[发明专利]层间耦合器

说明书

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。

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，