[发明专利]一种基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器

说明书

一种基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器，属于集成光电子学技术领域。该三维边缘耦合器从下至上依次由基底层、下包层、下层条带、第一中间包层、中间波导芯层、第二中间包层、上层条带和上包层组成，下层条带与上层条带的结构与尺寸完全相同，在与光传输方向垂直的截面上，下层条带、上层条带与中间波导芯层垂直对准。下包层、第一中间包层、第二中间包层、上包层为低折射率的二氧化硅，下层条带、中间波导芯层、上层条带为高折射率的二氧化硅，基底层为硅。该三维边缘耦合器用于集成光子芯片与光纤的耦合连接，实现单模光纤与二氧化硅波导间的光信号耦合。该器件在光通信、高性能计算机、光学传感等领域具有重要的应用价值和发展前景。

技术领域

本发明属于集成光电子学技术领域，具体涉及一种基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器。该三维边缘耦合器用于集成光子芯片与光纤的耦合连接，实现单模光纤与二氧化硅波导间的光信号耦合。该器件在光通信、高性能计算机、光学传感等领域具有重要的应用价值和发展前景。

背景技术

光子芯片可应用于通信网络、数据中心及光计算等领域。在光子学中，功能集成可通过将不同功能元件制作在同一衬底，实现多个单一器件组合所具备的功能，例如将光学组件(波导、光学开关、边缘耦合器、偏振片等)与电学组件(场效应晶体管等)集成，实现光电收发器等功能。光集成芯片的重要指标之一就是光损耗，解决集成光子芯片波导与光纤之间耦合损耗问题，降低由于模场失配导致的光泄露，提高光纤与波导耦合效率，是实现高密度高性能光集成的关键技术。

边缘耦合器通常用于光纤与光子芯片上光波导的连接耦合。波导器件与光纤结构尺寸相差较大，模场大小及分布不同，所引起的耦合损耗成为光网络损耗的主要因素。该边缘耦合器包括一段小尺寸芯层波导，其波导截面面积小于光纤模场大小，这会导致光纤与边缘耦合器二氧化硅光波导芯层之间的耦合能量损失，耦合效率降低导致的损耗增大。

边缘耦合器需改进波导材料、结构及制造方法等在内的相关内容，通过优化光纤与波导模场匹配，减少模式失配导致的光损耗，同时增大对准容差，降低成本和工艺难度。

在过去几十年的研究中，基于二氧化硅材料的集成光学器件取得了巨大进步。二氧化硅材料具有低损耗、高工艺容差、CMOS工艺兼容及同单模光纤模场匹配好等优点，在光通信、光互连和集成光学中得到了广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种耦合效率高、结构紧凑利于集成、易于封装、层间对准容差大、耦合效率随波长变化不敏感的基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器。

本发明所述的一种基于二氧化硅光波导的三维边缘耦合器，其特征在于：如图1和图2(a)所示，从下至上依次由基底层(4)、下包层(5)、下层条带(3)、第一中间包层(6)、中间波导芯层(1)、第二中间包层(7)、上层条带(2)和上包层(8)组成，下层条带(3)位于下包层(5)之上且被包覆在第一中间包层(6)之中，中间波导芯层(1)位于第一中间包层(6)之上且被包覆在第二中间包层(7)之中，上层条带(2)位于第二中间包层(7)之上且被包覆在上包层(8)之中；下层条带(3)与上层条带(2)的结构与尺寸完全相同，在与光传输方向垂直的截面上，下层条带(3)、上层条带(2)与中间波导芯层(1)垂直对准，中心位置偏移量为-3μm～3μm；下包层(5)、第一中间包层(6)、第二中间包层(7)、上包层(8)的材料均为低折射率的二氧化硅，其折射率为1.445；下层条带(3)、中间波导芯层(1)、上层条带(2)的材料均为高折射率的二氧化硅，折射率均为1.481；基底层(4)为硅，折射率为3.455。