[发明专利]基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器及其应用

说明书

本发明涉及基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器及其应用，垂直耦合器包括绝热拉锥波导，绝热拉锥波导上设置有亚波长光栅；绝热拉锥波导的宽度从始端到末端均匀减少，绝热拉锥波导的两个侧边对称设置有亚波长光栅，亚波长光栅中光栅的长度由绝热拉锥波导的始端到末端均匀增大；绝热拉锥波导的长度为12.4‑58.9μm。本发明结合了亚波长光栅的特性，优化了绝热拉锥波导的耦合效果，使得耦合器的尺寸大大减少，并依然能保持97％以上的耦合率和100nm的带宽。

技术领域

本发明涉及基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器及其应用，属于垂直耦合器技术领域。

背景技术

硅晶绝缘体(Silicon-on-insulator，SOI)由于折射率差大，制备工艺与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺兼容一直广受学术界及工业届的青睐，被广泛应用于高密度光电集成线路。为了满足日益增长的数据吞吐量及集成密度的需求，实现可扩展的、具有高成本效益的Si基光电集成线路，三维(Three-dimensional,3D)集成逐渐引起科学家的广泛关注。

垂直光耦合器作为3D集成的关键器件，实现了多层平板光集成线路(Photonicintegrated circuits，PICs)之间的互连。垂直光耦合器的实现方式主要有绝热拉锥波导，垂直聚合物光波导及悬臂耦合器。其中，绝热拉锥波导由于耦合率高，制备简单而展现出了广阔的应用前景。但是，为了降低耦合损耗，波导必须满足绝热拉锥条件，因此器件尺寸较大。

以应用于硅基(Si)-铌酸锂(LiNO₃，LN)混合集成光调制器中的垂直耦合器为例，铌酸锂晶体波导位于硅波导的上方，硅波导中的能量通过绝热拉锥结构时耦合进入上方铌酸锂波导中，为了实现大于97％的耦合率，硅波导的拉锥长度高达150μm，如此大的尺寸不利于提高集成度。如果直接缩小拉锥波导的长度，耦合效率下降明显，将不符合器件对耦合效率的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器及其应用，该垂直耦合器的尺寸大大减少，并能保持97％以上的耦合率，且对工艺制造误差有较大的误差容限。

术语说明：

亚波长光栅：subwavelength grating，SWG，光栅周期小于入射波长，对入射光只存在零级反射和衍射。

本发明的技术方案为：

基于亚波长光栅的异质集成垂直耦合器，所述垂直耦合器包括绝热拉锥波导，所述绝热拉锥波导上设置有亚波长光栅；所述绝热拉锥波导的宽度从始端到末端逐渐减少，所述绝热拉锥波导的两个侧边对称设置有亚波长光栅，所述亚波长光栅的长度由绝热拉锥波导的始端到末端逐渐增大；所述绝热拉锥波导的长度为12.4-58.9μm；

光在从绝热拉锥波导的始端进入垂直耦合器，并在垂直耦合器中继续传输；由于亚波长光栅等效为一个均匀材料波导，入射到亚波长光栅上的光，入射光电场极化方向平行于光栅周期界面方向，随绝热拉锥波导宽度减少，垂直耦合器的有效折射率逐渐减小，导致光由始端到末端进行传输并逐渐向上耦合到上层波导中，然后在上层波导中继续进行传输。

绝热拉锥波导层上设置亚波长光栅结构，根据等效介质理论，亚波长光栅等效为一个均匀材料波导，亚波长光栅的等效折射率介于绝热拉锥波导和上层波导之间，降低了耦合器与待传输波导的折射率差，因而能缩小绝热拉锥波导的长度。

根据本发明优选的，亚波长光栅的周期T为220-320nm，亚波长光栅的占空比为0.32-0.45；优选的，亚波长光栅的周期T为300nm，占空比为0.33。占空比即为亚波长光栅中相邻狭缝之间的光栅块的长度a与光栅周期T的比值。