偏振多樣性垂直耦合光纖接口兼四路功率分束器的制造方法
【專利摘要】一種偏振多樣性的垂直耦合光纖接口兼四路功率均分器，包括：一個均勻對稱二維光柵，作為光芯片和單模光纖之間的光學耦合接口以及偏振分束和偏振旋轉器，將單模光纖入射的雙偏振態(tài)的光進行偏振分束平均的分束到四個通道波導中去。四個絕熱模式轉換器，作為均勻二維光柵處的寬波導與單模波導的連接，可以實現(xiàn)無損耗的能量傳輸以及模式轉換。四個單模波導，作為四通道分光傳輸?shù)淖罱K介質，能夠實現(xiàn)光信號低損耗且以類TE偏振態(tài)單模傳輸。一個環(huán)形金屬對準標記，位于二維光柵的周圍，用于耦合測試時對單模光纖的對準，以確保光柵完成預定四通道功率均分功能。
【專利說明】偏振多樣性垂直耦合光纖接口兼四路功率分束器

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及到硅基光子學及芯片級光互連技術，尤其涉及一種偏振多樣性的垂直耦合光纖接口兼四路功率分束器。

【背景技術】
[0002]微電子技術和光纖通信技術是人類信息社會的兩大基石。近半個世紀來，隨著集成電路的發(fā)展，硅基材料和器件工藝已經非常驚人的成熟，而且隨著工藝特征尺寸的不斷縮小，集成電路的集成度也一直按照摩爾定律飛速向前發(fā)展。芯片更高的集成度帶來的不僅僅是晶體管數(shù)目的增加，更是芯片功能和處理速度的提升。例如，Intel采用的45nm工藝最新的8核微處理器Nehalem-EX的晶體管數(shù)目達到23億個。然而，隨著特征尺寸的不斷縮小和集成度的不斷增加，微電子工藝的局限性也日趨明顯。一方面是由于器件線寬的不斷減小，傳統(tǒng)的光刻加工手段已經接近極限，此外，當器件尺寸接近納米尺度時，將會引入不可期望的量子物理效應，從而導致器件失效。另一方面是由于隨著晶體管尺寸和互連線尺寸同步縮小，單個晶體管的延時和功耗越來越小，而互連線的延時和功耗卻越來越大并逐漸占據(jù)主導。在當今的處理器中，電互連引起的功耗占了整個芯片總功耗的80%以上。因此，可以看到深亞微米特征尺寸下電互連延遲和功耗的瓶頸，已經嚴重制約了芯片性能的進一步提高。片上互連迫切需要一種比電互連更高速更寬帶的互連方式。
[0003]相比微電子技術，光纖通信技術雖然起步較晚，但是其發(fā)展速度異常驚人。光纖通信具有損耗低、頻帶寬、容量大、抗電磁干擾等優(yōu)點，因此備受業(yè)內青睞。從1980年到2000年的20年間，光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量增加了一萬倍，傳輸速度提高了大約100倍，給人類帶來了一個無限帶寬的高速信息載體。毫無疑問，光互連在長距離通信中優(yōu)勢是明顯的，也取得了廣泛的應用和成功，于是人們設想能否將光互連引入到芯片級尺寸來解決片上電互連的瓶頸呢？縱觀近十年來，通信方式已經在從傳統(tǒng)的電互連到光互連逐步的過渡，中短距離通信中，目前雖然是電互連為主，但光互連已經有逐步滲透的趨勢。目前光互連尚未涉足的領域就是片間以及片內的通信。從兩種互連方式比較而言，光互連有明顯的優(yōu)勢，其高帶寬、低能耗、延遲小、抗電磁干擾的優(yōu)點是芯片內銅互連線所無法比擬的。因此，研究芯片級的光子技術并使其與世界上最為成熟廉價的硅CMOS工藝兼容，對于實現(xiàn)片上光互連和解決微電子芯片的性能瓶頸具有十分重要的意義和價值。
[0004]光柵耦合器是片上光互連研究的一個重要器件。它作為一種芯片和片外光源的接口，目前主要是基于單模光纖耦合的研究。它具有大的對準容差能力、可以隨意放置、易于實現(xiàn)片上測試、無需端面拋光等優(yōu)點，因此被認為是一種很有用的片上耦合器件。然而，一維光柵由于其較強的雙折射特性，使得對于光的偏振態(tài)較為敏感，通常情況下只能實現(xiàn)單一偏振態(tài)的光耦合，大大限制了光柵耦合器在偏振無關系統(tǒng)中的應用。于是人們將目光投向了二維光柵，通過優(yōu)化設計和光纖傾斜角度的精確控制，可以實現(xiàn)較高效率的偏振多樣性的耦合。然而這種耦合方式會帶來幾個缺點。第一，較為繁瑣復雜的設計工作；第二，對于光纖的傾斜角度較為敏感，而精確的控制光纖角度不僅耗時而且也絕非易事；第三，光纖角度的傾斜意味著光纖中兩個正交的偏振態(tài)必然有一個脫離與芯片平行的平面，這就使得兩個偏振態(tài)的光耦合效率存在差異，這樣在后面的復雜PIC線路中就需要特殊的偏振補償手段來實現(xiàn)真正的偏振無關工作。本發(fā)明通過采用均勻對稱二維光柵來實現(xiàn)偏振多樣性耦合，同時由于對稱性，該二維光柵還兼具了四路功率分束器的功能，其中上下波導的光功率相等，左右波導中的光功率相等。該發(fā)明實現(xiàn)了東南西北四路信號分束，消除了繁多的分束器的使用，降低了 Pic線路的復雜度；此外可以實現(xiàn)芯片上不同區(qū)域同時供光，減輕了片上光信號路由的壓力，有望在未來的片上光互連網(wǎng)絡中取得重要應用。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種偏振多樣性的垂直I禹合光纖接口兼四路功率分束器，其具有偏振多樣性的耦合功能，可以實現(xiàn)光纖完全垂直耦合，同時還兼具四路功率分束的功能。此外，該發(fā)明可以實現(xiàn)在SOI襯底上，其制作工藝完全可以與CMOS工藝兼容，便于大規(guī)模生產和與電路集成。
[0006]本發(fā)明提供一種偏振多樣性的垂直I禹合光纖接口兼四路功率分束器，包括:
[0007]—個均勻對稱二維光柵2，作為光芯片和單模光纖I之間的光學耦合接口以及四通道功率分束器。
[0008]四個絕熱模式轉換器3，作為均勻二維光柵2處的寬波導與單模波導4的連接，可以實現(xiàn)無損耗的能量傳輸以及模式轉換。
[0009]四個單模波導4，作為四通道分光傳輸?shù)淖罱K介質，能夠實現(xiàn)光信號的低損耗單模傳輸。
[0010]一個環(huán)形金屬對準標記5，位于二維光柵2的周圍，用于耦合測試時對單模光纖I的對準。
[0011]由上面的分析可知，該器件可以完成偏振多樣性的完全垂直耦合功能，同時又可以實現(xiàn)光入射信號的四路分束，有望在未來片上光互連網(wǎng)絡中取得重要應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖對本發(fā)明進一步詳細說明，其中:
[0013]圖1是本發(fā)明的具體實施例立體結構及原理示意圖
[0014]圖2是本圖1中A-A^ 二維光柵的耦合截面示意圖

【具體實施方式】
[0015]由于本發(fā)明是基于SOI襯底材料設計的器件，對于不同的埋氧層厚度和頂層硅厚度，為達到功能要求相應的最佳設計也不同，因此為了方便進行敘述，本發(fā)明襯底材料默認為具體實施參數(shù)，即埋氧層厚度為2 μ m，頂層硅厚度為220nm。
[0016]圖1為本發(fā)明的采用孔陣列二維光柵結構的具體實施例三維結構示意圖，參閱該圖可見，本發(fā)明提供一種偏振多樣性的垂直耦合光纖接口兼四路功率分束器，包括:
[0017]一個均勻對稱二維光柵2，作為光芯片和單模光纖I之間的光學耦合接口以及四通道功率分束器。
[0018]四個絕熱模式轉換器3，作為均勻二維光柵2處的寬波導與單模波導4的連接，可以實現(xiàn)無損耗的能量傳輸以及模式轉換。為了實現(xiàn)近似絕熱傳輸，在本實施例中模式轉換器3的長度設為200 μ m。
[0019]四個單模波導4，作為四通道分光傳輸?shù)淖罱K介質，能夠實現(xiàn)光信號的低損耗單模傳輸。本實施例中，單模波導可以為單模條形波導，也可以為單模脊形波導。
[0020]一個環(huán)形金屬對準標記5，位于二維光柵2的周圍，用于耦合測試時對單模光纖I的對準。其中該環(huán)形金屬對準標記5的內環(huán)直徑為125 μ m,與單模光纖包層直徑相同，該環(huán)形金屬對準標記與二維光柵同心，以保證光纖與光柵耦合器良好對準，實現(xiàn)四通道均分功能。如此可以在測試時直接將單模光纖I與金屬環(huán)形對準標記5進行對準，大大降低了測試的復雜度，提高了對準的精度，甚至可以在對準后通過紫外固化將光纖固定，從而使光源輸入像電測試里的wire bonding—樣方便。
[0021]所述的偏振多樣性的垂直耦合光纖接口兼四路功率分束器，其中采用均勻對稱的二維光柵2作為單模光纖I與光芯片的輸入接口，以實現(xiàn)完全垂直耦合，并且在單模光纖I處于二維光柵2的正中心時，將耦合進入的隨機偏振態(tài)的光進行偏振分束再進行偏振旋轉，從而實現(xiàn)四個通道中均為類TE偏振模式傳輸。進入兩個交叉方向波導的光功率取決于偏振方向，然而，上下兩路波導中的光功率應完全對等，同時左右兩路波導中的光功率也應該相等。當入射光的偏振狀態(tài)為圓偏振或者是與波導呈45度夾角的線偏振態(tài)時，此時由于對稱性，四通道中的光功率應該為完全對等。因此二維光柵2實現(xiàn)了偏振多樣性的耦合功能，同時也實現(xiàn)四通道光分束。
[0022]所述的偏振多樣性的垂直耦合光纖接口兼四路功率分束器，其中的四個光學通道呈十字交叉形狀，分別位于二維光柵2的東、南、西、北四個方向，相鄰兩個通道之間呈垂直關系。
[0023]圖2為圖1中二維光柵A-A’處截面示意圖，該二維光柵2的特點是，單模光纖I與二維光柵2絕對垂直，且處于共心；此外該二維光柵應該具有均勻的周期，并且同時在平面內兩個維度上均勻對稱。圖中均勻對稱二維光柵2上方為單模光纖I芯層和包層示意，一般普通的單模光纖芯層為直徑八到九個微米，出射模式為高斯模式，模斑直徑為10.4μ m，因此，為確保耦合效率，光柵長度應稍大，在我們的實施方案中，二維光柵2的長度為12 μ m。圖中顯示了該二維光柵的主要設計參數(shù)，其中包括光柵的刻蝕深度d，光柵的周期Λ，以及光柵的占空比FF = W/Λ。因為該二維光柵在兩個維度上均勻對稱，所以在這里我們只給出了一個維度上的光柵區(qū)域截面圖。圖中金屬環(huán)形對準標記5位于光柵的周圍和二氧化硅包層的上方。如圖所示，光纖包層的直徑正好與環(huán)內徑相同，如此，在對光纖進行對準時，便有了參照物，只要移動精度足夠，便可以實現(xiàn)上下波導和左右波導同時對等分束，器件功能得以保證，大大提高了器件測試的可靠度，同時也為光纖的精確封裝提供了便利。
[0024]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了較詳細具體的說明，所應理解的是，以上所述的僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神、思想和原則范圍內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.偏振多樣性垂直耦合光纖接口兼四路功率分束器，包括: 一個均勻對稱二維光柵2，作為光芯片和單模光纖I之間的光學耦合接口以及四通道功率分束器； 四個絕熱模式轉換器3，作為均勻二維光柵2處的寬波導與單模波導4的連接，可以實現(xiàn)無損耗的能量傳輸以及模式轉換； 四個單模波導4，作為四通道分光傳輸?shù)淖罱K介質，能夠實現(xiàn)光信號的低損耗單模傳輸。 一個環(huán)形金屬對準標記5，位于二維光柵2的周圍，用于耦合測試時對單模光纖I的對準。
2.根據(jù)權利要求1所述的偏振多樣性的垂直耦合光纖接口兼四路功率分束器，其中采用均勻對稱的二維光柵2作為單模光纖I與光芯片的輸入接口，以實現(xiàn)完全垂直耦合，并且在單模光纖I處于二維光柵2的正中心時,將稱合進入的隨機偏振態(tài)的光進行偏振分束再進行偏振旋轉，從而實現(xiàn)四個通道中均為類TE偏振模式傳輸；進入兩個交叉方向波導的光功率取決于偏振方向，然而，上下兩路波導中的光功率應完全對等，同時左右兩路波導中的光功率也應該相等；當入射光的偏振狀態(tài)為圓偏振或者是與波導呈45度夾角的線偏振態(tài)時，此時由于對稱性，四通道中的光功率應該為完全對等，因此二維光柵2實現(xiàn)了偏振多樣性的耦合功能，同時也實現(xiàn)四通道光分束。
3.根據(jù)權利要求1所述的偏振多樣性的垂直耦合光纖接口兼四路功率分束器，其中的四個光學通道呈十字交叉形狀，分別位于二維光柵2的東、南、西、北四個方向，相鄰兩個通道之間呈垂直關系。
4.根據(jù)權利要求1所述的偏振多樣性的垂直耦合光纖接口兼四路功率分束器，其中該環(huán)形金屬對準標記的內環(huán)直徑為125 μ m,與單模光纖包層直徑相同，該環(huán)形金屬對準標記與二維光柵同心，以保證光纖與光柵耦合器良好對準，實現(xiàn)上下通道和左右通道均分功能。
【文檔編號】G02B6/34GK104317004SQ201410653151
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月12日 優(yōu)先權日:2014年11月12日
【發(fā)明者】張贊允, 劉宏偉, 李鴻強, 陳力穎 申請人:天津工業(yè)大學