CN112987183A - 层间耦合器 - Google Patents

Abstract

本公开提出一种层间耦合器，包括：第一波导层、中包层和第二波导层。其中，第一波导层由第一波导、第一渐变型波导和第二渐变型波导依次连接构成；第一渐变型波导的宽度逐渐变窄，第二渐变型波导的宽度逐渐变宽；第二波导层由第二波导、第三渐变型波导和第四渐变型波导依次连接构成；第三渐变型波导的宽度逐渐变窄，第四渐变型波导的宽度逐渐变宽；第一渐变型波导与第四渐变型波导、第二渐变型波导与第三渐变型波导分别呈中心对称分布，第一渐变型波导和第二渐变型波导与第三渐变型波导和第四渐变型波导的空间交叠部分形成层间耦合区。该层间耦合器可以在保证较高的耦合效率的情况下缩短耦合长度，并且对工艺的偏差具有一定的容忍度。

Description

层间耦合器

技术领域

本公开涉及三维光子集成领域，尤其涉及一种层间耦合器。

背景技术

随着摩尔定律越来越接近物理极限，具有高带宽、低损耗、小尺寸等优点的光电集成方案已成为未来发展的重要途径。目前，激光器、调制器、光电探测器以及各类无源光子器件可以紧凑的集成在同一块衬底上，但是将各个器件二维集成在同一个平面上限制了整体芯片的灵活度和集成度，因此三维的光子集成回路应运而生。

层间耦合器可以实现光在不同平面间的三维自由传输，为实现不同平面的各个器件间的光互连提供了可能。在降低耦合器结构尺寸提高集成度的同时保证较高的耦合效率成为影响整个三维光子集成芯片性能的关键因素。层间耦合器多采用倏逝波耦合的方案，即调整两层波导的宽度来获得相同的有效折射率，通过倏逝波耦合实现光在两层波导间的传输。传统的层间锥形耦合器，所需的耦合长度较长，大大增加了芯片的整体尺寸；采用垂直方向的定向耦合器对结构的尺寸和加工工艺要求较高，误差容忍度低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开的主要目的在于提供一种层间耦合器，该层间耦合器可以在保证较高的耦合效率的情况下缩短耦合长度，并且对工艺的偏差具有一定的容忍度。

(二)技术方案

本公开提供了一种层间耦合器，该层间耦合器包括：第一波导层，由第一波导、第一渐变型波导和第二渐变型波导依次连接构成；其中，沿第一波导指向第二渐变型波导的方向，第一渐变型波导的宽度逐渐变窄，第二渐变型波导的宽度逐渐变宽；中包层，生长于第一波导层上；第二波导层，生长于中包层远离第一波导层的表面上，由第二波导、第三渐变型波导和第四渐变型波导依次连接构成；其中，沿第二波导指向第四渐变型波导的方向，第三渐变型波导的宽度逐渐变窄，第四渐变型波导的宽度逐渐变宽；其中，第一渐变型波导与第四渐变型波导、第二渐变型波导与第三渐变型波导分别呈中心对称分布；第一渐变型波导和第二渐变型波导与第三渐变型波导和第四渐变型波导的空间交叠部分形成层间耦合区。

可选地，渐变型波导的宽度变化包括线性变化或非线性变化。

可选地，渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数。

可选地，非线性变化包括幂函数型变化或指数型变化。

可选地，渐变型波导的宽度为幂函数型变化，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝z^k，

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数，k＞0。

可选地，渐变型波导的宽度为指数型变化，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝(e^(k·z)-1)/(e^k-1)，

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数，k≠0。

可选地，渐变型波导的宽度变化为线性变化，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝z，

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数。

可选地，第一波导层和第二波导层采用脊型波导结构或矩形波导结构。

可选地，第一波导层和第二波导层采用的材料包括二氧化硅、硅、氮化硅、铌酸锂或III-V族半导体化合物或聚合物。

可选地，层间耦合器还包括：衬底；下包层，生长于衬底上；第一波导层生长于下包层远离衬底的表面上；上包层，生长于第二波导层远离中包层的表面上。

(三)有益效果

本公开提供的一种层间耦合器，至少包括以下有益效果：

(1)本公开中的层间耦合器可以保证在较短的耦合长度下获得较高的耦合效率，且具有一定的工艺容差，在实际的生产加工中更具优势。

(2)相比于其他的层间耦合器，本公开中的层间耦合器大大缩短了耦合器的尺寸，节约了成本。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例的层间耦合器的结构示意图。

图2示意性示出了本公开实施例中不同f(z)下的渐变型波导的形状；其中，a表示渐变型波导的宽度呈线性变化，b表示渐变型波导的宽度呈幂函数型变化，c表示渐变型波导的宽度呈指数型(k＞0)变化，d表示渐变型波导的宽度呈指数型(k＜0)变化。

图3示意性示出了本公开实施例一中使用FDTD法模拟的光信号在两层波导间传输时的电场分布图。

图4示意性示出了本公开实施例一中第一波导层和第二波导层存在折射率偏差时的层间耦合效率曲线。

图5示意性示出了本公开实施例二中使用FDTD法模拟的光在两层波导间传输时的电场分布图。

图6示意性示出了本公开实施例二中第一波导层和第二波导层存在折射率偏差时的层间耦合效率曲线。

附图标记说明：

1-衬底 2-下包层 3-第一波导层

4-中包层 5-第二波导层 6-上包层

7-第一波导 8-第一渐变型波导 9-第二渐变型波导

10-第二波导 11-第三渐变型波导 12-第四渐变型波导

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开。

正如背景技术部分所介绍的，发明人在实现本公开构思的过程中发现，现有的层间锥形耦合器所需的耦合长度较长，大大增加了芯片的整体尺寸，另外，采用垂直方向的定向耦合器对结构的尺寸和加工工艺要求较高，误差容忍度低。基于此，本公开提供了一种层间耦合器，以解决上述技术问题。

图1示意性示出了本公开实施例的层间耦合器的结构示意图。

如图1所示，本实施例提供了一种层间耦合器，该层间耦合器包括：衬底1、下包层2、第一波导层3、中包层4、第二波导层5和上包层6。其中，下包层2生长于衬底1上，第一波导层3生长于下包层2远离衬底1的表面上，中包层4生长于第一波导层3远离下包层2的表面上，第二波导层5生长于中包层4远离第一波导层3的表面上，上包层6生长于第二波导层5远离中包层4的表面上。

如图1所示，在本实施例中，第一波导层3由第一波导7、第一渐变型波导8和第二渐变型波导9依次连接构成。其中，沿第一波导7指向第二渐变型波导9的方向，第一渐变型波导8的宽度逐渐变窄，第二渐变型波导9的宽度逐渐变宽。第二波导层5由第二波导10、第三渐变型波导11和第四渐变型波导12依次连接构成。其中，沿第二波导10指向第四渐变型波导12的方向，第三渐变型波导11的宽度逐渐变窄，第四渐变型波导12的宽度逐渐变宽。

另外，如图1所示，第一渐变型波导8与第四渐变型波导12、第二渐变型波导9与第三渐变型波导11分别呈中心对称分布。第一渐变型波导8和第二渐变型波导9与第三渐变型波导11和第四渐变型波导12的空间交叠部分形成层间耦合区。光信号可以经第一波导层3的第一波导7或第二波导层5的第二波导10进入该层间耦合区，通过倏逝波耦合的方式传输至另一波导层。

在本公开实施例中，衬底1采用的材料例如可以是硅、二氧化硅、铌酸锂、III-V族半导体化合物或聚合物等。下包层2、中包层4和上包层6采用的材料例如可以是二氧化硅、硅等。第一波导层3和第二波导层5采用的材料例如可以是硅、二氧化硅、氮化硅、铌酸锂或III-V族半导体化合物或聚合物等等。另外，第一波导层3和第二波导层5可以采用例如脊型波导结构或矩形波导结构。

需要说明的是，上述实施例中对于层间耦合器各层结构的材料和形状的说明仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。在本公开一些实施例中，可以根据实际需要选择任何合适的材料、尺寸、折射率等等来制备上述层间耦合器，在此不做限定。

与现有技术相比，本公开实施例中提供的层间耦合器可以保证在较短的耦合长度下获得较高的耦合效率，且具有一定的工艺容差，在实际的生产加工中更具优势。另外，本公开中的层间耦合器大大缩短了耦合器的尺寸，节约了成本。

根据本公开实施例，上述第一波导层和第二波导层中的渐变型波导，例如图1中示出的第一波导层3中的第一渐变型波导8和第二渐变型波导9或者第二波导层5中的第三渐变型波导11和第四渐变型波导12，其宽度变化可以包括线性变化和非线性变化。其中，渐变型波导的宽度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁) (1)

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数。

可以理解，根据上述公式(1)可知，渐变型波导的宽度变化由渐变型波导的形状函数f(z)决定，即渐变型波导的形状函数f(z)决定了渐变型波导的宽度是呈现线性变化还是非线性变化，进而决定了渐变型波导的最终形状。

根据本公开实施例，当渐变型波导的宽度变化呈线性变化时，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝z (2)

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数。

根据本公开实施例，上述非线性变化可以包括幂函数型变化或指数型变化。其中，当渐变型波导的宽度呈幂函数型变化时，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝z^k (3)

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数，k＞0，k的取值决定渐变型波导的曲率。

其中，当渐变型波导的宽度呈指数型变化时，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝(e^(k·z)-1)/(e^k-1) (4)

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数，k≠0，k的取值决定渐变型波导的曲率。

图2示意性示出了本公开实施例中不同f(z)下的渐变型波导的形状。

如图2所示，本实施例列举了四种不同类型的渐变型波导的形状，每种类型的渐变型波导形状具有对应的f(z)。其中，图2a表示渐变型波导的宽度呈线性变化，其对应的渐变型波导的形状函数例如为f(z)＝z。图2b表示渐变型波导的宽度呈幂函数型变化，其对应的渐变型波导的形状函数例如为f(z)＝z^2，其中k＝2。图2c表示渐变型波导的宽度呈指数型(k＞0)变化，其对应的渐变型波导的形状函数例如为f(z)＝(e^(3·z)-1)/(e^3-1)，其中k＝3。图2d表示渐变型波导的宽度呈指数型(k＜0)变化，其对应的渐变型波导的形状函数例如为f(z)＝(e^((-3)·z)-1)/(e^(-3)-1)，其中k＝-3。

在本公开实施例中，上述第一波导层3中的第一渐变型波导8和第二渐变型波导9或者第二波导层5中的第三渐变型波导11和第四渐变型波导12可以采用例如图2所示的渐变型波导结构，这样可以在缩短耦合区长度，获得较高的耦合效率的同时，扩大倏逝波耦合的范围。

应当理解，上述实施例以及图2中对于层间耦合器中渐变型波导的形状的说明仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。在本公开实施例中，可以根据实际需要来设计和选择任何合适的渐变型波导的形状和尺寸等，在此不做限定。

为了使本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合本公开优选的实施例来说明本公开中的技术方案的优势。

实施例一

在本实施例中，采用如图1所示的层间耦合器结构。其中，衬底1的材料为硅，厚度为100μm。下包层2和上包层6的材料为二氧化硅，厚度为2μm。中包层4的材料为二氧化硅，厚度为300nm。第一波导层3和第二波导层5的材料为硅，且采用脊型波导结构，各波导的宽度为0.5μm，厚度为220nm，平板厚度为70nm。第一波导层3中，各段波导的宽度分别为：第一波导7的宽度为0.5μm；第一渐变型波导8中，w₁＝0.2μm，w₂＝0.5μm，f(z)＝z^2；第二渐变型波导9中，w₁＝0.2μm，w₂＝0.36μm，f(z)＝z^3。第二波导层5中，各段波导的宽度分别为：第二波导10的宽度为0.5μm；第三渐变型波导11中，w₁＝0.2μm，w₂＝0.5μm，f(z)＝z^2；第四渐变型波导12中，w₁＝0.2μm，w₂＝0.36μm，f(z)＝z^3。在本实施例中，上述四段渐变型波导的长度均为5μm，所组成的层间耦合区长度为10μm。

为了验证层间耦合器的耦合效率是否因缩短耦合长度而受到影响，在本实施例中，使用FDTD法模拟光信号在两层波导间传输，得到如图3所示的电场分布图。其中，入射光的波长为1550nm，入射光从第一波导层3入射，光信号经第一波导层3的第一波导7进入该层间耦合区，通过倏逝波耦合的方式传输至另一波导层。

另外，还采用本实施例中的层间耦合器模拟获取了第一波导层和第二波导层存在折射率偏差时的层间耦合效率曲线，结果如图4所示。其中，图4中的横坐标dn为第二波导层5相对于第一波导层3的折射率偏差，纵坐标为耦合效率。

结合图3和图4可知，本实施例中的层间耦合器基本实现了光信号在两个波导层间的完全耦合传输，当第二波导层5相对于第一波导层3的折射率偏差dn接近于零时，耦合效率可以达到95％(如图4所示)。而第二波导层5相对于第一波导层3的折射率偏差±0.15以内，耦合效率可以达到50％以上(如图4所示)。

基于上述实施例可知，本实施例中的层间耦合器可以保证在较短的耦合长度下获得较高的耦合效率，而且相比于垂直方向的定向耦合器结构，提高了对由工艺误差引起的折射率偏差的容忍度。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中第一波导层3和第二波导层5采用矩形波导结构，波导的宽度为0.4μm，厚度为220nm。第一波导层3中，各段波导的宽度分别为：第一波导7的宽度为0.4μm；第一渐变型波导8中，w_i＝0.24μm，w₂＝0.4μm，f(z)＝z^2；第二渐变型波导9中，w_i＝0.24μm，w₂＝0.32μm，f(z)＝z^3。第二波导层5中，各段波导的宽度分别为：第二波导10的宽度为0.4μm；第三渐变型波导11中，w₁＝0.24μm，w₂＝0.4μm，f(z)＝z^2；第四渐变型波导12中，w_i＝0.24μm，w₂＝0.32μm，f(z)＝z^3。在本实施例中，上述四段渐变型波导的长度均为5μm，所组成的层间耦合区长度为10μm。

为了验证层间耦合器的耦合效率是否因缩短耦合长度而受到影响，在本实施例中，使用FDTD法模拟光信号在两层波导间传输，得到如图5所示的电场分布图。其中，入射光的波长为1550nm，入射光从第一波导层3入射，光信号经第一波导层3的第一波导7进入该层间耦合区，通过倏逝波耦合的方式传输至另一波导层。

另外，采用本实施例中的层间耦合器模拟获取了第一波导层和第二波导层存在折射率偏差时的层间耦合效率曲线，结果如图6所示。其中，图6中的横坐标dn为第二波导层5相对于第一波导层3的折射率偏差，纵坐标为耦合效率。

从图5和图6中可看出，采用本实施例中的层间耦合器，基本实现了光信号在两个波导层间的完全耦合传输，耦合效率可以达到97％。而第二波导层5相对于第一波导层3折射率偏差±0.2以内，耦合效率可以达到75％以上(图6中示出)。

基于上述实施例可知，本实施例中的层间耦合器可以保证在较短的耦合长度下获得较高的耦合效率，而且相比于垂直方向的定向耦合器结构，提高了对由工艺误差引起的折射率偏差的容忍度。

综上所述，本公开提供了一种层间耦合器，通过设计包含渐变型波导的层间耦合结构，可以保证在较短的耦合长度下获得较高的耦合效率，且具有一定的工艺容差，在实际的生产加工中更具优势。而且，相比于其他的层间耦合器，本公开中的层间耦合器还大大缩短了耦合器的尺寸，节约了成本。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种层间耦合器，其特征在于，包括：

第一波导层(3)，由第一波导(7)、第一渐变型波导(8)和第二渐变型波导(9)依次连接构成；其中，沿所述第一波导(7)指向所述第二渐变型波导(9)的方向，所述第一渐变型波导(8)的宽度逐渐变窄，所述第二渐变型波导(9)的宽度逐渐变宽；

中包层(4)，生长于所述第一波导层(3)上；

第二波导层(5)，生长于所述中包层(4)远离所述第一波导层(3)的表面上，由第二波导(10)、第三渐变型波导(11)和第四渐变型波导(12)依次连接构成；其中，沿所述第二波导(10)指向所述第四渐变型波导(12)的方向，所述第三渐变型波导(11)的宽度逐渐变窄，所述第四渐变型波导(12)的宽度逐渐变宽；

其中，所述第一渐变型波导(8)与所述第四渐变型波导(12)、所述第二渐变型波导(9)与所述第三渐变型波导(11)分别呈中心对称分布；

所述第一渐变型波导(8)和所述第二渐变型波导(9)与所述第三渐变型波导(11)和所述第四渐变型波导(12)的空间交叠部分形成层间耦合区。

2.根据权利要求1所述的层间耦合器，其特征在于，渐变型波导的宽度变化包括线性变化或非线性变化。

3.根据权利要求1所述的层间耦合器，其特征在于，渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，w为所述渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为所述渐变型波导首末两端的宽度，z为所述渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为所述渐变型波导的形状函数。

4.根据权利要求2所述的层间耦合器，其特征在于，所述非线性变化包括幂函数型变化或指数型变化。

5.根据权利要求4所述的层间耦合器，其特征在于，所述渐变型波导的宽度为幂函数型变化，则所述渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝z^k，

其中，w为所述渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为所述渐变型波导首末两端的宽度，z为所述渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为所述渐变型波导的形状函数，k＞0。

6.根据权利要求4所述的层间耦合器，其特征在于，所述渐变型波导的宽度为指数型变化，则所述渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝(e^(k·z)-1)/(e^k-1)，

其中，w为所述渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为所述渐变型波导首末两端的宽度，z为所述渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为所述渐变型波导的形状函数，k≠0。

7.根据权利要求2所述的层间耦合器，其特征在于，所述渐变型波导的宽度变化为线性变化，则所述渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝z，

其中，w为所述渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为所述渐变型波导首末两端的宽度，z为所述渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为所述渐变型波导的形状函数。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的层间耦合器，其特征在于，所述第一波导层(3)和所述第二波导层(5)采用脊型波导结构或矩形波导结构。

9.根据权利要求8所述的层间耦合器，其特征在于，所述第一波导层(3)和所述第二波导层(5)采用的材料包括二氧化硅、硅、氮化硅、铌酸锂或III-V族半导体化合物或聚合物。

10.根据权利要求1所述的层间耦合器，其特征在于，所述层间耦合器还包括：

衬底(1)；

下包层(2)，生长于所述衬底(1)上；所述第一波导层(3)生长于所述下包层(2)远离所述衬底(1)的表面上；

上包层(6)，生长于所述第二波导层(5)远离所述中包层(4)的表面上。

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