用于光纤和混合表面等离子体波导耦合的变迹光栅耦合器

1.本发明属于硅基光子学领域的一种光耦合器，具体涉及一种用于光纤和混合表面等离子体波导耦合的变迹光栅耦合器。


背景技术：

2.光子集成电路(photonic integrated circuits，pics)凭借大带宽、低功耗、抗电磁干扰等优势，近年来受到越来越多的关注。随着后摩尔时代的到来，光子集成电路也需要更高的集成密度，而具备突破衍射极限对光场进行强限制能力的等离子体波导(plasmonic waveguide)因此得到发展并应用在非线性光学、光传感甚至量子信息处理等领域。但这种基于表面等离子体激元(surface plasmon polariton，spp)效应的波导传输损耗较大，为平衡强光场限制与大传输损耗之间的制约关系，前人设计了一种硅基混合表面等离子体波导(silicon hybrid plasmonic waveguide)，这种设计既兼顾了强限制和低损耗的优点，又能与硅波导平台兼容，适合cmos工艺制造。
3.在片上全光集成技术还不够成熟的背景下，光子集成离不开光纤与波导的耦合。现有光纤与片上波导的耦合方式主要是端面耦合与光栅耦合(grating coupling，gc)，后者具有对准容差大、不用抛光处理、输入输出位置灵活可调等优点，是一种重要的耦合技术。光栅耦合中，衍射光栅的模场分布与标准单模光纤的类高斯分布有较大不同，从而引入模场失配的耦合损耗。通过变迹光栅(apodized grating)可以有效解决这个问题：按照非均匀变化的规律渐变周期、占空比或蚀刻深度，通过调控渐变的方式以调控光栅衍射光场，减小模场失配。
4.然而目前并没有光栅耦合器可以直接实现标准单模光纤模场和混合表面等离子体模场之间的耦合。现有耦合方案通常首先将光纤模场耦合到介质波导中，再通过等离子体锥形模式转换器或偏振旋转耦合器等再将介质波导模场转换为混合表面等离子体模场。目前已知，不考虑多晶硅覆盖、底部布拉格反射结构、多元刻蚀、倾斜刻蚀等增大工艺难度的复杂优化设计，绝缘体上硅(silicon on insulator，soi)结构的光栅耦合器最高可实现光纤与介质波导的81.3％的耦合效率，而介质波导与混合表面等离子体波导的最高耦合效率为78％，因此总耦合效率不超过63.4％。这种间接耦合方式既使结构复杂化不利于集成，又增加了额外的插入损耗，降低了整体的耦合效率，难以满足实际应用的需求。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种用于光纤和混合表面等离子体波导耦合的变迹光栅耦合器，其利用变迹光栅降低了耦合过程中的模场失配损耗和提高了方向性，利用两级锥形模式转换器减少了高阶模式的激发从而提高模式的有效转化率，利用金属衬底作为硅基混合表面等离子体波导的金属波导部分同时可以作为光栅的底部反射镜，一方面在耦合光栅内即开始产生混合表面等离子体模式，另一方面大幅降低了耦合过程中的衬底辐射损耗。因此，该光栅耦合器可以实现光纤模场和混合表面等离
子体模场之间的直接耦合，且具有耦合效率高，结构简单的特点。
6.本发明所采用的技术方案如下：
7.本发明包括硅基混合表面等离子体波导、两级锥形模式转换器和变迹耦合光栅，硅基混合表面等离子体波导、两级锥形模式转换器和变迹耦合光栅均由从上到下层叠布置的覆盖层、硅层、氧化层、金属衬底层和硅基底构成，硅基混合表面等离子体波导与两级锥形模式转换器的输出端连接，两级锥形模式转换器的输入端与变迹耦合光栅连接。
8.所述两级锥形模式转换器包括第一梯形聚焦耦合模块、矩形连接模块和第二梯形聚焦耦合模块；
9.第一梯形聚焦耦合模块的输入端与变迹耦合光栅连接，第一梯形聚焦耦合模块的输出端与矩形连接模块的一端面连接，第二梯形聚焦耦合模块的输入端与矩形连接模块的另一端面连接，第二梯形聚焦耦合模块的输出端与硅基混合表面等离子体波导连接。
10.所述金属衬底层的材料为银或金。
11.所述变迹耦合光栅设置为扇形，变迹耦合光栅的硅层刻蚀为多个同心且沿着径向间隔增大的刻齿。
12.所述覆盖层为空气或二氧化硅。
13.本发明具有的有益的效果是：
14.1)变迹光栅有效提高了光栅的耦合效率和转换带宽。
15.2)本发明采用金属衬底同时作为混合表面等离子体波导的金属波导部分和光栅的衬底反射镜，可以直接将光纤的模场耦合转化为表面等离子体模场耦合进入混合表面等离子波导中，避免间接耦合带来的额外插入损耗。
16.3)光栅耦合器与波导有相同的分层结构，制作时只需在同一沉积好材料的晶圆上分步刻蚀波导与光栅，简化了工艺，并因为采用了硅基混合结构，与cmos工艺兼容，利于硅基片上集成。
17.4)使用两级锥形模式转换器配合扇形聚焦光栅，模场能逐渐耦合进极窄等离子波导中，避免激发出高阶模式。
18.本发明的变迹光栅耦合器，直接将单模光纤模场耦合进入混合表面等离子体波导中，避免了间接耦合的额外插入损耗，并利用了两级锥形模式转换器抑制高阶模产生提高耦合效率，具有耦合效率高、工艺难度低的特点，有望推动表面等离子体波导在大规模片上集成的应用。
附图说明
19.图1是本发明所涉及的一种用于光纤和混合表面等离子体波导耦合的变迹光栅耦合器的结构示意图。
20.图2是变迹耦合光栅的横截面图。
21.图3是两级锥形模式转换器的结构示意图。
22.图4是实施例的耦合效率随波长变化的二维仿真结果图。
23.图5是实施例的耦合效率随波长变化的三维仿真结果图，对比了采用一级锥形模式转换器(虚线)和两级锥形模式转换器(实线)的耦合效率差异。
24.图中：1-覆盖层，2-硅层，3-氧化层，4-金属衬底层，5-硅基底，6-硅基混合表面等
离子体波导，7-两级锥形模式转换器，8-变迹耦合光栅，9-第一梯形聚焦耦合模块，10-矩形连接模块，11-第二梯形聚焦耦合模块。
具体实施方式
25.下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
26.如图1和图2所示，本发明包括硅基混合表面等离子体波导6、两级锥形模式转换器7和变迹耦合光栅8，硅基混合表面等离子体波导6、两级锥形模式转换器7和变迹耦合光栅8均由从上到下层叠布置的覆盖层1、硅层2、氧化层3、金属衬底层4和硅基底5构成，硅基混合表面等离子体波导6与两级锥形模式转换器7的输出端连接，两级锥形模式转换器7的输入端与变迹耦合光栅8连接。
27.来自标准单模光纤的模场耦合进入光栅后在光栅区即激发混合表面等离子体模场，通过扇形的聚焦光栅后进入到两级锥形模式转换器7，金属衬底4极大减小了向下的辐射损耗，两级锥形模式转换器7抑制了激发高阶模式，随后光场直接耦合进入硅基混合表面等离子体波导。对应地，该过程也可反向进行，光场经硅基混合表面等离子体波导通过两级锥形模式转换器缓冲再通过变迹光栅耦合进入光纤中。
28.如图3所示，两级锥形模式转换器7包括第一梯形聚焦耦合模块9、矩形连接模块10和第二梯形聚焦耦合模块11；
29.第一梯形聚焦耦合模块9的输入端与变迹耦合光栅8连接，第一梯形聚焦耦合模块9的输出端与矩形连接模块10的一端面连接，第二梯形聚焦耦合模块11的输入端与矩形连接模块10的另一端面连接，第二梯形聚焦耦合模块11的输出端与硅基混合表面等离子体波导6连接，第一梯形聚焦耦合模块9作为两级锥形模式转换器7的第一级模式转换器，第二梯形聚焦耦合模块11作为两级锥形模式转换器7的第二级模式转换器。两级锥形模式转换器是与变迹光栅和硅基混合表面等离子体波导有相同纵向分层的梯形-矩形-梯形结构。设计目的是为大面积的光栅区和极窄的混合表面等离子波导耦合提供缓冲。
30.金属衬底层4的材料为银或金，金属衬底层4既作为硅基混合表面等离子体波导6的金属波导部分，又在变迹耦合光栅8中作为衬底反射镜起激发混合表面等离子体模式和降低衬底辐射损耗的作用。
31.变迹耦合光栅8设置为扇形，变迹耦合光栅8的硅层2刻蚀为多个同心且沿着径向间隔增大的刻齿，即刻齿的形状为扇形环。变迹耦合光栅固定刻蚀深度，按照线性变化规律改变不同刻齿的占空比，并根据等效介质理论和布拉格光栅方程推导的公式，计算不同占空比对应匹配目标波长的周期值，对不同刻齿的周期也做出对应微调。
32.如图2所示为本发明的横截面结构，工艺上可先在硅晶圆上沉积一层金属衬底，再将标准soi晶圆与刚刚沉积了金属层的晶圆倒装键合(flip-chip bounding)，再进行光刻形成光栅结构。覆盖层1为空气或二氧化硅，如果为二氧化硅需要在刻蚀完光栅结构后在表面生长一层二氧化硅材料，如果为空气包层，则不需要生长操作。
33.本发明的具体实施例及其实施情况如下：
34.硅基混合表面等离子体波导、两级锥形模式转换器、变迹光栅均采用同样厚度的金属衬底层、氧化层、硅层。此实例选择银作为金属衬底层材料，二氧化硅作为覆盖层材料。常温下硅、二氧化硅和银的折射率分别为3.478，1.445，0.1453 11.3587i。采用时域有限差
分法(finite-difference time-domain，fdtd)对设计的光栅耦合器进行仿真设计，考虑要耦合的目标波长为光通信波段最常用的1550nm，根据仿真结果对几何结构参数进行优化，确定金属衬底层的厚度为100nm，氧化层的厚度为95nm，硅层的厚度为320nm。
35.变迹光栅采用了占空比和周期的变迹，蚀刻深度固定为167nm。左边为变迹光栅部分，光栅的占空比按照0.02的步长从0.98渐变到0.8，第一个周期长度为654.4nm，此后每个周期对应的变化量根据以下公式计算：
[0036][0037][0038]
其中，n
eff
和n
eff’分别表示上一个周期和该周期对应的有效折射率，f表示占空比，n1和n2分别表示硅和二氧化硅的折射率，p表示上一个周期长度，n0表示覆盖层折射率，θ表示光纤倾角。变迹光栅部分结束后为均匀光栅部分，保持占空比为0.78，周期为700nm。
[0039]
变迹光栅立体结构是扇形聚焦结构，由多个同心圆弧段组成，扇形的圆心角为44
°
，各圆弧段刻槽按上述变迹方式进行刻蚀。
[0040]
两级锥形模式转换器首先由一个下底7.5um，高10um，上底0.5um的梯形作为第一级模式转换器；随后是一个长0.5um，宽0.2um的矩形连接器；随后是一个下底0.5um，高2.5um，上底0.1um的梯形作为第二级模式转换器。第二级模式转换器随后连接只有0.1um宽的极窄等离子体波导。该两级锥形模式转换器的几何参数是由仿真优化得到的最佳解。
[0041]
标准单模光纤倾斜角为10
°
，在2d仿真下得到耦合效率随波长的变化情况如图4所示，在1550nm处获得90.78％的耦合效率，3-db带宽为70nm。在3d仿真下得到耦合效率随波长的变化情况如图5所示，采用两级锥形模式转换器的结构在1550nm处获得78.11％的耦合效率和73nm的3-db带宽，相比采用一级锥形模式转换器结构的72.77％耦合效率和71nm的3-db带宽有一定的性能提升。图4和图5中双箭头上标注了3-db带宽，指耦合效率降低至峰值耦合效率一半时对应的波长范围。
[0042]
从仿真结果来看，基于本发明的实施例在耦合效率和带宽上都有着较好的性能，具备实际应用的可能性。
[0043]
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。