一种大带宽、低损耗的集成硅基y波导
技术领域
1.本发明涉及集成硅基y波导，具体是一种大带宽、低损耗的集成硅基y波导。
背景技术：2.近年来，随着硅基光子集成技术的快速发展，集成硅基y波导在光通信、光传感领域的应用日益广泛。但在现有技术条件下，集成硅基y波导的分支间隙采用尖角形间隙，导致其存在如下问题：其一，带宽小。其二，在加工过程中，光阻或蚀刻残留物容易残留在尖角形间隙内，由此导致集成硅基y波导的分光功率不均匀、损耗高。其三，由于尖角形间隙的加工容限小，导致集成硅基y波导的加工误差敏感度高。基于此，有必要发明一种大带宽、低损耗的集成硅基y波导，以解决现有集成硅基y波导带宽小、损耗高、加工误差敏感度高的问题。
技术实现要素：3.本发明为了解决现有集成硅基y波导带宽小、损耗高、加工误差敏感度高的问题，提供了一种大带宽、低损耗的集成硅基y波导。
4.本发明是采用如下技术方案实现的：一种大带宽、低损耗的集成硅基y波导，包括呈横向设置的主直波导段；主直波导段的右端延伸设置有左窄右宽的锥形波导段；锥形波导段的右端延伸设置有两个过渡直波导段，且两个过渡直波导段呈前后对称分布；两个过渡直波导段之间形成有耦合狭缝；两个过渡直波导段的右端各延伸设置有一个圆弧波导段，且两个圆弧波导段呈前后对称分布；耦合狭缝内填充有亚波长光栅，且亚波长光栅的各个栅条均呈纵向设置；主直波导段的厚度、锥形波导段的厚度、两个过渡直波导段的厚度、两个圆弧波导段的厚度、亚波长光栅的厚度均一致；主直波导段的宽度、锥形波导段的左端宽度、两个过渡直波导段的宽度、两个圆弧波导段的宽度均一致；锥形波导段的右端宽度等于两个过渡直波导段的宽度与耦合狭缝的宽度之和。
5.具体工作过程如下：一、分光：在主直波导段的左端放置光源。光源发出的光束依次经主直波导段、锥形波导段、两个过渡直波导段（亚波长光栅）、两个圆弧波导段进行传播。在传播过程中，两个过渡直波导段能够降低本发明的插入损耗（图4所示为本发明的插入损耗性能仿真结果）。依据公式n
2eff
=f
·n2si
+(1
−
f)
·n2air
（式中：f表示亚波长光栅的栅条的占空比，n
eff
表示亚波长光栅的等效折射率，n
si
表示硅的折射率，n
air
表示空气的折射率）可知，亚波长光栅能够提高耦合狭缝的等效折射率，由此缩小耦合狭缝与两个圆弧波导段的折射率差，从而使得光束中的te模以极低的耦合损耗从耦合狭缝内向两个圆弧波导段传播。插入损耗（il）以公式il=-10lg((p
out1
+p
out2
)/p
in
)定义，即输出功率之和比输入总功率取-10倍lg。二、合光：在两个圆弧波导段的右端各放置一个光源。两个光源发出的光束依次经两个圆弧波导段、两个过渡直波导段（亚波长光栅）、锥形波导段、主直波导段进行传播。在传播过程中，两个过渡直波导段能够降低本发明的插入损耗（图4所示为本发明的插入损
耗性能仿真结果）。依据公式n
2eff
=f
·n2si
+(1
−
f)
·n2air
（式中：f表示亚波长光栅的栅条的占空比，n
eff
表示亚波长光栅的等效折射率，n
si
表示硅的折射率，n
air
表示空气的折射率）可知，亚波长光栅能够提高耦合狭缝的等效折射率，由此缩小耦合狭缝与两个圆弧波导段的折射率差，从而使得光束中的te模以极低的耦合损耗从两个圆弧波导段向耦合狭缝内传播。插入损耗（il）以公式il=-10lg(p
out
/(p
in1
+p
in2
))定义，即输出总功率比输入功率之和取-10倍lg。
6.基于上述过程，与现有集成硅基y波导相比，本发明所述的一种大带宽、低损耗的集成硅基y波导的分支间隙不再采用尖角形间隙，而是采用耦合狭缝，并在耦合狭缝内填充亚波长光栅，由此具备了如下优点：其一，由于采用了亚波长光栅，使得耦合特性与波长相关性小，因此本发明的带宽更大。其二，相较于尖角形间隙，光阻或蚀刻残留物在加工过程中不易残留在耦合狭缝内，因此本发明的分光功率均匀、损耗更低。其三，相较于尖角形间隙，耦合狭缝的加工容限更大，因此本发明的加工误差敏感度更低。
7.图6和图7所示分别为厚度h
si
取190nm和250nm时本发明的插入损耗性能仿真结果。由图6和图7可知：本发明对厚度加工误差（加工容限为60nm）不敏感，即厚度变化时仍可保持插入损耗在1db以下时具有较大带宽。
8.图8和图9所示分别为锥形波导段的长度l
taper
取2μm和15μm时本发明的插入损耗性能仿真结果。由图8和图9可知：本发明对锥形波导段的长度加工误差（≥2μm即可）不敏感，即锥形波导段的长度变化时仍可保持插入损耗在1db以下时具有较大带宽。
9.图10和图11所示分别为过渡直波导段的长度ls取0.95μm和1.05μm时本发明的插入损耗性能仿真结果。由图10和图11可知：本发明对过渡直波导段的长度加工误差（加工容限为100nm）不敏感，即过渡直波导段的长度变化时仍可保持插入损耗在1db以下时具有较大带宽。
10.图12和图13所示分别为耦合狭缝的宽度gap取0.2μm和0.28μm时本发明的插入损耗性能仿真结果。由图12和图13可知：本发明对耦合狭缝的宽度加工误差（加工容限为80nm）不敏感，即耦合狭缝的宽度变化时仍可保持插入损耗在1db以下时具有较大带宽。
11.图14和图15所示分别为亚波长光栅的栅条的宽度λ
·
f取0.085μm和0.115μm时本发明的插入损耗性能仿真结果。由图14和图15可知：本发明对亚波长光栅的栅条的宽度加工误差（加工容限为30nm）不敏感，即亚波长光栅的栅条的宽度变化时仍可保持插入损耗在1db以下时具有较大带宽。
12.本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有集成硅基y波导带宽小、损耗高、加工误差敏感度高的问题，其可以级联形成1
×
ny分支功分器（图5所示为本发明级联形成的1
×
4 y分支功分器），适用于光通信、光传感领域。
附图说明
13.图1是本发明的结构示意图。
14.图2是图1的右视图。
15.图3是图1的俯视图。
16.图4是本发明的插入损耗性能仿真结果图。
17.图5是本发明级联形成的1
×
4 y分支功分器的结构示意图。
18.图6是厚度h
si
取190nm时本发明的插入损耗性能仿真结果图。
19.图7是厚度h
si
取250nm时本发明的插入损耗性能仿真结果图。
20.图8是锥形波导段的长度l
taper
取2μm时本发明的插入损耗性能仿真结果图。
21.图9是锥形波导段的长度l
taper
取15μm时本发明的插入损耗性能仿真结果图。
22.图10是过渡直波导段的长度ls取0.95μm时本发明的插入损耗性能仿真结果图。
23.图11是过渡直波导段的长度ls取1.05μm时本发明的插入损耗性能仿真结果图。
24.图12是耦合狭缝的宽度gap取0.2μm时本发明的插入损耗性能仿真结果图。
25.图13是耦合狭缝的宽度gap取0.28μm时本发明的插入损耗性能仿真结果图。
26.图14是亚波长光栅的栅条的宽度λ
·
f取0.085μm时本发明的插入损耗性能仿真结果图。
27.图15是亚波长光栅的栅条的宽度λ
·
f取0.115μm时本发明的插入损耗性能仿真结果图。
28.图中：1-主直波导段，2-锥形波导段，3-过渡直波导段，4-圆弧波导段，5-亚波长光栅的栅条；虚线表示波导段之间的分界线。
具体实施方式
29.一种大带宽、低损耗的集成硅基y波导，包括呈横向设置的主直波导段1；主直波导段1的右端延伸设置有左窄右宽的锥形波导段2；锥形波导段2的右端延伸设置有两个过渡直波导段3，且两个过渡直波导段3呈前后对称分布；两个过渡直波导段3之间形成有耦合狭缝；两个过渡直波导段3的右端各延伸设置有一个圆弧波导段4，且两个圆弧波导段4呈前后对称分布；耦合狭缝内填充有亚波长光栅，且亚波长光栅的各个栅条5均呈纵向设置；主直波导段1的厚度、锥形波导段2的厚度、两个过渡直波导段3的厚度、两个圆弧波导段4的厚度、亚波长光栅的厚度均一致；主直波导段1的宽度、锥形波导段2的左端宽度、两个过渡直波导段3的宽度、两个圆弧波导段4的宽度均一致；锥形波导段2的右端宽度等于两个过渡直波导段3的宽度与耦合狭缝的宽度之和。
30.主直波导段1的厚度、锥形波导段2的厚度、两个过渡直波导段3的厚度、两个圆弧波导段4的厚度、亚波长光栅的厚度均为190nm~250nm；锥形波导段2的长度大于等于2μm；两个过渡直波导段3的长度均为0.95μm~1.05μm；两个圆弧波导段4的内径均大于5μm；亚波长光栅的周期为100nm~300nm；亚波长光栅的栅条5个数为4~6。
31.该集成硅基y波导是基于soi平台加工而成的。
32.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
技术特征：1.一种大带宽、低损耗的集成硅基y波导，其特征在于：包括呈横向设置的主直波导段（1）；主直波导段（1）的右端延伸设置有左窄右宽的锥形波导段（2）；锥形波导段（2）的右端延伸设置有两个过渡直波导段（3），且两个过渡直波导段（3）呈前后对称分布；两个过渡直波导段（3）之间形成有耦合狭缝；两个过渡直波导段（3）的右端各延伸设置有一个圆弧波导段（4），且两个圆弧波导段（4）呈前后对称分布；耦合狭缝内填充有亚波长光栅，且亚波长光栅的各个栅条（5）均呈纵向设置；主直波导段（1）的厚度、锥形波导段（2）的厚度、两个过渡直波导段（3）的厚度、两个圆弧波导段（4）的厚度、亚波长光栅的厚度均一致；主直波导段（1）的宽度、锥形波导段（2）的左端宽度、两个过渡直波导段（3）的宽度、两个圆弧波导段（4）的宽度均一致；锥形波导段（2）的右端宽度等于两个过渡直波导段（3）的宽度与耦合狭缝的宽度之和。2.根据权利要求1所述的一种大带宽、低损耗的集成硅基y波导，其特征在于：主直波导段（1）的厚度、锥形波导段（2）的厚度、两个过渡直波导段（3）的厚度、两个圆弧波导段（4）的厚度、亚波长光栅的厚度均为190nm~250nm；锥形波导段（2）的长度大于等于2μm；两个过渡直波导段（3）的长度均为0.95μm~1.05μm；两个圆弧波导段（4）的内径均大于5μm；亚波长光栅的周期为100nm~300nm；亚波长光栅的栅条（5）个数为4~6。3.根据权利要求1所述的一种大带宽、低损耗的集成硅基y波导，其特征在于：该集成硅基y波导是基于soi平台加工而成的。
技术总结本发明涉及集成硅基Y波导，具体是一种大带宽、低损耗的集成硅基Y波导。本发明解决了现有集成硅基Y波导带宽小、损耗高、加工误差敏感度高的问题。一种大带宽、低损耗的集成硅基Y波导，包括呈横向设置的主直波导段；主直波导段的右端延伸设置有左窄右宽的锥形波导段；锥形波导段的右端延伸设置有两个过渡直波导段，且两个过渡直波导段呈前后对称分布；两个过渡直波导段之间形成有耦合狭缝；两个过渡直波导段的右端各延伸设置有一个圆弧波导段，且两个圆弧波导段呈前后对称分布；耦合狭缝内填充有亚波长光栅，且亚波长光栅的各个栅条均呈纵向设置。本发明适用于光通信、光传感领域。光传感领域。光传感领域。
技术研发人员：周彦汝 尹程玉 刘文耀 邢恩博 唐军 刘俊
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2022.03.31
技术公布日：2022/7/5
