基于SU 8聚合物的高效率光纤/波导功率耦合器设计与模拟

© 2013由Elsevier B.V.发布。信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectIERI Procedia 4（2013）282 - 2872013年农业与自然资源工程基于SU 8聚合物C.L.李a，李根a，萧志胜b*a中华民国台湾新竹国立清华大学光电子技术研究所。b台湾台中亚洲大学光电子与通讯工程系摘要提出了一种以SU 8聚合物为基料的高效率SMF-28光纤/波导功率耦合器的设计方法，并进行了数值模拟。从理论上讲，SMF-28光纤和SOI波导折射率的显著不同导致了模场分布的不同，从而导致了这两个分量的低耦合效率。此外，光纤/波导界面在方位和水平位置上的对准不良也会产生巨大的功率耦合损耗，这是耦合器性能差的另一个原因。在本研究中，我们提出了一种有效的功率耦合器，由SU 8取代二氧化硅，以减少光纤/波导耦合损耗。所提出的耦合器的耦合效率为76%是可以达到的。© 2013作者。由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。信息工程研究院负责评选和同行评议保留字：功率耦合器; SU 8聚合物;模场直径;传输效率1.介绍光子集成电路（PIC）的提出和发展已经有二十多年的历史，实现PIC的研究方向是将光子器件缩小到纳米尺度。绝缘体上硅（SOI）波导[1-3]具有在引导层Si中以及在下引导层（SiO2）/上层（空气）中具有折射率的极大不同的优点，使得SOI波导具有能够实现PIC的更紧凑的模式分布，但是仍然存在用于达到更高耦合性能的许多困境，并且由于部件尺寸的缩小而成为阻碍之一*通讯作者。联系电话：886-4-23323456~6310 ;传真：886-4-23320718电子邮件地址：电子邮件：cshsiao@asia.edu.tw2212-6678 © 2013作者由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。信息工程研究所负责的选择和同行评审doi：10.1016/j.ieri.2013.11.040C.L. Lee等人/ IERI Procedia 4（2013）282283需要解决的问题是如何提高激光光源输出的光功率，使其进入商用单模光纤（半径为4 μ m的SMF-28光纤），再送入SOI脊形单模波导（模场直径为1~ 2 μ m）。已有一些报道的方法可用于抑制光纤和波导接口之间的功率耦合问题。光栅耦合器[4]或倒锥形耦合器[5-7]提高耦合效率的方法通常受到SMF光纤和SOI波导之间不适当的端面和多模场分布的阻碍。由SU 8聚合物构成的波导[8-10]是提高光功率的替代候选者，而其耦合能力小于39%是不受欢迎的原因在本研究中，我们提供了一种新的方法来设计一个光耦合器，并使用RSoft的BeamPROP软件进行模拟。以证明所提供的方法对于获得更高的耦合效率是可行的。我们设计了一个三能级层转换器（TLL），实现了从SMF-28光纤到SOI脊形波导的光功率转换。最后，TLL达到总效率76%所需的长度仅为1960 μ m。2. 设计图1示出了所提出的3D SOI脊形单模波导的组成部分，其中折射率为n1=3.476的硅沉积在 SiO2（n2=1.444）衬底上，并且覆盖物是在λ =1550nm处折射率为n3=1的空气。脊形波导的宽度w= 1 μ m，平板厚度s= 0.358 μ m，高度H= 0.838 μ m。图2显示了顶部、中间和底部层的横截面和层长，分别为980 μ m × 6 μ m和L0、1470 μ m × 2.14 μ m和L1、 1960 μ m × 0.82 μ m和L2。从理论上讲，对现有TTL的评价包括四个部分：SMF-28光纤到TTL入射面的耦合效率、SU 8到硅的耦合效率、SU 8模转换效率和硅模转换效率。采用3D准矢量（准TE）BPM [11]评估性能。首先，准TE模功率从SMF-28光纤输入到没有TTL设计的3D SOI脊形波导中。结果表明，由于SMF-28光纤与SOI波导之间的模式匹配和对准不良，耦合损耗比较明显，耦合效率为25%。基于这一动机，我们设计了一种双层锥形波导，并对其进行了重新分析，以估计双层波导的锥形长度对模式转换效率的影响;模拟结果表明，当波导长度大于6950 μ m时，双层波导的耦合效率仅达到57%。图1.一、所研究的波导结构的正视图，n1、n2和n3分别为导层、衬底和覆盖区的折射率，H和w为脊区的高度和宽度，s为平板284C.L. Lee等人/ IERI Procedia 4（2013）282基于上述原因，我们重新设计了一种由三层宽度均为8 μ m的SiO2材料构成的三能级层转换器（TLL），使其能够与SMF-28光纤的直径很好地匹配，从而获得更高的耦合功率。我们通过选择网格大小为0.01 μ m，0.01 μ m和0.1 μ m的数值收敛性来评估所设计的TTL性能。数值结果表明，准TE模功率与单模光纤和TTL的对准密切相关，耦合转换效率可达71%。结果表明，TTL的顶层对模式转换效 率 有 很 大 的 影 响 ， 而 底 层 对 模 式 转 换 效 率 没 有 影 响 ， 为 此 ， 我 们 用 SU_8 聚 合 物 （ nsu_8=1.65vs.nsio_2=1.444）代替SiO_2对TTL进行了重新设计，以获得更好的转换效率。图2三电平层变换器（TLL）3. 数值模拟结果在理论研究中，为了获得从SMF-28光纤到SOI单模波导的更好的光功率传输，需要更长的波导，并且TTL的顶部锥形层的宽度也要求很小，以保证所有从激光源发出的功率都光滑地传输到TTL的顶层，甚至传输到TTL的底层。考虑下锥层长度L2= 1000 μ m，计算了当L2长度变化时，TTL顶层宽度w对图3给出了准TE模式功率百分比与顶部锥形层宽度w的关系，用于L2改变。发现准TE模功率随长度L2的增加而增大，而随顶层宽度w的增加而减小，在顶层宽度为1 μmw2 μ m时，准TE模转换效率最高，接近90.5%。C.L. Lee等人/ IERI Procedia 4（2013）282285图3.第三章。在不同的TTL顶宽w下，准TE模功率百分比随底层长度L2的变化关系接下来，我们研究了TTL的中间层长度L1和底层长度L2在什么情况下影响准TE功率耦合效率，图4描绘了准TE模式功率与不同的L1和L2值的仿真结果。可以看出，当中间层的长度L1大于800 μ m时，准TE模功率增大，而模功率与底层的底层长度L2无关。总之，在L1+L2= 1960 μ m的长度处，可实现的准TE模耦合效率ε =76%。图四、在不同的中间层长度L1下，准TE模功率随底层长度L2的变化百分比我们希望所提出的TTL与硅材料折射率的变化无关。图图5示出了准TE模式功率的百分比相对于TE模式功率的变化的关系。286C.L. Lee等人/ IERI Procedia 4（2013）282引导层的折射率从nSi =3.40到nSi =3.60。结果表明，该TTL的准TE模功率不受波导层折射率变化的影响，再次证实了该TTL在CMOS工艺条件下具有更宽的工艺容差的潜力。图五、准TE模式功率的百分比作为折射率变化的函数4. 结论本文设计并模拟了一种具有较高准TE模功率转换性能和较宽折射率不灵敏度的TTL。用SU 8代替TTL中的SiO2作为衬底层，使SMF-28和SOI波导之间的模场分布匹配良好。此外，对TTL各锥形层的优化设计也有助于提高模式转换效率。计算结果表明，模式耦合效率可达76%。确认这项工作得到了台湾亚洲大学的部分支持，赠款为100-asia-28和100-A-11。引用[1] M. Notomi，A. Shinya，K. Yamada，J. Takahashi，C.高桥和我Yokohama，的硅绝缘体光子晶体板，”IEEE J. 量子电子。，第二卷。38，不。7，p.736年7月2002[2] K. Lee，D. R.利姆湖，澳-地C. Kimerling，J. Shin，and F. Cerrina，“通过粗糙度减小制造超低损耗Si/SiO2波导”，Opt. Lett. 、第26卷，第23期，第1888页，2001年。[3] E. Yablonovitch，“光子带隙结构”，J. Opt. Soc. Amer. B，Opt. Phys. 第10卷，第110页。283-296，1993年。功效指数C.L. Lee等人/ IERI Procedia 4（2013）282287[4] D. Taillaert等人，“An out-of-plane grating coupler for efficient buttcoupling between compact planarwaveguides and single-mode fibers，”IEEE J. Quantum Electron. ，第38卷，第7期，第100页。949-955，7月2002[5] V.R.的值阿尔梅达河R. Panepucci和M. Lipson，“Nanotaper for compact mode conversion，”Opt.Lett. ，第28卷，第15期，第110页。1302[6] C. W.廖，Y. T. Yang，S. W. Huang和M. C. M. Lee，“用于集成光子器件的纤芯匹配3-D绝热锥形耦合器”，J. Lightw. Technol. 第29卷，第5期，第100页。770[7] V.R.的值阿尔梅达河R. Panepucci和M. Lipson，“Nanotaper for compact mode conversion，”Opt.Lett. ，第28卷，第15期，第110页。1302[8] J. Thorpe，D.Steenson和R.高介电常数与高频传输线之研究，国立成功大学电子工程研究所硕士论文。第34页。1237-1238，1998.[9] S. Arscott，F.Garet，P.穆奈湖Duvillaret，J.L. Coutaz和D.Lippens，“SU-8薄膜的太赫兹时域光谱”，电子快报。35，pp. 243-244，1999年。[10] 曾凡刚、郑仁浩、林维庚，“以SU-8厚膜光阻制作微通道”，感测器与致动器，第一卷，2002年。[11] 上海市设计集团有限公司