一種矽基粗波分器件的製作方法

2023-12-01 02:54:52

本發明屬於集成光子學領域，具體涉及一種基於矽基平面光波導的粗波分復用器/解復用器。

背景技術：

粗波分復用(Coarse Wavelength Division Multiplexing,CWDM)是一種廣泛應用於城域網的低成本波分復用技術。它通過利用光復用器將在不同光纖中傳輸的光信號復用到一根光纖中進行傳輸,在鏈路的接收端,利用解復用器將分解後的不同波長的光信號傳送到相應的接收設備。

基於矽基平面波導的粗波分復用器/解復用器，具有結構簡單、集成度高、與CMOS兼容等特性，正受到越來越多的關注。目前常規的矽基波分復用器/解復用器，主要是基於陣列波導光柵(AWG)、刻蝕衍射光柵(EDG)、馬赫澤德幹涉儀(MZI)等結構。然而，這些器件普遍存在著尺寸較大(從數十平方微米到數百平方微米不等)、損耗大、串擾大等缺點，限制了它們的應用。

技術實現要素：

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供一種矽基波導粗波分器件，旨在解決現有的粗波分復用器/解復用器尺寸大、損耗大、串擾大的問題。

本發明提供了一種矽基粗波分器件，包括：輸入波導，表面分布有圓柱狀小孔的多模波導，第一輸出波導和第二輸出波導；所述多模波導的輸入端連接所述輸入波導，所述多模波導的第一輸出端連接所述第一輸出波導，所述多模波導的第二輸出端連接所述第二輸出波導；光從所述輸入波導注入後進入所述多模波導中，光的傳輸路線與方向被所述多模波導中的所述圓柱狀小孔調控，不同波長的光行進路線不同，從而實現波長分離；所述第一輸出波導和所述第二輸出波導用於將不同波長的光傳輸出去。

更進一步地，所述多模波導包括：邊界波導和耦合區域，所述耦合區域包括M×N個大小相同的像素塊，像素塊與水平面平行的面為正方形，每個像素塊尺寸為x0×x0×h，M為平行於輸入波導方向的像素塊個數；N為垂直於輸入波導方向的像素塊個數，x0為像素塊在水平方向的邊長，h為像素塊的高度。

更進一步地，多模波導的長度L1＝M×x0+2×W3，多模波導的寬度W2＝N×x0+2×W3；其中，W3為邊界波導寬度，x0為正方形像素塊在水平方向的邊長，M為平行於輸入波導方向的像素塊個數；N為垂直於輸入波導方向的像素塊個數。

更進一步地，邊界波導寬度範圍為：60nm＜W3＜200nm。

更進一步地，正方形像素塊在水平方向的邊長範圍為：60nm＜x0＜200nm。

更進一步地，輸入波導的寬度、第一輸出波導的寬度和第二輸出波導的寬度均相同。

更進一步地，300nm＜W1＜600nm，W1為輸入波導的寬度。

更進一步地，第一輸出波導的高度和所述第二輸出波導的高度相同，100nm＜h＜500nm，h為所述第一輸出波導的高度。

更進一步地，第一輸出波導與所述第二輸出波導之間的間距y0＞W1/2，W1為輸入波導的寬度。

更進一步地，多模波導中圓柱小孔的底面半徑滿足20nm＜r＜x0/2，孔深度滿足60nm＜d≤h。

通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，本發明採用SWG結構，在亞波長尺度上精準調節矽基波導的結構組成，實現低損耗低串擾且尺寸極小的矽基粗波分器件。由於SWG對於器件結構的設計處於亞波長量級(百納米級)，遠小於常規波分器件的設計尺度(數十甚至數百微米級)，因而本發明提出的波分器件尺寸遠遠小於常規器件。除此之外，不斷對器件結構進行調整改進，器件性能不斷得到增強，趨向最優，進而獲得更小的損耗、更小的串擾。

附圖說明

圖1為本發明提出的波分解復用器結構的結構示意圖。

圖2為多模波導的構成示意圖。

圖3(a)為像素塊刻蝕狀態的俯視圖與截面圖，圖3(b)為像素塊完整狀態的俯視圖與截面圖。

圖4(a)為波分解復用器的初始狀態，圖4(b)為經過優化之後的像素塊狀態分布。

圖5(a)1550nm波長的光在圖4(b)所示結構中的傳輸情況，圖5(b)1570nm波長的光在圖4(b)所示結構中的傳輸情況。

圖6為本發明提出的粗波分解復用器的實驗測量譜線。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

為實現上述目的，本發明採用SWG結構，利用優化算法，在亞波長尺度上精準調節矽基波導的結構組成，實現低損耗低串擾且尺寸極小的粗波分復用器/解復用器。由於SWG對於器件結構的設計處於亞波長量級(百納米級)，遠小於常規波分器件的設計尺度(數十甚至數百微米級)，因而本發明提出的波分器件尺寸遠遠小於常規器件。除此之外，通過優化算法不斷對器件結構進行調整改進，器件性能不斷得到增強，趨向最優，進而獲得更小的損耗、更小的串擾。

本發明基於亞波長光柵(SWG)的結構設計方法為解決這些問題提供了一種新的方案。其原理是：通過在亞波長尺度下調節矽基波導的組成，更靈活地調控光的傳輸路徑，使得光在經過極短距離的傳輸後，即可高效實現所需的器件功能。

如圖1所示，本發明提出的波分解復用器結構包括：一根輸入波導11，一個表面分布圓柱狀小孔的多模波導12，兩根輸出波導13，14。輸入波導、多模波導、輸出波導依次排列，無縫連接。光從輸入波導注入；在多模波導中，光的傳輸路線與方向受圓柱狀小孔的調控，不同波長的光行進路線不同，從而實現波長分離；輸出波導用於將不同波長的光傳輸出去。

輸入波導、輸出波導寬度相同，均為W1；多模波導長度為L1，寬度為W2；圓柱狀小孔底面半徑r、深度d；兩根輸出波導的間距為y0。輸入波導、多模波導、輸出波導高度均為h。由光路的可逆性可知，當光從解復用器的輸出端輸入，從解復用器的輸入端輸出時，該器件即可實現復用功能。

為方便設計，將多模波導分為邊界波導，耦合區域(虛線框表示)兩部分，如圖2所示。實際工藝條件下，由於鄰近效應，刻蝕出的小孔尺寸與設計值往往存在一定偏差。靠近波導邊緣處，小孔孔徑變大，將可能使得波導邊緣被刻穿，因而，劃分出邊界波導，有助於保護波導邊緣的完整性。邊界波導寬度設為W3。

耦合區域由M×N個大小相同的像素塊組成，像素塊與水平面平行的面為正方形，每個像素塊尺寸為x0×x0×h，則多模波導長度為L1＝M×x0+2×W3，寬度為W2＝N×x0+2×W3。每個像素塊具有兩種狀態：(1)刻蝕狀態，指在像素塊正中間刻蝕出一個底面半徑r、深度d的的圓柱狀小孔；(2)完整狀態，指不對像素塊做任何處理，像素塊為一個完整的六面體。像素塊在每種狀態下俯視圖、截面圖如圖3所示。

本發明提出的波分復用器/解復用器設計步驟包括：

(1)對每個像素塊賦予一個隨機初始狀態：刻蝕狀態或完整狀態；

(2)根據設計目標，利用優化算法，不斷改變每一個所述像素的狀態，計算新的輸出光譜，若新的輸出光譜比原輸出光譜更接近目標輸出，則保留改變後的狀態，否則像素塊恢復改變前的狀態。

本發明提出的波分器件用於實現波長為λ1、λ2的兩路光的分離。理想情況下，兩路光均從輸入波導輸入，波長λ1的光完全從輸出波導13輸出，埠14中沒有波長λ1的光輸出；波長λ2的光完全從輸出波導14輸出，埠13中沒有波長λ2的光輸出。為方便設計，定義一個參數T用于衡量器件性能；其中上式中，表示波長為λ1的光從輸出波導13輸出的透射率，表示波長為λ1的光從輸出波導14輸出的透射率，表示波長為λ2的光從輸出波導13輸出的透射率，表示波長為λ2的光從輸出波導14輸出的透射率。T的值越大，表示器件性能與理想情況越接近。

波分器件的主要性能指標包括：損耗，串擾，分別定義如下：

可以看出，T的值越大，器件性能越接近理想情況，則λ1、λ2的兩路光在目標輸出波導的透射率越大，在非目標輸出波導的透射率越小。此時，λ1、λ2兩路光的損耗越小，且串擾也越小。

(3)經過多次迭代後，當再也無法通過改變像素塊的狀態，使得新的輸出光譜更接近目標輸出時，認為此時得到最優的像素塊陣列分布。

在本發明實施例中，波導高度滿足100nm＜h＜500nm，此為常規矽基波導的頂層矽厚度。輸入波導、輸出波導寬度滿足300nm＜W1＜600nm，以保證光以單模形式傳輸。兩根輸出波導的間距滿足y0＞W1/2。邊界波導寬度滿足60nm＜W3＜200nm，以電子束光刻工藝為例，其鄰近效應導致的尺寸誤差為±20nm，邊界波導在該範圍內的取值可保證多模波導邊緣不被刻穿。正方形像素塊在水平方向的邊長需滿足60nm＜x0＜200nm，該範圍既保證了設計尺度為亞波長量級(＜200nm)，同時也滿足實際工藝條件。刻蝕狀態下，圓柱小孔的底面半徑滿足20nm＜r＜x0/2，小於20nm的小孔工藝實現難度較大，r＜x0/2的限制使得小孔的尺寸不超出單個像素塊。孔深度滿足60nm＜d≤h，小孔深度過淺，刻蝕工藝較難實現。

在本發明實施例中，設計步驟(2)所使用的優化算法可以為模擬退火法、直接二進位算法、粒子群算法等。

下面以參數：

W1＝450nm,W3＝100nm,x0＝120nm,h＝220nm,r＝40nm,d＝133nm,M＝20,N＝40為例，說明基於亞波長平面波導的粗光波分復用器/解復用器的實現過程。根據CWDM的信道標準，用於復用/解復用的兩路光波長設定為λ1＝1550nm、λ1＝1570nm。設計目標設置為：1550nm波長的光完全從埠1輸出，從埠2中出射的1550nm波長的光功率為0；1570nm波長的光完全從埠2輸出，從埠1中出射的1550nm波長的光功率為0。設計優化算法選用直接二進位算法。

圖4(a)為像素塊的起始狀態，圖4(b)為經過優化之後的像素塊狀態分布。圖5為1550nm、1570nm兩路波長的光信號在圖4(b)對應的波導結構中的傳輸情況，灰度表示光的強弱。可以看出，通過在亞波長尺度優化波導結構，本發明提出的光解復用器高效地實現了光的粗波復用。圖6為圖4(b)所示結構的測量結果。在1550nm、1573nm處，該波分解復用器的損耗分別為-2.1dB、-2.3dB，串擾為-16.4dB、-17.6dB，3dB帶寬為23nm、18nm，且器件尺寸極小，僅為2.6μm×5μm。這說明本發明基於亞波長波導提出的波分復用器/解復用器，具有損耗小、串擾低、帶寬寬、尺寸小的優勢。

所應說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照實例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。