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CN114675373A - 基于厚Si3N4材料的低插入损耗、大带宽紧凑型多模干涉耦合器 - Google Patents

基于厚Si3N4材料的低插入损耗、大带宽紧凑型多模干涉耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于厚Si3N4材料的低插入损耗、大带宽紧凑型多模干涉耦合器，包括基于厚Si3N4材料的单条形锥形渐变输入波导、多模干涉区域、锥形渐变输出波导。本发明可实现入射光由一端口分配到两个输出波导，形成一分二功分器或二合一耦合器，适用于微波光子滤波与整形、双光梳技术、光学相干断层扫描技术、光通讯收发模块、光计算等氮化硅集成光路光学器件系统中，具有尺寸紧凑、耦合效率高、大带宽、低插损等优点。

Description

基于厚Si3N4材料的低插入损耗、大带宽紧凑型多模干涉耦 合器
技术领域
本发明属于应用于光通信技术、微波光子、光传感、成像、光计算等技术领域的厚Si3N4低插入损耗、大带宽紧凑型多模干涉耦合器。
背景技术
随着光纤通信技术的快速发展，对于信息传输和处理的要求也越来越高。高集成化、低损耗、功能多样性成了光通信器件研发者的追求目标。选用的材料种类设计制作光学器件不仅关系到系统的性能参数，还决定了制作成本、加工可行性以及是否与现有系统兼容等问题。
Si3N4(Silicon Nitride，氮化硅)受益于其与二氧化硅之间较大的折射率对比，使得光信号可以很好地限制在氮化硅波导中传输。经低压化学蒸发沉积(LPCVD)的氮化硅薄膜波导具有传输损耗小、弯曲损耗小等优势，且氮化硅具有较高的三阶非线性系数，厚氮化硅波导(波导厚度大于600nm)进一步提升了模式束缚能力，且有利于色散工程，既能实现正色散、也能实现反常色散，是克尔微光梳、超连续谱的核心使能者，同时可与微电子CMOS工艺兼容等优势，有利于将波导器件微型化、大规模集成，能极大地降低成本。目前，氮化硅光子集成电路在制作密集螺旋波导、非线性频率转换和频率梳产生等先进光子功能器件方面展示了广阔的前景。
针对实际应用，实现片上光束的3dB合束和分束是构建多样功能的基础。到目前为止，典型的厚氮化硅2×2MMI插入损耗通常约为0.37dB，尺寸通常为0.35mm×0.06mm，较大的尺寸意味着级联若干个MMI组成如多级光开关阵列等结构时占据很大空间，为了进一步提高集成度，需要进行进一步降低尺寸。目前设计一种紧凑度更好、插损更低、带宽覆盖C+L波段的MMI具有很大的实际意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于厚Si3N4材料的低插入损耗、大带宽紧凑型多模干涉耦合器，该MMI实现了一分二、二分二的分束和二合一、二合二光合束功能。与现有的MMI相比，具有更大的工作带宽以及更紧凑的尺寸，适用于光时分复用芯片、微波光子滤波与延时、双光梳传感芯片、光学相干断层扫描成像等小型化光学器件中。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于厚Si3N4材料的低插入损耗、大带宽多模干涉耦合器，包括波导层，SiO2上下包层和Si衬底。其波导层为内嵌在SiO2里的Si3N4波导；所述Si3N4波导包括锥形渐变输入波导、用于模间干涉的多模干涉区域锥形渐变输出波导；在多模波导中各阶模式将重新相干叠加，形成二重像；输入的TE光依次经锥形渐变输入波导、多模干涉区域与锥形渐变输出波导，再与其他器件相连；多模干涉区域的端面与锥形渐变输入波导和锥形渐变输出波导的端面TE模式有效折射率相匹配，能够以极低损耗发生耦合。
作为本发明的一种优选技术方案：所述锥形渐变输入波导采用线性函数进行波导的锥形渐变延伸，其宽度随传输逐渐变宽。
作为本发明的一种优选技术方案：所述锥形渐变输入波导的宽度以50nm/um的变化率逐渐增宽。
作为本发明的一种优选技术方案：所述锥形渐变输出波导采用线性函数进行波导的锥形渐变延伸，其宽度随传输逐渐变窄。
作为本发明的一种优选技术方案：所述锥形渐变输出波导的宽度以-50nm/um的变化率逐渐减小。
作为本发明的一种优选技术方案：所述多模干涉区域的长度与宽度保证高阶模式均改变2π整数倍的相位。
作为本发明的一种优选技术方案：所述锥形渐变输入/输出的波导，精心设计其端面宽度，使其与多模干涉区域波导的模式有效折射率相匹配，降低结合处的耦合损耗，且加工容差大。
作为本发明的一种优选技术方案：所述多模干涉波导区域的过程中，精心设计波导尺寸，使传播其中的高阶模式相干叠加形成二重像，且加工容差大。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种基于厚Si3N4材料的低插入损耗、大带宽、紧凑型多模干涉耦合器，通过两对倒锥结构与多模干涉耦合波导形成，充分利用厚氮化硅波导模场束缚程度高、传输损耗低的优势，实现了将Si3N4条形波导里的光分束和合束的功能，并且具有高耦合效率。
本发明相比于常见的厚Si3N4平台2×2MMI，它最主要的优势是在保持优异性能的基础上将总尺寸缩小了89％，极大地提升了集成度，尤其在微波光子滤波器与光计算等应用中采用的N级马赫泽德干涉仪结构需要N+1个MMI，尺寸紧凑的优势更为明显。
本发明可作为低损耗、大带宽紧凑型多模干涉耦合器，应用在厚Si3N4平台上的分束、合束使用，其构建的级联马赫泽德干涉器件是光电调制芯片、光时分复用芯片、微波光子可重构滤波器、可调光延时线、双光梳测距与传感系统、光计算矩阵网络等结构的核心部件。并且，本发明制作工艺可与CMOS相兼容，能大规模量产，极大地节约芯片成本。
附图说明
图1为本发明的波导俯视结构示意图。
图2为本发明的波导截面示意图。
图3为本发明的光场传输分布模式示意图。
图4为本发明的输出光传输谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例：如图1和图2所示，本发明设计了一种基于厚Si3N4材料的低插入损耗、大带宽紧凑型多模干涉耦合器，其波导层为内嵌在SiO2里的条形Si3N4波导，所述的Si3N4波导包括锥形线性渐变波导1、多模干涉区域2、锥形线性渐变波导3。TE模式在锥形渐变波导出射端的有效折射率与多模干涉区域入射端的有效折射率基本一致，可以显著降低插入损耗。当光以TE模式输入时，光能量在经过锥形渐变波导、多模干涉区域后，光由单模转变为多模再转变为两个单模，再经过两个锥形线性渐变波导耦合出来与后续器件连接。低损耗、紧凑型的多模干涉耦合功能得以实现。
本发明结构的工作原理是：
当TE模式的光(图2中Y方向偏振)输入时，1区域中的锥形渐变波导通过绝热演变将输入波导宽度扩宽到3um，既能减小输入波导模式和多模区的模式失配、进而降低插损，又能提升加工容错；光场进入2区域后，沿传播方向(X方向)各阶模式相干叠加将得到不同的横向模场分布，在2区域中各阶模式将重新相干叠加，当所有模式沿X方向传播后形成二重像，成像点即为输出波导的中心点。最后，光进入3区域，再经过绝热演变缩小波导宽度与后续的器件相连接起来。至此，低插损分光、合束功能得以实现。
为了验证本发明能够实现该功能，特列举验证例进行说明。
本验证例所采用的时域有限差分法进行计算分析，其中用到的主要参数有：所有波导厚度为800nm，输入波导宽度1.5um，锥形渐变波导长度30um，经过线性扩宽至3um，波导宽度变化率为50nm/um；多模干涉区域宽度为12.6um、长度130um，输出波导宽度为3um，经过线性缩小至1.5um，波导宽度变化率为-50nm/um,渐变波导长度为30um；输入输出波导端口中心位置分别位于干涉区域宽度1/3与2/3处。二氧化硅上包层厚度为3.3um，下包层的厚度为4um。
当光以TE模式从上波导输入时，计算得到光场传输如图3所示。可以看出光功率从输入波导输入，经渐变波导绝热变换、多模干涉区域，以及渐变输出波导中进行传输，且光能量没有发生较大泄露。如图4所示，在1500nm至1600nm波长范围内，两个端口的透射率变化范围为47％-49.8％，对应的插损为0.287dB-0.026dB，1550nm通信波段对应的器件插入损耗约为0.025dB-0.06dB，在200nm带宽范围内(1450nm-1650nm)之间的插损均小于0.7dB。本MMI的尺寸相较于同品台其他MMI相比：宽度缩小了80％，长度缩小了41％，总尺寸缩小了89％。
综上，本发明提供的基于厚Si3N4集成光子平台，实现一分二、二分二光分束和二合一、二合二光合束。在200nm工作带宽内器件插入损耗小，作为基于厚Si3N4材料的多模干涉耦合器，比已有的解决方案器件尺寸缩小了89％，可用于组合成多级马赫泽德干涉仪等核心光学器件使用，在光通信、微波光子、成像与传感片上集成光系统中有重要作用。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所形成的技术方案。

Claims (6)

1.一种基于厚Si3N4材料的低插入损耗、大带宽多模干涉耦合器，其特征在于：其波导层为内嵌在SiO2里的Si3N4波导；所述Si3N4波导包括锥形渐变输入波导(1)、用于模间干涉的多模干涉区域(2)锥形渐变输出波导(3)；输入的TE光依次经锥形渐变输入波导(1)、多模干涉区域(2)与锥形渐变输出波导(3)，再与其他器件相连；多模干涉区域(2)的端面与锥形渐变输入波导(1)和锥形渐变输出波导(3)的端面TE模式有效折射率相匹配，能够以极低损耗发生耦合。
2.根据权利要求1所述的一种基于厚Si3N4材料的低插入损耗、大带宽紧凑型多模干涉耦合器，其特征在于：所述锥形渐变输入波导(1)采用线性函数进行波导的锥形渐变延伸，其宽度随传输逐渐变宽。
3.根据权利要求2所述的一种基于厚Si3N4材料的低插入损耗、大带宽紧凑型多模干涉耦合器，其特征在于：所述锥形渐变输入波导(1)的宽度以50nm/um的变化率逐渐增宽。
4.根据权利要求1所述的一种基于厚Si3N4材料的低插入损耗、大带宽紧凑型多模干涉耦合器，其特征在于：所述锥形渐变输出波导(3)采用线性函数进行波导的锥形渐变延伸，其宽度随传输逐渐变窄。
5.根据权利要求4所述的一种基于厚Si3N4材料的低插入损耗、大带宽紧凑型多模干涉耦合器，其特征在于：所述锥形渐变输出波导(3)的宽度以-50nm/um的变化率逐渐减小。
6.根据权利要求1所述的一种基于厚Si3N4材料的低插入损耗、大带宽紧凑型多模干涉耦合器，其特征在于：所述多模干涉区域(2)的长度与宽度保证高阶模式均改变2π整数倍的相位。
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