CN103777282A

CN103777282A - 一种光栅耦合器及光信号的耦合方法

Info

Publication number: CN103777282A
Application number: CN201410066458.7A
Authority: CN
Inventors: 张敏明; 周飞亚; 刘德明
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2014-05-07

Abstract

本发明涉及光通信技术领域，公开了一种光栅耦合器及光信号的耦合方法。其中，光栅耦合器包括：顶层硅层、底层硅层及二氧化硅层；二氧化硅层在底层硅层的上面；顶层硅层在二氧化硅层的上面；在垂直于光线的传播方向上，顶层硅层为至少2个直角三角形的排列结构；接收光纤对向直角三角形的排列结构。本发明通过对三角形光栅的应用，增大了本发明提供的光栅耦合器的工作带宽，从而增加了光栅耦合器的可适用性，有利于光传输的应用。另外，本发明还通过三维时域有限差分方法进行仿真计算，使得TE、TM光的耦合效率相同，并确定光栅结构参数，实现了偏振不敏感。本发明提供的光栅耦合器具有结构简单、工作带宽宽、偏振损耗低和耦合效率高的优点。

Description

一种光栅耦合器及光信号的耦合方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，主要适用于光栅耦合器及光信号的耦合方法。

背景技术

光传输具有带宽大、速率高的特点，因此将光子载体与电子载体相结合，是未来信息传输发展的必然趋势。而波导与光纤的高效耦合是实现光电子集成的关键。光栅耦合器结构简单，制作工艺成熟，便于集成，被广泛应用于集成光电子器件与系统中。

但是，现有的光栅耦合器的工作带宽都比较小，这限制了输入光的工作波长，从而限制了光栅耦合器的适用范围，制约了光传输的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光栅耦合器及光信号的耦合方法，它具有工作带宽大的特点，增加了光栅耦合器的适用范围，有利于光传输的应用。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光栅耦合器，包括：顶层硅层、底层硅层及二氧化硅层；所述二氧化硅层在所述底层硅层的上面；所述顶层硅层在所述二氧化硅层的上面；在垂直于光线的传播方向上，所述顶层硅层为至少2个直角三角形的排列结构；接收光纤对向所述直角三角形的排列结构。

进一步地，所述直角三角形的排列结构为若干直角三角形的周期性矩阵式排列结构。

进一步地，所述周期性矩阵式排列结构中的直角三角形的大小和方向均相同。

进一步地，所述直角三角形在沿着光线的传播方向上的长度与所述周期性矩阵式排列结构在沿着光线的传播方向上的周期长度的比值为0.4-1；所述直角三角形在垂直于光线的传播方向上的长度与所述周期性矩阵式排列结构在垂直于光线的传播方向上的周期长度的比值为0.4-1。

进一步地，所述周期性矩阵式排列结构在沿着光线的传播方向上的行数为所述接收光纤的直径与所述周期性矩阵式排列结构在沿着光线的传播方向上的周期长度的比值；所述周期性矩阵式排列结构在垂直于光线的传播方向上的列数为所述接收光纤的直径与所述周期性矩阵式排列结构在垂直于光线的传播方向上的周期长度的比值。

进一步地，还包括：二氧化硅覆盖层或BCB胶覆盖层；所述二氧化硅覆盖层或BCB胶覆盖层在所述顶层硅层和所述接收光纤之间。

本发明还提供了一种光信号的耦合方法，包括：

将光信号从所述顶层硅层、所述底层硅层、所述二氧化硅层的侧面入射到上述的光栅耦合器中，且从所述排列结构的直角三角形的直角边入射；

通过3D-FDTD方法进行仿真，确定当TE光和TM光的耦合效率相等时的光栅结构参数，通过所述接收光纤接收耦合光。

进一步地，所述接收光纤与所述光栅耦合器的直角三角形的排列结构的夹角在0°-25°之间。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的光栅耦合器及光信号的耦合方法，通过对三角形光栅的应用，增大了光栅耦合器的工作带宽，从而增加了耦合器的可适用性，有利于光传输的应用。另外，本发明还通过三维时域有限差分方法（3D-FDTD）进行仿真计算，使得TE、TM光的耦合效率相同，并确定光栅结构参数，实现了偏振不敏感。本发明提供的光栅耦合器具有结构简单、工作带宽宽、偏振损耗低和耦合效率高的优点。本发明提供的光栅耦合器与标准CMOS工艺兼容，在集成光电子学、光通信与光互连领域有较广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光栅耦合器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光栅耦合器的俯视图；

图3为本发明实施例提供的光栅耦合器在Lx为0.8微米，Dx为0.8微米，Ly为0.3微米，Dy为0.3微米，刻蚀深度为0.21微米，光纤倾斜角度θ为10°，无覆盖层时，本实施例的光栅耦合器的TE模和TM模的耦合效率在1400-1850nm波长范围内，随入射波长的变化曲线图；

图4为本发明实施例提供的光栅耦合器在Lx为0.8微米，Dx为0.8微米，Ly为0.3微米，Dy为0.3微米，刻蚀深度为0.21微米，光纤倾斜角度θ为10°，无覆盖层时，本实施例的光栅耦合器的偏振相关损耗（PDL）在1400-1850nm波长范围内，随入射波长的变化曲线图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的光栅耦合器及光信号的耦合方法的具体实施方式及工作原理进行详细说明。

参见图1和图2，本发明实施例提供的光栅耦合器，包括：顶层硅层、底层硅层及二氧化硅层；二氧化硅层在底层硅层的上面；顶层硅层在二氧化硅层的上面；在垂直于光线的传播方向上，顶层硅层为至少2个直角三角形的排列结构；接收光纤对向直角三角形的排列结构，且接收光纤的倾斜角度θ在0°-25°之间。其中，直角三角形的排列结构为若干直角三角形的周期性矩阵式排列结构，且周期性矩阵式排列结构中的直角三角形的大小和方向均相同。直角三角形在沿着光线的传播方向上的长度（Dx）与周期性矩阵式排列结构在沿着光线的传播方向上的周期长度（Lx）的比值为0.4-1；直角三角形在垂直于光线的传播方向上的长度（Dy）与周期性矩阵式排列结构在垂直于光线的传播方向上的周期长度（Ly）的比值为0.4-1。周期性矩阵式排列结构在沿着光线的传播方向上的行数为接收光纤的直径与周期性矩阵式排列结构在沿着光线的传播方向上的周期长度（Lx）的比值；周期性矩阵式排列结构在垂直于光线的传播方向上的列数为接收光纤的直径与周期性矩阵式排列结构在垂直于光线的传播方向上的周期长度（Ly）的比值。

为了进一步对本发明实施例的优点进行阐述，这里还需要对光栅耦合器的耦合效率进行说明，具体为：光栅耦合器的耦合效率(即光纤所接收到的光能量与总输入光能量的比值)可使用公式CE＝Dir·η_air-fiber表示。式中，Dir表示方向性系数(即被光栅衍射进入空气的光能量与总输入光能量的比值)，在光栅结构确定了之后，方向性系数就被确定；η_air-fiber表示光从空气耦合进光纤的效率(即光纤接收到的光能量与被光栅衍射进入空气的光能量的比值)，它由光的衍射角和光纤的倾斜角度共同决定。

为了提高光栅耦合器的方向性系数，从而提高被光栅衍射进入空气的光能量，进而提高光的耦合效率，本发明实施例提供的光栅耦合器，还包括：二氧化硅覆盖层或BCB胶覆盖层；二氧化硅覆盖层或BCB胶覆盖层在顶层硅层和接收光纤之间。这里需要说明的是，可以根据实际需求选择添加二氧化硅覆盖层或BCB胶覆盖层，或不添加任何覆盖层。

本发明实施例还提供了一种光信号的耦合方法，包括：

步骤S110：将光信号从顶层硅层、底层硅层、二氧化硅层的侧面入射到上述的光栅耦合器中，且从排列结构的直角三角形的直角边入射；

步骤S120：选定刻蚀深度和接收光纤的倾斜角度θ，通过3D-FDTD方法进行仿真，确定当TE光和TM光的耦合效率相等时的光栅结构参数，通过接收光纤接收耦合光。其中，光栅结构参数包括：直角三角形在沿着光线的传播方向上的长度（Dx）与周期性矩阵式排列结构在沿着光线的传播方向上的周期长度（Lx）的比值、直角三角形在垂直于光线的传播方向上的长度（Dy）与周期性矩阵式排列结构在垂直于光线的传播方向上的周期长度（Ly）的比值、周期性矩阵式排列结构在沿着光线的传播方向上的行数、周期性矩阵式排列结构在垂直于光线的传播方向上的列数等。

在本实施例中，Lx为0.5-1.5微米，Ly为0.15-0.75微米，刻蚀深度为0.01-0.34微米。

需要指出的是，带宽是指耦合效率与最大的耦合效率的差值在1dB以内的波长范围。对于光栅耦合器来说，其1dB带宽可以采用公式

进行计算。公式中，η_1dB为一个与光栅结构有关的参数，在确定公式中的其他参数的情况下，反算出来；λ₀为入射光的波长；n_c为覆盖层的折射率；α为光的衍射角；n_eff为光栅的有效折射率。由于在覆盖层与衍射角相同的情况下，三角形光栅的η_1dB约为传统光栅的4倍，并且，三角形光栅的有效折射率n_eff要小于传统光栅，因此，三角形光栅的1dB带宽要大于传统光栅的1dB带宽。

在图1和图2所示的光栅结构下，采用三维时域有限差分方法（3D-FDTD），计算了本发明实施例提供的光栅耦合器的Lx为0.8微米，Dx为0.8微米，Ly为0.3微米，Dy为0.3微米，刻蚀深度为0.21微米，无覆盖层，接收光纤的倾斜角度θ为10°时，TE光和TM光在1400-1850nm之间的耦合效率变化情况，如图3所示；以及光栅在1400-1850nm之间的PDL变化情况，如图4所示。

由图3可知，对于TE、TM光来说，最大的耦合效率都约为-3dB。对TE光来说，与耦合效率为-4dB、最大的耦合效率为-3dB对应的波长范围是1530-1750nm，所以TE光的带宽是220nm；对TM光来说，与耦合效率为-4dB、最大的耦合效率为-3dB对应的波长范围是1500-1740nm，TM光的带宽是240nm。而对于现有的光栅耦合器，它们的带宽只有几十纳米。因此，适用于本发明实施例的光的带宽远大于适用于现有光栅耦合器的光的带宽，提高了本发明实施例的适用性。

由图4可知，本发明实施例在1450nm波长处，PDL仅为0.01dB；在1420-1810nm范围内，PDL小于0.5dB，因此，本发明实施例提供的光栅耦合器是偏振不敏感的。

本发明实施例提供的光栅耦合器及光信号的耦合方法，通过对三角形光栅的应用，增大了本发明实施例提供的光栅耦合器的工作带宽，其1dB带宽能够达到200nm，远超现有的耦合光栅带宽，能够实现较大波长范围内光的耦合，从而增加了光栅耦合器的可适用性，有利于光传输的应用。另外，本发明实施例还通过三维时域有限差分方法（3D-FDTD）进行仿真计算，使得TE、TM光的耦合效率相同，并确定光栅结构参数，实现了偏振不敏感。本发明实施例提供的光栅耦合器具有结构简单、工作带宽宽、偏振损耗低和耦合效率高的优点。本发明实施例提供的光栅耦合器与标准CMOS工艺兼容，在集成光电子学、光通信与光互连领域有较广阔的应用前景。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种光栅耦合器，其特征在于，包括：顶层硅层、底层硅层及二氧化硅层；所述二氧化硅层在所述底层硅层的上面；所述顶层硅层在所述二氧化硅层的上面；在垂直于光线的传播方向上，所述顶层硅层为至少2个直角三角形的排列结构；接收光纤对向所述直角三角形的排列结构。

2.如权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于，所述直角三角形的排列结构为若干直角三角形的周期性矩阵式排列结构。

3.如权利要求2所述的光栅耦合器，其特征在于，所述周期性矩阵式排列结构中的直角三角形的大小和方向均相同。

4.如权利要求3所述的光栅耦合器，其特征在于，所述直角三角形在沿着光线的传播方向上的长度与所述周期性矩阵式排列结构在沿着光线的传播方向上的周期长度的比值为0.4-1；所述直角三角形在垂直于光线的传播方向上的长度与所述周期性矩阵式排列结构在垂直于光线的传播方向上的周期长度的比值为0.4-1。

5.如权利要求4所述的光栅耦合器，其特征在于，所述周期性矩阵式排列结构在沿着光线的传播方向上的行数为所述接收光纤的直径与所述周期性矩阵式排列结构在沿着光线的传播方向上的周期长度的比值；所述周期性矩阵式排列结构在垂直于光线的传播方向上的列数为所述接收光纤的直径与所述周期性矩阵式排列结构在垂直于光线的传播方向上的周期长度的比值。

6.如权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于，还包括：二氧化硅覆盖层或BCB胶覆盖层；所述二氧化硅覆盖层或BCB胶覆盖层在所述顶层硅层和所述接收光纤之间。

7.一种光信号的耦合方法，其特征在于，包括：

将光信号从所述顶层硅层、所述底层硅层、所述二氧化硅层的侧面入射到如权利要求1-6中任一项所述的光栅耦合器中，且从所述排列结构的直角三角形的直角边入射；

8.如权利要求7所述的光信号的耦合方法，其特征在于，所述接收光纤与所述光栅耦合器的直角三角形的排列结构的夹角在0°-25°之间。