CN113050220A - 一种渐变弯曲波导器件 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种渐变弯曲波导，包括：衬底；位于所述衬底上的U型波导；至少部分覆盖所述U型波导的包覆层；其中，所述U型波导包括两段L型波导，以及连接在所述两段L型波导之间的一段矩形波导，所述L型是指90度欧拉渐变弯曲。本公开提供的渐变弯曲波导器件，不仅能保持良好的单模传输特性和超低传输损耗，并且尺寸小，可以大大提高光电器件的集成度，从而进一步降低成本，适用于大规模量产。
Description
技术领域
本公开涉及半导体光电技术领域，具体涉及一种渐变弯曲波导器件。
背景技术
随着人们对信息传输、处理速度要求的不断提高和多核计算时代的来临，基于金属的电互连将会由于过热、延迟、电子干扰等缺陷成为发展瓶颈。而采用光互连来取代电互连，可以有效解决这一难题。在光互连的具体实施方案中，硅基光互连以其无可比拟的成本和技术优势成为首选。硅基光互连既能发挥光互连速度快、带宽大、抗干扰、功耗低等优点，又能充分利用微电子工艺成熟、高密度集成、高成品率、成本低廉等优势，其发展必将推动新一代高性能计算机、数据通信系统的发展，有着广阔的市场应用前景。
一般的，硅基光互连的核心技术是在硅基上实现各种光功能器件，如硅基激光器、电光调制器、光电探测器、滤波器、波分复用器、耦合器、分光器等。而实现这些功能器件的基本结构是硅基光波导结构，它包含直波导和弯曲波导。弯曲波导能够连接非共线光学元件，实现光束分离，提高集成度；它也可以作为有源或无源器件结构的一部分来实现自身的特殊功能，例如采用特殊设计的弯曲波导结构可以获得高Q值、单模和低损耗传输的微环谐振腔结构。
在集成光子电路的设计中，弯曲波导处会引起不同模式之间的显著耦合，具体而言就是在弯曲波导前端的直波导中始仅存在基模，经过弯曲波导传输之后，在弯曲波导输出端通常会激发出高阶模式(HOM),弯曲的曲率1/R(弯曲半径为R)越大，高阶模式激发越严重。若要得到小尺寸、传输损耗小以及单模保持性好的弯曲波导，必须要求弯曲波导是单模传输。这得益于单模弯曲波导能够有效减少散射损耗和避免弯曲处的模间串扰。
目前能实现小尺寸、单模低损耗传输的弯曲波导的方法是将光限制在具有高折射率差(High Index Contrast，HIC)的亚微米波导结构中，折射率差越高其波导结构应越小，才能确保单模传输。采用亚微米波导实现密集集成会带来包括偏振依赖性、光纤模式的低耦合效率以及由粗糙引起的散射损耗等问题，此外，亚微米波导器件需要更加先进的制作工艺来解决纳米特性产生的加工误差；也有学者尝试通过改变弯曲波导宽度来降低传输损耗，但其效果并不理想，所获得的弯曲半径依然相当大，实际上比直波导宽度大两个数量级以上，同时还需要特殊的制备工艺(如灰度光刻)，增加了工艺难度。
因此，提供一种具有单模超低损耗传输的渐变弯曲波导器件，以解决现有弯曲波导中传输损耗大、模式间串扰严重等问题实属必要。
发明内容
本公开的目的是提供一种渐变弯曲波导器件，能够实现超低的传输损耗、尺寸小以及非常低的高阶模式激发比。
本公开实施例提供一种渐变弯曲波导器件，包括：
衬底；
位于所述衬底上的U型波导；
至少部分覆盖所述U型波导的包覆层；
其中，所述U型波导包括两段L型波导，以及连接在所述两段L型波导之间的一段矩形波导，所述L型是指90度欧拉渐变弯曲。
根据本公开的一些实施方式中，所述U型波导中的两段L型波导相互对称，所述L型波导的两端分别为渐变初始端和渐变结束端，所述渐变结束端与矩形波导的一端连接。
根据本公开的一些实施方式中，所述L型波导包括两条曲线，分别为内轮廓曲线和外轮廓曲线，所述外轮廓曲线的曲率半径是基于欧拉曲线公式得到的；
所述内轮廓曲线是由一系列与所述外轮廓曲线一一对应的点组成的，所述内轮廓曲线上的点到与之对应的所述外轮廓曲线上的点的距离，按照从所述渐变初始端到所述渐变结束端的方向，从第一值逐渐变化到第二值，所述第一值大于所述第二值；
所述欧拉曲线公式为：
其中，R是曲线的曲率半径，L是曲线从渐变初始端到某一特定点的弧长；θ是曲线在某一特定点的角度；A是一个特定常数，等于[Ltotal/(1/Rmin-1/Rmax)]1/2，Ltotal是曲线总长，Rmax是曲线的最大曲率半径，Rmin是曲线的最小曲率半径。
根据本公开的一些实施方式中，随着弧长L的不断增加，所述外轮廓曲线的曲率半径从Rmax不断减少至Rmin。
根据本公开的一些实施方式中，所述第一值为1.6um，所述第二值为0.45um。
根据本公开的一些实施方式中，所述外轮廓曲线的总长Ltotal为50um，最大曲率半径Rmax为900um，最小曲率半径Rmin为20um。
根据本公开的一些实施方式中，所述矩形波导高为0.22um、宽为0.45um、长为2um。
根据本公开的一些实施方式中，所述L型波导的高为0.22um。
根据本公开的一些实施方式中，所述衬底包括：硅衬底，以及在所述硅衬底上的埋氧层，所述U型波导位于所述埋氧层上。
根据本公开的一些实施方式中，所述U型波导的制作材料为硅。
本公开与现有技术相比的优点在于：
本公开提供的渐变弯曲波导器件，不仅能保持良好的单模传输特性和超低传输损耗，并且尺寸小，可以大大提高光电器件的集成度，从而进一步降低成本，适用于大规模量产。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本公开所提供的一种渐变弯曲波导器件中U型波导的示意图；
图2示出了本公开所提供的渐变弯曲波导器件仿真后在输出端得到的传输损耗结果。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
为了解决现有技术中存在的问题，本公开实施例提供一种渐变弯曲波导，下面结合附图进行说明。
图1示出了本公开所提供的一种渐变弯曲波导器件中U型波导的示意图，该渐变弯曲波导器件可以为任一种能够传输光信号的器件，例如硅光器件、锗硅光器件等。硅光器件如微环谐振腔结构。
如图1所示，本公开提供的上述渐变弯曲波导器件，包括：衬底(未示出)；位于所述衬底上的U型波导10；以及至少部分覆盖所述U型波导的包覆层(未示出)；
其中，所述U型波导10包括两段L型波导，如图1所示，分别为L型波导110和L型波导120，以及连接在所述两段L型波导之间的一段矩形波导130，所述L型是指90度欧拉渐变弯曲。
根据本公开的一些实施方式中，所述U型波导10中的两段L型波导相互对称，也就是L型波导110和L型波导120为对称结构，每一段L型波导的两端分别为渐变初始端和渐变结束端。
如图1所示，L型波导110的渐变结束端与矩形波导130的一端连接，L型波导120的渐变结束端与矩形波导130的另一端连接。
所述L型波导包括两条曲线，分别为内轮廓曲线和外轮廓曲线，所述外轮廓曲线的曲率半径是基于欧拉曲线公式得到的；也就是说，本公开中L型波导的外轮廓曲线是基于欧拉曲线设计的。
所述内轮廓曲线是由一系列与所述外轮廓曲线一一对应的点组成的，所述内轮廓曲线上的点到与之对应的所述外轮廓曲线上的点的距离，按照从所述渐变初始端到所述渐变结束端的方向，从第一值逐渐变化到第二值，所述第一值大于所述第二值；
所述欧拉曲线公式为：
其中，R是曲线的曲率半径，L是曲线从渐变初始端到某一特定点的弧长；θ是曲线在某一特定点的角度；A是一个特定常数，等于[Ltotal/(1/Rmin-1/Rmax)]1/2，Ltotal是曲线总长，Rmax是曲线的最大曲率半径，Rmin是曲线的最小曲率半径。
根据本公开的一些实施方式中，随着弧长L的不断增加，所述外轮廓曲线的曲率半径从Rmax不断减少至Rmin。
根据本公开的一些实施方式中，所述第一值为1.6um，所述第二值为0.45um，也就是说，内轮廓曲线上的点到与之对应的外轮廓曲线上的点的距离从1.6um逐渐变化到0.45um，从而形成上述L型波导。
其中，优选L型波导的渐变初始端波导宽W为1.6um，这是因为1.6um宽的弯曲波导端头既能够降低波导的传输损耗也能够满足单模或多模传输的需要。图1中示出了1.6um宽的渐变初始端的横截面图。
其中，优选L型波导的渐变结束端宽为0.45um，这是因为0.45um能很好的保证单模传输，同时达到抑制高阶模的效果。
根据本公开的一些实施方式中，所述外轮廓曲线的总长Ltotal优选为50um，最大曲率半径Rmax优选为900um，最小曲率半径Rmin优选为20um。
根据本公开的一些实施方式中，所述矩形波导高H优选为0.22um、宽W优选为0.45um、长L优选为2um。这是因为长为2um的矩形波导能保持单模传输的同时具有最低的传输损耗。图1中示出了2um长的矩形波导立体结构图。
根据本公开的一些实施方式中，所述L型波导的高H为0.22um。
其中，所述衬底包括：硅衬底，以及在所述硅衬底上的埋氧层，所述U型波导10位于所述埋氧层上，所述U型波导的制作材料可以为硅。
应理解，所述衬底可以采用SOI材料，SOI全称为Silicon-On-Insulator，即绝缘体上硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧层。SOI材料具有以下突出优点：低功耗；低开启电压；高速；提高集成度；与现有集成电路完全兼容且减少工艺程序；耐高温；抗辐照从而减少软件误差。这些优点使得SOI技术在绝大多数硅基集成电路方面具有极其广泛的应用。
优选标准的SOI工艺来制备上述渐变弯曲波导器件，包括底层硅、埋氧层及顶层硅，对顶层硅进行刻蚀得到0.22um高的U型波导，这得益于单晶硅对在1330nm-1600nm通信波长的光具有较低的吸收损耗，同时硅基光波导的加工工艺与成熟的COMS技术有着较好的兼容性。
本公开中，L型波导110的渐变初始端可以作为U型波导10的输入端，L型波导120的渐变结束端可以作为U型波导10的输出端，或者，L型波导120的渐变初始端可以作为U型波导10的输入端，L型波导110的渐变结束端可以作为U型波导10的输出端。
优选波长在1500nm-1600nm范围的基模作为输入进行MODE仿真测试，其在输出端的结果如图2所示。具有很好的基模完整保持性和高阶模的抑制比。特别是选择波长为1550nm处的基模，经过U型波导传输后，其传输损耗仅为0.0005379dB，有效半径Reff仅为42.547um(如图1所示)，实现了小尺寸、单模超低损耗的传输性能。
实际应用中，可以在微环谐振腔结构中引入本公开的曲率连续变化的渐变弯曲波导器件来代替现有的弯曲波导，以使微环谐振腔结构能够保持良好的单模传输特性和超低传输损耗。
本公开与现有技术相比的优点在于：
本公开提供的渐变弯曲波导器件，不仅能保持良好的单模传输特性和超低传输损耗，并且尺寸小，可以大大提高光电器件的集成度，从而进一步降低成本，适用于大规模量产。
为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (10)
1.一种渐变弯曲波导器件，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底上的U型波导；
至少部分覆盖所述U型波导的包覆层；
其中，所述U型波导包括两段L型波导，以及连接在所述两段L型波导之间的一段矩形波导，所述L型是指90度欧拉渐变弯曲。
2.根据权利要求1所述的渐变弯曲波导器件，其特征在于，所述U型波导中的两段L型波导相互对称，所述L型波导的两端分别为渐变初始端和渐变结束端，所述渐变结束端与矩形波导的一端连接。
3.根据权利要求2所述的渐变弯曲波导器件，其特征在于，所述L型波导包括两条曲线，分别为内轮廓曲线和外轮廓曲线，所述外轮廓曲线的曲率半径是基于欧拉曲线公式得到的；
所述内轮廓曲线是由一系列与所述外轮廓曲线一一对应的点组成的，所述内轮廓曲线上的点到与之对应的所述外轮廓曲线上的点的距离，按照从所述渐变初始端到所述渐变结束端的方向，从第一值逐渐变化到第二值，所述第一值大于所述第二值；
所述欧拉曲线公式为：
其中，R是曲线的曲率半径，L是曲线从渐变初始端到某一特定点的弧长；θ是曲线在某一特定点的角度；A是一个特定常数，等于[Ltotal/(1/Rmin-1/Rmax)]1/2，Ltotal是曲线总长，Rmax是曲线的最大曲率半径，Rmin是曲线的最小曲率半径。
4.根据权利要求3所述的渐变弯曲波导器件，其特征在于，随着弧长L的不断增加，所述外轮廓曲线的曲率半径从Rmax不断减少至Rmin。
5.根据权利要求4所述的渐变弯曲波导器件，其特征在于，所述第一值为1.6um，所述第二值为0.45um。
6.根据权利要求5所述的渐变弯曲波导器件，其特征在于，所述外轮廓曲线的总长Ltotal为50um，最大曲率半径Rmax为900um，最小曲率半径Rmin为20um。
7.根据权利要求6所述的渐变弯曲波导器件，其特征在于，所述矩形波导高为0.22um、宽为0.45um、长为2um。
8.根据权利要求7所述的渐变弯曲波导器件，其特征在于，所述L型波导的高为0.22um。
9.根据权利要求1所述的渐变弯曲波导器件，其特征在于，所述衬底包括：硅衬底，以及在所述硅衬底上的埋氧层，所述U型波导位于所述埋氧层上。
10.根据权利要求9所述的渐变弯曲波导器件，其特征在于，所述U型波导的制作材料为硅。
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