非对称定向耦合器及制备方法与流程

本发明属于硅基光子集成芯片，涉及一种非对称定向耦合器及制备方法。

背景技术：

1、近年来，采用互补金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor，cmos)兼容制造技术的纳米光子器件已成为下一代高速大容量通信和计算应用的选择，如光功率耦合器已作为用于光子系统中分离和组合光的基本设备。

2、在光子集成电路中，一个结构紧凑、波长无关的功率耦合器对于数据通信应用，特别是波分复用和信号交换有着十分重要的意义。定向耦合器(directional coupler，dc)由于其简单的配置和易于在绝缘体上硅(silicon-on-insulator，soi)平台中制造而被广泛用作功率耦合器，然而，传统dc的耦合比对其工作波长高度敏感。

3、在过去的二十年中，人们一直致力于开发宽带功率耦合器，并在这一方向发表了很多的论文。传统的基于马赫曾德尔干涉仪(mach-zehender interferometer，mzi)的耦合器，是将mzi结构集成到dc或多模干涉仪中，具有宽带的性能，但其占地面积较大；使用锥形绝热波导来分割功率的耦合也有良好的宽带性能，但代价也是较大的占地面积；最近提出的混合等离子体耦合器宽带表现良好且尺寸较小，但是需要等离子金属沉积，增加了制造的复杂性和成本。

4、因此，提供一种非对称定向耦合器及制备方法，实属必要。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种非对称定向耦合器及制备方法，用于解决现有技术中耦合器所面临的上述一系列的性能、尺寸及制造问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种非对称定向耦合器，所述非对称定向耦合器包括：

3、第一波导臂，所述第一波导臂包括第一弯曲波导、第一耦合直波导、第一相位控制直波导及第一锥形波导，所述第一波导臂沿所述第一相位控制直波导的对称轴呈轴对称，所述第一锥形波导的相对两端分别与所述第一相位控制直波导及所述第一耦合直波导连接，所述第一耦合直波导的另一端与所述第一弯曲波导相连，且所述第一弯曲波导位于所述第一波导臂的端部；

4、第二波导臂，所述第二波导臂包括第二弯曲波导、第二耦合直波导、第二相位控制直波导及第二锥形波导，所述第二波导臂沿所述第二相位控制直波导的对称轴呈轴对称，所述第二锥形波导的相对两端分别与所述第二相位控制直波导及所述第二耦合直波导连接，所述第二耦合直波导的另一端与所述第二弯曲波导相连，且所述第二弯曲波导位于所述第二波导臂的端部；

5、其中，所述第一弯曲波导与所述第二弯曲波导为对称波导，所述第一耦合直波导与所述第二耦合直波导为对称波导，且所述第一相位控制直波导与所述第二相位控制直波导具有不同的波导宽度。

6、可选地，所述波导包括si波导、sion波导或sin波导。

7、可选地，所述第一耦合直波导和所述第二耦合直波导的宽度位于所述第一相位控制直波导与所述第二相位控制直波导的宽度之间。

8、可选地，所述第一相位控制直波导的宽度为1.8μm，所述第二相位控制直波导的宽度为0.8μm，所述第一耦合直波导和所述第二耦合直波导的宽度均分别为1.2μm。

9、可选地，所述第一相位控制直波导与所述第二相位控制直波导的长度均为3～6μm，间距为0.8～1μm；所述第一耦合直波导与所述第二耦合直波导的长度均为10～25μm，间距为400～600nm；所述第一锥形波导与所述第二锥形波导的长度均为25μm以上。

10、可选地，所述非对称定向耦合器的光源包括te模式光源或tm模式光源。

11、本发明还提供一种非对称定向耦合器的制备方法，包括以下步骤：

12、提供基底，所述基底包括埋氧层及位于所述埋氧层上的波导层；

13、图形化所述波导层，形成第一波导臂及第二波导臂，其中，

14、所述第一波导臂包括第一弯曲波导、第一耦合直波导、第一相位控制直波导及第一锥形波导，所述第一波导臂沿所述第一相位控制直波导的对称轴呈轴对称，所述第一锥形波导的相对两端分别与所述第一相位控制直波导及所述第一耦合直波导连接，所述第一耦合直波导的另一端与所述第一弯曲波导相连，且所述第一弯曲波导位于所述第一波导臂的端部；

15、所述第二波导臂包括第二弯曲波导、第二耦合直波导、第二相位控制直波导及第二锥形波导，所述第二波导臂沿所述第二相位控制直波导的对称轴呈轴对称，所述第二锥形波导的相对两端分别与所述第二相位控制直波导及所述第二耦合直波导连接，所述第二耦合直波导的另一端与所述第二弯曲波导相连，且所述第二弯曲波导位于所述第二波导臂的端部；

16、所述第一弯曲波导与所述第二弯曲波导为对称波导，所述第一耦合直波导与所述第二耦合直波导为对称波导，且所述第一相位控制直波导与所述第二相位控制直波导具有不同的波导宽度。

17、可选地，形成的所述波导层包括si波导、sion波导或sin波导。

18、可选地，所述基底包括自下而上叠置的si衬底、sio2埋氧层及sion波导层。

19、可选地，还包括形成包覆所述第一波导臂及所述第二波导臂的包层的步骤。

20、如上所述，本发明的非对称定向耦合器及制备方法，通过两个对称耦合直波导、两个具有不同宽度的相位控制直波导、四个锥形波导和四个弯曲波导构建非对称定向耦合器的主体结构，来自输出端的te模式光源或tm模式光源进入波导后，在对称耦合直波导传播时，光将从一个波导耦合到另一个波导，并且耦合比取决于波长，在经过非对称的相位控制波导部分时，限制在每个波导中的光在没有耦合的情况下传播，并且将相对于另一个波导中的光波相移，之后再耦合，并最终从两个输出端输出，从而通过使用不对称波导可在两个对称的耦合直波导之间引入小的相移，以补偿对称耦合器的波长相关耦合比，从而达到在整个波段范围内实现50:50的分光效果。

21、本发明的基于非对称结构的定向耦合器在解决偏振依赖性的基础上，可进一步解决器件在带宽和插入损耗上的问题构成宽带低损耗的非对称定向耦合器，且整体器件尺寸较小。

技术特征：

1.一种非对称定向耦合器，其特征在于，所述非对称定向耦合器包括：

2.根据权利要求1所述的非对称定向耦合器，其特征在于：所述波导包括si波导、sion波导或sin波导。

3.根据权利要求1所述的非对称定向耦合器，其特征在于：所述第一耦合直波导和所述第二耦合直波导的宽度位于所述第一相位控制直波导与所述第二相位控制直波导的宽度之间。

4.根据权利要求3所述的非对称定向耦合器，其特征在于：所述第一相位控制直波导的宽度为1.8μm，所述第二相位控制直波导的宽度为0.8μm，所述第一耦合直波导和所述第二耦合直波导的宽度均分别为1.2μm。

5.根据权利要求1所述的非对称定向耦合器，其特征在于：所述第一相位控制直波导与所述第二相位控制直波导的长度均为3～6μm，间距为0.8～1μm；所述第一耦合直波导与所述第二耦合直波导的长度均为10～25μm，间距为400～600nm；所述第一锥形波导与所述第二锥形波导的长度均为25μm以上。

6.根据权利要求1所述的非对称定向耦合器，其特征在于：所述非对称定向耦合器的光源包括te模式光源或tm模式光源。

7.一种非对称定向耦合器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的非对称定向耦合器的制备方法，其特征在于：形成的所述波导层包括si波导、sion波导或sin波导。

9.根据权利要求7所述的非对称定向耦合器的制备方法，其特征在于：所述基底包括自下而上叠置的si衬底、sio2埋氧层及sion波导层。

10.根据权利要求7所述的非对称定向耦合器的制备方法，其特征在于：还包括形成包覆所述第一波导臂及所述第二波导臂的包层的步骤。

技术总结
本发明提供一种非对称定向耦合器及制备方法，通过两个对称耦合直波导、两个具有不同宽度的相位控制直波导、四个锥形波导和四个弯曲波导构建非对称定向耦合器的主体结构，来自输出端的TE模式光源或TM模式光源进入波导后，在对称耦合直波导传播时，光将从一个波导耦合到另一个波导，在经过非对称的相位控制波导部分时，限制在每个波导中的光在没有耦合的情况下传播产生光波相移，之后再耦合，并最终从两个输出端输出，通过使用不对称波导可在两个对称的耦合直波导之间引入小的相移，以补偿对称耦合器的波长相关耦合比，本发明在解决偏振依赖性的基础上，可进一步构成宽带低损耗的非对称定向耦合器，且整体器件尺寸较小。

技术研发人员：梁伟,蔡艳,汪巍,余明斌
受保护的技术使用者：上海新微技术研发中心有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23