1.本发明涉及光学耦合器领域，套刻具体为一种大套刻容差的容差集成光学层间耦合结构
。
背景技术：
2.随着人们日益增长的成光信息需求，与传统微电子工艺完美兼容的学层硅光在光通信领域已得到了大力发展，已实现了低成本，间耦大信息容量的合结高速光子集成模块，并广泛应用于数据中心
。套刻
为了提高集成光子系统的容差集成度，满足人们对于高通量的成光需求的同时，提高集成光子芯片的学层应用潜力，异质集成是间耦一种常用的技术
。
而实现高质量异质集成光芯片需要高耦合效率，合结高加工容差的套刻层间耦合器实现层间光信号的互联
。
3.现有的容差硅基层间耦合器均采用普通的单模拉锥波导，波导宽度小，成光光场局域范围小，导致耦合区域较小，但本领域对于套刻精度的要求比较高
,
需要尺寸较大的耦合区才能实现高效的耦合，现有技术为实际加工低损层间耦合器增加难度，不利于大面积应用
。
因此，大套刻容差的层间耦合器仍亟需开发
。
技术实现要素：
4.本发明的目的在于提供一种大套刻容差的集成光学层间耦合结构，本技术提高较大的套刻偏差，且保持较高的层间耦合效率，以解决现有的技术缺陷和不能达到的技术要求
。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大套刻容差的集成光学层间耦合结构，包括上层耦合波导和下层耦合波导，所述上层耦合波导和下层耦合波导由隔离层相隔，并反向交叠，其中：
6.所述下层耦合波导包括入射波导
、
下层转换波导和第一光栅波导，且入射波导
、
下层转换波导和第一光栅波导依次连接；
7.所述上层耦合波导包括第二光栅波导
、
上层转换波导和出射波导，且所述第二光栅波导
、
上层转换波导和出射波导依次相连；
8.所述第一光栅波导和第二光栅波导均是亚波长光栅波导
。
9.本技术通过上述上层亚波长光栅波导设计和下层亚波长光栅波导设计，使倏逝光场尺寸增大，以实现耦合区域增大的目的，且上述中的反向交叠是表示，上下层耦合波导的结构相同，但方向相反，俯视有重叠部分，但空间上并不接触
。
10.优选的，所述第一波导
(103)
为第一光栅波导，所述第二波导
(104)
为第二光栅波导
。
11.优选的，所述下层转换波导
、
第一光栅波导
、
第二光栅波导
、
上层转换波导为周期相等的亚波长光栅波导
。
12.本技术如此设置的作用为：利用亚波长光栅波导降低耦合区波导的有效折射率，使耦合区截面光场能量分布面积更大
。
13.优选的，所述下层转换波导
、
第一光栅波导
、
第二光栅波导
、
上层转换波导形成层
间耦合区，并构成亚波长光栅层间耦合结构
。
14.本技术通过上述亚波长光栅耦合区设计，使有效耦合区增大，进而实现大套刻容差的目的
。
15.优选的，所述下层转换波导和第二光栅波导禁带带宽中的较大值为
δλ
sb
，工作波长为
λ0，且二者满足如下关系：
16.λ0＞＞
δλ
sb
。
17.所述下层转换波导
、
第一光栅波导
、
第二光栅波导和上层转换波导的周期均为
250nm
，占空比均为
0.5。
18.本技术如此设置是因为在微纳加工工艺允许的范围内，采用周期为
250nm
，
0.5
占空比的光栅可满足工作波长对亚波长光栅波导的要求，实现比普通单模波导更好的低损传输
。
19.优选的，所述入射波导和出射波导均为单模波导
。
20.本技术如此设置，采用单模波导可降低高阶模式引入的串扰，提高层间耦合器的耦合效率
。
21.优选的，所述上层耦合波导和下层耦合波导为平行关系，所述上层耦合波导和下层耦合波导均为轴对称结构，且所述上层耦合波导和下层耦合波导的对称轴处于同一平面
。
22.本技术所述的上下层亚波长光栅波导根据隔离层中心点旋转
180
的形成的对称关系
。
23.所述第一光栅波导和第二光栅波导重叠部分要实现相位匹配，则要具备如下条件：
24.neff1＝
neff225.其中，
neff1为第一光栅波导位于耦合区中一点的有效折射率，
neff2为第二光栅波导与第一光栅波导在耦合区相位匹配位置的有效折射率
。
26.优选的，所述入射波导要实现相位失配，则要具备如下条件：
27.neff1＞
neff2。
28.优选的，所述出射波导要实现相位失配，则要具备如下条件：
29.neff1＜
neff2。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本技术中所有的波导光栅的周期相等且远小于布拉格光栅的禁带，将亚波长光栅波导与绝热耦合器结合，利用亚波长光栅的折射率调控作用，大大降低原有普通波导的有效折射率，增大模斑尺寸，从而提高耦合效率及对套刻工艺的容差性，即利用亚波长光栅波导增大了光在耦合区传输时模场尺寸，有利于实现高效的层间耦合器
。
附图说明
31.图1为本发明的实施例一中整体结构俯视图；
32.图2为本发明的实施例一中整体结构侧视图；
33.图3为本发明的实施例一中整体结构在耦合区截面图；
34.图4为本发明的实施例一中整体结构在耦合出射端接收到的不同模式光的透射
率；
35.图5为本发明的实施例一中整体结构在对称平面截面处的电场分布图；
36.图6为本发明的实施例一中整体结构在与对称轴垂直方向上不同套刻偏差下耦合器耦合效率与普通的绝热耦合器的耦合效率；
37.图7为本发明的实施例一中整体结构在与对称轴平行方向上不同套刻偏差下耦合器耦合效率与普通的绝热耦合器的耦合效率；
38.图8为实施例二的低加工难度的集成光学层间耦合结构的俯视图；
39.图9为实施例二的低加工难度的集成光学层间耦合结构在对称平面下的侧视图；
40.图
10
为实施例三的分段式集成光学层间耦合结构的俯视图；
41.图
11
实施例三的分段式集成光学层间耦合结构在对称平面下的侧视图；
42.图中：入射波导
101、
下层转换波导
102、
第一光栅波导
103、
第二光栅波导
104、
上层转换波导
105、
出射波导
106。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图
1-11
，对本发明实施例中的技术方案进行清楚
、
完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例
。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围
。
44.请参阅图
1-11
，本发明实施例
45.实施例1：
46.图1，2给出了实施例一的耦合器上下层结构的俯视图，图中虚线代表各自结构的对称平面，在实际的耦合器中，双层的对称是根据隔离层的中心点旋转
180
度形成的
。
图3给出了实施例一的耦合器耦合区宽度渐变的截面
。
图4给出了实施例一的耦合器出射端接收到的光的不同模式的传输谱，从图中可以看出，在
1550nm
波长范围附近，可以实现
95
％以上的耦合效率的同时保持较低的不同模式的串扰
。
图5展示了在工作波长为
1550nm
时整个结构在对称平面处截面的电场分布
。
图6展示了上下层耦合波导对称轴在垂直于对称轴方向上的偏差有
0.8
微米时，耦合器的耦合效率仍保持在
95
％左右，高于普通的绝热耦合器，满足对大套刻容差的层间耦合器的需要
。
图7展示了在工作波长为
1550nm
时，上下层耦合波导对称轴在平行于对称轴方向上的偏差在5微米以内时，耦合器的耦合效率均保持在
96
％以上，高于普通的绝热耦合器，满足对大套刻容差的层间耦合器的需要
。
47.如图
1-3
所示：一种大套刻容差的集成光学层间耦合结构，包括上层耦合波导和下层耦合波导，所述上层耦合波导和下层耦合波导由隔离层相隔，并反向交叠，其中：
48.所述下层耦合波导包括入射波导
101、
第一光栅波导
102
和第一光栅波导
103
，且入射波导
101、
下层转换波导
102
和第一光栅波导
103
依次连接；
49.所述上层耦合波导包括第二光栅波导
104、
上层转换波导
105
和出射波导
106
，且所述第二光栅波导
104、
上层转换波导
105
和出射波导
106
依次相连
50.所述第一光栅波导
103
和第二光栅波导
104
均是亚波长光栅波导
。
51.本技术通过上述上层亚波长光栅波导设计和下层亚波长光栅波导设计，使倏逝光场尺寸增大，以实现耦合区域增大的目的，且上述中的反向交叠是表示，上下层耦合波导的
结构相同，但方向相反，俯视有重叠部分，但空间上并不接触，方向相反具体为下层耦合波导以入射波导方向为准依次是入射波导
101、
第一光栅波导
102
和第一光栅波导
103
，上层耦合波导以出射波导方向为准依次是出射波导
106
，上层转换波导
105
和第二光栅波导
104
，且入射波导和出射波导的方向相反；
52.具体的上层耦合波导的材料为硫系玻璃，下层耦合波导的材料为硅基
。
53.硅凭借着高折射率，大透明窗口，成熟的加工工艺，是目前最常用的制备光学元器件材料
。
其中氮化硅由于其具有较低的双光子吸收，满足低损耗的需求
。
由于铌酸锂具有较高的非线性系数，基于其制备的调制器具有更高的调制效率
。
54.为了实现低串扰的硅基-硫系异质集成，由硅基-隔离层-硫系玻璃三层材料组成的层间耦合器可实现不同光学材料之间低串扰，低损耗的光场转化
。
55.所述第一波导
103
为第一光栅波导，所述第二波导
104
为第二光栅波导
。
56.如图
1-3
所示：所述下层转换波导
102、
第一光栅波导
103、
第二光栅波导
104、
上层转换波导
105
为周期相等的亚波长光栅波导
。
57.本技术通过上述亚波长光栅耦合区设计，使有效耦合区增大，进而实现大套刻容差的目的
。
58.如图
1-3
所示：所述下层转换波导
102、
第一光栅波导
103、
第二光栅波导
104、
上层转换波导
105
形成层间耦合区，并构成亚波长光栅层间耦合结构
。
59.如图
4-7
所示：所述下层转换波导
102
和第二光栅波导
103
禁带带宽中的较大值为
δλ
sb
，工作波长为
λ0，且二者满足如下关系，实现基于低损亚波长光栅波导的层间耦合：
60.λ0＞＞
δλ
sb
。
61.如图
1-3
和图
8-11
所示：所述入射波导
101
和出射波导
106
均为单模波导
。
62.如图
1-3
和图
8-11
所示：该耦合器结构上下层亚波长光栅波导对称轴位于为同一平面
.。
63.如图
1-2
和图
8-11
所示：所述下层转换波导
102
和第二光栅波导
103
重叠部分要实现相位匹配，则要具备如下条件：
64.neff1＝
neff265.其中，
neff1为下层转换波导
102
位于耦合区中一点的有效折射率，
neff2为第二光栅波导
103
与下层转换波导
102
在耦合区相位匹配位置的有效折射率
。
66.如图
1-2
和图
8-11
所示：所述入射波导
101
要实现相位失配，则要具备如下条件：
67.neff1＞
neff2。
68.如图
1-2
和图
8-11
所示：所述出射波导
104
要实现相位失配，则要具备如下条件：
69.neff1＜
neff2。
70.所述入射波导
(101)
是宽度为
500nm
的单模波导，所述下层转换波导
(102)
是由宽度为
500nm
渐变为宽度
800nm
的亚波长光栅波导和宽度为
500nm
渐变为
200nm
的拉锥波导中心对称重叠组成，所述第一光栅波导
(103)
是由宽度为
800nm
渐变为宽度
200nm
的亚波长光栅波导，所述第二光栅波导
(104)
是由宽度为
200nm
渐变为宽度
2000nm
的亚波长光栅波导，所述上层转换波导
(105)
是由宽度为
200nm
渐变为宽度
1200nm
的亚波长光栅波导和宽度为
200nm
渐变为
1200nm
的拉锥波导中心对称重叠组成，导为矩形波导，刻蚀深度
(
波导高度
)
为
220nm
，中间隔离层厚度为
300nm
，所有光栅周期均为
250nm。
71.工作原理：在本实施例中，层间耦合器在使用时，扫频连续激光注入到耦合器的入射波导
101
中，激光通过边耦合波导结构耦合到耦合区中，谐振波长附近的激光在耦合区在宽度渐变的某一点满足相位匹配条件，从第一光栅波导
103
耦合到第二光栅波导
104
中，最终耦合出射波导
106
中，从而实现了不同光学材料形成的光波导之间光场的相互耦合
。
72.实施例2：
73.实施例2与实施例1的不同之处仅在于，将实施例1中第二光栅波导
104、
上层转换波导
105
换为普通的多模波导，层间耦合器所需的多层加工引入的工艺加工难度使得第二层结构不易有太大的难度
。
如图8所示，简单的上层多模拉锥波导
104
可极大的降低加工难度
。
74.实施例3：
75.实施例3与实施例1的不同之处仅在于，将实施例1中的第二光栅波导
104
由宽度线性渐变方案更改为宽度分段渐变的方案
。
如图
10
所示，宽度分段拉锥亚波长光栅波导
104
为根据分段数，每一段使用不同宽度的亚波长光栅波导，且每段之间宽度渐变，每段的宽度由粒子群优化算法迭代的最优解决定
。
76.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明
。
因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内
。
不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求
。
77.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也能够经适当组合，形成本领域技术人员能够理解的其他实施方式
。