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CN105334575A - 一种硅基光分束器及其制造方法 - Google Patents

一种硅基光分束器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅基超材料光分束器及其制造方法，属于集成光子器件领域；现有技术中的50:50光功率分束器工作宽带窄，端口一致性差，损耗高；本发明的光分束器，包括基片，所述基片包括一个输入波导和两个输出波导，在所述输入波导和输出波导之间具有N×N个同等大小的像素块组成的耦合区域；通过对所述像素块进行打孔，通过优化算法形成特殊的打孔阵列，由于亚波长尺寸的空气孔阵列的排布可以等效为一种非均匀缓变的折射率分布区域，可以同时对不同的波长进行引导，从而使得不同的波长都能够达到在输出端口有效输出的目的，进而实现了大工作带宽的目的。

Description

一种硅基光分束器及其制造方法
技术领域
本发明属于集成光子器件领域，更具体地，涉及一种用于实现光功率分束的硅基超材料器件及其制造方法。
背景技术
随着全球信息交流的指数增长，对通信系统高速率大容量要求越来越高，光互联技术是现今最有潜力克服通信网络传输瓶颈的途径，同时光学器件的高度集成化正成为大势所趋。硅基光学器件具有高度集成化以及能和COMS平台兼容的特性，正受到越来越多的关注。如何在减少器件尺寸同时依然保有高性能，一直是硅基光子领域的一项重大挑战。50:50光功率分束器作为一种重要的光学元件，广泛应用于各类光学系统中，它对端口功率一致性、波长无关性、低损耗特性等都有相当高的要求。
目前常规的硅基光功率分束器的实现，主要是通过Y分支、多模分束器(MMI)以及方向耦合器(DC)等结构实现。对Y分支而言，器件需要一段较长的模式扩展区。对MMI结构而言，通常都需要在输入/输出端加入锥形波导以减小器件插损，这也相当于增加了器件尺寸。而对DC结构，由于其结构特性，它的尺寸无法做到很小，并且波长无关性较差。通过引入表面等离子体波导(SPW)结构可以有效减小器件尺寸，然而SPW结构本身具有损耗大的特点，同时金属材料的引入会增加工艺的复杂性。
另外，还有通过引入亚波长光栅(SWG)结构来减小器件尺寸的案例，SWG的主要原理是：亚波长尺寸的折射率变化可以使光波不受散射损耗的影响，因此，对光波而言SWG相当于一种等效材料，其折射率介于组成SWG的两种材料(通常为硅和空气)之间。SWG结构主要包括宽度在80nm左右的均匀的周期性长条形阵列，其制造过程对工艺精度的要求很高，实现起来十分困难。另一方面，平板光子晶体(PhC)器件的制造工艺已经十分完善，使用电子束刻蚀(EBL)与电感耦合等离子体(ICP)工艺在绝缘体上硅(SOI)上打孔，直径最小可达80nm以下，且均匀性良好，但传统的PhC因波导边缘和孔内部所得的电子束剂量不同，在一次性刻蚀中，其深度不同(孔深度小于波导边缘的深度)，因此波导区和PhC区通常采用套刻工艺完成。综上，采用打孔工艺制作亚波长结构在工艺上更为可行，另外若能考虑到孔深度对结构进行优化，则可以使用一次性刻蚀完成器件的制作。
发明内容
针对现有技术的50:50光功率分束器工作宽带窄，端口一致性差，损耗高，本发明的目的在于解决以上技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种硅基超材料光分束器，其特征在于：所述分束器包括基片，所述基片包括一个输入波导和两个输出波导，在所述输入波导和输出波导之间具有N×N个同等大小的像素块组成的耦合区域；
通过对所述像素块进行打孔，形成一个满足预定输出目标的打孔阵列，所述输出目标是指输入光波导与输出光波导功率之比。
优选地，所述输入波导和所述输出波导的宽度为500nm；
优选地，所述输出波导的间隔为1μm；
优选地，所述孔直径为90nm,深度为200nm。
根据本发明的另一个方面，提供了一种硅基超材料光分束器的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)采用SOI基片，在所述基片上形成一个输入波导和两个输出波导；
(2)在所述基片上，将所述输入波导和所述输出波导之间的耦合区域分割为N×N个同等大小的像素块，每个所述像素块具有中心轴对称分布的随机初始状态，所述初始状态为中心打孔或不打孔；
(3)根据输出目标，利用优化算法，不断改变每一个所述像素的刻蚀状态，并计算新的输出光谱，若新的输出光谱比原输出光谱更接近目标输出，则保留改变后的状态；
(4)经过多次迭代后，将得到一个最优的亚波长空气孔阵列分布。
优选地，所述输入波导和所述输出波导的宽度为500nm；
优选地，所述输出波导的间隔为1μm；
优选地，所述孔直径为90nm,深度为200nm。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具备以下有益效果：
(1)本发明的分束器的工作带宽极宽(至少在1520nm～1580nm波长范围内为波长无关)，端口一致性佳，各端口附加损耗在1dB以下，器件尺寸极小(可达2.4μm×2.4μm以下)；
(2)亚波长尺寸的空气孔阵列的排布可以等效为一种非均匀缓变的折射率分布区域，可以同时对不同的波长进行引导，从而使得不同的波长都能够达到在输出端口有效输出的目的，进而实现了大工作带宽的目的。
附图说明
图1为本发明器件俯视示意图，包括一根输入波导，两根输出波导，一个方形偶合区及内部空气孔孔阵列，黑色部分为硅材料，白色部分为空气材料；
图2为本发明优化初值及相应结果俯视示意图，(a-c)为不同的初始空气孔阵列，采用的初始分布均为中心轴对称分布，(d-f)为分别与(a-c)对应的优化所得的最优空气孔阵列；
图3为本发明与图2(d)对应空气孔阵列对应的仿真所得光场分布示意图，灰度表示光场分布的强弱；
图4为本发明图2(d)所示最优空气孔阵列一致的样片的测试结果，黑线与灰线分别代表两个端口的输出插损，在1520nm～1580nm波段内均小于4dB，即各端口附加损耗小于1dB。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出的结构包括一根输入波导，两根输出波导，以及一个方形的偶合区，耦合区内包括亚波长尺寸的空气孔阵列结构。入射光通过输入波导进入偶合区，然后分为两束功率相同的光分别经由两根输出波导输出。
本发明中，所取加工材料为普通SOI基片，输入/输出波导宽度均取硅波导宽度的典型值500nm，两根输出波导间隔1μm，取边长为2.4μm～2.8μm的耦合区域分割为N×N(如20×20)个同等大小的像素块，每个像素块具有中心轴对称分布的状态：中心打孔或不打孔。若打孔，孔直径范围为80nm～100nm，孔深度根据加工条件通常都小于200nm，约120～200nm。空气孔按一定的阵列排布。
本发明中，空气孔阵列分布经由优化算法得来，算法可以为模拟退火法、直接二进制算法等，针对现有输出和目标输出的差值进行优化，其中所述目标输出是指输入光波导与输出光波导功率之比，并且两个输出光波导的功率相同，经数次迭代，最终得到一个满足目标输出条件的打孔阵列。由于本发明要解决的问题属于多最优值问题，利用不同的优化算法或取不同的初始分布时，其优化结果具有不同的最优分布。
本发明中，亚波长尺寸的空气孔阵列的排布可以等效为一种非均匀缓变的折射率分布区域，可以同时对不同的波长进行引导，从而使得不同的波长都能够达到在输出端口有效输出的目的，进而实现了大工作带宽的目的。
如图1所示，首先，取输入1/输出2、3波导宽度均取硅波导宽度的典型值500nm，两根输出波导间隔1μm，将厚220nm大小为2.6μm×2.6μm的耦合区域分割为20×20个130nm×130nm的像素块，每个像素块具有中心轴对称分布的随机的初始状态：中心打孔或不打孔，若打孔，孔直径选为90nm，孔深度暂取200nm。取中心轴对称的空气孔阵列可以保证输出端的功率一致性，同时加倍优化算法的收敛速度。孔深度暂取为200nm是为了采取2D仿真，以保证优化迭代速度。
如图2所示，然后，经由优化算法，针对目标输出进行优化。通过改变一个或多个像素的刻蚀状态，并计算新的输出光谱，若新的输出光谱比原输出光谱更接近目标输出，则保留改变后的状态。一次迭代指一次计算过程，经过多次迭代后，将得到一个最优的亚波长空气孔阵列分布。本发明要解决的问题属于多最优值问题，利用不同算法或取不同的初始分布时(例如图2(a-c))，其对应的优化结果具有不同的最优分布(例如图2(d-f))。
经数次迭代，最终得到一个满足条件的打孔阵列，可以实现至少1520nm～1580nm宽波段范围内的低损耗50:50光功率输出。接着，针对不同的刻蚀深度进行3D优化，优化变量为孔直径。如，对图2(d)所得的孔阵列进行优化后，得最优直径为96nm，其光场分布如图3所示。
至此，该器件可经标准工艺制造完成，对应于图2(d)的孔阵列的样片，其测试结果如图4所示，黑线与灰线分别代表两个端口的输出插损，在1520nm～1580nm波段内均小于4dB，即各端口附加损耗小于1dB。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种硅基超材料光分束器，其特征在于：所述分束器包括基片，所述基片包括一个输入波导和两个输出波导，在所述输入波导和输出波导之间具有N×N个同等大小的像素块组成的耦合区域；
通过对所述像素块进行打孔，形成一个满足预定输出目标的打孔阵列，所述输出目标是指输入光波导与输出光波导功率之比。
2.如权利要求1所述的光分束器，其特征在于，所述输入波导和所述输出波导的宽度为500nm。
3.如权利要求1所述的光分束器，其特征在于，所述输出波导的间隔为1μm。
4.如权利要求1所述的光分束器，其特征在于，所述孔直径为80～100nm,深度为120～200nm。
5.一种硅基超材料光分束器的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)采用SOI基片，在所述基片上形成一个输入波导和两个输出波导；
(2)在所述基片上，将所述输入波导和所述输出波导之间的耦合区域分割为N×N个同等大小的像素块，每个所述像素块具有中心轴对称分布的随机初始状态，所述初始状态为中心打孔或不打孔；
(3)根据目标输出，利用优化算法，改变像素的刻蚀状态，并计算新的输出光谱，使得新的输出光谱比原输出光谱更接近目标输出，所述目标输出是指在预先设定波段内，所述输入端口与单个所述输出端口的光功率的比值；
(4)经过多次迭代后，将得到一个最优的亚波长空气孔阵列分布。
6.如权利要求5所述的光分束器，其特征在于，所述输入波导和所述输出波导的宽度为500nm。
7.如权利要求5所述的光分束器，其特征在于，所述输出波导的间隔为1μm。
8.如权利要求5所述的光分束器，其特征在于，所述孔直径为80～100nm,深度为120～200nm。
9.如权利要求5所述的光分束器，其特征在于，所述目标输出是指在1520nm～1580nm波长范围内，所述输入光波导和单个所述输出光波导的光功率的比值为2:1。
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