一种应用于多层光子学平台的模式选择垂直耦合器

摘要

本发明公开了一种应用于多层光子学平台的模式选择垂直耦合器，包括底层输入波导、中间层模式选择滤波结构、顶层输出波导以及二氧化硅外包层，底层输入波导、中间层模式选择滤波结构以及顶层输出波导由下至上依次设置且相邻两层之间设有二氧化硅填充层；底层输入波导为氮化硅矩形波导，中间层模式选择滤波结构包括锥形输入端、模式演化结构、内嵌滤波结构以及锥形输出端，锥形输入端与底层输入波导进行耦合，锥形输出端与顶层输出波导进行耦合，顶层输出波导为氮化硅矩形波导；不同模式的信号光由底层输入波导耦合输入，经过中间模式选择滤波结构垂直耦合进入顶层输出波导。本发明提高了器件的层间耦合性能，且可实现层间的模式选择性的耦合互连。

说明书

技术领域

本发明属于光子集成芯片技术领域，更具体地，涉及一种应用于多层光子学平台的模式选择垂直耦合器。

背景技术

随着光互连与集成光子学的发展，为拓展光芯片的功能和提高数据传输量，不仅需要波分复用模块，而且要在单层的光芯片上集成更多的光子链路，这一方面极大的增加了芯片面积，另一方面不可避免的会遇到波导交叉的情况。单层光子芯片有限空间的密集集成问题日趋严峻，该问题的解决不仅是提高片上光互连网络整体性能和集成规模的关键，也是未来光互连技术重点研究的方向。模仿电子学中的多层链路结构，在光子学中引入多层波导平台，不经可以避免传统物理交叉，而且在垂直方向上突破的单层有限面积的限制。在纵向上进行信息的传递，构成多层硅光子互连网络，为具有更高带宽、更低功耗、更加密集以及更加复杂、功能多样化的光子芯片设计提供了新的发展方向。

层间垂直耦合器是实现多层光子学平台层间光互连的关键结构，目前常用的方案有光栅耦合、波导直连、反射镜以及倏逝波耦合。其中倏逝波耦合方案具有较好的综合性能，但在设计时同样需要考虑层间隙和耦合效率的权衡，同时，尚无可实现层间对不同模式进行选择性耦合的垂直耦合器方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于多层光子学平台的模式选择垂直耦合器，以实现具有模式选择功能的层间光互连。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种应用于多层光子学平台的模式选择垂直耦合器，包括底层输入波导、中间层模式选择滤波结构、顶层输出波导以及二氧化硅外包层，所述底层输入波导、中间层模式选择滤波结构以及顶层输出波导由下至上依次设置且相邻两层之间设有二氧化硅填充层，所述底层输入波导为氮化硅矩形波导，所述中间层模式选择滤波结构包括锥形输入端、模式演化结构、内嵌滤波结构以及锥形输出端，锥形输入端与底层输入波导进行耦合，锥形输出端与顶层输出波导进行耦合，所述顶层输出波导为氮化硅矩形波导。

进一步地，所述底层输入波导为宽度Wr

进一步地，所述模式选择垂直耦合器工作于2μm波段，中心波长为1950nm，工作带宽为1910nm～1990nm。

进一步地，所述锥形输入端材料为硅，锥形尖端宽度Wt

进一步地，所述模式演化结构材料为硅，该结构分为两层，下层厚度Hr

进一步地，所述内嵌滤波结构材料为硅，内嵌于锥形输出端，过渡区波导长度Lz

进一步地，所述锥形输出端材料为氮化硅，外包于内嵌滤波结构，波导厚度Hr

进一步地，所述二氧化硅填充层的厚度为G

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用三层结构，在较大层间隙的情况下保证了高效的层间耦合；(2)通过优化耦合结构倒锥宽度，提高了器件的层间耦合性能；(3)设计了一种模式选择滤波结构，可对TM

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为本发明的整体结构图。

图2为底层到中间层耦合结构的侧视图和俯视图。

图3为中间层到顶层耦合结构的侧视图和俯视图。

图4为中间层模式选择滤波结构的侧视图和俯视图。

图5为中间层内嵌滤波结构的侧视图和俯视图。

图6为本发明模式传输特性图。

具体实施方式

本发明一种应用于多层光子学平台的模式选择垂直耦合器，包括底层输入波导、中间层模式选择滤波结构、顶层输出波导以及二氧化硅外包层，所述底层输入波导、中间层模式选择滤波结构以及顶层输出波导由下至上依次设置且相邻两层之间设有二氧化硅填充层，所述底层输入波导为氮化硅矩形波导，所述中间层模式选择滤波结构包括锥形输入端、模式演化结构、内嵌滤波结构以及锥形输出端，锥形输入端与底层输入波导进行耦合，锥形输出端与顶层输出波导进行耦合，所述顶层输出波导为氮化硅矩形波导。

进一步的实施例中，所述底层输入波导为宽度Wr

进一步的实施例中，所述模式选择垂直耦合器工作于2μm波段，中心波长为1950nm，工作带宽为1910nm～1990nm。

进一步的实施例中，所述锥形输入端材料为硅，锥形尖端宽度Wt

进一步的实施例中，所述模式演化结构材料为硅，该结构分为两层，下层厚度Hr

进一步的实施例中，所述内嵌滤波结构材料为硅，内嵌于锥形输出端，过渡区波导长度Lz

进一步的实施例中，所述锥形输出端材料为氮化硅，外包于内嵌滤波结构，波导厚度Hr

进一步的实施例中，所述二氧化硅填充层的厚度为G

下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种应用于多层光子学平台的模式选择垂直耦合器，包括底层输入波导、中间层模式选择滤波结构、顶层输出波导以及二氧化硅外包层，所述底层输入波导、中间层模式选择滤波结构以及顶层输出波导由下至上依次设置且相邻两层之间设有二氧化硅填充层，所述底层输入波导为宽度Wr

如图2所示，即图1中结构1部分，为底层与中间层的耦合结构。底层输入波导宽度Wr

如图3所示，即图1中结构2部分，为中间层与顶层的耦合结构。顶层输出波导宽度Wr

如图4所示，即图1中结构3部分，为中间层模式选择滤波结构。其模式演化结构分为两层，下层厚度Hr

如图5所示，即图4中结构4部分，为中间层内嵌滤波结构。过渡区波导长度Lz

波长范围为1910nm～1990nm的不同模式的信号光由底层输入波导耦合输入，经过中间层模式选择滤波结构垂直耦合进入顶层输出波导。

本实施例中，采用三层结构，在较大层间隙的情况下保证了高效的层间耦合，通过优化耦合结构倒锥宽度，提高了器件的层间耦合性能，同时设计了一种模式选择滤波结构，可对TM