一种具有大制作容差的超短垂直波导耦合器

摘要

本发明公开了一种具有大制作容差的超短垂直波导耦合器。该耦合器垂直方向上由上波导、间隔层和下波导构成。在传播方向上，垂直耦合器分为输入区域、耦合区域以及输出区域。在耦合区域，上波导的宽度逐渐变小，分成前段、中段和后段；前段和后段为上波导宽度快速收缩段，中段为模式转移段。本发明通过减小上下波导之间的间隔层的厚度来增大耦合系数，从而缩短耦合器的长度；在耦合区域的中段，设置合适的上波导宽度递减速率以及合适的长度，使上波导的宽度因为实际制作精度的局限产生偏差时，上波导的模式仍然能向下波导高效转移，从而实现大的制作容差。

权利要求

1.一种具有大制作容差的超短垂直波导耦合器，其特征在于，所述超短垂直波导耦合器从上到下的垂直截面上，分别为上波导、间隔层和下波导；

在传播方向上，所述超短垂直耦合器分为输入区域、耦合区域及输出区域；在所述输入区域，上波导的模式传播常数β1大于下波导的模式传播常数β2，上下波导的模式传播常数差的一半、即δβ，δβ大于两波导间的耦合系数κ，即δβ＞κ，δβ＝(β1-β2)/2，上波导模式不受下波导存在的影响；在所述耦合区域，随着所述上波导的宽度逐渐变小，分成顺序衔接的三段：前段、中段和后段；前段和后段为上波导宽度快速收缩段，中段为模式转移段；

通过减小上下波导之间的间隔层的厚度增加两波导间的耦合系数κ，从而减小耦合长度，耦合系数增加的上限为输入区上下波导间能实现的最大传播常数差的一半δβ；

在耦合区域的中段，上波导宽度逐步减小，上波导的宽度逐步减小满足以下公式：β1(A)＝β2+Δβ

β1(B)＝β2-Δβ

上式中，β1(A)为耦合区域中段的上波导的起始宽度所对应的模式传播常数，β1(B)为上波导的末端宽度所对应的模式传播常数，Δβ为上波导的最大制作容差所带来的上波导模式传播常数的偏移量；耦合区域的中段的长度为Lc的1.5～4倍，Lc定义为直波导耦合长度，Lc＝π/(2κ)。

2.根据权利要求1所述的具有大制作容差的超短垂直波导耦合器，其特征在于，在耦合区域的前段，上波导的宽度快速减小，其末端宽度与耦合区域中段的起始宽度相同。

3.根据权利要求1或2所述的具有大制作容差的超短垂直波导耦合器，其特征在于，在耦合区域的后段，上波导宽度快速减小，后段的起始宽度与中段的末端宽度相同，后段的末端宽度为制作允许的最小宽度，后段的末端为终止端，终止端面上镀有抗反射膜，以减小反射。

4.根据权利要求1所述的具有大制作容差的超短垂直波导耦合器，其特征在于，在耦合区域的中段，上波导模式通过共振转移的方式快速向下波导转移。

5.根据权利要求1所述的具有大制作容差的超短垂直波导耦合器，其特征在于，在耦合区域的中段，当上波导宽度因为制作精度的局限出现偏差时，上波导模式仍然能在中段的不同位置高效向下波导转移。

6.根据权利要求1所述的具有大制作容差的超短垂直波导耦合器，其特征在于，在输出区域只有下波导。

说明书

一种具有大制作容差的超短垂直波导耦合器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光学元器件，尤其涉及一种垂直波导耦合器。

背景技术

[0002] 随着光通信系统向更高速率更新换代，越来越多的光学器件集成到集成光路(photonic integrated circuits，PIC)上实现各种不同功能的单片集成。为了使光通信器件向尺寸更小、功耗更低、稳定性更可靠的方向发展，有源和无源器件的集成将是必不可少的。目前，光子集成技术主要有：Butt-joint再生长技术、偏置量子阱技术、量子阱混杂技术等。这些集成技术相对复杂的制作工艺导致其制作成本比较高、成品率低，另外，由于有源和无源器件结构不能分别设计，这样就局限了集成器件的性能。Suematsu等人提出的双波导垂直耦合技术，主要利用上波导由上至下向下波导垂直耦合来实现有源和无源器件的集成(Y.Suematsu,M.Yamada,and K.Kayashi.Integrated twin-guide AlGaAs laser with multiheterosctructure[J].IEEE J.Quantum Electron.,1975,11(7):457-460.)。该技术中，可以由下至上生长不同波导层，避免了复杂的再生长工艺，极大的简化了制作工艺，同时由于上下波导可相对独立设计，因此具有更大的灵活性。

[0003] 垂直耦合技术具有制作工艺简单的优点，可以很好地适用于集成光路中器件的集成。根据超模耦合理论，目前实现垂直耦合的方案主要有共振耦合器(resonant couplers)(XiankaiSun,Hsi-Chun Liu,and AmnonYariv,Adiabaticity criterion and the shortest adiabaticmode transformer in a coupled-waveguide system,Opt.Lett.,
2009,34(3):280–282.)和绝热耦合器(adiabatic couplers)。在共振耦合器中，能量平均分布在对称模和反对称模中，利用这两个本征模式的相互干涉来实现上下波导耦合
(M.Galarza,K.De Mesel,R.Baets,A.Martinez,C.Aramburu,and M.Lopez-Amo,Compact spot-size converters with fiber-matched antiresonant reflecting optical 
waveguide,Appl.Opt.,2003,42:4841-4846.)。在起始段，功率集中在上波导。在沿着波导的纵向传播方向上，两个模式相互干涉，当两个模式相位差为π时，模式在上波导中相干相消，在下波导中相干加强，功率集中在下波导；而当两个模式相位差为2π时，模式在下波导中相干相消，在上波导中相干加强，功率又回到上波导。这样在传播方向上，光功率呈现周期性行为，在半个周期由上波导耦合到下波导，在一个周期再由下波导耦合回上波导。共振耦合器的耦合长度取决于上下波导之间的耦合系数，耦合系数越大，耦合长度越短
(A.Wieczorek,B.Roycroft,F.H.Peters,and B.Corbett,Loss analysis and increasing of the fabrication tolerance of resonant coupling by tapering the mode 
beating section,Opt.Quantum Electron.,2011,42(8):521–529.)。共振耦合器中，由于模式的干涉导致的周期性的耦合使得耦合效率强烈依赖于耦合器的长度和结构，实际制作中由于制作精度以及工艺偏差导致的上波导宽度的改变对耦合效率的影响很大，这样共振耦合器的制作容差通常很小。对于绝热耦合器，能量主要集中在对称模中，随着下波导的光限制因子变大，光功率慢慢由上波导耦合到下波导(F.Xia,V.M.Menon,and S.R.Forrest,Photonic integration using asymmetric twin-waveguide(ATG)technology:part 
Iconcepts and theory[J].IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.,2005,11(1)：17–29.)。
由于绝热耦合器的上波导的宽度变化很平缓，这就降低了耦合效率对耦合器长度的依赖性，其制作容差相对较大。但是绝热耦合器通常需要足够长(～200μm)的耦合区来保证上波导模式最终耦合到下波导中，减少模式转变为其他高阶模式所引入的损耗。这种耦合器不仅减少了集成器件的密度，而且会增加耦合器的插入损耗，很大程度上限制了其实际应用。
总之，目前的垂直耦合器存在制作容差小或者长度过长的问题，导致集成器件的成品率低、制作成本高，使得其无法得到大范围的应用。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是提出一种新的具有大制作容差的超短垂直耦合器，用于减小光集成器件的尺寸，提高光集成器件的制作容差，进而提高光集成器件的成品率。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提出了一种新的具有大制作容差的超短垂直波导耦合器，所述超短垂直波导耦合器的垂直截面上，从上到下分别为上波导、间隔层和下波导。

[0006] 在传播方向上，所述超短垂直耦合器分为输入区域、耦合区域及输出区域；在所述输入区域，上波导的模式传播常数β1大于下波导的模式传播常数β2，上下波导的模式传播常数差的一半、即δβ，δβ大于两波导间的耦合系数κ，即δβ＞κ，δβ＝(β1-β2)/2，上波导模式不受下波导存在的影响；在所述耦合区域，随着所述上波导的宽度逐渐变小，分成顺序衔接的三段：前段、中段和后段；前段和后段为上波导宽度快速收缩段，中段为模式转移段；

[0007] 通过减小上下波导之间的间隔层的厚度增加两波导间的耦合系数κ，从而减小耦合长度，耦合系数增加的上限为输入区上下波导间能实现的最大传播常数差的一半δβ。

[0008] 进一步的，在耦合区域的中段，上波导宽度逐步减小，使上波导模式传播常数从略大于下波导减小至略小于下波导的模式传播常数；上波导的宽度逐步减小满足以下公式：

[0009] β1(A)＝β2+Δβ

[0010] β1(β)＝β2-Δβ

[0011] 上式中，β1(A)为耦合区域中段的上波导起始宽度所对应的模式传播常数，β1(B)为上波导的末端宽度所对应的模式传播常数，Δβ为上波导的最大制作容差所带来的上波导模式传播常数的偏移量；耦合区域的中段即模式转移段的长度为Lc的1.5～4倍，Lc定义为直波导耦合长度。

[0012] 优选的，在耦合区域的前段，上波导的宽度快速减小，其末端宽度与耦合区域中段的起始宽度相同。耦合区域前段的上波导的宽度快速减小，可减短耦合器的长度。

[0013] 同样优选的，在耦合区域的后段，上波导宽度快速减小，后段的起始宽度与中段的末端宽度相同，后段的末端宽度为制作允许的最小宽度，后段的末端为终止端，终止端面上镀有抗反射膜，以减小反射。同样，耦合区域后段的上波导的宽度快速减小，可减短耦合器的长度。

[0014] 在耦合区域的中段，上波导模式通过共振转移的方式快速向下波导转移。

[0015] 在耦合区域的中段，当上波导宽度因为制作精度的局限出现偏差时，上波导模式仍然能在中段的不同位置高效向下波导转移。

[0016] 在输出区域只有下波导。

[0017] 本发明通过减小上下波导之间的间隔层的厚度来增大耦合系数，从而缩短耦合器的长度；同时在耦合区域的中段通过采用合适的宽度递减速率以及合适的长度，实现如下效果：即当耦合区域中段的上波导宽度在一定范围内变化时，上波导的模式能在中段不同位置高效向下波导转移，这样当波导的宽度因为实际制作精度的局限产生偏差时，上波导的模式仍然能向下波导高效转移，从而实现大的制作容差。

附图说明

[0018] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

[0019] 图1为本发明的具有大制作容差的超短垂直波导耦合器的结构示意图。

[0020] 图2为本发明实例的横截面折射率分布示意图。

[0021] 图3为模式转移段7的上波导采用直波导的俯视结构图。

[0022] 图4为模式转移段7的上波导采用直波导时的上下两个波导功率转换仿真示意图。

[0023] 图5为模式转移段7的上波导采用不同斜率的宽度递减波导时，下波导的耦合效率随传播距离L的变化曲线图。

[0024] 图6为模式转移段7的上波导采用一定斜率的宽度递减波导时本发明耦合器的俯视结构图。

[0025] 图7为模式转移段7的上波导采用直波导和本发明(一定斜率的宽度递减波导)时本发明耦合器的耦合效率随上波导宽度变化的容差示意图。

[0026] 图8为本发明实例的一个耦合效率极值时的仿真结果示意图，此时模式转移段7的上波导宽度变化为Δw1。

[0027] 图9为本发明实例的另一个耦合效率极值时的仿真结果示意图，此时模式转移段7的上波导宽度变化为Δw2。

具体实施方式

[0028] 如图1所示，本发明的具有大制作容差超短垂直波导耦合器的光波导结构侧视图，横向从上到下依次由覆盖层1、上波导层2、间隔层3，下波导层4和衬底5构成，所述间隔层3作为上波导层2与下波导层4之间的一层低折射率层，上下波导构成垂直方向的耦合器使光从上波导层逐渐耦合到下波导层。在传播方向上，分为输入区域9，耦合区域(6、7、8)，输出区域10。

[0029] 在输入区域，上波导的模式传播常数β1大于下波导的模式传播常数β2，上下波导的模式传播常数差的一半δβ＝(R1-β2)/2大于两波导间的耦合系数κ，即δβ＞κ，上波导模式不受下波导存在的影响；在耦合区域，随着上波导宽度逐渐变小，可以分成三个区域，分别是，前段快速收缩段6：快速减小上波导的宽度，减小模式传播常数，使其接近下波导的模式传播常数；中段模式转移段7：使上波导宽度逐渐减小，上波导模式传播常数从略大于下波导减小至略小于下波导的模式传播常数，上波导模式通过共振转移的方式向下波导快速转移；后段快速收缩段8：再次快速减小上波导的宽度至上波导模式截止，抑制下波导中的光耦合回上波导。输出区域只有下波导。通过减小上下波导之间的间隔层的厚度增加两波导间的耦合系数κ，从而减小耦合长度，耦合系数增加的上限为输入区上下波导间能实现的最大传播常数差的一半δβ。

[0030] 上波导中段7的宽度逐步减小满足以下公式：

[0031] β1(A)＝β2+Δβ

[0032] β1(B)＝β2-Δβ

[0033] 上式中，β1(A)为耦合区域中段的上波导起始宽度所对应的模式传播常数，β1(B)为上波导的末端宽度所对应的模式传播常数，Δβ为上波导的最大制作容差所带来的上波导模式传播常数的偏移量；耦合区域的中段即模式转移段的长度为Lc的1.5～4倍，Lc定义为直波导耦合长度。

[0034] 本实施例中的具有大制作容差超短垂直波导耦合器，其工作波长为1.30μm，不同波导层的折射率以及结构参数由下表给出。

[0035] 表1垂直耦合器各波导层的折射率以及结构参数

[0036]对应波导层 折射率 厚度
覆盖层1 3.2044 2μm
上波导层2 3.3448 0.498μm
间隔层3 3.2044 d
下波导层4 3.3048 0.4μm
衬底层5 3.2044 2μm

[0037] 图2所示为本发明实例的横截面的折射率分布图。对于上波导宽度不变(即直波导)的垂直耦合器，其俯视结构图如图3所示。由耦合波理论，在传播方向上，上下波导归一化的功率分布为：

[0038]

[0039]

[0040] 其中2θ＝arctan(κ/δβ)，κ为耦合系数，δβ为传播过程中上下波导模式传播常数β1、β2的差的一半(β1-β2)/2。可见，δβ越小，上下波导功率转移效率越高；如果要求功率转移到下波导模式中的效率大于90％，则有：δβ/κ＜1/3，即上下波导的传播常数差的一半必须满足δβ＜κ/3。当δβ＝0，即相位完全匹配时，上下波导实现功率的完全转移，此时上波导的宽度，即匹配宽度wm，如图中所示，耦合长度Lc为：

[0041]

[0042] 可见耦合长度取决于上下两波导之间的耦合系数，耦合系数越大，耦合长度越短。而耦合系数取决于上下两个波导模式的重叠程度，间隔层越薄，两波导模式的重叠越大，耦合系数也越大。因此，要想获得小的耦合长度，两波导之间的间隔层就需要薄。这里为了增大耦合系数减小垂直耦合器的长度，上下波导之间的间隔层厚度d取为0.3μm。图4为上波导为匹配宽度时，上下两个波导功率转换的仿真结果示意图。可以看到，在传播方向上光功率呈现周期性来回耦合行为。

[0043] 考虑到实际制作的过程中，由于制作精度和工艺重复性的影响，上波导宽度往往偏离理想的匹配宽度，所以模式转移段通常采用宽度递减的波导结构。图5所示为模式转移段7中上波导功率向下波导耦合的效率随传播长度的变化关系，图中给出了上波导为不同斜率宽度递减波导以及直波导情况下的耦合效率曲线。可以看出，采用宽度递减的上波导结构可以破坏直波导情况下功率的周期性来回耦合，使回向耦合的峰值变小，从而使耦合器对结构的变化敏感度降低；在一定斜率下，可以实现回向耦合的完全抑制，并且，在一定斜率下上波导宽度在相对大的范围内变化时都能达到匹配宽度wm，使多个功率高效转移点包含在内，从而增大了制作容差；当斜率增大时，通常需更长的耦合长度来增大了耦合器的容差，这样也会增加耦合器的传输损耗。因此，在增大耦合器的容差的同时还要考虑相对较短的耦合器长度，以便提高集成度以及减小传输损耗。

[0044] 图6所示为模式转移段7采用一定斜率的宽度递减的上波导时本发明耦合器的俯视结构图。图中包含了耦合器的前后段两段上波导宽度的快速收缩段。这里，耦合器中段即模式匹配段的长度为直波导耦合长度Lc的2～4倍。这样在模式转移段上波导的宽度同向增大或减小时，均有波导宽度能达到匹配宽度wm。具体地，在宽度变化Δw1、Δw2情况下，模式匹配宽度wm能在前后两个位置存在，对应光功率均达到最佳耦合条件，使耦合极值可以发生在这两个不同宽度情况下，这样增大了模式转移段上波导宽度的容差。在现有光刻精度条件下，这种具有大制作容差的垂直波导耦合器会显著提高集成器件的成品率。

[0045] 为验证本发明的制作容差性，采用BeamPROP软件对本发明的超短垂直波导耦合器的进行了模拟仿真，模拟中耦合器的前段和后段两个上波导宽度快速收缩段的长度分别设定为6μm和5μm。通过分析模式转移段7的上波导采用直波导和渐变波导结构情况下的耦合效率发现：对于图3所示的直波导结构，在传播方向上表现出功率的上下耦合周期性的行为，计算的耦合长度约为20μm，仿真的耦合效率随上波导宽度变化如图7虚线所示，可以看出耦合效率曲线只有一个极大值，其90％耦合效率时上波导宽度容差大约为-0.06μm＜Δw＜0.075μm；对于图4所示的渐变波导结构，当中段模式转移段长度约40μm时，仿真的耦合效率随上波导宽度变化如图7实线所示，不同于直波导，渐变波导的耦合效率出现两个极大值，其90％耦合效率时上波导宽度容差大约为-0.2μm＜Δw＜0.19μm，是直波导下容差的3倍左右。

[0046] 图8和图9所示为耦合器在模式转移段的上波导宽度变化分别为Δw1和Δw2时对应的两个极值耦合效率的仿真结果图，其中，左图代表垂直耦合器内部光场分布沿传播方向的变化，右图则为归一化光功率的变化图。右图中，黑色和灰色曲线分别代表上波导功率和下波导功率随着传播长度变化。从图8中可以看出在z＝30μm左右的位置，下波导功率显著上升，光功率发生快速转移。在垂直耦合器的末端，下波导功率达到最大，耦合效率约为97％。同理，图9中光功率耦合主要发生在z＝42μm左右的位置，耦合效率约为96％，与图8最大耦合位置一前一后相对应。。

[0047] 最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。