基于SU8三维锥形结构的高效紧凑型端面耦合器及方法

本发明属于光通信领域的一种端面耦合器，具体涉及了一种基于su8三维锥形结构的高效端面耦合器以及设计方法。

背景技术：

1、光纤到芯片的耦合器可应用于许多需要光互连的应用场景，它们是可以传输和引导光的无源器件。其工作机理主要是光波导中模式的传输和转换。一般来说，根据光纤与芯片的相对位置，光纤与芯片的耦合主要有两种方式，即垂直耦合和端面耦合。对于垂直耦合，多采用光栅耦合器，光纤垂直放置在装置上方或稍微倾斜一定角度，以保证较高的耦合效率。光栅耦合器具有一些主要优点，包括尺寸紧凑、晶圆级测试能力和灵活的耦合位置，但也存在一些缺点，例如耦合效率相对较低(通常低于3db)、带宽窄和波长灵敏度高。至于端面耦合方式，光纤通常放置在晶圆水平面并与硅波导水平对齐，通常应用端面耦合器。端面耦合器可以实现相当高的耦合效率、较宽的带宽和偏振独立性，但它们也有一些局限性，包括比光栅耦合器相对更大的占地面积、固定的耦合位置等。

2、在评估端面耦合器的性能时，器件尺寸是定义端面耦合器的一个重要参数。为了提高集成密度和降低成本，需要具有紧凑尺寸的端面耦合器件。端面耦合器通常由锥形波导组成，常见的标准单锥形结构的端面耦合器的长度大约在在几百微米，这对于大多数应用来说显然不够紧凑和高效。

3、因此，有必要在水平或垂直维度上对基本端面耦合器的结构进行改造，在保证高效率耦合的前提下，尽可能降低尺寸，实现高效紧凑型端面耦合器。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明提出了一种基于su8三维锥形结构的高效紧凑型端面耦合器以及设计方法。本发明通过压缩模斑和优化三维su8形状的方式减小端面耦合器的尺寸和提升耦合效率，并且制作方法简单，只需通过电子束曝光一次成型并显影即可完成。同时，由于三维锥形su8形状可调控，可与模斑形状不同的光源耦合，并且对偏振不敏感，适用性广泛且灵活，便于片上高效互联。

2、本发明所采用的技术方案为：

3、一、一种基于su8三维锥形结构的高效端面耦合器

4、所述端面耦合器包括三维锥形su8波导、埋氧层、衬底和锥形硅波导，埋氧层和衬底上下层叠布置，埋氧层上布设有三维锥形su8波导和锥形硅波导，三维锥形su8波导和锥形硅波导同轴布置，锥形硅波导的较小端部埋设于三维锥形su8波导的较小端部内，三维锥形su8波导的较大端部作为输入端，锥形硅波导的较大端部作为输出端。

5、所述三维锥形su8波导为关于x轴对称的结构，三维锥形su8波导的上表面由xz面内的曲线沿y轴延伸后形成，xz面内的曲线记为上表面曲线；三维锥形su8波导的左右侧表面关于x轴对称，由xy面内的曲线沿z轴延伸后形成，xy面内的曲线记为侧表面曲线。

6、所述上表面曲线和侧表面曲线的参数以及锥形硅波导的波导长度、锥形硅波导埋设于三维锥形su8波导内的波导长度均根据三维锥形su8波导的长度和两端的波导高度及波导宽度计算获得。

7、将所述三维锥形su8波导的长度和两端的波导高度及波导宽度作为粒子群优化算法的输入参数，利用优化算法求解获得上表面曲线和侧表面曲线参数以及锥形硅波导的波导长度、锥形硅波导埋设于三维锥形su8波导内的波导长度。

8、所述三维锥形su8波导是在加速电压下通过不同剂量的电子束曝光获得的，其中，从较小端部到较大端部，曝光的电子束剂量非线性增加。

9、所述锥形硅波导采用传统cmos兼容工艺制造获得。

10、所述埋氧层的材料为sio2。

11、二、一种基于su8三维锥形结构的高效端面耦合器的设计方法

12、1)根据实际的光纤尺寸确定三维锥形su8波导1的两端的波导高度以及波导宽度；

13、2)将三维锥形su8波导的长度，两端的波导高度以及宽度作为优化算法的输入参数，利用粒子群优化算法求解获得上表面曲线和侧面曲线的参数以及锥形硅波导的波导长度、锥形硅波导埋设于三维锥形su8波导内的波导长度；

14、3)在衬底上生长的埋氧层；

15、4)根据计算获得的锥形硅波导的波导长度，通过电子束曝光和电感耦合等离子体干法蚀刻工艺在埋氧层上制造锥形硅波导；

16、5)根据上表面曲线和侧表面曲线的参数以及锥形硅波导埋设于三维锥形su8波导内的波导长度，在加速电压下通过不同剂量的电子束曝光的方式在锥形硅波导和埋氧层上制造三维锥形su8波导，获得端面耦合器。

17、所述5)中，从三维锥形su8波导的较小端部到较大端部，曝光的电子束剂量非线性增加。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、1.本发明将su-8与硅波导相结合，通过压缩模斑提升耦合效率。

20、2.本发明中的三维su-8形状可调，通过在z方向将直线优化为特殊曲线线形，在y方向将直线优化为特殊曲线线形，以提升耦合效率。

21、3.本发明可以针对不同光纤优化设计端面形状。

22、4.本发明制作方法简单，只需通过不同剂量的电子束曝光一次显影成型。

23、5.本发明对偏振不敏感，可同时传输te和tm两种模式。

技术特征：

1.一种基于su8三维锥形结构的高效端面耦合器，其特征在于，所述端面耦合器包括三维锥形su8波导(1)、埋氧层(2)、衬底(3)和锥形硅波导(4)，埋氧层(2)和衬底(3)上下层叠布置，埋氧层(2)上布设有三维锥形su8波导(1)和锥形硅波导(4)，三维锥形su8波导(1)和锥形硅波导(4)同轴布置，锥形硅波导(4)的较小端部埋设于三维锥形su8波导(1)的较小端部内，三维锥形su8波导(1)的较大端部作为输入端，锥形硅波导(4)的较大端部作为输出端。

2.根据权利要求1所述的一种基于su8三维锥形结构的高效端面耦合器，其特征在于，所述三维锥形su8波导(1)为关于x轴对称的结构，三维锥形su8波导(1)的上表面由xz面内的曲线沿y轴延伸后形成，xz面内的曲线记为上表面曲线；三维锥形su8波导(1)的左右侧表面关于x轴对称，由xy面内的曲线沿z轴延伸后形成，xy面内的曲线记为侧表面曲线。

3.根据权利要求2所述的一种基于su8三维锥形结构的高效端面耦合器，其特征在于，所述上表面曲线和侧表面曲线的参数以及锥形硅波导(4)的波导长度、锥形硅波导(4)埋设于三维锥形su8波导(1)内的波导长度均根据三维锥形su8波导(1)的长度和两端的波导高度及波导宽度计算获得。

4.根据权利要求3所述的一种基于su8三维锥形结构的高效端面耦合器，其特征在于，将所述三维锥形su8波导(1)的长度和两端的波导高度及波导宽度作为优化算法的输入参数，利用优化算法求解获得上表面曲线和侧表面曲线参数以及锥形硅波导(4)的波导长度、锥形硅波导(4)埋设于三维锥形su8波导(1)内的波导长度。

5.根据权利要求1所述的一种基于su8三维锥形结构的高效端面耦合器，其特征在于，所述三维锥形su8波导(1)是在加速电压下通过不同剂量的电子束曝光获得的，其中，从较小端部到较大端部，曝光的电子束剂量非线性增加。

6.根据权利要求1所述的一种基于su8三维锥形结构的高效端面耦合器，其特征在于，所述锥形硅波导(4)采用传统cmos兼容工艺获得。

7.根据权利要求1所述的一种基于su8三维锥形结构的高效端面耦合器，其特征在于，所述埋氧层的材料为sio2。

8.根据权利要求1所述的一种基于su8三维锥形结构的高效端面耦合器的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种基于su8三维锥形结构的高效端面耦合器的设计方法，其特征在于，所述5)中，从三维锥形su8波导(1)的较小端部到较大端部，曝光的电子束剂量非线性增加。

技术总结
本发明公开了一种基于SU8三维锥形结构的高效紧凑型端面耦合器及方法。该端面耦合器包括三维锥形SU8波导和锥形硅波导。该三维锥形SU8可利用一次曝光直接制备，结合优化锥形波导轮廓的设计可提升耦合效率，压缩耦合长度。进入耦合器的光先通过三维锥形SU8压缩模斑，再通过绝热耦合进入锥形硅波导，即可与片上器件直接对接。本发明通过三维SU8锥形结构减小尺寸和提升耦合效率，并且制作方法简单，只需曝光显影，无需刻蚀工艺。同时，由于三维锥形SU8结构形状可通过曝光剂量灵活调控，方便与模斑形状不同的光源之间实现高效耦合。总之，本发明的端面耦合器集成度高，适用性广，便于芯片‑光纤或芯片间高效互联，有望推动光电集成产业的进步。

技术研发人员：张明,周宇鑫,戴道锌
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/11