定向耦合器.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102790253 A (43)申请公布日 2012.11.21 C N 1 0 2 7 9 0 2 5 3 A *CN102790253A* (21)申请号 201110128183.1 (22)申请日 2011.05.18 H01P 5/18(2006.01) H01P 11/00(2006.01) (71)申请人中国科学院上海微系统与信息技术 研究所 地址 200050 上海市长宁区长宁路865号 (72)发明人王曦 杨志峰 武爱民 甘甫烷 林旭林 李浩 (74)专利代理机构上海光华专利事务所 31219 代理人李仪萍 (54) 发明名称 定向耦合器 (57)

2、摘要 一种定向耦合器，利用二维长方晶格柱状光 子晶体的自准直效应实现，属于半导体光学技术 领域。该定向耦合器通过在相邻两排硅柱的长边 中间引入一定数量、相同尺寸的耦合柱体，这样， 在一排柱体中传播的自准直光束被引入的中间柱 体耦合到另一排柱体中继续自准直传播，通过控 制中间柱体的数量可以控制两排柱体中自准直光 束传输功率的比例，从而实现相邻两排硅柱间的 光耦合。相对于传统定向耦合器，本发明提供的 光子晶体定向耦合器能够将器件耦合长度控制在 10m以内甚至更短，这使总体器件的长度极大 缩短，结构更为紧凑。同时，通过控制中间柱体的 数量可以控制两排柱体中自准直光束传输功率的 比例，能够灵活控制耦合

3、效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图6页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 6 页 1/1页 2 1.一种定向耦合器，其特征在于：其包括在SOI衬底的顶层硅上刻蚀形成，并由硅柱组 成的呈长方晶格排列的柱状光子晶体结构，相邻的两排硅柱(110、120)之间设有耦合柱体 (201)；所述耦合柱体与所述相邻的两排硅柱的柱体对齐，且其至所述相邻两排硅柱的距离 相等；所述呈长方晶格排列的长边的长度b至少为柱状光子晶体结构中硅柱半径r的四倍， 所述相邻的两排硅柱分别作为输入波导和输出波导；所述SOI衬底包括衬底

4、硅层(101)、位 于衬底硅层(101)上的二氧化硅埋层(102)以及位于该二氧化硅埋层(102)上的顶层硅 (103)。 2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱体(201)的半径和高度 与所述柱状光子晶体结构中硅柱的半径和高度相等。 3.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述柱状光子晶体结构中长方晶 格排列的长边长度b与短边长度a的比值的范围为：22.5。 4.根据权利要求3所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱体的半径r的取值范围 为：0.3ar0.5a，其中，a为柱状光子晶体结构中长方晶格排列的短边长度a。 5.根据权利要求3所述的定向耦合器，其特征在于，

5、所述耦合柱体的高度h的取值范围 为：1.5ah3a，其中，柱状光子晶体结构中长方晶格排列的长边长度b与短边长度a。 6.根据权利要求3或4或5所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱体的半径r为 0.39a，高度h为2a，所述柱状光子晶体结构长方晶格排列的短边长度a为400nm，长边长度 b、短边长度a的比值为2.4。 7.根据权利要求6所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱体的数量至少为2个。 8.根据权利要求7所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱体的数量为16个。 9.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱体及柱状光子晶体结 构的硅柱通过电子束曝光、电感耦合等离子体工

6、艺刻蚀或FIB刻蚀同步形成。 10.一种定向耦合器制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 1)制备SOI衬底； 2)在上述SOI衬底的顶层硅上刻蚀形成的呈长方晶格排列的柱状光子晶体结构； 3)在柱状光子晶体结构中相邻的两排硅柱之间形成耦合柱体(201)；所述耦合柱体与 所述相邻的两排硅柱的柱体对齐，且与所述相邻两排硅柱的距离相等；所述长方晶格排列 的长边的长度b至少为柱状光子晶体中硅柱半径r的四倍，所述相邻的两排硅柱分别作为 输入波导和输出波导。 权 利 要 求 书CN 102790253 A 1/4页 3 定向耦合器 技术领域 0001 本发明涉及一种应用于光通讯、光计算、光传感和光学测量等领

7、域的定向耦合器， 特别涉及一种基于SOI衬底的光子晶体定向耦合器结构，属于半导体光学技术领域。 背景技术 0002 传统的定向耦合器通常采用两根并行的光波导进行横向耦合，如图1所示。 0003 根据光波耦合理论，波导之间的耦合需满足耦合波方程： 0004 0005 0006 其中，K 21 和K 12 是耦合系数，a(z)是耦合波。对于多模耦合的情况，各个模式之间 都有耦合，耦合系数相应增多，方程式的数目也相应增多。 0007 根据耦合波方程，可以得到两个波导中传输的功率表达式： 0008 P 1 |a 1 (0)| 2 cos 2 z 0009 0010 由以上两式可以看出，波导中传播的功率

8、随传输距离而变化，所以，两波导之间的 耦合状况与耦合长度密切相关，在实际应用中，为实现较高的耦合效率，通常需要较长的耦 合长度，使得整体器件尺寸较大，同时，随着耦合长度的增加，两平行光波导之间的尺寸误 差及由于半导体制造工艺引入的界面粗糙带来的传输损耗，都对定向耦合器的耦合效率产 生了不利影响。 发明内容 0011 本发明要解决的技术问题是：提供一种定向耦合器结构，使耦合器的尺寸大大缩 小，并能够灵活控制耦合效率。 0012 为解决上述技术问题，本发明提供的定向耦合器基于SOI衬底的二维长方晶格柱 状光子晶体结构实现，该定向耦合器包括：输入波导，输出波导，耦合柱体。其中，柱状光子 晶体结构长方

9、晶格排列的长边长度b至少为柱状光子晶体中硅柱半径r的4倍，输入波导 和输出波导为长方晶格柱状光子晶体中相邻的两排硅柱，且输入、输出方向均沿长方晶格 短边方向；耦合柱体位于所述相邻两排硅柱中间，其在沿长方晶格长边方向与相邻的两排 硅柱的柱体对齐，且与相邻两排硅柱的距离相等。 0013 进一步的，耦合柱体的半径和高度与柱状光子晶体结构中硅柱的半径和高度分别 相等，二者的高度均为SOI衬底顶层硅的厚度。 0014 进一步的，柱状光子晶体结构长方晶格排列的长边长度b、短边长度a的比值范 围为：22.5。 说 明 书CN 102790253 A 2/4页 4 0015 进一步的，耦合柱体和柱状光子晶体结

10、构硅柱的半径r的范围为： 0.3ar0.5a。 0016 进一步的，耦合柱体和柱状光子晶体结构硅柱的高度h的范围为：1.5ah3a。 0017 更优的，耦合柱体的半径r为0.39a，高度h为2a，柱状光子晶体结构长方晶格排 列的短边长度a为400nm，长边长度b、短边长度a的比值为2.4。 0018 进一步的，耦合柱体的数量至少为2个，更优的，耦合柱体的数量至少为16个。 0019 进一步的，耦合柱体及柱状光子晶体结构的硅柱通过电子束曝光、电感耦合等离 子体工艺刻蚀或FIB刻蚀同步形成。 0020 本发明的技术效果是，利用二维长方晶格柱状光子晶体的自准直效应，通过在相 邻两排硅柱的长边中间引入

11、一定数量、相同尺寸的耦合柱体，这样，在一排柱体中传播的自 准直光束被引入的中间柱体耦合到另一排柱体中继续自准直传播，通过控制中间柱体的数 量可以控制两排柱体中自准直光束传输功率的比例，从而实现相邻两排硅柱间的光耦合。 相对于传统定向耦合器，本发明提供的光子晶体定向耦合器能够将器件耦合长度控制在 10m以内甚至更短，这使总体器件的长度极大缩短，结构更为紧凑。同时，通过控制中间柱 体的数量可以控制两排柱体中自准直光束传输功率的比例，能够灵活控制耦合效率，此外， 本发明提供的基于光子晶体结构的定向耦合器基于SOI衬底，与目前成熟的CMOS工艺兼 容，制备工艺简单成熟、成本低廉。 附图说明 0021

12、图1为传统定向耦合器结构示意图； 0022 图2为二维长方晶格柱状平板光子晶体不同取值的能带面； 0023 图3为二维长方晶格柱状平板光子晶体TE模式第二能带等频图； 0024 图4为本发明提供的定向耦合器结构示意图； 0025 图5a-5e为不同耦合柱体数量下，本发明提供的定向耦合器耦合传播情况FDTD模 拟示意图； 0026 图6为发明提供的定向耦合器侧面示意图。 0027 元件符号标注 0028 具体实施方式 说 明 书CN 102790253 A 3/4页 5 0029 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步 的详细描述。 0030 一般来说，通过在光子

13、晶体内部引入缺陷作为通道可以引导光束的传输。但是，光 子晶体还具有一个独特的性质自准直效应。基于这一效应，在光子晶体内部不需要引 入任何缺陷，光束自身就可以克服衍射发散准直向前传输。这一特性源于光子晶体的色散 关系，并且，自准直光束除了能够自动准直传输以外，还具有零交叉效应，角度不敏感效应， 对光子晶体结构精度不敏感等效应。 0031 图2为二维长方晶格柱状平板光子晶体不同取值的能带面。 0032 与正方晶格周期结构相比，长方晶格由于对称性降低而具有更多的结构参数，这 为设计和调节布里渊区能带结构提供了更多途径。为了获得对入射角度不敏感的自准直效 应，需要得到尽可能平坦的等频率线。研究表明，(

14、是长方晶格长边与短边的比值)对 能带面结构有很大影响。如图2所示，固定柱体半径为0.15a时，取不同数值时(其余 参数不变)，对称结构光子晶体的能带面。很明显，当1时，能带面是正方晶格时的情 况；随着增大，能带面在倒格子短边方向(对应实空间晶格长边方向)被压缩，同时倒格 子两端中间位置的能带面隆起，两侧中间位置的能带面凹陷；进一步增大，倒格子两端 的能带面逐渐变得平坦。当在2到2.5之间时，倒格子两端的能带面具有非常平坦的部 分，即在这种情况下具有非常平坦的等频率线。 0033 图3为是2，r0.4a，h2.05a时，在TM模式下非对称结构光子晶体第二 能带的等频图。如图3所示，归一化频率为0

15、.29c/a的等频率线非常平坦。在此情况下，即 使入射角为90，光束仍会沿着长方晶格短边方向自准直传播。 0034 基于此，如图4所示，本具体实施方式提供的定向耦合器结构包括：输入波导110， 输出波导120，耦合柱体201。其中，柱状光子晶体结构长方晶格排列的长边长度b(指硅柱 圆心之间的距离)至少为柱状光子晶体中硅柱半径r的4倍，输入波导110和输出波导120 为长方晶格柱状光子晶体中相邻的两排硅柱，且输入、输出方向均沿长方晶格短边方向；耦 合柱体201位于所述相邻两排硅柱中间，其在沿长方晶格长边方向与相邻的两排硅柱(即 输入、输出波导)的柱体对齐，且至相邻两排硅柱的距离相等。 0035

16、本具体实施方式中，耦合柱体201的半径r和高度h与柱状光子晶体结构中硅柱的 半径和高度分别相等，二者的高度h均为SOI衬底顶层硅的厚度；柱状光子晶体结构长方晶 格排列的长边长度b、短边长度a(硅柱圆心之间的距离)的比值范围为：22.5； 耦合柱体201和柱状光子晶体结构硅柱的半径r的范围为：0.3ar0.5a；耦合柱体201 和柱状光子晶体结构硅柱的高度h的范围为：1.5ah3a。如图6所示，所述SOI衬底 包括衬底硅层101、位于衬底硅层101上的二氧化硅埋层102以及位于该二氧化硅埋层102 上的顶层硅103。 0036 作为最佳实施方式，耦合柱体201的半径r为0.39a，高度h为2a，

17、柱状光子晶体 结构长方晶格排列的短边长度a为400nm，长边长度b、短边长度a的比值为2.4。 0037 可选的，耦合柱体201的数量至少为2个，作为最佳实施方式，耦合柱体201的数 量为16个。 0038 图5a至图5e为采用3D-FDTD方法对引入不同数量的中间柱体时，自准直光束传 播情况的数值模拟。数值模拟时采用的结构参数为：2.4，r0.39a，h2a，a 说 明 书CN 102790253 A 4/4页 6 400nm，传播光束为TM模式，波长为1500nm。 0039 表1 不同数量中间柱体情况下，自准直光束耦合/穿透功率比 0040 0041 表1列出了不同数量的中间柱体情况下，

18、自准直光束耦合/穿透功率比。数值实 验的结果表明，采用这种结构可以实现自准直光束的定向耦合；通过控制中间柱体的数量 可以很好的控制自准直光束的耦合/穿透功率比。 0042 本具体实施方式中，耦合柱体及柱状光子晶体结构的硅柱通过电子束曝光、电感 耦合等离子体工艺刻蚀或FIB刻蚀同步形成。 0043 本具体实施方式提供的定向耦合器结构利用二维长方晶格柱状光子晶体的自准 直效应实现，通过在相邻两排硅柱的长边中间引入一定数量、相同尺寸的耦合柱体，这样， 在一排柱体中传播的自准直光束被引入的中间柱体耦合到另一排柱体中继续自准直传播， 通过控制中间柱体的数量可以控制两排柱体中自准直光束传输功率的比例，从而

19、实现相邻 两排硅柱间的光耦合。相对于传统定向耦合器，本发明提供的光子晶体定向耦合器能够将 器件耦合长度控制在10m以内甚至更短，这使总体器件的长度极大缩短，结构更为紧凑。 同时，通过控制中间柱体的数量可以控制两排柱体中自准直光束传输功率的比例，能够灵 活控制耦合效率，此外，本发明提供的基于光子晶体结构的定向耦合器基于SOI衬底，与目 前成熟的CMOS工艺兼容，制备工艺简单成熟、成本低廉。 0044 可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以 限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下， 都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作

20、出许多可能的变动和修饰，或修改为等 同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对 以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围 内。 说 明 书CN 102790253 A 1/6页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102790253 A 2/6页 8 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102790253 A 3/6页 9 图5a 图5b 说 明 书 附 图CN 102790253 A 4/6页 10 图5c 图5d 说 明 书 附 图CN 102790253 A 10 5/6页 11 图5e 说 明 书 附 图CN 102790253 A 11 6/6页 12 图6 说 明 书 附 图CN 102790253 A 12