一种双线性刻蚀因子的变迹E形光栅耦合器

本发明涉及硅基光子学领域的一种光耦合器，尤其是涉及一种双线性刻蚀因子的变迹e形光栅耦合器。

背景技术：

1、在光通信领域，为了满足人们对光器件速率的更高需求，降低光波导和单模光纤之间的耦合损耗显得尤为重要。目前，主流的两种方法分别是端面耦合和光栅耦合。端面耦合采用锥形透镜光纤，其作用是减小光纤的模斑，从而增大两者的重叠积分，进而提高耦合效率。而光栅耦合则是通过精确设计光栅的周期、刻蚀深度、刻蚀因子等参数，使在波导中传输的光经过光栅衍射后耦合入光纤。与端面耦合器件相比，光栅耦合器的优势在于可以在芯片的任意位置进行耦合，无需复杂的后处理，对准容差较高。然而，光栅耦合器目前仍存在一些问题，如耦合损耗较大以及带宽较窄等。

2、目前行业中针对光栅耦合器已经有了很多优化设计。针对光栅耦合器的水平结构的优化，例如daniel b等l-shaped fiber-chip grating couplers with highdirectionality and low reflectivity fabricated with deep-uv lithography，optics letters,2017,42(17):3439-3442，文中展示了双刻蚀l型光栅耦合器，通过改变光栅的周期和深度，来实现较高的耦合效率，但提出的l型双刻蚀结构3db带宽较窄，仅为62nm。

3、研究人员通过与亚波长结构结合提升光栅耦合器性能，例如benedikovic d等sub-decibel silicon grating couplers based on l-shaped waveguides andengineered subwavelength metamaterials，optics express,2019,27(18):26239-26250，文中将l型结构与亚波长结构相结合达到了较高的耦合效率，但是并为考虑生产实现和最小线宽问题。

4、研究人员通过对光栅耦合器光栅部分进行变迹设计，增加光波传输的方向性，例如kang s等high-efficiency chirped grating couplers on lithium niobate oninsulator，optics letters,2020,45(24):6651，文中提出了刻蚀因子线性变化的变迹光栅，来提高光栅衍射模斑和单模光纤模斑的重叠积分，但是设计中采用的铌酸锂晶体中制备的光波导材料损耗较大，传输距离短，且不易于与外部进行集成并且引入了金属反射层使整个成本提高。

5、针对光栅耦合器的垂直结构的优化，例如zhang h等efficient silicon nitridegrating coupler with distributed bragg reflectors，optics letters,2014,22(18):21800-5，设计中在耦合器soi结构底部采用高折射率和低折射率材料交替沉积形成dbr底部反射器，减小底部的泄露损耗，提高耦合效率。在进行光栅耦合器设计时，还可借鉴天线结构的设计对光栅结构进行优化。

6、经过检索，中国发明专利公开号cn 114924352 b公开了一种用于光纤和混合表面等离子体波导耦合的变迹光栅耦合器。硅基混合表面等离子体波导、两级锥形模式转换器和变迹耦合光栅均由从上到下层叠布置的覆盖层、硅层、氧化层、金属衬底层和硅基底构成，硅基混合表面等离子体波导与两级锥形模式转换器的输出端连接，两级锥形模式转换器的输入端与变迹耦合光栅连接。该现有专利存在耦合损耗较大的问题。

7、如何实现耦合损耗小的宽带光栅耦合器，成为需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双线性刻蚀因子的变迹e形光栅耦合器。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、根据本发明的一个方面，提供了一种双线性刻蚀因子的变迹e形光栅耦合器，该耦合器包括硅基波导和锥形模式转换器，所述耦合器包括e形光栅结构的衍射单元层；

4、所述e形光栅结构的衍射单元层包括沿竖直方向设置的耦合光栅层、氧化物下包层和底部反射层；

5、所述耦合光栅层沿水平方向包括均匀e形耦合光栅，以及双线性刻蚀因子的变迹e形光栅；

6、所述硅基波导与锥形模式转换器的输出端连接，所述锥形模式转换器的输入端与变迹e形光栅连接。

7、优选地，所述底部反射层采用四层布拉格底部反射镜的结构设计，包括竖直方向依次邻接的第一底部反射层、第二底部反射层、第三底部反射层和第四底部反射层，并采用硅薄层与二氧化硅薄层交替沉积。

8、更加优选地，所述的光栅耦合器还包括覆盖层；

9、所述双线性刻蚀因子的变迹e形光栅和均匀e形耦合光栅完全包埋在覆盖层的下方，且位于氧化物下包层的上方。

10、更加优选地，所述硅基波导和锥形模式转换器的材质与衍射单元层的材质一致；

11、所述硅基波导和锥形模式转换器在耦合光栅层的高度均等于耦合光栅层的高度。

12、更加优选地，所述覆盖层为空气或二氧化硅。

13、更加优选地，所述的光栅耦合器还包括硅衬底层；

14、所述底部反射层沉积在氧化物下包层与硅衬底层之间。

15、更加优选地，所述覆盖层、耦合光栅层、氧化物下包层、底部反射层以及硅衬底层的材质为硅和二氧化硅交替使用，即覆盖层、氧化物下包层、第二底部反射层和第四底部反射层的材质为二氧化硅，耦合光栅层、第一底部反射层、第三底部反射层和硅衬底层的材质为硅。

16、优选地，所述变迹e形光栅包括全刻蚀槽线性变迹与浅刻蚀槽线性变迹；

17、所述全刻蚀槽线性变迹为衍射单元结构内全刻蚀槽宽度在传输方向上随位置呈线性变化；

18、所述浅刻蚀槽线性变迹为在e形光栅内浅刻蚀槽总长度一定，左浅刻蚀槽的宽度在传输方向上随位置呈线性变化；

19、所述均匀e形耦合光栅所在区域的e形单元光栅结构拥有相同的宽度和周期。

20、更加优选地，所述变迹e形光栅和均匀e形耦合光栅的左右光栅立柱高度相等，中间光栅立柱的高度与左右光栅立柱的高度之比大于等于阈值。

21、更加优选地，所述变迹e形光栅的刻蚀因子线性变化趋势的计算具体为：

22、对于整个e形光栅单元结构部分，假设全刻蚀槽宽度为w，周期为λ，将全刻蚀槽刻蚀因子ff定义为全刻蚀槽宽度w与单元总长度λ之比：

23、

24、将e形光栅左浅刻蚀槽刻蚀因子lf定义为左浅刻蚀槽的宽度wleft与浅刻蚀总宽度wlow之比，

25、

26、

27、其中，wlow＝wleft+wright，wright为右浅刻蚀槽的宽度；

28、可以通过刻蚀因子线性变化，减弱前几个周期对于光的衍射作用，使得向上衍射的模斑更加接近高斯型，刻蚀因子线性变化趋势如下式：

29、ffi＝ff1+r*i

30、lfj＝lf1+rinner*j

31、其中，ff1为第一个衍射单元的全刻蚀因子，r为全刻蚀槽线性变化因子，i为衍射单元编号，ffi为第i个衍射单元的全刻蚀因子；lf1为第一个衍射单元左浅刻蚀槽刻蚀因子，rinner为左浅刻蚀槽线性变化因子，j为衍射单元编号，lfj为第i个衍射单元左浅刻蚀槽刻蚀因子。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

33、1)本发明的光栅结构层集成了双线性刻蚀因子变迹技术，该光栅层由变迹光栅和均匀光栅两个区域组成，内部变迹的e形光栅结构具有两个线性变化的刻蚀因子，通过分步刻蚀长条光栅内部形成侧面截图像“e”型挖槽结构进行线性调控，在传播过程中形成新的次级波源并进行叠加形成新的波前，增加器件传播方向上的指向性，使得光波在耦合过程中经历了更多的光学调控，并减小耦合模场不匹配的特点，并利用切趾结构消除了光栅边模，进一步增强了耦合效果，并有效减少了不必要的损耗。

34、2)本发明在结构底部采用了4层分布式布拉格底部反射镜结构，布拉格底部反射镜结构使向下泄露的光波得到再一次反射，从而减小了向下的泄露损耗；同时，该种e形光栅耦合器可采用常规的微纳加工技术进行制造。

35、3)本发明的光栅耦合器为集成底部反射层和双线性刻蚀因子的变迹e形光栅耦合器，与传统的单线性刻蚀因子的变迹e形光栅相比，该发明应用到高速光通信网络中时，能够实现更宽带宽和更高的耦合效率，不仅解决了光栅耦合器的带宽和损耗问题，还在较大带宽范围内实现了高效的光栅耦合。