[发明专利]一种折射率梯度变化的硅光子模斑转换器

说明书

本发明涉及一种折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，属于半导体光信号传输技术领域。该转换器中SOI晶片衬底表面设有SiOsubgt;2/subgt;支撑结构，SiOsubgt;2/subgt;支撑结构上表面与硅光子锥形波导下表面相连，硅光子锥形波导与硅光子条形波导处于同一平面，且位于SiOsubgt;2/subgt;支撑结构上方，SiOsubgt;2/subgt;支撑结构、硅光子锥形波导、硅光子条形波导上设有将这三个结构封闭包围的梯度叠层SiOsubgt;x/subgt;Nsubgt;y/subgt;内包层，梯度叠层SiOsubgt;x/subgt;Nsubgt;y/subgt;内包层为以SOI晶片衬底为底从下至上折射率逐步梯度减小的叠层材料层，梯度叠层SiOsubgt;x/subgt;Nsubgt;y/subgt;内包层四周设有SiOsubgt;2/subgt;外包层。本发明中的折射率梯度变化的硅光子模斑转换器解决了现有硅光子‑光纤模斑转换器的在光学性能和可靠性方面难以满足应用的要求，能够同时获得好的光学性能和高可靠性。

技术领域

本发明涉及一种折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，属于半导体光信号传输技术领域。

背景技术

硅光子光电集成器件是光通信领域的研究热点，能够单片集成高速有源光电子器件与无源光器件。其工艺与CMOS器件工艺完全兼容，能够实现与现有集成电路进行集成；同时由于硅材料具有相对高的材料折射率，其器件尺寸可以到达纳米量级，具有极低的成本和批量生产的特性。目前，硅光子器件已经解决了高速调制器、高速探测器、高速光开关和大部分无源光器件的关键问题。但在硅光子波导与标准光纤的耦合方面还存在关键问题，制约了硅光子光电集成器件的广泛应用。目前，用于硅光子波导与标准光纤耦合的最有效模斑转换器包括光栅模斑转换器和悬桥结构模斑转换器，但两者都有各自的局域性，限制了硅光子集成器件的应用。光栅模斑转换器是基于Bragg光栅结构的模斑转换器，其制作工艺简单，具有较低的耦合损耗，同时与标准光纤具有好的耦合容差；但该模斑转换器具有明显的偏振相关性，难以同时用于不同偏振态的光信号，同时其带宽较窄，一般1dB带宽只有20~30nm。悬桥结构模斑转换器是采用3D SiO₂锥形波导来在垂直和水平方向对光纤大模斑尺寸进行有效压缩从而实现与纳米尺寸的硅光子波导有效耦合，该器件具有很好的光学性能，比如低的光耦合损耗、偏振不敏感和大的光带宽。但在设计与制作悬桥结构模斑转换器时，首先需要设计、制作SiO₂锥形波导，这就要求有低于SiO₂折射率的包层材料。由于基于SOI晶片制作的材料中，无法找到低于SiO₂折射率的固体包层材料，只能采用空气作为SiO₂锥形波导的包层以到达光信号的有效传输。因此，虽然基于空气作为外包层的悬桥结构模斑转换器具有很好的光性能，但悬桥结构模斑转换器只能靠单薄的SiO₂支持臂来支持整个模斑转换器结构，其力学性能不佳，在实际的制作过程中容易断裂，而且难以进行后续的加工与封装，这限制了该器件的有效应用。

光信号在波导结构中能够稳定传输是基于芯层折射率高于包层折射率。光信号具有从低折射率材料逐渐耦合进入高折射率材料的特性。鉴于目前硅光子-光纤模斑转换器的缺陷，我们提出了折射率梯度变化的模斑转换器结构。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种折射率梯度变化的硅光子模斑转换器。本发明中的折射率梯度变化的硅光子模斑转换器解决了现有硅光子-光纤模斑转换器的在光学性能和可靠性方面难以满足应用的要求，能够同时获得好的光学性能和高可靠性，本发明通过以下技术方案实现。