一种弱导波与强导波之间的模式转换耦合器

本发明涉及集成光子学中的波导耦合结构，特别是一种用于弱导波与强导波之间实现高效率模式匹配与能量传输的模式转换耦合器，可用于硅光子、铌酸锂薄膜（lnoi）平台及其混合集成结构。

背景技术：

1、随着集成光子技术的快速发展，芯片内不同材料体系之间的光场耦合需求不断增加，在硅光子、氮化硅光子以及铌酸锂薄膜光子平台中，需要将来自光纤、硅基弱约束波导或宽尺寸波导中的光信号，高效地注入到另一种材料体系中具有更高折射率对比、更小模式尺寸的强约束波导结构中，然而，由于弱导波和强导波之间在折射率分布、模式束缚能力、有效折射率以及模场大小方面存在显著差异，二者之间的直接光场耦合通常会产生较大的模式不匹配、相位失配（显著）、反射损耗以及辐射损耗，从而导致低耦合效率；

2、现有技术中通常采用锥形（taper）波导、脊形调制、折射率突变层或表面刻蚀结构等方式来改善模式匹配，但这些方法要么依赖强烈几何收缩，容易引入加工限制和高表面粗糙散射；要么只能在单一方向上调整模式形状，无法全面控制模式的演化过程，特别是在材料折射率对比极高的异质平台（例如 n≈2.0 的 sin 与 n≈2.2–2.3 的 ln，或 n≈3.4的 si 与 n≈2.2 的 ln），弱导波与强导波模式的有效折射率差异可超过 0.2–1.0，使在整个耦合区内始终维持较大值，严重限制耦合效率。此外，已有的亚波长结构或表面光栅结构虽然可以在局部改变模式分布，但往往难以实现沿传播方向的连续折射率调控，从而无法获得渐变式、可控的模式演化路径；

3、因此，在弱导波与强导波之间构建一种能够提供折射率、模式形状与相位匹配三者同步过渡的变换区域，已成为提升不同材料平台间光场耦合效率的关键需求，该变换区域需要满足以下条件：

4、(1) 能够在有限长度内实现从弱束缚模式到强束缚模式的渐变演化；

5、(2) 能够显著减少传播过程中产生的相位失配，提高模式重叠积分；

6、(3) 能够避免剧烈几何过渡带来的加工敏感性与散射损耗；

7、(4) 与现有 cmos 工艺和 ln、sin、si 平台兼容性良好；

8、基于上述分析，迫切需要一种可实现弱导波到强导波之间高效模式转换的新型耦合器结构，能够在折射率、波导几何及局域电场分布之间建立平滑且可设计的过渡关系，以显著提升芯片异质集成系统中的光场耦合性能，本发明即针对现有技术的上述不足，提出一种具有折射率渐变与模式演化特性的弱导波—强导波模式转换耦合器结构；

9、通过三段式协同架构，实现了有效折射率、模场面积、场分布形态的同步匹配，耦合区，仿真耦合效率可达 89%-95%，插入损耗低至 0.2-0.5db，不完全等步长台阶式设计避免了超窄线宽的剧烈几何收缩，降低了光刻与刻蚀的加工难度，兼容标准 cmos工艺与异质集成工艺，波导宽度加工偏差 ±20nm 范围内，耦合效率波动小于 5%。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种弱导波→强导波模式转换耦合器，实现弱导波模式向强导波模式的高效、低畸变耦合，同时提升结构兼容性与工程可实现性，其特征在于弱导波输入段的不完全等步长台阶，中间相位匹配耦合段和强导波模场扩展段。

2、所述弱导波模场压缩段设于弱导波侧波导的输入端，与相位匹配耦合段的 输入端连接，所述弱导波模场压缩段采用不完全等步长的多段台阶式结构，波导宽度沿传播方向逐步递减，同时波导的刻蚀深度沿传播方向逐步递增，用于 将弱导波的大模场弱约束模式逐步压缩，实现模场面积与有效折射率的同步调控，ln薄膜厚度保持不变，沿传播方向增加刻蚀深度，使脊形波导的有效脊高逐步增加，具体结构上的设计为：设计区总长度 工作波长：λ=1550nm；基底si 和 sio2 缓冲层，sio2 缓冲层厚度；晶片顶层：单晶 ln 薄膜（lnoi），厚度；我们采用 五个首尾连续的梯形渐变子段和一个直波导段（每段长度li = 5μm，合计 6×5=30μm ）,宽度从700nm 线性递减到 350 nm，最后一段为350nm直段,宽度序列定为：用不完全等步长可以让每个段的局部绝热条件更好，于加工曝光与刻蚀实现，刻蚀深度逐渐由 0在 30 微米长度中变为 250nm，实现深度的渐变，这样使得波导的有效模面积从初始的1.6μm2 变为 0.5μm2，有效折射率neff从 1.82 变为 1.92。

3、所述强导波模场扩展段设于强导波侧波导的输出端，具体分为si模场调节段，si耦合段，si输出过渡段，并沿ln→si方向传播，所述强导波模场扩展段的波导宽度沿传播方向按照三阶平滑函数连续渐变，同时波导厚度沿传播方向分段递减，用于将强导波的小模场强约束模式逐步扩展，实现模场面积与有效折射率的预匹配。

4、对于宽度渐变段，硅波导沿传播方向 x 逐渐从较窄的输入宽度ωin=420 nm 平滑过渡至较宽的输出宽度ωout=800 nm，用以降低波导横向束缚，设计采用宽度渐变函数，硅波导的宽度沿传播方向 x 按照光学绝热条件进行三阶平滑函数的连续渐变：其中lt为扩展段的总长度，选定为 50μm，在x=0–30 μm内lnoi完成分段梯形减缩，在x=30–50 μm内lnoi保持350 nm终端宽度；si在x=0–50 μm内按三阶函数完成渐增，后续定截面垂直耦合段从x=50 μm之后开始,该函数在 x=0 和 x=lt处一阶导数为 0，可以有效抑制反射，提高扩展段的绝热性，通过上述设计，使硅波导的有效折射率从约 2.45（420 nm）逐渐下降至1.95-2.02（800 nm + 薄化），有效模场半径增大 1.5–2.2 倍，为后续与铌酸锂波导的模式重叠提供最优条件，为了进一步，改善模式扩展，在 x=30–50 µm 区域采用两段式线性厚度渐变：

5、x = 30–40 µm：厚度从 220 nm 减至约 190 nm；

6、x = 40–50 µm：厚度从 190 nm 减至约 160 nm；

7、该厚度调整可通过二次或三次掩模配合 icp-rie 精细刻蚀实现，厚度减小会有效降低硅波导的纵向模式集中度，使模式向 box 与上包层泄露，从而进一步扩大模场面积并降低与铌酸锂波导间的折射率差，在强导波扩展段中，横向宽度的增加与纵向厚度的减小同时作用，使硅波导的：有效折射率逐渐下降，模场边界的倏逝尾翼显著增强，有效模场面积 a_eff增加 1–3 倍，模场重心趋向外侧漂移，利于与铌酸锂波导的本征模式耦合，该结构可使两波导间的折射率差和模式形状差异提前被“预调节”，使后续耦合段内的 δβ和模式重叠因子显著改善。

8、所述相位匹配耦合段为在俯视方向上的横向中心线重合，在垂直方向上由厚度约150 nm的sio2间隔层分隔，且两者的有效折射率差 δβ≈0，用于实现弱导波与强导波之间的高效倏逝耦合；所述弱导波模场压缩段、相位匹配耦合段、强导波模场扩展段沿光传播方向依次协同配合，实现弱导波与强导波之间有效折射率、模场面积、场分布形态的同步渐变匹配，中间相位匹配耦合段的功能是：在弱导波模场压缩段（ln）与强导波段（si）之间提供一个δβ≈0 的并行耦合区，通过控制波导间距、耦合长度和有效折射率使能量高效从 ln转移到目标波导，目标为高模式重叠（≥60–80%）且低插入损耗（段级 <0.5 db），耦合段基于耦合模理论（cmt），两并行波导的耦合方程（耦合系数k、传播常数失配决定功率转移；

9、当时，功率沿 x 的耦合为：要实现完全转移（理论上100%），需满足耦合长度耦合系数κ可由横截面场的重叠积分给出：；设计目标为在有限连长度内使κ足够大且小，从而实现高效率传递；但κ 不能过大以免出现不期望的近场扰动或散射损耗，亦不能过小导致耦合区过长，在 1550nm 的工作波长下，两段波导的耦合间隙通过垂直堆叠实现，由150 nmsio2间隔层分隔，耦合区间的长度 lc 根据公式得到，耦合系数κ通过lumerical fdtd 仿真得到，在 gap 为 150nm 的情况下，仿真得到的耦合系数κ ≈ 0.05μm−1，带入公式可以得到耦合区域长度为lπ/2 =31.416μm， 除此之外，在耦合段两端还需要对 ln 和 si 波导分别做 5-15μm 的宽度渐变，用于缓和接口，减小反射，两波导在俯视方向上的横向中心线基本重合,确保最大耦合。