在众多的光学集成器件中，定向耦合器是基本组成部分，可以应用于波长解复用器，偏振光束分光器，光学开关和生物传感器，定向耦合器由于其结构上简单，没有累赘的固有损耗等特性非常适用于光束分光，同时，定向耦合器简单易设计，其分光比可以通过改变耦合长度或波导间隔来调节。尽管定向耦合器被广泛应用但它的带宽很窄且有严格的制造容差，这是由于在交叉耦合中必须满足严格的相位匹配条件，鉴于该缺点，目前有几种方法被提出以拓宽定向耦合器的带宽：1、通过在马赫森德干涉仪中连接耦合器的方法带宽有所改善但以更大的器件封装尺寸为代价【在先技术1：J. Feng and R. Akimoto, Jpn. J. Appl. Phys. 54, 04DG08(2015)】。2、通过在耦合区采用特定的锥形波导，非对称耦合器可以获得宽带宽但同样极大增加了封装尺寸【在先技术2：G. Paloczi, A. Eyal, and A. Yariv, IEEE Photon.Technol. Lett. 16, 515 –517 (2004)】。3、将耦合器的形状弯曲虽然有效但会导致相位响应的退化【在先技术3：D. Dai and J. E. Bowers, Opt. Express 19(19), 18614–18620 (2011)】。
最近，亚波长结构的光栅引起广泛关注，当它的光栅周期足够小时，能够充当均匀媒介并且有效抑制衍射效应，通过改变占空比和光栅周期，亚波长光栅波导有效模式的折射率和色散可以很容易改变,便于光学器件的集成与设计，矩形光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有矩形槽形的光栅。高密度矩形光栅的衍射理论，不能简单地由波导学中光束传播法来解释，须采用三维有限时域差分算法，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。但据我们所知，目前为止，还没有人针对1550纳米光通信波段给出在氮化硅基片上制作的亚波长光栅结构的宽带耦合器的设计参数。
发明内容
本发明是针对定向耦合器存在的问题，提出了一种基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器，波长为1550纳米的TE偏振光（振动方向垂直于传播方向）沿波导入射时,可以实现50:50的耦合比，从1500到1620纳米波段的TE偏振光沿光栅波导入射时，可实现分束光功率差值在0.2 分贝以内。
本发明的技术方案为：一种基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器，由两个完全左右前后对称的结构相同的氮化硅波导耦合组成，输入端为分离的直波导，经过弯曲的锥形波导进入耦合区，到周期光栅结构，再到弯曲的锥形波导到输出端分离的直波导，锥形波导中间为从直波导宽度渐变小的锥形，两边为等宽的锯齿形，锯齿形的间隔结构与光栅结构相同，该波导耦合器从头到尾宽度和高度完全相等。
所述弯曲的锥形波导为S形的锥形波导，入射端两直波导间距是光栅结构波导间距的十倍以上。
所述两个完全左右前后对称的结构相同的氮化硅波导外由微米厚的二氧化硅层包裹。
所述光栅结构波导导宽为1800纳米,高度为330纳米，光栅周期为350纳米，占空比为0.315，占空比即为硅条纹宽度和周期的比值，耦合长度25.2微米，波长为1550纳米的TE偏振光从输入端直波导沿波导入射时,实现50:50的耦合比，光栅结构波导间距450纳米时实现从1500纳米到1620纳米波段耦合器出射端光功率差值在0.2分贝以内。
本发明的有益效果在于：本发明基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器，设计的光栅结构的氮化硅宽带耦合器较传统意义上的耦合器而言能够极大地拓宽了传输带宽，传输损耗低，耦合效率高，性能稳定，在1550纳米光通信波段具有重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器三维结构图；
图2为本发明光栅结构耦合器的耦合效果图；
图3为本发明基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器制备过程示意图。
具体实施方式
如图1所示基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器三维结构图，它包含两个完全左右前后对称的结构相同的氮化硅波导1和2耦合组成,该波导耦合器从头到尾宽度和高度完全相等，输入端为分离的直波导，经过弯曲的锥形波导进入耦合区，到周期光栅结构波导，再到弯曲的锥形波导到输出端分离的直波导，锥形波导中间为从直波导宽度渐变小的锥形，两边为等宽的锯齿形，锯齿形的间隔结构与光栅结构相同，从氮化硅波导1中入射的TE偏振光先后经由弯曲的锥形波导和光栅结构后会迅速耦合到氮化硅波导2中，这是因为光栅结构对于入射光的限制作用较矩形波导弱，通过控制耦合距离,光栅周期和占空比可以保证在输出端和交叉端耦合比为50:50，即为3dB耦合,其中耦合比表示由输入信道耦合到指定输信道功率的百分比。对于该结构为避免在输入端不必要的耦合对于实验结果的影响，这里用到了一种S形的锥形波导，入射端两直波导间距远大于光栅结构波导间隔，所谓远大于即在10倍以上，最好在40-50倍。同时锥形结构能使光从直波导顺利过渡到光栅结构波导中，减少不必要的损耗。
该光栅耦合器由3微米厚的二氧化硅层包裹，由矩形氮化硅条纹和入射端和出射端弯曲的锥形波导构成，特别在光栅结构波导宽为1800纳米,高度为330纳米，光栅周期为350纳米，占空比为（硅条纹宽度和周期的比值）0.315，耦合长度25.2微米，波长为1550纳米的TE偏振光（振动方向垂直于入射面）沿波导入射时,可以实现50:50的耦合比（即为3dB耦合），光栅结构波导间距间距450纳米时可实现从1500纳米到1620纳米波段耦合器出射端光功率差值在0.2分贝以内，图2表示所述结构参数下入射波长变化时光栅耦合器的归一化透过率图，其中实线和虚线分别表示出射端和交叉端的归一化透过率变化趋势，实现和虚线关于3分贝的水平虚线对称，由图可以看出尽管两线变化有或大或小的震荡，但在同一波长下，出射端和交叉端的归一化透过率差值始终在0.2个分贝内。
基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器通常采用电子束光刻技术和反应离子刻蚀。与其他亚波长结构光栅只需要采用电子束光刻技术刻蚀一次不同的是，这里的光栅结构与波导结构是分开制作的，如果将光栅和波导结构同时制作的话，狭窄的光栅脊很容易在模具成型的过程中发生位置的偏移和形变，因此，光栅结构和波导结构应该分别先后制作。
如图3所示基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器制备过程示意图，图3中除了有说明以外，其他图形都为侧视图，首先1通过剥离技术制备方法在硅材料表面制作一组用于后续结构制备的全局标记，然后2首先利用等离子体化学气相沉积得到一个4微米厚的二氧化硅缓冲层，然后通过在二氧化硅缓冲层上低温化学气相沉积得到250纳米厚的氮化硅层，3采用电子束光刻技术和反应离子刻蚀法使得氮化硅光栅成型，光栅结构被深度刻蚀，正性电子束抗蚀剂（大约400纳米厚）直接用作刻蚀掩模，氮化硅基片经过干法和湿法化学清洁后，在氮化硅基片上包裹一层电子束抗蚀剂后，4先利用全局标记进行光栅结构位置的检出，再采用电子束光刻技术和反应离子刻蚀法制备定向耦合器结构，当样品被湿法化学清洁后，5在上面利用等离子体化学气相沉积生长出一个3微米厚的二氧化硅层，最后进行切割封装，以进行最终的器件测试。

Claims (4)

1.一种基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器，其特征在于，由两个完全左右前后对称的结构相同的氮化硅波导耦合组成，输入端为分离的直波导，经过弯曲的锥形波导进入耦合区，到周期光栅结构波导，再到弯曲的锥形波导到输出端分离的直波导，锥形波导中间为从直波导宽度渐变小的锥形，两边为等宽的锯齿形，锯齿形的间隔结构与光栅结构相同，该波导耦合器从头到尾宽度和高度完全相等。
2.根据权利要求1所述基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器，其特征在于，所述弯曲的锥形波导为S形的锥形波导，入射端两直波导间距是光栅结构波导间距的十倍以上。
3.根据权利要求1或2所述基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器，其特征在于，所述两个完全左右前后对称的结构相同的氮化硅波导外由微米厚的二氧化硅层包裹。
4.根据权利要求3所述基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器，其特征在于，所述光栅结构波导导宽为1800纳米,高度为330纳米，光栅周期为350纳米，占空比为0.315，占空比即为硅条纹宽度和周期的比值，耦合长度25.2微米，波长为1550纳米的TE偏振光从输入端直波导沿波导入射时,实现50:50的耦合比，光栅结构波导间距450纳米时实现从1500纳米到1620纳米波段耦合器出射端光功率差值在0.2分贝以内。
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