[发明专利]一种基于多层相位匹配波导的光纤耦合结构及其制备方法

说明书

本发明提出了一种基于多层相位匹配波导的光纤耦合结构及其制备方法，能实现硅纳米波导和光纤之间的偏振不敏感高效耦合。通过基于多层相位匹配波导的定向耦合器结构实现底层硅纳米波导与上层多层波导之间的横电模和横磁模的高效模式耦合与能量转换。引入模式过渡器实现横磁模无损耗转换，进而实现底层横磁模与横电模独立耦合。通过偏振合束器将耦合至上层多层波导中的横电模与横磁模进行合并，进而与光纤实现偏振不敏感耦合。该发明的制备工艺与互补金属氧化物半导体工艺兼容，为实现光通信、光子系统中高性能光信号处理芯片或器件奠定了基础。

技术领域

本发明涉及光通信器件，尤其涉及一种基于多层相位匹配波导的光纤耦合结构，同时还涉及该光纤耦合结构的制备方法。

背景技术

得益于高折射率对比度和互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)兼容的制造工艺，硅光子学(silicon photonics)是大规模光子集成电路(photonic integrated circuits，PICs)的一个有吸引力的平台。利用成熟的CMOS工艺，基于绝缘体上硅(SOI)的硅光子学，可以为我们提供一个低成本、高集成度的光子平台。目前，由于缺乏高效的硅激光器和高性能的调制器，硅光子学的广泛应用受到了限制。此外，硅纳米波导和光纤之间的耦合是一难题。硅纳米波导典型尺寸为0.2μm²，单模光纤(single-mode fibre，SMF)的典型尺寸为80μm²，尺寸和模式差异巨大，从而耦合很难。

为了解决耦合问题，业界提出了多种实现单一偏振的方案，比如一维光栅、倒锥形、二维或三维锥形、透镜和锥形光纤；但是由于硅纳米波导具有偏振依赖问题，需要偏振不敏感耦合结构；目前已经报道了各种实现偏振不敏感的方案，如一维和二维光栅耦合器、带或不带高分子聚合物覆层倒置锥体、多级锥体和垂直弯曲的硅纳米波导(siliconnanowire)等结构。

但是这些方案仍然存在着一些问题，一维和二维光栅耦合器可以有效地耦合横电模(Transverse Electric，TE)和横磁模(Transverse Magnetic，TM)之间的偏振，但是它需要一个相对复杂的优化，并且一维光栅和二维光栅都存在固有的耦合效率和带宽之间的权衡问题；使用倒置锥体将硅NW模式转换为聚合物波导的模式，与透镜光纤的模式相匹配，需要将带或不带聚合物覆层的硅锥体逐渐变细到具有纳米尺寸宽度的超窄尖端，但是为实现耦合倒锥面需要抛光；使用双级锥体，可以提供偏振不敏感(polarization-independent，PI)和波长不敏感的模式转换，也可以与CMOS工艺兼容，但是锥形长度较长，耦合损耗较大且制作工艺复杂；PI象鼻型耦合器将硅纳米波导的端面垂直弯曲，弯曲曲率为几微米级。虽然这种垂直耦合器在晶片级测试和集成芯片表面光学元件方面都有很好的应用前景，但垂直弯曲硅芯的制造则更具挑战性。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于多层相位匹配波导的光纤耦合结构及其制备方法，通过基于多层相位匹配波导的定向耦合器结构实现底层硅纳米波导与上层多层波导之间的横电模和横磁模的高效模式耦合与能量转换，进而实现了硅纳米波导和光纤之间的偏振不敏感高效耦合。

技术方案：一种基于多层相位匹配波导的光纤耦合结构，包括衬底层，在衬底层上设有下包层，在下包层上设有前锥形后锥形的模式过渡器，所述模式过渡器包括与TE匹配的硅纳米波导、用于过渡TM模式的硅锥形过渡波导以及与TM匹配的硅纳米波导，所述与TE匹配的硅纳米波导的长度为TE模的耦合长度，所述与TM匹配的硅纳米波导的长度为TM模的耦合长度；在与TE匹配的硅纳米波导上设有TE模匹配多层波导，在与TM匹配的硅纳米波导上设有TM模匹配多层波导，所述TM模匹配多层波导将TM模耦合到TE模匹配多层波导中，所述TE模匹配多层波导将TE模和TM模同时耦合到光纤中，所述光纤与TE模匹配多层波导中心对准；在TE模匹配多层波导和TM模匹配多层波导上设有上覆盖层。