InP基模斑转换器、模斑转换结构及制备方法

本发明涉及光集成器件领域，特别涉及inp基模斑转换器、模斑转换结构及制备方法。

背景技术：

光通信技术的快速发展，极大地推进大容量、高速、低损耗的通信方式，世界各国都加强对光集成器件的研制和开发，各类光集成器件的研发是否能够走出实验室，走向实用化，服务通信技术，其关键技术在于实现光纤和波导的高效耦合。inxga1-xasyp1-y材料，其带隙波长覆盖1um-1.6um，满足光纤低损耗、低色散窗口的1.55um，1.31um通讯波段，并且是直接带隙材料，具有优良器件性能。

针对长距离通信的单模光纤，其模场直径(mfd)为9.2±0.4um@1310nm；10.4±0.5um@1550；而一般脊型单模波导尺寸在2um左右，因此波导与光纤的模场尺寸存在严重的不匹配性，这是波导与光纤耦合插入损耗的最大来源。一般可以通过对光纤进行拉尾锥处理，使得出射光纤的模场与波导尺寸匹配，实现较高的耦合效率。但是，对光纤尾椎处理工艺复杂，并且在封装对准方面，极其困难，不适合大量生产。另一种方式，首先通过设计与光纤尺寸匹配的稀释波导(dilutedwaveguide，dw)层，实现高效的端面耦合效率，再通过设计一段模斑转换器(spotsizeconverter，ssc)将dw波导的大尺寸模场转换为脊型波导所匹配的模场。

模斑转换器的几何结构分为水平锥形、垂直锥形(1ateraltaper；verticaltaper)。水平锥形，通过设计一层或两层结构实现模斑转换，一般需要经过两次或多次的对接工艺生长，并且模场传输损耗在不同器件的端面较大。垂直锥形因为具有一次外延工艺生长，模场传输损耗较小。目前，针对垂直锥形，一般采用单一材料组分的inxga1-xasyp1-y，通过1mm左右绝热传输实现较高的耦合效率，所需要的尺寸较大，增加封装成本。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供inp基模斑转换器、模斑转换结构及制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的第一方面，提供了一种inp基模斑转换器，包括：两层或多层不同组分的inxga1-xasyp1-y层，形成垂直锥形结构，其中，x满足0＜x＜1，y满足0＜y＜1，各inxga1-xasyp1-y层具有沿第一方向渐变的折射率分布，所述第一方向为沿所述模斑转换器的模斑尺寸减小的厚度方向。

作为本发明的第二方面，提供了一种如上所述的inp基模斑转换器的制备方法，包括：依次形成两层或多层inxga1-xasyp1-y层，以得到垂直锥形结构。

作为本发明的第三方面，还提出了一种模斑转换结构，包括：衬底；inp缓冲层，形成于所述衬底上；由inxga1-xasyp1-y层和inp层交替排列的稀释波导层，形成于所述inp缓冲层上；如上所述的inp基模斑转换器，形成于所述稀释波导层的inp层上；其中，所述inp基模斑转换器中与稀释波导层相接的inxga1-xasyp1-y层和所述稀释波导层中的inxga1-xasyp1-y层的组分相同。

作为本发明的第四方面，还提出了如上所述的模斑转换结构的制备方法，包括：在衬底的一表面形成inp缓冲层；在所述inp缓冲层上形成由inxga1-xasyp1-y层和inp层交替排列的稀释波导层；在所述稀释波导层上形成inp基模斑转换器。

从上述技术方案可以看出，本发明的inp基模斑转换器、模斑转换结构及制备方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)相比已有的模斑转换材料组分的波导，本发明通过生长多层折射率渐变组分的模斑转换器，使得整个模斑转换效率高、所需尺寸减小；并且利用inp材料体系单片集成优势，实现紧凑型、高集成波导器件，降低封装成本。

(2)本发明提供了基于前述模斑转换器的模斑转换结构，光纤从稀释波导(dw)耦合进入模斑转换器(ssc)，通过优化的模斑转换器(ssc)结构，将稀释波导(dw)中尺寸较大的模场逐渐转换为脊型波导匹配的模场，实现高效率、紧凑型波导器件设计。

附图说明

图1为本发明实施例模斑转换结构侧面示意图；

图2为本发明实施例模斑转换结构正面示意图；

图3为本发明实施例模斑转换结构采用不同组分材料的模斑转换器转换效率与器件长度关系曲线图。

具体实施方式

在实现本发明的过程中发现，可制备多层折射率渐变组分的inxga1-xasyp1-y模斑转换器(ssc)，实现小尺寸高效率的模斑转换，实现紧凑耦合波导器件，降低封装成本。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

根据本发明的实施例，提供了一种inp基ssc，包括：两层或多层不同组分的inxga1-xasyp1-y层，形成垂直锥形结构，其中，x满足0＜x＜1，y满足0＜y＜1，各inxga1-xasyp1-y层具有沿第一方向渐变的折射率分布，所述第一方向为沿所述模斑转换器的模斑尺寸减小的厚度方向。通过生长多层折射率渐变组分的模斑转换器，利用模耦合理论使得整个模斑转换效率高、所需尺寸减小。

根据本发明的实施例，x和y同时满足，根据四元化合物inxga1-xasyp1-y禁带宽度计算公式eg＝1.35+0.668x-1.068y+0.758x²+0.078y²-0.069xy-0.322x²y+0.03xy²，该四元化合物与inp晶格匹配时，x和y满足利用x、y值计算材料组分的变化关系，调整厚度方向材料折射率，控制ssc材料的生长。

根据本发明的实施例，各inxga1-xasyp1-y层的折射率沿第一方向依次线性渐变增加或者平方渐变增加。整个ssc的各inxga1-xasyp1-y层的折射率渐变分布满足在第一方向(h方向)呈现：(1)线性增加分布：n(h)＝n0+ah；(2)平方增加分布：n(h)＝n0+a(h-b)²。其中n0为沿第一方向的第一层inxga1-xasyp1-y层对应的折射率，n(h)为工作波段内第h层inxga1-xasyp1-y层对应的截止折射率。a、b为常数。

根据本发明的实施例，所述模斑转换器包括两层折射率呈线性渐变增加的inxga1-xasyp1-y层，且沿第一方向上的两层inxga1-xasyp1-y层的厚度比值为3∶1。

根据本发明的实施例，所述模斑转换器包括三层折射率呈平方渐变增加的inxga1-xasyp1-y层，且沿第一方向上的三层inxga1-xasyp1-y层的厚度比值为63∶11∶10。根据本发明的实施例，所述模斑转换器的厚度优选为大于500nm；更优选为840nm。

根据本发明的实施例，提供了一种上述inp基ssc的制备方法，包括：依次形成两层或多层inxga1-xasyp1-y层，以得到垂直锥形结构。

根据本发明的实施例，所述inxga1-xasyp1-y层是通过有机金属化学气相沉积形成。利用有机金属化学气相沉积的方法更容易制备inxga1-xasyp1-y层。

根据本发明的实施例，提供一种模斑转换结构，包括：衬底；inp缓冲层，形成于所述衬底上；由inxga1-xasyp1-y层和inp层交替排列的稀释波导层，形成于所述inp缓冲层上；上述inp基ssc，形成于所述稀释波导(dw)层的inp层上；其中，所述inp基ssc中与dw层相接的inxga1-xasyp1-y层和dw的inxga1-xasyp1-y层的组分相同。

光经过单模光纤，以较大模斑尺寸耦合进入dw层，经过一段距离稳定传输后，进入由dw和ssc组成的耦合波导，由超模理论可知，在耦合波导同时会激发出偶模和基模，由于偶模和基模有效折射率会随着inxga1-xasyp1-y折射率变化而改变，通过调整ssc的材料组分比，使得inxga1-xasyp1-y层具有沿厚度方向渐变折射率分布。因此，利用ssc几何尺寸的渐变性，将dw中尺寸较大的模场逐渐转换为脊型波导所匹配的模场，同时针对垂直锥形的ssc的外形形貌进行优化，提高转换效率。

根据本发明的实施例，所述模斑转换结构还包括在inp基模斑转换器上形成的脊型波导层，所述脊型波导层的组分与所述稀释波导层中的inxga1-xasyp1-y层的组分相同，由此可以降低脊型波导与稀释波导有效折射率差值，降低ssc设计的难度。

根据本发明的实施例，所述稀释波导层采用常规技术手段制备。

根据本发明的实施例，衬底为inp。利用inp材料体系单片集成优势，实现紧凑型、高集成波导器件，降低封装成本。

根据本发明的实施例，inp基ssc的有效折射率在dw层的inxga1-xasyp1-y层折射率和所述模斑转换结构所用工作波段的截止折射率之间。由此首先，保证所选取的折射率满足工作波长截止折射率，降低光斑在波导传输的损耗，其次，选取dw层inxga1-xasyp1-y层折射率作为起始值，降低了脊型波导与dw有效折射率差值，降低模斑转换结构设计难度。

根据本发明的实施例，还提供了一种上述模斑转换结构的制备方法，包括：在衬底的一表面形成inp缓冲层；在所述inp缓冲层上形成由inxga1-xasyp1-y层和inp层交替排列的dw层；在所述dw层上形成inp基ssc。

根据本发明的实施例，各功能层可以通过有机金属化学气相沉积等常规方法形成。

以下列举具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。

对比例1

一种模斑转换结构，自下而上依次包括：inp衬底、inp缓冲层、dw层、inp基ssc和脊型波导，其中，ssc为单一组分的inxga1-xasyp1-y，其光致发光谱峰值q为1.06，脊型波导的光致发光谱峰值q为1.06。在1550nm波段，对这种模斑转换结构进行光场模斑转换效率的数值仿真，仿真结果如图3所示。

实施例1

如图1至3所示，一种模斑转换结构，自下而上依次包括：inp衬底、inp缓冲层、dw层、inp基ssc和脊型波导，其中，ssc为采用两层折射率线性渐变增加的inxga1-xasyp1-y，各inxga1-xasyp1-y层从下到上依次为：光致发光谱峰值q为1.06，厚度630nm，折射率为n1＝3.268；光致发光谱峰值q为1.15，厚度210nm，折射率为n2＝3.304。脊型波导材料的光致发光谱峰值q为1.06。在1550nm波段，对这种模斑转换结构进行光场模斑转换效率的数值仿真，仿真结果如图3所示。

实施例2

如图1至3所示，一种模斑转换结构，自下而上依次包括：inp衬底、inp缓冲层、dw层、inp基ssc和脊型波导，其中，ssc为采用三层折射率平方渐变增加inxga1-xasyp1-y，从下到上依次为光致发光谱峰值q为1.06，厚度630nm，折射率为n1＝3.268；光致发光谱峰值q为1.15，厚度110nm，折射率n2＝3.304；光致发光谱峰值q为1.06，厚度100nm折射率为n1＝3.268。脊型波导材料的光致发光谱峰值q为1.06。在1550nm波段，对这种模斑转换结构进行光场模斑转换效率的数值仿真，仿真结果如图3所示。

整个模斑转换结束后，将通过一段单模脊型波导的稳定传输，脊型单模波导由dw对应的inxga1-xasyp1-y材料组成，完成dw的多模到单模的模斑尺寸稳定转换。并且利用inp材料厚度生长的可控性，通过多层材料组分的生长，工艺可行，并缩短模斑尺寸几何结构。

如图3所示，以完成dw基模转换效率80％为基准，其中采用a方案需要724.25um，b方案只需要676.25um，c方案需要696.5um，整个器件长度在材料优化后，在相同的几何尺寸不变的情况下(宽度和高度)，所需纵向尺寸分别缩小65um，27um，均可以达到相同的模斑转换效率。因此，采用折射率渐变的模斑转换结构，在不损耗较高转换效率的同时，可以对器件结构尺寸进行缩小，这对高度集成器件，降低封装成本方面具有很大意义。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。