基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器

技术领域

本发明涉及的是一种硅基集成光子芯片领域的技术，具体是一种基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器。

背景技术

在现有片上光互连系统中，模式复用技术能够同时利用多个相互正交的模式作为独立信道传递信息，从而成倍地提高系统容量和频谱效率。然而，由于不同模式之间的模场体积差异太大，很难同时将多个模式从芯片耦合到光纤中。为实现多模光纤与芯片间的高效率低损耗耦合，多模片上耦合器成为目前光通信系统中的一个重要的研究方向。

发明内容

本发明针对现有多模耦合技术中器件尺寸较大，耦合效率较低，损耗太大，无法实现高阶模式复用和耦合，对制造工艺要求较高等缺点，提出一种基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器，将多层氮化硅结构运用到端面波导结构中，实现TE

本发明通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器，包括：由下而上依次设置于锥形硅波导上的第一氧化硅覆盖层、第一锥形氮化硅波导、第二氧化硅覆盖层、第二锥形氮化硅波导和第三氧化硅覆盖层，其中：锥形硅波导用于实现波导中模式输入与耦合，三层氧化硅覆盖层的厚度各不相同，锥形硅波导的宽度较宽的端口输入波导中的模式，在波导逐渐变窄的过程中，波导中的模式逐渐耦合至氮化硅波导中；锥形氮化硅波导和氧化硅覆盖层共同实现模式的模斑放大。

所述的锥形硅波导和锥形氮化硅波导的宽度均为由宽至窄的锥形渐变，使得模式在传输过程中，在两种波导中达到折射率匹配条件，逐渐从硅波导进入到上层的氮化硅波导中传输。

所述的模斑放大是指：当模式从锥形硅波导进入到硅波导上方的氧化硅覆盖层以后，由于氮化硅的折射率高于氧化硅，两种材料形成折射率差，因此，氧化硅中的光逐渐聚集到氮化硅层，并在氮化硅波导中传输。由于氮化硅与氧化硅的折射率差远小于硅波导与氧化硅的折射率差，因此，在氮化硅波导中传输的光模场较发散，模斑尺寸远大于在波导中传输时的模斑，因此，实现模斑放大。

所述的硅波导的宽度和厚度分别为：厚度220nm，波导宽度从1.2μm减小到0.01μm。

所述的锥形氮化硅波导的耦合长度、宽度和厚度分别为：厚度50nm，波导宽度从0.01μm增加到16μm。

所述的氧化硅覆盖层的第一层厚度为2μm、第二层、第三层氧化硅覆盖层的厚度分别为1.5μm。

所述的端面耦合器以锥形硅波导的对称中心轴为整个器件的对称轴。

所述的对称轴的8μm的两侧各设有宽5μm、高度5μm的空气槽，用于减小模式在传输过程中在横向上的发散，从而降低传输损耗，提高耦合效率。

所述的锥形硅波导和锥形氮化硅波导与氧化硅覆盖层的宽度和厚度通过有限差分本征模式展开法(Finite difference eigenmode，FDE)计算波导中的电场分布函数，以实现波导宽度和厚度的参数优化，具体为：

在均匀波导中的光波(电磁波)的电场根据麦克斯韦方程可知：

利用半矢量近似，将E

对于一个横截面上长为a，宽为b的矩形波导，先用一个固定的尺寸精度(～50nm)进行分割，将连续的波导平面分割为有限离散单元。针对每一个离散单元处(i，j)的电场E

所述的锥形硅波导和锥形氮化硅波导与氧化硅覆盖层的耦合长度通过本征模式展开法(Eigenmode expansion，EME)计算得到，具体为：

a)利用上述的有限差分本征模式展开法在电磁波的传播方向，求解出麦克斯韦方程组的频域本征值，即为每个离散单元处的电场函数。

b)根据上述的电场函数，利用光路可逆性，每个电场函数都可以双向传播，从而构建出电磁波随传播距离变化的传输矩阵。

附图说明

图1为本发明的器件结构示意图；

图中：1)为器件主视图、2)为器件侧视图、3)为器件俯视图；

图2为本发明的TE

图3为本发明的TE

图中：基底1、衬底2、硅波导3、锥形氮化硅波导4、氧化硅覆盖层5。

具体实施方式

如图1所示，本实施例涉及一种基于氮化硅结构的片上多模端面耦合器，包括：一个锥形的硅波导3、两个不同长度、用于实现TE

所述的三层不同厚度的氧化硅覆盖层5，具体为：第一氧化硅覆盖层5的厚度为2μm，第二氧化硅覆盖层5的厚度为1.5μm，第三氧化硅覆盖层5的厚度为1.5μm。

所述的硅波导的耦合长度、宽度和厚度通过有限差分本征模式展开法计算取最优解，分别为：厚度220nm，波导宽度从1.2μm减小到0.01μm。

所述的锥形氮化硅波导的耦合长度、宽度和厚度通过有限差分本征模式展开法计算取最优解，分别为：厚度50nm，波导宽度从0.01μm增加到16μm。

所述的锥形氮化硅波导4通过耦合硅波导中的模式并放大后实现目标模式的模斑转化。

如图2所示为通过有限差分本征模式展开法计算得到的TE

本实施例中，通过有限差分本征模式展开法计算得到，在氮化硅波导的端面处，TE

所述的硅波导3通过电子束曝光和电感耦合等离子刻蚀在绝缘片上硅基底上的220nm的硅实现。

所述的锥形氮化硅波导4通过等离子增强化学气相沉积的方式实现50nm厚的氮化硅薄膜沉积，再通过电子束曝光和电感耦合等离子刻蚀实现。

所述的氧化硅覆盖层5通过等离子增强化学气相沉积的方式将三层分别为2μm、1.5μm、1.5μm厚的SiO

上述的器件加工过程与成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)加工技术相兼容的，可以实现大规模工业化生产。

通过本征模式展开法计算可得，在波导长度为4000μm时，所述的器件能够同时实现TE

与现有技术相比，本发明能够实现多个模式的高效耦合，除TE

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。