一種硅基光分束器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于集成光子器件領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于實現(xiàn)光功率分束的硅基超材料器件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球信息交流的指數(shù)增長，對通信系統(tǒng)高速率大容量要求越來越高，光互聯(lián)技術(shù)是現(xiàn)今最有潛力克服通信網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸的途徑，同時光學器件的高度集成化正成為大勢所趨。硅基光學器件具有高度集成化以及能和C0MS平臺兼容的特性，正受到越來越多的關(guān)注。如何在減少器件尺寸同時依然保有高性能，一直是硅基光子領(lǐng)域的一項重大挑戰(zhàn)。50:50光功率分束器作為一種重要的光學元件，廣泛應(yīng)用于各類光學系統(tǒng)中，它對端口功率一致性、波長無關(guān)性、低損耗特性等都有相當高的要求。
[0003]目前常規(guī)的硅基光功率分束器的實現(xiàn)，主要是通過Y分支、多模分束器(MMI)以及方向耦合器(DC)等結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。對Y分支而言，器件需要一段較長的模式擴展區(qū)。對MMI結(jié)構(gòu)而言，通常都需要在輸入/輸出端加入錐形波導以減小器件插損，這也相當于增加了器件尺寸。而對DC結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)特性，它的尺寸無法做到很小，并且波長無關(guān)性較差。通過引入表面等離子體波導(SPW)結(jié)構(gòu)可以有效減小器件尺寸，然而SPW結(jié)構(gòu)本身具有損耗大的特點，同時金屬材料的引入會增加工藝的復雜性。
[0004]另外，還有通過引入亞波長光柵(SWG)結(jié)構(gòu)來減小器件尺寸的案例，SWG的主要原理是:亞波長尺寸的折射率變化可以使光波不受散射損耗的影響，因此，對光波而言SWG相當于一種等效材料，其折射率介于組成SWG的兩種材料(通常為硅和空氣)之間。SWG結(jié)構(gòu)主要包括寬度在80nm左右的均勻的周期性長條形陣列，其制造過程對工藝精度的要求很高，實現(xiàn)起來十分困難。另一方面，平板光子晶體(PhC)器件的制造工藝已經(jīng)十分完善，使用電子束刻蝕(EBL)與電感耦合等離子體(ICP)工藝在絕緣體上硅(SOI)上打孔，直徑最小可達80nm以下，且均勻性良好，但傳統(tǒng)的PhC因波導邊緣和孔內(nèi)部所得的電子束劑量不同，在一次性刻蝕中，其深度不同(孔深度小于波導邊緣的深度)，因此波導區(qū)和PhC區(qū)通常采用套刻工藝完成。綜上，采用打孔工藝制作亞波長結(jié)構(gòu)在工藝上更為可行，另外若能考慮到孔深度對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，則可以使用一次性刻蝕完成器件的制作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的50:50光功率分束器工作寬帶窄，端口一致性差，損耗高，本發(fā)明的目的在于解決以上技術(shù)問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種硅基超材料光分束器，其特征在于:所述分束器包括基片，所述基片包括一個輸入波導和兩個輸出波導，在所述輸入波導和輸出波導之間具有NXN個同等大小的像素塊組成的耦合區(qū)域；
[0007]通過對所述像素塊進行打孔，形成一個滿足預(yù)定輸出目標的打孔陣列，所述輸出目標是指輸入光波導與輸出光波導功率之比。
[0008]優(yōu)選地，所述輸入波導和所述輸出波導的寬度為500nm ；
[0009]優(yōu)選地，所述輸出波導的間隔為1 μ m ;
[0010]優(yōu)選地，所述孔直徑為90nm，深度為200nmo
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種硅基超材料光分束器的制造方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0012](1)采用SOI基片，在所述基片上形成一個輸入波導和兩個輸出波導；
[0013](2)在所述基片上，將所述輸入波導和所述輸出波導之間的耦合區(qū)域分割為NXN個同等大小的像素塊，每個所述像素塊具有中心軸對稱分布的隨機初始狀態(tài)，所述初始狀態(tài)為中心打孔或不打孔；
[0014](3)根據(jù)輸出目標，利用優(yōu)化算法，不斷改變每一個所述像素的刻蝕狀態(tài)，并計算新的輸出光譜，若新的輸出光譜比原輸出光譜更接近目標輸出，則保留改變后的狀態(tài)；
[0015](4)經(jīng)過多次迭代后，將得到一個最優(yōu)的亞波長空氣孔陣列分布。
[0016]優(yōu)選地，所述輸入波導和所述輸出波導的寬度為500nm ；
[0017]優(yōu)選地，所述輸出波導的間隔為1 μπι ;
[0018]優(yōu)選地，所述孔直徑為90nm，深度為200nm。
[0019]通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具備以下有益效果:
[0020](1)本發(fā)明的分束器的工作帶寬極寬(至少在1520nm?1580nm波長范圍內(nèi)為波長無關(guān))，端口一致性佳，各端口附加損耗在ldB以下，器件尺寸極小(可達
2.4 μ mX 2.4 μ m 以下)；
[0021](2)亞波長尺寸的空氣孔陣列的排布可以等效為一種非均勻緩變的折射率分布區(qū)域，可以同時對不同的波長進行引導，從而使得不同的波長都能夠達到在輸出端口有效輸出的目的，進而實現(xiàn)了大工作帶寬的目的。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明器件俯視示意圖，包括一根輸入波導，兩根輸出波導，一個方形偶合區(qū)及內(nèi)部空氣孔孔陣列，黑色部分為硅材料，白色部分為空氣材料；
[0023]圖2為本發(fā)明優(yōu)化初值及相應(yīng)結(jié)果俯視示意圖，(a-c)為不同的初始空氣孔陣列，采用的初始分布均為中心軸對稱分布，(d_f)為分別與(a-c)對應(yīng)的優(yōu)化所得的最優(yōu)空氣孔陣列；
[0024]圖3為本發(fā)明與圖2 (d)對應(yīng)空氣孔陣列對應(yīng)的仿真所得光場分布示意圖，灰度表不光場分布的強弱；
[0025]圖4為本發(fā)明圖2 (d)所示最優(yōu)空氣孔陣列一致的樣片的測試結(jié)果，黑線與灰線分別代表兩個端口的輸出插損，在1520nm?1580nm波段內(nèi)均小于4dB，即各端口附加損耗小于 ldB。
【具體實施方式】
[0026]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0027]本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)包括一根輸入波導，兩根輸出波導，以及一個方形的偶合區(qū)，耦合區(qū)內(nèi)包括亞波長尺寸的空氣孔陣列結(jié)構(gòu)。入射光通過輸入波導進入偶合區(qū)，然后分為