金屬‑類光子晶體混合波導耦合器的製作方法

2023-12-09 05:33:56

本發明涉及光學和微波技術領域，具體涉及一種金屬-類光子晶體混合波導耦合器。

背景技術：

光波導定向耦合器是光波導體系中的基礎器件，具有光功率分配的功能，廣泛運用在光分路器、光開關、波長選擇濾波器、光調製器等中。近幾年來，隨著耦合器加工工藝水平的提高，定向耦合器逐漸成為集成光波導系統和通信系統中不可缺少的元件，定向耦合器對波長較為敏感,器件的帶寬一般僅為10nm左右。相鄰波導的最小間距限制了集成光學晶片的信道數。為獲得較小尺寸的器件,通常採用強限制的波導結構,然而較小的模場直徑降低了與光纖的耦合效率。目前波導耦合器主要有基於全介質光波導耦合器、基於光子晶體波導耦合器和基於表面等離子體激元(surface plasmon polaritons，SPPs)的金屬波導耦合器，但由於全介質光波導和光子晶體波導相鄰波導的橫向間距較大，並且不具備亞波長模場束縛能力和趨膚效應，使得光子晶體波導耦合器具有較大的橫向尺寸和不具備亞波長模場束縛能力。而金屬-介質-金屬波導(簡稱MDM波導或金屬波導)則具有較大的傳輸損耗，不能實現較大的拐角，因此，其相應的波導耦合器無法實現在較大的拐角實現較低的傳輸損耗。目前應用普遍的這三種耦合器均不適用於大規模高密度集成，而近年提出的一種混合波導——金屬-類光子晶體混合波導，結合了光子晶體和金屬波導的優勢，具有極低傳輸損耗特性、亞波長模場束縛能力、毫米級別傳輸的特點，打破了現今普遍存在的晶片級長程傳輸距離和亞波長模場束縛能力的相互制約，其結構如圖1。但目前有關該混合波導的研究還不多，主要停留在對直型、彎曲型兩類簡單波導的結構傳輸特性、波導濾波器及其單波長開關的研究上,國內外尚無基於金屬-類光子晶體混合波導耦合器的報導，因此開展金屬-類光子晶體混合波導耦合器的研究具有重要的理論價值和實用價值。結合混合波導的特性，混合波導耦合器將兼具光子晶體波導耦合器和金屬波導耦合器的優點，具有較高的集成度，亞波長模場束縛能力，大拐角低損耗的特點，實現光的有效耦合。

混合波導的結構如圖1所示，將兩列Z向上周期性分布的空氣孔內嵌到MDM波導的矽芯層，或是用兩列金屬Ag壁代替光子晶體波導中橫向延伸的三角或矩形晶格，僅僅保留線缺陷兩旁的單列空氣孔。這種設計可以使周期性空氣孔和金屬壁「協同」導光。其中具體參數有：d1＝1.04um，d2＝100nm，d3＝745nm，Period＝430nm，R＝130nm，εa＝1和εs＝12.25。金屬材料為Ag，基質為Si。

對於該波導，當入射光為TE模式，基於全內反射條件形成的導模將激發基模傳輸，模場被緊緊地束縛在兩列周期性空氣孔之間，同時金屬-介質-金屬(簡稱MDM)結構可以提供較強的模場束縛能力。這些屬性使得波導具有亞波長模場束縛能力和毫米級長程傳輸能力。金屬還具有趨膚效應，能夠有效地阻擋相鄰集成波導之間的耦合，從而減小波導芯-芯間距，增大片上集成度，但如何實現兩列波導之間的有效耦合也成為金屬-類光子晶體混合波導耦合器設計的難點。

技術實現要素：

因此，本發明提供一種新金屬-類光子晶體混合波導耦合器，為實現高密度長距離低損耗的大規模光子集成迴路中的高效分光和耦合功能，提供全新的技術解決方案。

本發明採用如下技術方案解決上述問題：

一種金屬-類光子晶體混合波導耦合器，包括基質和設在基質兩側的第一金屬片，在基質上表面和下表面分別設置有第一波導和第二波導，以及分別設置在第一波導兩側的第二輸出端和第三輸出端，分別設置在第二波導兩側的第一輸入端和第四輸出端；

第一波導和第二波導去掉了中間的金屬材料和空氣孔，且第一波導和第二波導相互向中間靠近，靠近後的重合區域形成耦合寬度為1282-1300nm的耦合區；第一波導、第二波導相鄰的空氣孔半徑從兩側端部到中心逐漸縮小；

第一金屬片的厚度不變，第一波導、第二波導與第一金屬片內壁表面接觸的空氣孔半徑不變。

進一步地，所述第一波導和第二波導相鄰。

進一步地，所述第一波導和所述第二波導的相鄰區域設有第二金屬片；第二金屬片的厚度從左右兩側向中部逐漸縮小，第一波導、第二波導相鄰的空氣孔與第二金屬片側壁表面接觸，空氣孔中心與第二金屬片側壁表面距離保持不變。

進一步地，所述第二金屬片縮小的持續長度為4.3um，端部的空氣孔半徑為0.13um，逐漸縮小到最小半徑為0.05um，第二金屬片厚度由100nm減小為15nm，長度為2.58um。

進一步地，第一波導和第二波導在左側的相鄰區域設有向右側厚度逐漸減小的第二金屬片，所述第二金屬片向下有一定的傾角；在右側的相鄰區域設有向左側厚度逐漸減小的第三金屬片，以指定厚度向中部延伸，所述第三金屬片向下有一定的傾角；

第一波導中與第二金屬片接觸的空氣孔從左向右逐漸縮小；第二波導中與第二金屬片接觸的空氣孔從左向右逐漸縮小；

第一波導中與第三金屬片接觸的空氣孔從右向左逐漸縮小；第二波導中與第三金屬片接觸的空氣孔從右向左逐漸縮小。

進一步地，在第一波導與第二波導右側逐漸分離的過程中，第一波導與第一金屬片接觸的空氣孔之間引入新的空氣孔，第二波導與第三金屬片接觸的空氣孔之間引入新的空氣孔。

進一步地，在左側，所述第一波導和所述第二波導相互靠近的長度為3.01um，第二金屬片的厚度逐漸減小為20nm；第一波導中與第二金屬片接觸的空氣孔從左向右逐漸縮小，且縮小至的最小半徑為0.05um；第二波導中與第二金屬片接觸的空氣孔從左向右逐漸縮小，且縮小至的最小半徑為0.08um；

在右側，第一波導和第二波導相互靠近的長度為3.01um，第三金屬片的厚度逐漸減小為20nm後以厚度15nm向中部延伸；第一波導中與第三金屬片接觸的空氣孔從右向左逐漸縮小，且縮小至的最小半徑為0.05um；第二波導中與第三金屬片接觸的空氣孔從右向左逐漸縮小，且縮小至的最小半徑為0.08um。

進一步地，所述引入新的空氣孔的最小半徑為30nm。

本發明的有益技術效果是：本發明對於混合波導和波導耦合器在實際應用中具有較大的推進作用，在實現高密度長距離低損耗的大規模光子集成迴路中的高效分光和耦合功能方面，提供全新的技術解決方案，實現了大規模高密度集成。在國內外首次開展對金屬-類光子晶體混合波導耦合器的研究，發明出兩種不同結構的金屬-類光子晶體混合波導耦合器，是本項目最主要的創新點和特色。相對於傳統的光子晶體波導耦合器，金屬-類光子晶體混合波導耦合器其相鄰波導的間距小，具有超高集成度的特點，並且具有較強的亞波長模場束縛能力和趨膚效應。相對於金屬波導耦合器，金屬-類光子晶體混合波導耦合器可以實現大的拐角，並且在大的拐角處實現了低損耗甚至是零損耗，使其具有更高的集成度和低的傳輸損耗。並且，相對於傳統耦合器，金屬-類光子晶體混合波導耦合器還具有很高的定向性及耦合效率。本發明兩種類型的耦合器均遵循傳統耦合器的一般耦合規律，具有較低耦合損耗、高集成度的特點，並能與混合波導及其器件很好匹配，構成複雜的平面集成光功能系統，符合未來光電集成晶片的發展趨勢。

附圖說明

圖1現有技術中的金屬-類光子晶體混合波導結構圖；

圖2現有技術中的金屬-類光子晶體混合波導耦合損耗與耦合寬度D的變化關係圖；

圖3實施例一中的混合波導耦合器結構示意圖；

圖4實施例一中的混合波導耦合器的光功率比與耦合長度的關係曲線圖；

圖5實施例二中的混合波導耦合器結構示意；

圖6實施例二中的混合波導耦合器的光功率比與耦合長度的關係曲線圖。

具體實施方式

金屬-類光子晶體混合波導的基本結構如圖1所示，將兩列Z向上周期性分布的空氣孔內嵌到MDM的矽基質層，或是用兩列金屬Ag壁代替光子晶體波導中橫向延伸的三角或矩形晶格，僅僅保留線缺陷兩旁的單列空氣孔。首先選取適當的耦合寬度，即圖3或圖5中的寬度D，具體方法是：在單列波導的一段的一側中心輸入單模TE偏振光，波長為1.55um，在波導的另一端放置功率探測器，不斷的改變D的大小，在輸出端得到不同的光功率值，以此得到耦合損耗(Value)與耦合寬度D(Width)的變化關係圖，見圖2。在這個基礎上，選取了耦合寬度D的寬度為1282-1300nm進行混合波導耦合器的下一步設計(寬度為1282-1300nm時，耦合損耗小，模場分布正常)。

實施例一：

如圖3所示，本實施例中的混合波導耦合器包括基質和設在基質兩側的第一金屬片11，在基質上表面和下表面分別設置有第一波導12和第二波導13，以及分別設置在第一波導12兩側的第二輸出端Out.2和第三輸出端Out.3，分別設置在第二波導13兩側的第一輸入端In.1和第四輸出端Out.4。

第一波導12和第二波導13去掉了中間的金屬材料和空氣孔，且彼此中心相互靠近，靠近後的重合區域形成耦合寬度D為1282-1300nm的耦合區14。第一波導12和第二波導13的相鄰區域設有第二金屬片15。第二金屬片15的厚度從左右兩側向中部逐漸縮小，第一波導12、第二波導13與第二金屬片15側壁表面接觸的空氣孔半徑從端部向中部逐漸縮小，空氣孔中心與第二金屬片15側壁表面距離保持不變。為了減少轉角引起的固定損耗，第二金屬片縮小的持續長度為10Period(4.3um)，端部的空氣孔半徑為0.13um，逐漸線性縮小到最小半徑為0.05um，第二金屬片15厚度由100nm減小為15nm，長度為6Period(2.58um)。

第一金屬片11的厚度不變，第一波導12、第二波導13與第一金屬片11內壁表面接觸的空氣孔半徑不變。

在第一輸入端In.1中輸入波長為1.55um的TE偏振光，在Out.3、Out.4可以得到隨耦合區14長度L變化的功率輸出，如圖4所示。從圖4中可以看出，本實施例中的混合波導耦合器符合一般光子晶體波導的耦合規律，可以實現光在兩個波導中的周期性轉換，其耦合周期(能量耦合到鄰近波導再耦合回來的長度)為20Period(8.6um)，耦合損耗約為0.155dB。而且從圖4中還可以看出，本實施例中的混合波導耦合器對1.55um入射波長的光基本無能量損耗。實驗證明，本實施例中的混合波導耦合器具有超高集成度、低耦合損耗、高輸入輸出角度的特點。本實施例中的混合波導耦合器形狀接近字母「X」，簡稱X型混合波導耦合器。

實施例二：

如圖5所示，本實施例中的混合波導耦合器包括基質和設在基質兩側的第一金屬片21，在基質上表面和下表面分別設置有第一波導22和第二波導23，以及分別設置在第一波導22兩側的第二輸出端Out.2和第三輸出端Out.3，分別設置在第二波導23兩側的第一輸入端In.1和第四輸出端Out.4。

第一波導22和第二波導23去掉了中間的金屬材料和空氣孔，且第一波導22向第二波導23靠近，靠近後的重合區域形成耦合寬度D為1282-1300nm的耦合區24。第一波導22和第二波導23在左側的相鄰區域設有向右側厚度逐漸減小的第二金屬片25，在右側的相鄰區域設有向左側厚度逐漸減小的第三金屬片26。

在左側，第一波導22和第二波導23相互靠近的長度為7個Period(3.01um)，第二金屬片25的厚度逐漸減小為20nm，並向下有一定的傾角。第一波導22中與第二金屬片25接觸的空氣孔從左向右逐漸縮小，且縮小至的最小半徑為0.05um；第二波導23中與第二金屬片25接觸的空氣孔從左向右逐漸縮小，且縮小至的最小半徑為0.08um。

在右側，第一波導22和第二波導23相互靠近的長度為7個Period(3.01um)，第三金屬片26的厚度逐漸減小為20nm後以厚度15nm向中部延伸，並有向下一定的傾角；第三金屬片26延伸的長度能使在耦合區24傳播的光場得到分離。第一波導22中與第三金屬片26接觸的空氣孔從右向左逐漸縮小，且縮小至的最小半徑為0.05um；第二波導23中與第三金屬片26接觸的空氣孔從右向左逐漸縮小，且縮小至的最小半徑為0.08um。在第一波導22與第二波導23右側逐漸分離的過程中，第一波導22與第一金屬片21接觸的空氣孔之間引入新的空氣孔，第二波導23與第三金屬片26接觸的空氣孔之間引入新的空氣孔，可以減少光波長在轉角處的諧振現象；空氣孔的最小半徑為30nm。

第一金屬片21的厚度不變，第一波導22、第二波導23與第一金屬片21內壁表面接觸的空氣孔半徑不變。

在第一輸入端In1中輸入波長為1.55um的TE偏振光，在第三輸出端Out3、第四輸出端Out4可以得到隨耦合區24長度L變化的功率輸出，如圖6所示。其耦合周期約為19Period，一個耦合周期的損耗為0.22dB。並且該混合波導耦合器對1.55um入射波長的光基本無能量損耗。實驗證明，本實施例中的耦合器具有超高集成度、低耦合損耗、高輸入輸出角度的特點。本實施例中的混合波導耦合器形狀接近字母「K」，簡稱K型混合波導耦合器。

上述兩個實施例基質材料矽，金屬片材料為Ag。上述兩個實施例的技術方案還有其他變形，如改變基質和金屬片的材料，或者去掉第二波導和第三波導靠近區域的第二金屬片或者第三金屬片；或者第一波導與第二波導靠近但非相鄰的兩波導。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。