一种多层结构的模斑转换器及其实现方法
阅读说明：本技术 一种多层结构的模斑转换器及其实现方法 (Multi-layer structured spot-size converter and implementation method thereof ) 是由 王丹 于 2020-12-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种多层结构的模斑转换器及其实现方法,本发明的模斑转换器包括：基底、位于基底上的缓冲层、位于缓冲层上的复合波导；所述复合波导从下到上依次为：具有垂直方向的多层阶梯结构的第一折射率层、与该多层阶梯结构匹配的第二折射率层,所述匹配具体为在多层阶梯结构部分的第一折射率层与第二折射率层厚度互补；采用本发明的模斑转换器,可以实现同时制作模斑转换器与光子芯片功能区。(The invention discloses a spot size converter with a multilayer structure and a realization method thereof, and the spot size converter comprises: the waveguide comprises a substrate, a buffer layer positioned on the substrate and a composite waveguide positioned on the buffer layer; the composite waveguide comprises the following components in sequence from bottom to top: the multilayer stepped structure comprises a first refractive index layer with a multilayer stepped structure in the vertical direction and a second refractive index layer matched with the multilayer stepped structure, wherein the first refractive index layer and the second refractive index layer in the multilayer stepped structure are complementary in thickness; by adopting the spot size converter, the spot size converter and the photonic chip functional area can be manufactured simultaneously.)
技术领域
本发明属于光子芯片领域，特别涉及一种模斑转换器技术。
背景技术
光子芯片指集成了各种复杂光波导结构，如马赫-曾德尔干涉仪，定向耦合器，阵列波导光栅，微环等的芯片。这些芯片可利用绝缘体上硅(SOI)，氮化硅，薄膜铌酸锂等多种功能材料制作，并具备多种功能，如滤波、调制，分束，开关等。它们在光通信、光传感与光信息处理等领域具有重要应用，是这些领域的关键器件之一。近年来，随着来自5G、光通信主干网与接入网，以及数据中心的需求的迅速增加，光子技术得到了迅速发展。目前，基于硅光子技术的调制器已在数据中心得到了应用，基于氮化硅光子技术的光延迟与光滤波等相关的光学信息处理的光子芯片则广受关注，而基于薄膜铌酸锂光子技术的光调制与光频梳相关的光子芯片更是异军突起，成为近几年来的研究热点。
上述这些光子芯片都有一个共同的特点，那就是其中的所涉及的波导尺寸都较小，其波导的厚度与宽度通常都小于1微米，常称为微纳波导。这些微纳波导的模场与单模光纤(纤芯直径大约8微米)的模场存在较大的失配，导致这些光子芯片在与单模光纤耦合以实现光信号的输入/输出时存在较大的模场失配损耗，阻碍了芯片的实用化。为了解决这一问题，研究人员提出了两种主流的办法，其一是采用光栅耦合器，其二是采用模斑(或模尺寸)转换器。模斑转换器制作于光子芯片的输入/输出波导处，在输入端其模场与光纤模场匹配，在输出端模场则与光子芯片的微纳波导模场匹配，从而实现光纤模场到微纳波导模场的转换，增大了耦合效率。与光栅转换器相比，模斑转换器可以实现更高的耦合效率，更低的偏振相关损耗，且更简单的芯片的封装技术，是实现高效的光纤与微纳结构的光波导耦合的主要方式。当前，已有多种模斑转换器的设计与实验工作的报道，这些模斑转换器基本都是基于放置于转换器中心的水平锥形结构的波导实现。根据锥形波导相对于光纤的位置分为两大类，其一是倒锥形的模斑转换器，其二是正锥形型的模斑转换器。倒锥形模斑转换器的连接光纤的一端(输入端)宽度较窄，连接微纳芯片功能区的一端(输出端)宽度较宽，而正锥形的模斑转换器则相反，即是其输入端宽度较宽，然后逐渐变窄，直到等于微纳芯片功能区波导宽度。在原理上，为实现较高的耦合效率，倒锥形模斑转换器的输入端锥形波导宽度应尽可能窄，通常要求至少应小于200纳米，而且应放置于模斑转换器中心，然而这一波导宽度及放置位置的实现对工艺技术提出了极其高的要求，需要精度较高的二次对版、光刻这一工艺技术，这导致器件成品率较低，增加了芯片的成本。相比较而言，正锥形模斑转换器则无需制作窄至200纳米的波导，但仍对转换器锥形波导放置的对称性有较高的要求，因此工艺难度虽然有所降低，但依然需要高精度二次对版与光刻技术，同样增加了器件的成本，此外，目前报道的正锥形模斑转换器的耦合效率普遍不如倒锥形模斑转换器。
最后需要指出的是，已报道的模斑转换器大多应用于硅光子芯片，在目前新兴的薄膜铌酸锂光子芯片领域，相关的模斑转换器的研究还较少，尚未有适合批量化生产的模斑转换器研制成功，极大地阻碍了相关研究与产业的发展。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种多层结构的模斑转换器及其实现方法，将难以制作的水平方向的宽度较窄的倒锥形结构转换为较易制作的竖直方向的多层波导结构，在实现高效率耦合的同时，极大地降低了工艺制作的难度。
本发明采用的技术方案为：一种多层结构的模斑转换器，包括：基底、位于基底上的缓冲层、位于缓冲层上的复合波导；所述复合波导从下到上依次为：具有垂直方向的多层阶梯结构的第一折射率层、与该多层阶梯结构匹配的第二折射率层，所述匹配具体为在多层阶梯结构部分的第一折射率层与第二折射率层厚度互补。
所述第一折射率层的多层阶梯结构部分从该模斑转换器的输入端到输出端的厚度依次增加，第二折射率层从该模斑转换器的输入端到输出端的厚度依次减小。
所述阶梯结构的阶梯层数大于或等于3。
还包括覆盖于复合波导上方或周围的一种或两种低折射率差材料。
所述第一折射率层采用高折射率差材料。
所述高折射率差材料为硅、氮化硅、铌酸锂薄膜中的一种。
还包括直波导，所述直波导两端各连接一个模斑转换器，这两个模斑转换器相对于直波导对称。
本发明还提供一种模斑转换器的实现方法，包括：
S1、制备具有缓冲层n2层和高折射率n1层的起始材料；
S2、在起始材料的n1层两端制作对称的两个多层台阶结构；
S3、在经步骤S2处理后的n1层上制作与其结构匹配的n3层；
S4、同时制作得到模斑转换器与直波导。
本发明的有益效果：本发明的模斑转换器将难以制作的水平方向的宽度较窄的倒锥形结构转换为较易制作的竖直方向的多层波导结构，并通过优化器件宽度，从而在实现高效率耦合的同时，极大地降低了工艺制作的难度；本发明所提出的模斑转换器的制作完全兼容CMOS工艺，且无需采用高精度的二次对版光刻工艺，且模斑转换器与光子芯片功能区可同时制作，具有对设备要求低，工艺简单，工艺参数易于控制的优点；本发明实现了在确保较高的耦合效率的前提下，降低了对模斑转换器制作设备与制作工艺的要求，采用本发明的模斑转换器制作光子芯片，可以实现同时制作模斑转换器与芯片功能区；从而降低了器件的制作成本。
附图说明
图1为本发明中多层模斑转换器的基本结构图；
图2为本发明中图1所示的模斑转换器的光传输模拟结果；
图3为本发明中以芯片功能区为一直波导为例，两个多层模斑转换器与直波导连接结构图；
图4为本发明中一种n1层在输入端展宽的多层模斑转换器结构图；
图5为本发明中一种n1层采用脊形波导的多层模斑转换器结构图；
图6为本发明中一种n3层完全覆盖了n1层的多层模斑转换器结构图；
图7为本发明中一种低折射率的n4层(折射率为n4)进一步覆盖了图1所示结构的多层模斑转换器结构图；
图8为本发明中图3所示的采用两个多层模斑转换器连接一直波导的光子芯片制作流程图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示，本发明的模斑转换器包括：低折射率n3层(假设折射率n3＝1.4446，简称n3层,n3<n1)与高折射率n1层(假设折射率为n1＝2.1381，简称n1层)形成的多层(此例为5层)阶梯状复合波导，以及作为缓冲层的低射率n2层(假设折射率为n2＝1.4446，简称n2层，n2<n1，n2可以小于n3，也可以等于n3)。通过优化设计模斑转换器输入端(连接光纤)波导结构参数，使其模场与光纤模场尽可能匹配，从而实现来自光纤的光信号高效率地耦合进入该输入端；之后光信号沿模斑转换器向输出端传输，传输过程将经历由n3层与n1层形成的5层阶梯状复合波导，由于该5层阶梯状复合波导中n3层厚度阶梯状减小，而n1层的厚度阶梯中增加，因此光波模场在传输过程中将自n3层分布为主向n1层分布为主演变，为了实现低损耗演变，这里每一级阶梯的厚度变化需根据n1层厚度及n1与n3的差异进行优化设计，以确保阶梯与阶梯之间光波耦合效率满足应用需求，例如不小于99％；在输出端由于n1层波导与芯片功能区n1层波导完全相同，因此模场完全匹配，从而可将光信号高效率地耦合到芯片功能区。一个例子是针对以上n1，n2，n3的折射率，对于n1层厚度为500nm，模斑转换器宽度固定为3.5微米的情形，阶梯可设置为5层，每一层阶梯之间相差100nm，n3层厚度为3.5微米。
如图2所示为，本实施例模拟的光传输通过图1所示的多层波导模斑转换器的情形，具体指光沿图1所示模斑转换器输入端到输出端传输的光波强度分布，横坐标是传输距离，坐标原点0于横坐标而言是传输起点，于纵坐标而言是n2与n3层分界面，这样纵坐标就对应到模斑转换器不同的高度。其中3.5微米处的横线代表n3层的边界。模拟时所用的参数即是上述实施例参数。
图3是利用两个如图1所示的模斑转换器连接一直波导的情形，这里直波导可看作是光子芯片的功能区，这一示例旨在展示所提出的光波导模斑转换器的n1层波导与光子芯片的功能区的波导的制作材料相同，两个波导可以有相同的宽度，从而实现低损耗的模斑转换器到光子芯片的光耦合。
需要说明的是，除采用上述图1的结构外，本发明所提出的多层结构模斑转换器还可以采用图4，图5，图6，或图7等所示的结构实现，而且可能的结构还不限于以上例举，但它们都有共同的特点，即是模斑转换器的核心是低折射率材料与高折射率材料形成的阶梯状多层(大于或等于3层)波导结构。
在图4所示的结构中，n1层在输入端具有展宽的波导结构。
在图5所示的结构中，n1层具有脊形波导结构。
在图6所示的结构中，n3层完全覆盖了n1层波导。
在图7所示结构中，低折射率的n4层(本发明中记n4层折射率为n4)进一步覆盖了图1所示结构。图7所示覆盖于复合波导上方或周围的低折射率的n4层，具体为一种或两种低折射率差材料，n4层的折射率应该小于n3的折射率，这样n4层将作为n3的包层，从而将光限制在n3层。
本实施例中的高折射率差材料可以是但不限于硅、氮化硅、铌酸锂薄膜。
多层阶梯结构的光波导的层数大于3层，层厚度可以不同但具有阶梯状特征。
本实施例中的低折射率差材料可以是但不限于二氧化硅，氮氧化硅，及各种聚合物等；这些低折射率差材料可以完全覆盖阶梯状高折射率差材料制作的阶梯状波导，也可以只覆盖该阶梯状波导上方；由低折射率差材料和高折射率差材料形成的复合阶梯结构也可以被另一种折射率更低的材料覆盖或不被覆盖；
如图8所示为本发明中图3所示的为包含一直波导(此例中直波导作为光子芯片功能区)和两个多层模斑转换器的制作流程图，具体包括：
(1)具有缓冲层的低射率n2层和高折射率n1层的起始材料；
(2)在起始材料n1层上制作(刻蚀)多层台阶；
(3)制作与n1层的多层台阶结构匹配的n3层；
(4)同时制作模斑转换器与直波导。
综上，本发明构造了一种新型的模斑转换器，该发明在确保较高的耦合效率的前提下，降低了对模斑转换器制作设备与制作工艺的要求，从而降低了器件的制作成本。因此本发明具有很好的实际应用价值。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
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