CN107765375B - 基于双层光栅的芯片-光纤垂直耦合结构 - Google Patents
基于双层光栅的芯片-光纤垂直耦合结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107765375B CN107765375B CN201711166105.4A CN201711166105A CN107765375B CN 107765375 B CN107765375 B CN 107765375B CN 201711166105 A CN201711166105 A CN 201711166105A CN 107765375 B CN107765375 B CN 107765375B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- grating
- layer
- double
- coupling
- chip
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 12
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 47
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 46
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 46
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 9
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 23
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 12
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000002355 dual-layer Substances 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
- G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于双层光栅的芯片‑光纤垂直耦合结构。该耦合结构包括衬底、传输介质层、下层光栅、外延介质层和上层光栅，其中，上层光栅和下层光栅使得入射光的0级衍射强度最低，入射光经过耦合结构后传播方向发生90度的偏折。本发明利用双层光栅结构实现了光纤‑芯片间垂直入射的高效耦合，此种设计结构相较现有的耦合光栅结构，具有完全垂直入射、结构简单、易于加工、效率较高的优点。利用本发明的结构，可以实现在通讯波段(1300‑1700nm)光纤‑SOI波导间48％的耦合效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现芯片-光纤垂直耦合的双层光栅结构。
背景技术
芯片的发展趋势是电-光-电的光电混合集成，微光电子集成芯片是将集成电路与光子集成器件并为一体，实现具有实际价值的光电子集成系统。在光互连、光交换、光信号处理等方面具有重要的意义以及广泛的应用前景。随着硅基光电电子技术的发展，硅的较大折射率使器件可以做的越来越小，能够将更多的光电子功能器件集成在同一芯片上。
由于目前硅基光源很难实现，一般光源选择外接激光器。因此需要一个耦合器将外接激光器的光源耦合进入光波导芯片中。传统的最简便的方法是将光纤与纳米光波导直接对接，但是由于光纤的尺寸大约十几微米，而波导仅为几百纳米，两者之间存在着严重的模式不匹配问题，导致耦合损耗很大，耦合效率偏低，因此利用光栅耦合器的光栅垂直耦合法得到了越来越多的关注。光栅耦合的优势在于光栅耦合器是利用光的衍射来实现波导表面光耦合，可以有效的解决光纤和波导模式不匹配的问题，耦合效率高且易于集成。
采用光栅耦合的原理是利用光栅的折射率周期变化，使其入射光和衍射光满足布拉格条件，从而实现高效的耦合。为了提高耦合的效率，需要尽量减小光栅的二次布拉格反射、背向和向下的透射强度。2003年，Hisao KIKUTA发表了题为《Optical Elements withSubwavelength Structured Surfaces》的文章(OPTICAL REVIEW Vol.10,No.2(2003)63-73)，利用等效介质理论分析了光栅的结构(主要是占空比)和光栅有效折射率的关系，指出调节光栅的占空比可以使光栅的有效折射率在一个范围内变化。很快有研究指出了光栅结构不仅可以在一个方向上有折射率的周期性调制，也可以在两个方向上都有周期性的调制(SWGS)[Daniel Benedikovic,Pavel Cheben,“Subwavelength index engineeredsurface grating coupler with sub-decibel efficiency for 220-nm silicon-on-insulator waveguide,”Opt.Express 23,22628-22635(2015)]。这种光栅结构由于是单层的并且是浅刻蚀的，所以具有易于加工的特点，但是它为了减小二次布拉格反射需要使入射光纤有个小的倾斜角，所以在工业上不利于封装应用。
另一种方案是利用啁啾光栅和完美布拉格反射光栅的结构[A.M.J.Koonen,Haoshuo Chen,Henrie P.A.van den Boom,Oded Raz,“Silicon Photonic IntegratedMode Multiplexer and Demultiplexer,”,Photonics Technology Letters IEEE,vol.24,pp.1961-1964,2012,ISSN 1041-1135.]，啁啾光栅能有效改善因光场中心改变产生的衍射峰的变化，同时完美布拉格光栅能使背向波尽可能的反射回去，从而提高耦合效率。但是这种光栅的耦合效率偏低，会造成很大的浪费。为了在垂直耦合的条件下减小光栅的二次布拉格反射，出现了具有两种周期的光栅结构[Ming Dai,Leilei Ma,Minghui Luand Xiaoping Liu,“Highly efficient and perfectly vertical chip-to-fiber dual-layer grating coupler,”Opt.Express 23,1691-1698(2015)]，这种光栅合理设计结构的厚度，使得两层的反射光恰好发生相消干涉从而产生较小二次布拉格反射，再通过合理设计光栅的结构可以使其具有方向性。这种结构的光栅采用两种周期错位的结构，具有较高的耦合效率，但是这种错位的结构在微加工工艺上有很大的难度。
由上述可知，宽带宽的高效的垂直光栅在光子集成工业中有很大的应用，市场对这种光栅有很大的需求，并且成熟的CMOS集成工艺为光栅的加工提供了条件。目前设计的垂直耦合光栅结构很多需要一个小的倾角入射，不是真正意义上的垂直入射，有的效率偏低，有的效率很高却难在现有的CMOS集成工艺下生产。
发明内容
针对之前研究设计的耦合结构，抑或是非完全意义的垂直入射、抑或耦合效率偏低、抑或加工工艺复杂的技术问题，需要一种高效的、垂直入射的、工艺简单的结构实现芯片与外界的通信。为此，本发明提供了一种基于双层光栅的垂直耦合结构，解决了在芯片-光纤间实现光的高效耦合的问题。
本发明的目的是通过以下的技术方案实现的：
基于双层光栅的芯片-光纤垂直耦合结构，其特征在于，该耦合结构包括衬底、传输介质层、下层光栅、外延介质层和上层光栅，其中，上层光栅和下层光栅使得入射光的0级衍射强度最低，入射光经过所述耦合结构后传播方向发生90度的偏折。
进一步地，所述下层光栅的中心位置处设有布拉格反射镜。
进一步地，所述衬底与传输介质层之间设有反射结构。
本发明利用双层光栅结构实现了光纤-芯片间垂直入射的高效耦合，相较现有的耦合光栅结构，具有完全垂直入射、结构简单、易于加工、效率较高的优点：
(1)本发明的结构利用现有的成熟CMOS工艺完全可以很好的制作，使得耦合器的制备工艺大大简化；
(2)光纤端口与光栅结构完全对接，非常有利于封装设计，使用方便；
(3)本发明耦合结构的光耦合效率也较高，可以实现在通讯波段(1300-1700nm)光纤-SOI波导间48％的耦合效率。
附图说明
图1是本发明基于双层光栅的耦合结构示意图。
图2是本发明使用时域差分算法(3dFDTD)模拟计算横电磁模(TM0)从光纤耦合到波导中的耦合效率。
图3是本发明使用时域差分算法(3dFDTD)模拟计算横电磁模(TM0)从光纤入射的模式保持度，即入射的模式在结构中传播尽量不改变该模式。
具体实施方式
本发明的耦合结构如图1所示，从下至上依次为衬底、传输介质、下层光栅、外延介质、上层光栅。入射光入射到上层光栅时发生衍射，光束的能量主要集中在+1、-1级衍射光中，光的传播方向发生偏折，衍射后的光束随机入射到下层光栅上，使得光再一次发生衍射，从而最终光的传播方向发生90度的改变。因为双层光栅逐次衍射，光在光纤-芯片间的耦合效率比之前利用定制单光栅的结构有了一定的提高。
在不同的波长、不同的模式的入射光下，光栅的结构参数可以选择，使得入射光的耦合效率最高。光栅参数的确定，原则上根据使0级衍射的强度最低来确定。具体的结构参数可利用元始优化算法计算得到。
本发明的双层光栅结构可以进一步提高耦合效率，例如在下层光栅的中心位置处设计布拉格反射镜，或者在衬底与传输介质之间设计反射结构，以减少入射光在向下和向后方向上的透射。
本发明耦合结构的光路具有可逆性，既可以用于将光从光纤垂直耦合到芯片，又可以用于将光从芯片垂直耦合到光纤中。
本实施例耦合结构的制备方法为：先在片上浅刻蚀一层光栅结构作为下层光栅，其光栅大小与光纤截面大小匹配；再在光栅上外延生长一层介质，在其上深刻蚀另一个光栅结构作为上层光栅，其光栅大小与光纤截面大小匹配。具体的光栅结构参数与介质的厚度以使耦合效率最高优化得到。上述结构使光从光纤耦合入片上，再通过绝热波导连接器将光无损耗的耦合入尺寸非常小的芯片中。
以在通讯波段(1300-1700nm)SOI芯片与12um光纤的耦合作为实例，优化计算得到的光栅参数是：浅刻蚀在硅层上的下层光栅结构，其光栅周期是0.5-0.7um，刻蚀深度为80-120nm，光栅占空比为0.4-0.6左右。刻蚀在外延二氧化硅层表面的上层光栅结构，其光栅周期是1.2um左右，刻蚀深度是0.8um-1.2um(深刻蚀)，光栅占空比为0.7-0.8。外延生成的二氧化硅层的厚度是3um左右。传输介质选用硅。此种结构下，根据图2的色散图中可以看到，本发明在通讯波段具有较高的转换效率，基模的耦合效率最高可达48％。更重要的是，本发明还具有较大的带宽，以-3dB为例，本发明的带宽约为65nm。同时，从图3可以看到，基模在本发明的耦合结构中传播时，几乎不会改变它的模式，这是本发明具有实用价值的基本要求。因此，本发明的耦合结构可以很好地实现芯片与外界的通信。
Claims (3)
1.基于双层光栅的芯片-光纤垂直耦合结构，其特征在于，该耦合结构包括衬底、传输介质层、下层光栅、外延介质层和上层光栅，其中，上层光栅和下层光栅使得入射光的0级衍射强度最低，入射光经过所述耦合结构后的衍射光传播方向与入射光方向形成90度的偏折；所述上层光栅的光栅周期是1.2um，光栅深度是0.8um-1.2um，光栅占空比为0.7-0.8；所述下层光栅的光栅周期是0.5-0.7um，光栅深度为80-120nm，光栅占空比为0.4-0.6；外延介质层的厚度是3um。
2.根据权利要求1所述的基于双层光栅的芯片-光纤垂直耦合结构，其特征在于，所述下层光栅的中心位置处设有布拉格反射镜。
3.根据权利要求1所述的基于双层光栅的芯片-光纤垂直耦合结构，其特征在于，所述衬底与传输介质层之间设有反射结构。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711166105.4A CN107765375B (zh) | 2017-11-21 | 2017-11-21 | 基于双层光栅的芯片-光纤垂直耦合结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711166105.4A CN107765375B (zh) | 2017-11-21 | 2017-11-21 | 基于双层光栅的芯片-光纤垂直耦合结构 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107765375A CN107765375A (zh) | 2018-03-06 |
| CN107765375B true CN107765375B (zh) | 2019-06-25 |
Family
ID=61280097
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711166105.4A Active CN107765375B (zh) | 2017-11-21 | 2017-11-21 | 基于双层光栅的芯片-光纤垂直耦合结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107765375B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112230339A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-01-15 | 联合微电子中心有限责任公司 | 光栅耦合器及其制备方法 |
| WO2022179534A1 (en) * | 2021-02-24 | 2022-09-01 | The Chinese University Of Hong Kong | High coupling efficiency blazed waveguide grating coupler |
| CN114236686B (zh) * | 2021-12-21 | 2024-10-25 | 南京邮电大学 | 一种多层多维光子集成芯片出/入光结构及制备方法 |
| CN115128733B (zh) * | 2022-06-24 | 2023-12-08 | 吉林大学 | 一种双光栅结构及制作方法、光学相控阵、激光雷达 |
| CN117130095B (zh) * | 2023-08-31 | 2024-06-25 | Nano科技(北京)有限公司 | 芯片堆叠封装系统及多层芯片的光连接方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3153886B2 (ja) * | 1992-08-03 | 2001-04-09 | 日本板硝子株式会社 | 光カプラ |
| US9239507B2 (en) * | 2013-10-25 | 2016-01-19 | Forelux Inc. | Grating based optical coupler |
| WO2016201387A1 (en) * | 2015-06-12 | 2016-12-15 | Pacific Biosciences Of California, Inc. | Integrated target waveguide devices and systems for optical coupling |
-
2017
- 2017-11-21 CN CN201711166105.4A patent/CN107765375B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107765375A (zh) | 2018-03-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107765375B (zh) | 基于双层光栅的芯片-光纤垂直耦合结构 | |
| Watanabe et al. | Perpendicular grating coupler based on a blazed antiback-reflection structure | |
| Kopp et al. | Silicon photonic circuits: on-CMOS integration, fiber optical coupling, and packaging | |
| CN106094107B (zh) | 一种偏振分束器 | |
| JP2017513056A (ja) | グレーティングカプラ及びその製造方法 | |
| WO2016172970A1 (zh) | 一种偏振旋转器及光信号处理方法 | |
| SG181649A1 (en) | Photonic integrated circuit having a waveguide-grating coupler | |
| CN105026968A (zh) | 光纤耦合器阵列 | |
| CN113253386B (zh) | 一种高效宽带光栅耦合器 | |
| CN111983754B (zh) | 基于超表面结构的超紧凑硅波导模式转换器件 | |
| CN102565955A (zh) | 电可调谐光栅耦合器 | |
| CN214954215U (zh) | 一种凸型自增强聚焦耦合光栅耦合器 | |
| CN205941972U (zh) | 一种偏振分束器 | |
| CN111273398B (zh) | 一种高耦合效率的m型波导光栅耦合器的设计方法 | |
| CN108279461B (zh) | 偏振无关的三维集成双层光栅耦合器 | |
| CN118226585A (zh) | 具有双层光栅结构的光栅耦合器 | |
| Zhang et al. | Simulation research of high-efficiency unidirectional vertical coupling grating couplers for optical through-silicon vias in 3D optoelectronic integrated circuits | |
| Chen et al. | Subwavelength waveguide grating coupler for fiber-to-chip coupling on SOI with 80nm 1dB-bandwidth | |
| CN102495448B (zh) | 一种硅基三维叠加型光纤耦合结构 | |
| CN117031625A (zh) | 一种片上宽视场光栅耦合器 | |
| CN205246935U (zh) | 一种方向耦合器 | |
| CN115576053A (zh) | 一种闪耀亚波长光栅耦合器 | |
| CN115201970A (zh) | 具有光栅耦合器的硅基光学芯片 | |
| CN210572857U (zh) | 一种偏振不敏感型模斑转换器 | |
| CN117250697B (zh) | 高效光栅耦合器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |