一种垂直绝热耦合器的制作方法

本发明属于硅基片上光电集成器件设计，具体涉及一种基于弯曲渐变结构的垂直绝热耦合器。

背景技术：

1、近年来，随着现代社会对数据流量的需求不断增长，高速大容量信息处理和传输面临严峻的挑战。硅基光电集成芯片由于其以光子作为信息载体，并且兼容成熟的cmos工艺，在速率、能耗以及成本方面具有较大优势，已经应用在数据中心等领域。为了进一步提高集成度，异质集成和多层三维集成方式将会大量应用，不管是异质集成还是三维集成，波导器件中的光在不同平面内进行能量交换都需要垂直耦合器的参与。

2、垂直耦合器的作用是按一定比例将波导中的光能量转移到位于不同高度的另一平面内波导器件中，其中垂直绝热耦合器工艺容差较大，且不会发生两波导间的能量震荡，更适合大规模制备。垂直绝热耦合器由总线波导和耦合波导垂直分布构成，从传播方向上看可以分为输入部分、耦合部分和输出部分，耦合部分设计通常为总线波导（能量耦合出去的波导）宽度逐渐变窄，耦合波导（能量耦合进来的波导）逐渐变宽，渐变耦合区域上下两波导间隔较小的距离，输入部分为宽度不变的总线波导，输出部分为宽度不变的耦合波导。绝热耦合器的耦合原理可以简单概括为：渐变耦合部分两波导相互靠近支持超模传播，通过两波导宽度缓慢变化使该超模模场分布发生改变，光场能量逐渐集中到变宽的耦合波导中，实现能量耦合功能。耦合波导输出端归一化功率即耦合比与渐变区域长度、波导间距以及波导宽度有关，为了实现高耦合比，需要优化上述结构参数实现最佳器件性能。

3、垂直绝热耦合器中，理论上波导宽度渐变为零时，能量可以完全耦合过去，但是由于工艺最小线宽的限制，波导宽度无法做到很小，这就限制了耦合器的最大耦合比。

4、此外，当垂直耦合器应用于光开关功能器件时，需要两个输出端波导，即总线波导在输出部分不能截止。在这种结构下，为了保证较低的传输损耗，总线波导的宽度不能低于单模波导宽度，较大的波导宽度大大限制了垂直耦合器的最大耦合比。

5、目前现有方案下垂直绝热耦合光开关的结构为总线波导为单模波导宽度固定，耦合波导宽度由窄变宽，耦合波导经过渐变耦合区域后在输出部分的波导宽度较大，为多模波导。

6、因此，本发明要解决在光开关等需要双输出端口的应用中，垂直绝热耦合器亟需解决的问题包括：增大垂直绝热耦合器的最小线宽，提高工艺可行性；优化结构设计，使应用在光开关的垂直定向耦合器能够有较高耦合比。拟采用在输入输出部分增加弯曲渐变结构的设计方案来优化垂直绝热耦合器的工艺难度和器件性能。

技术实现思路

1、本发明目的是：提供一种垂直绝热耦合器，在光开关等需要双输出端口的应用中，增大垂直绝热耦合器的最小线宽，提高工艺可行性；优化结构设计，使应用在光开关的垂直定向耦合器能够有较高耦合比。拟采用在输入输出部分增加弯曲渐变结构的设计方案来优化垂直绝热耦合器的工艺难度和器件性能。

2、本发明的技术方案是：

3、一种垂直绝热耦合器，分为输入端、耦合区域和输出端，垂直绝热耦合器包括总线波导和耦合波导；所述总线波导从输入端依次延伸到耦合区域、输出端，所述耦合波导从耦合区域延伸到输出端；

4、所述总线波导和耦合波导在耦合区域均设有弯曲结构，使得在输出端的总线波导和耦合波导在垂直维度上产生偏移，波导中心不重合。

5、优选的，所述耦合波导在耦合区域设有由窄变宽的渐变区域，耦合波导的弯曲结构位于渐变区域前，总线波导的弯曲结构位于渐变区域后段。

6、优选的，所述总线波导和耦合波导由条形波导或脊型波导组成。

7、优选的，所述总线波导和耦合波导的弯曲结构，为“s”型弯，或“c”型弯，弯曲方式为圆弧弯曲、贝塞尔弯曲或欧拉弯曲。

8、优选的，所述弯曲结构应用在各种材料的垂直定向耦合器中，包括绝缘体上硅、氮化硅、ⅲ-ⅴ族材料组成的波导器件。

9、优选的，考虑不同波长下对弯曲结构以及耦合区超模的影响，弯曲结构的偏移量以及波导宽度均在宽谱仿真下选择最佳结果。

10、本发明的优点是：

11、1、本发明提供的这种高耦合比宽带垂直绝热耦合器，方法简单、易于施行。只需在耦合区前后各增加一段弯曲波导，无需其他复杂结构，即可提高耦合比、增大带宽。

12、2、本发明提供的这种高耦合比宽带垂直绝热耦合器，既可以用于优化单端输入单端输出（1×1）的耦合器件，增大带宽；又可以用于优化单端输入双端输出（1×2）的耦合器件，能够提高耦合比以及增大带宽。

13、3、本发明提供的这种高耦合比宽带垂直绝热耦合器，通过引入弯曲波导，可以在耦合波导输入端波导宽度较宽下实现高耦合比大带宽的性能优化，相较于一般结构，居于较大的工艺最小线宽，降低工艺难度易于工艺实现。

技术特征：

1.一种垂直绝热耦合器，分为输入端（3）、耦合区域（4）和输出端（5），其特征在于，垂直绝热耦合器包括总线波导（1）和耦合波导（2）；所述总线波导（1）从输入端（3）依次延伸到耦合区域（4）、输出端（5），所述耦合波导（2）从耦合区域（4）延伸到输出端（5）；

2.根据权利要求1所述的垂直绝热耦合器，其特征在于，所述耦合波导（2）在耦合区域（4）设有由窄变宽的渐变区域，耦合波导（2）的弯曲结构位于渐变区域前，总线波导（1）的弯曲结构位于渐变区域后段。

3.根据权利要求1所述的垂直绝热耦合器，其特征在于，所述总线波导（1）和耦合波导（2）由条形波导或脊型波导组成。

4.根据权利要求2所述的垂直绝热耦合器，其特征在于，所述总线波导（1）和耦合波导（2）的弯曲结构，为“s”型弯，或“c”型弯，弯曲方式为圆弧弯曲、贝塞尔弯曲或欧拉弯曲。

5.根据权利要求4所述的垂直绝热耦合器，其特征在于，所述弯曲结构应用在各种材料的垂直定向耦合器中，包括绝缘体上硅、氮化硅、ⅲ-ⅴ族材料组成的波导器件。

6.根据权利要求4所述的垂直绝热耦合器，其特征在于，考虑不同波长下对弯曲结构以及耦合区超模的影响，弯曲结构的偏移量以及波导宽度均在宽谱仿真下选择最佳结果。

技术总结
本发明公开了一种垂直绝热耦合器，包括总线波导和耦合波导，所述总线波导和耦合波导在耦合区域均设有弯曲结构，使得在输出端的总线波导和耦合波导在垂直维度上产生偏移。本发明通过结构设计优化，提高垂直绝热耦合器的最大耦合比以及带宽，同时能搞增大工艺最小线宽，降低工艺难度。在耦合部分的两端增加弯曲结构，总线波导与耦合波导间产生位置偏移，能够使光能量更集中于单个波导提高最大耦合比，并且这个偏移是逐渐变化的，仍能够实现绝热耦合提高带宽，此外由于弯曲渐变结构对渐变结构的补充增强作用，不需要极小的输入宽度就能达到较高耦合比，因此可以增大工艺最小线宽，适用于各种材料的光波导器件，有利于大规模制备和集成。

技术研发人员：刘思源,姚子君,任李营,崔博文
受保护的技术使用者：中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19