CN102790253A - 定向耦合器 - Google Patents

Abstract

一种定向耦合器，利用二维长方晶格柱状光子晶体的自准直效应实现，属于半导体光学技术领域。该定向耦合器通过在相邻两排硅柱的长边中间引入一定数量、相同尺寸的耦合柱体，这样，在一排柱体中传播的自准直光束被引入的中间柱体耦合到另一排柱体中继续自准直传播，通过控制中间柱体的数量可以控制两排柱体中自准直光束传输功率的比例，从而实现相邻两排硅柱间的光耦合。相对于传统定向耦合器，本发明提供的光子晶体定向耦合器能够将器件耦合长度控制在10μm以内甚至更短，这使总体器件的长度极大缩短，结构更为紧凑。同时，通过控制中间柱体的数量可以控制两排柱体中自准直光束传输功率的比例，能够灵活控制耦合效率。

Description

定向耦合器

技术领域

本发明涉及一种应用于光通讯、光计算、光传感和光学测量等领域的定向耦合器，特别涉及一种基于SOI衬底的光子晶体定向耦合器结构，属于半导体光学技术领域。

背景技术

传统的定向耦合器通常采用两根并行的光波导进行横向耦合，如图1所示。

根据光波耦合理论，波导之间的耦合需满足耦合波方程：

$\frac{{\mathrm{da}}_1\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=-\mathrm{i\β}{a}_1\left(z\right)+{\mathrm{ia}}_2\left(z\right)K_{21}$

$\frac{{\mathrm{da}}_2\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=-\mathrm{i\β}{a}_2\left(z\right)+i{a}_1\left(z\right)K_{12}$

其中，K₂₁和K₁₂是耦合系数，a(z)是耦合波。对于多模耦合的情况，各个模式之间都有耦合，耦合系数相应增多，方程式的数目也相应增多。

根据耦合波方程，可以得到两个波导中传输的功率表达式：

P₁＝|a₁(0)|²cos²δz

$P_2={\left|a_2\left(0\right)\right|}^2\left(\frac{K_{12}}{K_{21}}\right){\sin }^2\mathrm{\δz}$

由以上两式可以看出，波导中传播的功率随传输距离而变化，所以，两波导之间的耦合状况与耦合长度密切相关，在实际应用中，为实现较高的耦合效率，通常需要较长的耦合长度，使得整体器件尺寸较大，同时，随着耦合长度的增加，两平行光波导之间的尺寸误差及由于半导体制造工艺引入的界面粗糙带来的传输损耗，都对定向耦合器的耦合效率产生了不利影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种定向耦合器结构，使耦合器的尺寸大大缩小，并能够灵活控制耦合效率。

为解决上述技术问题，本发明提供的定向耦合器基于SOI衬底的二维长方晶格柱状光子晶体结构实现，该定向耦合器包括：输入波导，输出波导，耦合柱体。其中，柱状光子晶体结构长方晶格排列的长边长度b至少为柱状光子晶体中硅柱半径r的4倍，输入波导和输出波导为长方晶格柱状光子晶体中相邻的两排硅柱，且输入、输出方向均沿长方晶格短边方向；耦合柱体位于所述相邻两排硅柱中间，其在沿长方晶格长边方向与相邻的两排硅柱的柱体对齐，且与相邻两排硅柱的距离相等。

进一步的，耦合柱体的半径和高度与柱状光子晶体结构中硅柱的半径和高度分别相等，二者的高度均为SOI衬底顶层硅的厚度。

进一步的，柱状光子晶体结构长方晶格排列的长边长度b、短边长度a的比值β范围为：2≤β≤2.5。

进一步的，耦合柱体和柱状光子晶体结构硅柱的半径r的范围为：0.3a≤r≤0.5a。

进一步的，耦合柱体和柱状光子晶体结构硅柱的高度h的范围为：1.5a≤h≤3a。

更优的，耦合柱体的半径r为0.39a，高度h为2a，柱状光子晶体结构长方晶格排列的短边长度a为400nm，长边长度b、短边长度a的比值β为2.4。

进一步的，耦合柱体的数量至少为2个，更优的，耦合柱体的数量至少为16个。

进一步的，耦合柱体及柱状光子晶体结构的硅柱通过电子束曝光、电感耦合等离子体工艺刻蚀或FIB刻蚀同步形成。

本发明的技术效果是，利用二维长方晶格柱状光子晶体的自准直效应，通过在相邻两排硅柱的长边中间引入一定数量、相同尺寸的耦合柱体，这样，在一排柱体中传播的自准直光束被引入的中间柱体耦合到另一排柱体中继续自准直传播，通过控制中间柱体的数量可以控制两排柱体中自准直光束传输功率的比例，从而实现相邻两排硅柱间的光耦合。相对于传统定向耦合器，本发明提供的光子晶体定向耦合器能够将器件耦合长度控制在10μm以内甚至更短，这使总体器件的长度极大缩短，结构更为紧凑。同时，通过控制中间柱体的数量可以控制两排柱体中自准直光束传输功率的比例，能够灵活控制耦合效率，此外，本发明提供的基于光子晶体结构的定向耦合器基于SOI衬底，与目前成熟的CMOS工艺兼容，制备工艺简单成熟、成本低廉。

附图说明

图1为传统定向耦合器结构示意图；

图2为二维长方晶格柱状平板光子晶体不同β取值的能带面；

图3为二维长方晶格柱状平板光子晶体TE模式第二能带等频图；

图4为本发明提供的定向耦合器结构示意图；

图5a-5e为不同耦合柱体数量下，本发明提供的定向耦合器耦合传播情况FDTD模拟示意图；

图6为发明提供的定向耦合器侧面示意图。

元件符号标注

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

一般来说，通过在光子晶体内部引入缺陷作为通道可以引导光束的传输。但是，光子晶体还具有一个独特的性质——自准直效应。基于这一效应，在光子晶体内部不需要引入任何缺陷，光束自身就可以克服衍射发散准直向前传输。这一特性源于光子晶体的色散关系，并且，自准直光束除了能够自动准直传输以外，还具有零交叉效应，角度不敏感效应，对光子晶体结构精度不敏感等效应。

图2为二维长方晶格柱状平板光子晶体不同β取值的能带面。

与正方晶格周期结构相比，长方晶格由于对称性降低而具有更多的结构参数，这为设计和调节布里渊区能带结构提供了更多途径。为了获得对入射角度不敏感的自准直效应，需要得到尽可能平坦的等频率线。研究表明，β(β是长方晶格长边与短边的比值)对能带面结构有很大影响。如图2所示，固定柱体半径为0.15a时，β取不同数值时(其余参数不变)，对称结构光子晶体的能带面。很明显，当β＝1时，能带面是正方晶格时的情况；随着β增大，能带面在倒格子短边方向(对应实空间晶格长边方向)被压缩，同时倒格子两端中间位置的能带面隆起，两侧中间位置的能带面凹陷；进一步增大β，倒格子两端的能带面逐渐变得平坦。当β在2到2.5之间时，倒格子两端的能带面具有非常平坦的部分，即在这种情况下具有非常平坦的等频率线。

图3为是β＝2，r＝0.4a，h＝2.05a时，在TM模式下非对称结构光子晶体第二能带的等频图。如图3所示，归一化频率为0.29c/a的等频率线非常平坦。在此情况下，即使入射角为90°，光束仍会沿着长方晶格短边方向自准直传播。

基于此，如图4所示，本具体实施方式提供的定向耦合器结构包括：输入波导110，输出波导120，耦合柱体201。其中，柱状光子晶体结构长方晶格排列的长边长度b(指硅柱圆心之间的距离)至少为柱状光子晶体中硅柱半径r的4倍，输入波导110和输出波导120为长方晶格柱状光子晶体中相邻的两排硅柱，且输入、输出方向均沿长方晶格短边方向；耦合柱体201位于所述相邻两排硅柱中间，其在沿长方晶格长边方向与相邻的两排硅柱(即输入、输出波导)的柱体对齐，且至相邻两排硅柱的距离相等。

本具体实施方式中，耦合柱体201的半径r和高度h与柱状光子晶体结构中硅柱的半径和高度分别相等，二者的高度h均为SOI衬底顶层硅的厚度；柱状光子晶体结构长方晶格排列的长边长度b、短边长度a(硅柱圆心之间的距离)的比值β范围为：2≤β≤2.5；耦合柱体201和柱状光子晶体结构硅柱的半径r的范围为：0.3a≤r≤0.5a；耦合柱体201和柱状光子晶体结构硅柱的高度h的范围为：1.5a≤h≤3a。如图6所示，所述SOI衬底包括衬底硅层101、位于衬底硅层101上的二氧化硅埋层102以及位于该二氧化硅埋层102上的顶层硅103。

作为最佳实施方式，耦合柱体201的半径r为0.39a，高度h为2a，柱状光子晶体结构长方晶格排列的短边长度a为400nm，长边长度b、短边长度a的比值β为2.4。

可选的，耦合柱体201的数量至少为2个，作为最佳实施方式，耦合柱体201的数量为16个。

图5a至图5e为采用3D-FDTD方法对引入不同数量的中间柱体时，自准直光束传播情况的数值模拟。数值模拟时采用的结构参数为：β＝2.4，r＝0.39a，h＝2a，a＝400nm，传播光束为TM模式，波长为1500nm。

表1 不同数量中间柱体情况下，自准直光束耦合/穿透功率比

表1列出了不同数量的中间柱体情况下，自准直光束耦合/穿透功率比。数值实验的结果表明，采用这种结构可以实现自准直光束的定向耦合；通过控制中间柱体的数量可以很好的控制自准直光束的耦合/穿透功率比。

本具体实施方式中，耦合柱体及柱状光子晶体结构的硅柱通过电子束曝光、电感耦合等离子体工艺刻蚀或FIB刻蚀同步形成。

本具体实施方式提供的定向耦合器结构利用二维长方晶格柱状光子晶体的自准直效应实现，通过在相邻两排硅柱的长边中间引入一定数量、相同尺寸的耦合柱体，这样，在一排柱体中传播的自准直光束被引入的中间柱体耦合到另一排柱体中继续自准直传播，通过控制中间柱体的数量可以控制两排柱体中自准直光束传输功率的比例，从而实现相邻两排硅柱间的光耦合。相对于传统定向耦合器，本发明提供的光子晶体定向耦合器能够将器件耦合长度控制在10μm以内甚至更短，这使总体器件的长度极大缩短，结构更为紧凑。同时，通过控制中间柱体的数量可以控制两排柱体中自准直光束传输功率的比例，能够灵活控制耦合效率，此外，本发明提供的基于光子晶体结构的定向耦合器基于SOI衬底，与目前成熟的CMOS工艺兼容，制备工艺简单成熟、成本低廉。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种定向耦合器，其特征在于：其包括在SOI衬底的顶层硅上刻蚀形成，并由硅柱组成的呈长方晶格排列的柱状光子晶体结构，相邻的两排硅柱(110、120)之间设有耦合柱体(201)；所述耦合柱体与所述相邻的两排硅柱的柱体对齐，且其至所述相邻两排硅柱的距离相等；所述呈长方晶格排列的长边的长度b至少为柱状光子晶体结构中硅柱半径r的四倍，所述相邻的两排硅柱分别作为输入波导和输出波导；所述SOI衬底包括衬底硅层(101)、位于衬底硅层(101)上的二氧化硅埋层(102)以及位于该二氧化硅埋层(102)上的顶层硅(103)。

2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱体(201)的半径和高度与所述柱状光子晶体结构中硅柱的半径和高度相等。

3.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述柱状光子晶体结构中长方晶格排列的长边长度b与短边长度a的比值β的范围为：2≤β≤2.5。

4.根据权利要求3所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱体的半径r的取值范围为：0.3a≤r≤0.5a，其中，a为柱状光子晶体结构中长方晶格排列的短边长度a。

5.根据权利要求3所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱体的高度h的取值范围为：1.5a≤h≤3a，其中，柱状光子晶体结构中长方晶格排列的长边长度b与短边长度a。

6.根据权利要求3或4或5所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱体的半径r为0.39a，高度h为2a，所述柱状光子晶体结构长方晶格排列的短边长度a为400nm，长边长度b、短边长度a的比值β为2.4。

7.根据权利要求6所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱体的数量至少为2个。

8.根据权利要求7所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱体的数量为16个。

9.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱体及柱状光子晶体结构的硅柱通过电子束曝光、电感耦合等离子体工艺刻蚀或FIB刻蚀同步形成。

10.一种定向耦合器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备SOI衬底；

2)在上述SOI衬底的顶层硅上刻蚀形成的呈长方晶格排列的柱状光子晶体结构；

3)在柱状光子晶体结构中相邻的两排硅柱之间形成耦合柱体(201)；所述耦合柱体与所述相邻的两排硅柱的柱体对齐，且与所述相邻两排硅柱的距离相等；所述长方晶格排列的长边的长度b至少为柱状光子晶体中硅柱半径r的四倍，所述相邻的两排硅柱分别作为输入波导和输出波导。

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