一种片上一维会聚透镜器件及其制备方法与流程

1.本发明属于集成硅光子芯片技术领域，特别是一种片上一维会聚透镜器件及其制备方法。


背景技术：

2.集成硅光子芯片被广泛应用于信息互连，数据传输，lidar和传感技术等多个领域。如何低成本地快速检测集成光路对大规模生产硅光子芯片至关重要。现有技术通常通过迈克尔逊干涉仪、环形谐振器、光栅耦合器等的强耦合作用将芯片中的光耦合出来以检测器件的性能。但是，这些光学器件既是检测器件也融入了整个光路，使得光路的检测位点有限，只能处于整个芯片的功能末端。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种低损耗、高效率的片上一维会聚透镜器件及其制备方法，以用于集成硅光子芯片中某些特定位置的无损耗检测，为集成光子芯片的多位点检测奠定基础。
4.实现本发明目的的技术解决方案为：一种片上一维会聚透镜器件，由一列23个介质纳米柱天线单元排列构成一维会聚透镜，该一维会聚透镜放置于距离硅纳米波导表面200nm处，一维会聚透镜与硅纳米波导之间由二氧化硅层填充。
5.一种片上一维会聚透镜器件的制备方法，具体步骤如下：
6.步骤1、把单个介质纳米柱天线单元置于距硅纳米波导表面200nm处，并用时域有限差分法进行数值仿真，得到介质纳米柱天线单元的归一化散射强度；
7.步骤2、调整介质纳米柱天线单元的几何尺寸使归一化散射强度达到最大，即得到优化后的介质纳米柱天线单元；
8.步骤3、优化后的介质纳米柱天线单元，根据相位条件进行排列构成一维会聚透镜；
9.步骤4、对介质纳米柱天线单元尺寸参数与归一化散射强度关系进行验证，根据不同尺寸结构一维会聚透镜的聚焦角度与聚焦效率，得到最优尺寸的介质纳米柱天线单元构成一维聚焦器件。
10.本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)用波导表面倏逝波与纳米天线的弱耦合来构成一维聚焦透镜器件，实现散射光在自由空间的特定方向产生较高的会聚效率，同时对光子芯片光路内的信号影响较低；(2)使用优化后的一维会聚器件，能更有效地利用散射出来的能量，增加检测信号的强度，进一步减少对芯片中光路内信号的影响；(3)制备的一维片上会聚透镜器件，利用硅纳米天线与波导表面的倏逝波相互作用，把纳米波导附近的消逝场转变为自由空间的会聚光，使之能够应用于集成硅光子芯片的低损耗、高效率的检测；(4)一维聚焦透镜器件的结构简单，与现有制造工艺相兼容，为集成光子芯片的多位点检测奠定了基础。
附图说明
11.图1为本发明片上一维会聚透镜器件的示意图及会聚电场分布图，其中(a)为一维会聚透镜示意图，(b)为一维会聚透镜xz平面会聚能量分布图，(c)为一维会聚透镜xy平面、yz平面会聚能量分布。
12.图2为本发明硅纳米圆柱散射特性及其构成一维透镜的聚焦结果图，其中(a)为硅纳米圆柱单元示意图，(b)为归一化散射强度与圆柱尺寸参数高度h、直径d关系图，(c)为固定高度h＝0.85μm、h＝1.2μm、h＝1.74μm，归一化散射强度与圆柱直径d的关系图，(d)为当硅纳米圆柱的结构参数为高度h＝0.85μm,d＝0.25μm时聚焦透镜xy平面、yz平面能量分布图，(e)为当硅纳米圆柱的结构参数为高度h＝1.2μm,d＝0.28μm时聚焦透镜xy平面、yz平面能量分布图，(f)为当硅纳米圆柱的结构参数为高度h＝1.74μm,,d＝0.28μm时聚焦透镜xy平面、yz平面能量分布图，(g)为当硅纳米圆柱的高度为h＝0.85μm时聚焦透镜聚焦效率、聚焦角度与圆柱直径的关系图，(h)为当硅纳米圆柱的高度为h＝1.2μm时聚焦透镜聚焦效率、聚焦角度与圆柱直径的关系图，(i)为当硅纳米圆柱的高度为h＝1.74μm时聚焦透镜聚焦效率、聚焦角度与圆柱直径的关系图。
13.图3为硅纳米椭圆柱散射特性及其构成一维透镜的聚焦结果图，(a)为硅纳米椭圆柱示意图；(b)～(c)为当硅纳米椭圆柱高度为h＝0.85μm、h＝1.2μm时归一化散射强度与椭圆柱尺寸参数(短轴l
x
、长轴ly)关系图，(d)～(e)为当硅纳米椭圆柱高度为h＝0.85μm、h＝1.2μm时聚焦透镜单位角度聚焦效率与椭圆柱尺寸参数(短轴l
x
、长轴ly)关系图，(f)～(g)为当硅纳米椭圆柱高度为h＝0.85μm、h＝1.2μm时聚焦透镜聚焦角度与椭圆柱尺寸参数(短轴l
x
、长轴ly)关系图，(h)～(i)为当硅纳米椭圆柱高度为h＝0.85μm、h＝1.2μm时聚焦透镜聚焦效率与椭圆柱尺寸参数(短轴l
x
、长轴ly)关系图，(j)为当硅纳米椭圆柱的结构参数为高度h＝0.85μm，短轴l
x
＝0.1μm，长轴ly＝0.5μm时聚焦透镜xz平面、yz平面能量分布图，(k)为当硅纳米椭圆柱的结构参数为高度h＝1.2μm，短轴l
x
＝0.09μm，长轴ly＝0.64μm时聚焦透镜xz平面、yz平面能量分布图，(l)为聚焦透镜聚焦效率、聚焦角度与硅纳米椭圆柱长轴长度的关系图。
具体实施方式
14.本发明一种片上一维会聚透镜器件及其制备方法，把波导附近消逝场转变为自由空间会聚光的一维会聚透镜器件，本器件由一列纳米天线组成，并分布在波导附近，其中波导可以是片上硅纳米波导，也可以是其它波导；器件中每个纳米天线和波导附近的消逝场相互作用并把它散射到远场，散射光的相位跟纳米天线的位置相关。根据聚焦透镜所需的相位分布，排布了每个纳米天线的位置，使散射光变成会聚光，在平行于波导的平面内完成会聚；又因散射光在垂直于波导的平面内相位相等的特性，会在此平面形成环形的光强分布，这种会聚光的环形分布跟纳米天线几何形状及其与波导之间的距离相关。
15.本发明一种片上一维会聚透镜器件，由一列23个介质纳米柱天线单元排列构成一维会聚透镜，该一维会聚透镜放置于距离硅纳米波导表面200nm处，一维会聚透镜与硅纳米波导之间由二氧化硅层填充。
16.作为一种具体实施例，所述硅纳米波导为单模波导，高度v＝220nm，宽度w＝450nm。
17.作为一种具体实施例，所述一维会聚透镜的长度l＝13μm、焦距f＝13μm、工作波长为1550nm。
18.作为一种具体实施例，所述介质纳米柱天线单元采用硅纳米圆柱或者硅纳米椭圆柱。
19.本发明一种片上一维会聚透镜器件的制备方法，具体步骤如下：
20.步骤1、把单个介质纳米柱天线单元置于距硅纳米波导表面200nm处，并用时域有限差分法进行数值仿真，得到介质纳米柱天线单元的归一化散射强度；
21.步骤2、调整介质纳米柱天线单元的几何尺寸使归一化散射强度达到最大，即得到优化后的介质纳米柱天线单元；
22.步骤3、优化后的介质纳米柱天线单元，根据相位条件进行排列构成一维会聚透镜；
23.步骤4、对介质纳米柱天线单元尺寸参数与归一化散射强度关系进行验证，根据不同尺寸结构一维会聚透镜的聚焦角度与聚焦效率，得到最优尺寸的介质纳米柱天线单元构成一维聚焦器件。
24.作为一种具体实施例，步骤2所述介质纳米柱天线单元采用硅纳米圆柱，介质纳米柱天线单元的几何尺寸是指硅纳米圆柱的高h和直径d。
25.作为一种具体实施例，步骤3所述根据相位条件进行排列，构成一维会聚透镜，具体如下：
26.根据几何光程差计算一维会聚透镜所需的补偿相位，计算公式如下：
[0027][0028]
其中，r为一维会聚透镜上任意一点与透镜中心之间的距离，为该点对应的补偿相位；f为一维会聚透镜的焦距，β1为散射光在自由空间二氧化硅层中的等效传播常数；
[0029]
根据光在硅纳米波导中传播的相位延迟，一维会聚透镜所需的补偿相位满足下式：
[0030][0031]
其中，β2为导波在硅纳米波导中的等效传播常数；
[0032]
根据公式(1)、(2)，确定介质纳米柱天线单元的排布位置。
[0033]
作为一种具体实施例，步骤4所述对介质纳米柱天线单元尺寸参数与归一化散射强度关系进行验证，具体如下：
[0034]
把一维会聚透镜置于距硅纳米波导表面200nm处，用时域有限差分法进行数值仿真，得到会聚光在垂直于硅纳米波导的平面内的能量分布，并分析效率、会聚角度；
[0035]
根据介质纳米柱天线单元的尺寸参数与垂直于硅纳米波导表面方向的定向散射强度之间的关系，调控会聚光在垂直于硅纳米波导的平面内的分布，得到定向聚焦角度最小的、定向聚焦效率最高的一维会聚透镜。
[0036]
作为一种具体实施例，所述的片上一维会聚透镜器件的制备方法，当介质纳米柱天线单元为硅纳米圆柱时：
[0037]
如果高度为h＝1.74μm、直径为d＝0.28μm，对应的一维会聚透镜聚焦角度为42
°
，聚焦效率为40.01％；
[0038]
如果高度为h＝1.2μm、直径为d＝0.28μm时，对应的一维会聚透镜聚焦角度为48
°
，聚焦效率为41.06％；
[0039]
如果高度为h＝0.85μm、直径为d＝0.25μm时，对应的一维会聚透镜聚焦角度为64
°
，聚焦效率为42.19％；
[0040]
当天线单元为硅纳米椭圆柱时：
[0041]
如果高度h＝1.2μm、x轴向上短轴长度l
x
＝0.09μm、y轴向上长轴长度ly＝0.67μm时，对应的一维会聚透镜聚焦角度为48
°
，聚焦效率为49.69％；
[0042]
如果高度h＝0.85μm、x轴向上短轴长度为l
x
＝0.08μm、y轴向上长轴长度为ly＝0.5μm时，对应的一维会聚透镜聚焦角度为66
°
，聚焦效率为49.94％。
[0043]
作为一种具体实施例，基于一层掩膜，使用光刻技术实现对片上一维会聚透镜器件结构的加工。
[0044]
本发明优化了介质纳米柱天线单元与硅纳米波导之间的距离，使一维会聚透镜器件对硅纳米波导中传输的信号影响小于1.5％，并同时优化了介质纳米柱天线单元的几何参数，使会聚光45％以上的能量定向会聚于角度小于50度的圆弧上。本发明公开的这种一维会聚透镜器件，为波导内的信号低损耗检测提供了一种高效方法，这种方法可以用于集成硅光子芯片中某些特定位置的无损耗检测，也可以用于光纤通信线路中的非介入性信号检测。
[0045]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
[0046]
结合图1(a)～(c)，本发明公开了一种片上一维会聚透镜器件及其制备方法，具体为：
[0047]
步骤1、仿真介质纳米天线对波导消逝场的散射特性：
[0048]
改变介质纳米天线单元的尺寸参数(例如圆柱的高度h、直径d)，逐个进行数值仿真，得到其对应的远场能量分布|e(ψ，θ)|2。取特定观测方向如z轴正方向(垂直于波导并指向纳米天线所在一侧，θ＝90
°
)为中心，求δθ＝5
°
的球冠内能量之和并除以总的远场散射能量，最终得到介质纳米天线的归一化定向散射强度rn。
[0049][0050]
步骤2、根据几何光程差计算一维会聚透镜所需的补偿相位，计算公式如下:
[0051][0052]
其中，r为超构透镜上任意一点与超构透镜中心之间的距离，为该点对应的补偿相位，f为一维会聚透镜的焦距，β1为散射光在自由空间(sio2)中的等效传播常数。又由光在波导中传播的相位延迟提供透镜所需的补偿相位，可求得一维会聚透镜单元排布位置:
[0053][0054]
其中，r为超构透镜上任意一点与超构透镜中心之间的距离，为该点对应的相位延迟，β2为导波在纳米波导(例如si)中的等效传播常数。
[0055]
步骤3、求解上述相位条件，对一维会聚透镜进行排布，并对纳米天线尺寸参数与
归一化散射强度关系进行验证。以结构中心为原点，焦距为半径，在yz平面提取电场强度平方|e|2。在yz上半平面以电场强度大于等于能量最大焦处电场强度平方一半(|e
max
|2/2)部分求得聚焦角度
[0056][0057]
如图1(b)所示，会聚光在xy平面内有矩形状分布，取半峰全宽内的能量为有效聚焦能量，为综合角度与效率评估一维聚焦透镜的定向会聚效果，以单位角度内电场求平方和与总焦斑电场平方和相除得到单位角度聚焦效率:
[0058][0059]
其中δ是会聚能量与y轴的夹角，x是会聚能量在x轴上的投影坐标，fh为会聚能量在xz平面内的半峰全宽。最终优化结果以聚焦角度内电场求平方和与总焦斑电场平方和相除得到总聚焦效率：
[0060][0061]
根据不同尺寸结构透镜的聚焦角度与聚焦效率，如图2(a)～(i)和图3(a)～(l)所示，得到最优单元尺寸构成一维聚焦器件。
[0062]
实施例1
[0063]
拟采用的介质纳米天线单元结构为圆柱结构，使用时域有限差分方法(fdtd)对一维天线阵列与波导的不同间距进行仿真，使其对波导内信号影响降至1.5％以下，此时纳米天线与波导表面间距为0.2μm。
[0064]
图2为硅纳米圆柱散射特性及其构成一维透镜的聚焦结果，其中：(a)硅纳米圆柱单元示意图。(b)归一化散射强度与圆柱尺寸参数(高度h、直径d)关系图。(c)固定高度h＝0.85μm、h＝1.2μm、h＝1.74μm，归一化散射强度与圆柱直径d的关系图。聚焦透镜xy平面、yz平面能量分布，当硅纳米圆柱的结构参数为(d)高度h＝0.85μm,,d＝0.25μm。(e)高度h＝1.2μm,d＝0.28μm。(f)高度h＝1.74μm,,d＝0.28μm。聚焦透镜聚焦效率、聚焦角度与圆柱直径的关系，当硅纳米圆柱的高度为(g)h＝0.85μm。(h)h＝1.2μm。(i)h＝1.74μm。
[0065]
根据步骤1，求得圆柱的尺寸参数(高度h、直径d)与其归一化散射强度rn之间的关系，如图2(b)所示。由图2(b)可知，当圆柱高度h＝1.74μm，直径d＝0.28μm时，rn最大(rn＝0.1592)；当d在0.28μm附近，h在0.7μm-2.5μm之间时，rn的取值都相对较大。我们考察高度分别为h＝0.85μm、h＝1.2μm、h＝1.74μm时，rn的取值与直径之间的关系，如图2(c)所示，并得到rn在d＝0.25μm、d＝0.28μm、d＝0.28μm分别最大。根据步骤2相位条件，选用前述三种天线单元进行布阵，根据步骤3求得对应的聚焦角度θ与聚焦效率η。第一种单元为圆柱高度h＝0.85μm，直径d＝0.25μm，其对应的一维透镜器件的聚焦角度为64
°
，聚焦效率为42.19％，此时会聚能量在xy和yz平面内的分布如图2(d)所示。另外，研究不同单元构成一维会聚透镜的总聚焦效率及聚焦角度与单元直径的关系，可以得到当单元直径d＝0.25μm
时，对应的总聚焦效率最大，同时对应的聚焦角度相对较小，如图2(g)所示。第二种单元为圆柱高度h＝1.2μm，直径d＝0.28μm，其对应的一维透镜器件的聚焦角度为48
°
，聚焦效率为41.06％，此时会聚能量在xy和yz平面内的分布如图2(e)所示。另外，研究不同单元构成一维会聚透镜的总聚焦效率及聚焦角度与单元直径的关系，可以得到当单元直径d＝0.28μm时，对应的总聚焦效率最大，同时对应的聚焦角度相对较小，如图2(h)所示。第三种单元为圆柱高度h＝1.74μm，直径d＝0.28μm，其对应的一维透镜器件的聚焦角度为42
°
，聚焦效率为40.01％，此时会聚能量在xy和yz平面内的分布如图2(f)所示。另外，研究不同单元构成一维会聚透镜的总聚焦效率及聚焦角度与单元直径的关系，可以得到当单元直径d＝0.28μm时，对应的总聚焦效率最大，同时对应的聚焦角度相对较小，如图2(i)所示。所以，第三种单元对应一维透镜有最小的聚焦角度和几乎不变的总聚焦效率。
[0066]
实施例2
[0067]
拟采用的介质纳米天线单元结构为椭圆柱结构，根据实施例1对圆柱形天线阵列与波导间距的优化结果，假设单元的形状对波导内传播信号的影响可以忽略，我们仍然可以将椭圆柱阵列放置在距离纳米波导表面0.2μm处。选择与实施例1中相同的单元高度h＝0.85μm、h＝1.2μm，舍去高度h＝1.74μm以降低设计单元的高宽比减小加工难度。
[0068]
图3为硅纳米椭圆柱散射特性及其构成一维透镜的聚焦结果，其中(a)硅纳米椭圆柱单元示意图；归一化散射强度与椭圆柱尺寸参数(短轴l
x
、长轴ly)关系图，当硅纳米椭圆柱高度为(b)h＝0.85μm。(c)h＝1.2μm。聚焦透镜单位角度聚焦效率与椭圆柱尺寸参数(短轴l
x
、长轴ly)关系图，当硅纳米椭圆柱高度为(d)h＝0.85μm。(e)h＝1.2μm。聚焦透镜聚焦角度与椭圆柱尺寸参数(短轴l
x
、长轴ly)关系图，当硅纳米椭圆柱高度为(f)h＝0.85μm。(g)h＝1.2μm。聚焦透镜聚焦效率与椭圆柱尺寸参数(短轴l
x
、长轴ly)关系图，当硅纳米椭圆柱高度为(h)h＝0.85μm。(i)h＝1.2μm。聚焦透镜xz平面、yz平面能量分布,当硅纳米椭圆柱的结构参数为(j)高度h＝0.85μm，短轴l
x
＝0.1μm，长轴ly＝0.5μm。(k)高度h＝1.2μm，短轴l
x
＝0.09μm，长轴ly＝0.64μm。(l)聚焦透镜聚焦效率、聚焦角度与硅纳米椭圆柱长轴长度的关系。
[0069]
根据步骤1，使用fdtd计算得到硅纳米椭圆柱的短轴l
x
和长轴ly与其归一化散射强度rn之间的关系，如图3(b)和图3(c)所示。同时，根据步骤2，分别对两个高度的具有不同短轴l
x
和长轴ly的硅纳米椭圆柱单元进行一维透镜布阵，根据步骤3计算得到一维会聚透镜的单位角度聚焦效率η1，聚焦角度θ和总聚焦效率η，如图3(d-i)所示。综合图3(b，e，g，i)可知，第一种单元为椭圆柱高度h＝0.85μm，短轴l
x
＝0.1μm，长轴ly＝0.5μm时，其对应一维透镜器件的聚焦角度为66
°
，总聚焦效率为49.94％，此时会聚能量在xy和yz平面内的分布如图3(j)所示。综合图3(c，f，h，j)可知，第二种单元为椭圆柱高度h＝1.2μm，短轴l
x
＝0.1μm，长轴ly＝0.67μm时，其对应一维透镜器件的聚焦角度为48
°
，聚焦效率为49.69％，此时会聚能量在xy和yz平面内的分布如图3(k)所示。另外，研究不同椭圆柱单元构成一维会聚透镜的总聚焦效率及聚焦角度与单元长轴ly(当l
x
＝0.1μm时)的关系，可以得到当单元长轴ly＝0.5μm或ly＝0.67μm时，对应的总聚焦效率最大，同时对应的聚焦角度相对较小，如图3(l)所示。
[0070]
对比实施例1和实施例2的结果，如表1所示：
[0071]
表1一维聚焦器件优化结果表
[0072]
序号单元d/(l
x
，ly)hthetaefficiency1圆柱0.25μm0.85μm64
°
42.19％2圆柱0.28μm1.20μm48
°
41.06％3圆柱0.28μm1.74μm42
°
40.01％4椭圆柱0.10μm，0.50μm0.85μm66
°
49.94％5椭圆柱0.10μm，0.67μm1.20μm48
°
49.69％
[0073]
相同高度(h＝0.85μm或h＝1.2μm)的两种单元(圆柱或椭圆柱)所对应的一维会聚透镜，有几乎不变的聚焦角度，但采用椭圆柱的透镜有较高总聚焦效率(约高8％)。其中高度h＝1.2μm，短轴l
x
＝0.1μm，长轴ly＝0.67μm的椭圆柱单元对应的一维聚焦透镜的把45％以上的散射光定向会聚于角度小于50度的圆弧上，是表中综合考虑总聚焦效率、聚焦角度及高宽比后的最优选择。