[发明专利]用于光纤和混合表面等离子体波导耦合的变迹光栅耦合器

说明书

本发明公开了一种用于光纤和混合表面等离子体波导耦合的变迹光栅耦合器。硅基混合表面等离子体波导、两级锥形模式转换器和变迹耦合光栅均由从上到下层叠布置的覆盖层、硅层、氧化层、金属衬底层和硅基底构成，硅基混合表面等离子体波导与两级锥形模式转换器的输出端连接，两级锥形模式转换器的输入端与变迹耦合光栅连接。本发明充分利用了变迹光栅有效提高方向性系数和减小耦合模场不匹配度的优点，又利用了两级锥形模式转换器减少模式转换过程中高阶模的激发从而进一步提高耦合效率，同时金属衬底既作为硅基混合表面等离子体波导的一部分，又在光栅中作为衬底反射镜起到激发混合表面等离子体模式和降低衬底辐射损耗的作用。

技术领域

本发明属于硅基光子学领域的一种光耦合器，具体涉及一种用于光纤和混合表面等离子体波导耦合的变迹光栅耦合器。

背景技术

光子集成电路(Photonic Integrated Circuits，PICs)凭借大带宽、低功耗、抗电磁干扰等优势，近年来受到越来越多的关注。随着后摩尔时代的到来，光子集成电路也需要更高的集成密度，而具备突破衍射极限对光场进行强限制能力的等离子体波导(PlasmonicWaveguide)因此得到发展并应用在非线性光学、光传感甚至量子信息处理等领域。但这种基于表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)效应的波导传输损耗较大，为平衡强光场限制与大传输损耗之间的制约关系，前人设计了一种硅基混合表面等离子体波导(Silicon Hybrid Plasmonic Waveguide)，这种设计既兼顾了强限制和低损耗的优点，又能与硅波导平台兼容，适合CMOS工艺制造。

在片上全光集成技术还不够成熟的背景下，光子集成离不开光纤与波导的耦合。现有光纤与片上波导的耦合方式主要是端面耦合与光栅耦合(Grating Coupling，GC)，后者具有对准容差大、不用抛光处理、输入输出位置灵活可调等优点，是一种重要的耦合技术。光栅耦合中，衍射光栅的模场分布与标准单模光纤的类高斯分布有较大不同，从而引入模场失配的耦合损耗。通过变迹光栅(Apodized Grating)可以有效解决这个问题：按照非均匀变化的规律渐变周期、占空比或蚀刻深度，通过调控渐变的方式以调控光栅衍射光场，减小模场失配。

然而目前并没有光栅耦合器可以直接实现标准单模光纤模场和混合表面等离子体模场之间的耦合。现有耦合方案通常首先将光纤模场耦合到介质波导中，再通过等离子体锥形模式转换器或偏振旋转耦合器等再将介质波导模场转换为混合表面等离子体模场。目前已知，不考虑多晶硅覆盖、底部布拉格反射结构、多元刻蚀、倾斜刻蚀等增大工艺难度的复杂优化设计，绝缘体上硅(Silicon on Insulator，SOI)结构的光栅耦合器最高可实现光纤与介质波导的81.3％的耦合效率，而介质波导与混合表面等离子体波导的最高耦合效率为78％，因此总耦合效率不超过63.4％。这种间接耦合方式既使结构复杂化不利于集成，又增加了额外的插入损耗，降低了整体的耦合效率，难以满足实际应用的需求。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种用于光纤和混合表面等离子体波导耦合的变迹光栅耦合器，其利用变迹光栅降低了耦合过程中的模场失配损耗和提高了方向性，利用两级锥形模式转换器减少了高阶模式的激发从而提高模式的有效转化率，利用金属衬底作为硅基混合表面等离子体波导的金属波导部分同时可以作为光栅的底部反射镜，一方面在耦合光栅内即开始产生混合表面等离子体模式，另一方面大幅降低了耦合过程中的衬底辐射损耗。因此，该光栅耦合器可以实现光纤模场和混合表面等离子体模场之间的直接耦合，且具有耦合效率高，结构简单的特点。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明包括硅基混合表面等离子体波导、两级锥形模式转换器和变迹耦合光栅，硅基混合表面等离子体波导、两级锥形模式转换器和变迹耦合光栅均由从上到下层叠布置的覆盖层、硅层、氧化层、金属衬底层和硅基底构成，硅基混合表面等离子体波导与两级锥形模式转换器的输出端连接，两级锥形模式转换器的输入端与变迹耦合光栅连接。