一种基于双模干涉的平面光波导RGB耦合器

一种基于双模干涉的平面光波导rgb耦合器
技术领域
1.本发明涉及平面光波导器件领域，具体涉及一种基于双模干涉的平面光波导rgb耦合器。

背景技术：

2.虚拟现实(vr)和增强现实(ar)是一项全新的显示技术。vr技术通过使用计算机系统创建虚拟环境来代替使用者接触的现实世界来给人以新奇的环境沉浸感。ar技术通过光学组合器将计算机生成的视觉信息和现实世界进行叠加，提供即时、免提的信息访问。便携式投影仪、ar眼镜、头戴式显示器(hmd)和汽车hud抬头显示系统是此类技术的代表设备，其中ar眼镜作为一种可穿戴式电子设备，提供了一种全新的移动生活方式，被认为有望替代手机成为下一代个人智能通讯终端。
3.激光束扫描投影系统被用于ar眼镜显示，具有紧凑性、宽视场角、高亮度图像等优点。在基于激光束扫描投影的ar眼镜显示系统中，高效、紧凑的光学引擎设计至关重要。在这些光学引擎中，红绿蓝(rgb)激光束通过rgb耦合器并传输到mems反射镜系统可获得清晰的投影图像而备受重视。
4.基于平面光波导的rgb耦合器被认为能够克服棱镜型和光纤型rgb耦合器难以微型化的缺点。然而，目前平面光波导rgb耦合器主要是基于低折射率差的二氧化硅光子平台，无法很好的限制光信号，不利于与激光器的集成。氮化硅-二氧化硅光子平台具有高折射率差和良好的可见光透过性，且与传统半导体工艺兼容，被广泛应用于可见光光子集成领域，是实现紧凑平面光波导rgb耦合器的良好选择。
5.此外，已有的平面光波导rgb耦合器大多基于定向耦合器结构，器件带宽小，对工艺要求严格。与之相比，多模干涉平面光波导具有工艺容差大、尺寸小、带宽大等特点，在波分复用器件领域具有重要的应用价值。然而采用高折射率差波导的多模干涉rgb耦合器在成像上会带来较大的误差，尤其导致短波长蓝光的传输效率急剧下降。
6.隋国荣等人使用波长散小的su8材料设计了多模干涉rgb耦合器，实现了三基光的高效耦合输出，但是为保证高的平均传输效率，多模干涉波导的宽度增大从而导致器件长度也因此增大到数千微米，这还同时造成了红绿蓝三光低的传输带宽。

技术实现要素：

7.为了克服平面光波导rgb耦合器存在的尺寸大、工艺要求严格等问题，本发明的目的是提供一种基于高折射率差波导的多模干涉rgb耦合器，其中通过采用双模干涉设计减少发生干涉的模式数量，从而减小成像误差。
8.本发明采用双模干涉波导结构，通过波导级联实现了红、绿、蓝激光束的三耦合。该rgb耦合器主要由输入、耦合和输出波导构成，通过自映像原理实现不同波长光的耦合输出。由于仅有基模和一阶模式发生干涉，减缓了氮化硅高折射率波导芯层大的波长散导致的自映像点偏离的问题，使得红绿蓝三个波长的光都能得到高的传输效率。另外，高
折射率差和双模干涉的共同作用大大缩短了rgb耦合器的长度，也因此使红绿蓝三光的传输带宽大大提高。
9.本发明采用硅衬底，以二氧化硅材料作为光波导的上下包层，以氮化硅材料作为光波导结构的芯层。本发明中的平面光波导rgb耦合器制备工艺简单，且与传统半导体工艺兼容、易于集成、可大规模生产，具有重要的实际应用价值。
10.本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
11.一种基于双模干涉结构的平面光波导rgb耦合器，从下至上依次包括硅片衬底、在硅片衬底上制备的二氧化硅下包层、在二氧化硅下包层上制备的条形结构的光波导芯层、在光波导芯层和二氧化硅下包层上制备的二氧化硅上包层；光波导芯层被包埋在二氧化硅上包层中；
12.光波导芯层中，沿光的传播方向，包括顺次连接的中央输入波导、第一双模干涉波导、连接波导、第二双模干涉波导和输出波导；
13.其中，第一分支波导一端连接在中央输入波导和第一双模干涉波导的连接处；第二分支波导一端连接在第一双模干涉波导和连接波导的连接处；第三分支波导一端连接在连接波导和第二双模干涉波导的连接处；第四分支波导一端连接在第二双模干涉波导和输出波导的连接处。
14.进一步地，中央输入波导、第一双模干涉波导、连接波导、第二双模干涉波导和输出波导的长度a1、a2、a3、a4和a5，为1～100μm；
15.第一双模干涉波导和第二双模干涉波导的宽度w3和w3’相等，为0.3～0.5μm。
16.进一步地，连接波导和输出波导的宽度w5和w5’相等，为0.2～0.4μm；
17.中央输入波导和第一分支波导的宽度w1和w2，为0.3～0.5μm；
18.第二分支波导、第三分支波导和第四分支波导的宽度w4、w4’和w4”相等，为0.2～0.4μm。
19.进一步地，硅片衬底的厚度为0.5～1mm；
20.二氧化硅下包层的厚度为0.5～10μm；
21.光波导芯层的厚度为0.2～0.4μm；
22.二氧化硅上包层的厚度为0.5～10μm。
23.进一步地，中央输入波导、第一双模干涉波导、连接波导、第二双模干涉波导和输出波导位于同一条直线上。
24.进一步地，第一分支波导一端连接在中央输入波导和第一双模干涉波导的连接处，且第一分支波导和中央输入波导之间的夹角为第一分支角g1，第一分支角g1的开口朝向光输入方向；
25.第二分支波导一端连接在第一双模干涉波导和连接波导的连接处，且第二分支波导和连接波导之间的夹角为第二分支角g2，第二分支角g2的开口朝向光输出方向；
26.第三分支波导一端连接在连接波导和第二双模干涉波导的连接处，且第三分支波导和连接波导之间的夹角为第三分支角g3，第三分支角g3的开口朝向光输入方向；
27.第四分支波导一端连接在第二双模干涉波导和输出波导的连接处，且第四分支波导和输出波导之间的夹角为第四分支角g4，第四分支角g4的开口朝向光输出方向。
28.进一步地，第一分支角g1、第二分支角g2、第三分支角g3和第s分支角g4的角度范
围均为1～15
°
。
29.进一步地，红光从第一分支波导输入，绿光从中央输入波导输入，红光和绿光进入第一双模干涉波导，分别在第一双模干涉波导中激发出基模和一阶模式并发生干渉，随后红光和绿光耦合成一束输出到连接波导；耦合的红光和绿光从连接波导输入，蓝光从第三分支波导输入，红光、绿光和蓝光进入第二双模干涉波导，分别在第二双模干涉波导中激发出基模和一阶模式并发生干渉，随后红光、绿光和蓝光耦合成一束输出到输出波导。
30.进一步地，输入的红光、绿光和蓝光的模式都是基模，输出的红光、绿光和蓝光的模式也都是基模。
31.进一步地，输入红光的波长为620～760nm，输入绿光的波长为490～580nm，输入蓝光的波长为400～480nm。
32.相比于现有技术，本发明的优点在于：
33.1.通过第一双模干涉波导和第二双模干涉波导所支持的双模干涉减小了波长散导致的自映像点偏差，将多模干涉rgb耦合器的设计扩展到更高折射率差和具有较大波长散的氮化硅光子平台上，实现了rgb三光的高效耦合输出。
34.2.通过光波导芯层和二氧化硅下包层、二氧化硅上包层构成的高折射率差以及双模干涉的共同作用，第一双模干涉波导和第二双模干涉波导的长度大大减小，相较传统的平面光波导rgb耦合器，器件长度减小了两个数量级。
35.3.由于减小了的双模干涉波导长度，rgb三光的传输带宽大大提高，3db带宽均大于50nm。
36.4.光波导芯层氮化硅材料折射率更高，适合与半导体激光器、波导型光电探测器等集成，实现微型化的激光发射引擎。
附图说明
37.图1为本发明实施例中一种基于双模干涉结构的平面光波导rgb耦合器的三维结构图。
38.图2为本发明实施例中一种基于双模干涉结构的平面光波导rgb耦合器的俯视图。
39.图3为本发明实施例中一种基于双模干涉结构的平面光波导rgb耦合器的横截面图。
40.图4为本发明实施例中红、绿、蓝三种波长下，平面光波导rgb耦合器的基模和一阶模式的有效折射率随波导芯层厚度的变化曲线示意图。
41.图5为本发明实施例中红、绿、蓝三种波长下，平面光波导rgb耦合器的基模和一阶模式的有效折射率随波导芯层宽度的变化曲线示意图。
42.图6为本发明实施例中平面光波导rgb耦合器中局部插入损耗分别随第一分支波导和第二分支波导宽度、角度的变化曲线示意图。
43.图7为本发明实施例中光场传输图，图a为本发明实施例中红光的光场传输图，图b为本发明实施例中绿光的光场传输图，图c为本发明实施例中蓝光的光场传输图。
44.图8为本发明实施例中平面光波导rgb耦合器中局部插入损耗随第二分支波导或第四分支波导的波导宽度或横向位移的变化曲线示意图，其中，图a为本发明实施例中平面光波导rgb耦合器中局部插入损耗随第二分支波导宽度的变化曲线示意图；图b为本发明实
施例中平面光波导rgb耦合器中局部插入损耗随第四分支波导横向位移的变化曲线示意图；图c为本发明实施例中平面光波导rgb耦合器中局部插入损耗随第二分支波导宽度的变化曲线示意图；图d为本发明实施例中平面光波导rgb耦合器中局部插入损耗随第四分支波导横向位移的变化曲线示意图。
45.图9为本发明实施例中平面光波导rgb耦合器红光、绿光、蓝光的归一化输出功率随波长差的变化曲线示意图。
具体实施方式
46.为使本发明的内容更加清晰，下面结合附图对本发明的内容作进一步说明。本发明不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
47.实施例1
48.如图1所示，中央输入波导11、连接波导15、输出波导19的长度a1、a3、a5，为1～100μm，第一双模干涉波导13的长度a2为13.6μm，第二双模干涉波导17的长度a4为19.6μm。相较于已有的数千微米长的多模干涉rgb耦合器，实现了器件长度两个数量级的减小。
49.如图2所示，第一双模干涉波导13和第二双模干涉波导17的宽度w3、w3’相等，为0.4μm，连接波导15、输出波导19的宽度w5、w5’相等，为0.3μm，中央输入波导11和第一分支波导12的宽度为w1和w2，为0.4μm，第二分支波导14、第三分支波导16、第四分支波导18的宽度w4、w4’、w4”相等，为0.3μm。第一分支波导12、第二分支波导14、第三分支波导16、第四分支波导18的分支角g1、g2、g3、g4分别为2
°
、5
°
、2
°
、6
°
。所述器件结构利用双模干涉使得双模干涉波导中仅存在基模和一阶模式的干涉，消除了高阶模引起的相位误差，从而抑制了氮化硅材料存在的波长散。
50.如图3所示，从下至上依此由硅片衬底31、二氧化硅下包层32、条形结构光波导芯层33、二氧化硅上包层34构成；光波导芯层33隐埋在二氧化硅包层中。硅片衬底31的厚度为1mm，二氧化硅下包层32的厚度为1μm，光波导芯层33的厚度为0.25μm，二氧化硅上包层34的厚度为1μm。所选各层厚度可使得光模式有效被限制在波导芯层中而不会受到外界环境的影响。芯包层材料的高折射率差有利于rgb耦合器与半导体激光器、波导型光电探测器等集成，实现微型化的激光发射引擎。
51.如图4所示，分别为红、绿、蓝三个波长下平面光波导rgb耦合器的基模和一阶模式的有效折射率随波导芯层厚度的变化曲线。第一双模干涉波导13和第二双模干涉波导17的厚度为0.25μm，可满足在三个波长下仅能激发基模和一阶模式。
52.如图5所示，分别为光波导芯层33的厚度固定的情况下，红、绿、蓝三个波长下平面光波导rgb耦合器的基模和一阶模式的有效折射率随波导宽度的变化曲线。第一双模干涉波导13和第二双模干涉波导17的宽度为0.4μm。此时，可满足在三个波长下仅能激发基模和一阶模式。连接波导15、输出波导19的宽度应避免与双模波导宽度不匹配从而造成大的散射损耗，光波导芯层33的宽度为0.3μm，可降低散射损耗，并同时接近红、绿、蓝三个波长光的单模输出截止宽度。
53.如图6所示，为平面光波导rgb耦合器中局部插入损耗分别随第一分支波导12和第二分支波导14的宽度、角度的变化曲线。第一分支波导12的宽度为0.4μm，第一分支角为2
°
，
第二分支波导14的宽度为0.3μm，第二分支角为5
°
。红、绿光的插入损耗不同，所述两个分支波导的宽度和分支角可保证在红、绿光都具有良好的传输效率。第三分支波导16的宽度为0.3μm，第三分支角为2
°
，第四分支波导18的宽度为0.3μm，第四分支角为6
°
。所述两个分支波导的宽度和分支角可保证在红、绿、蓝光三光都具有良好的传输效率。
54.如图7所示，为基于双模干涉的平面光波导rgb耦合器的光场传输图，其中，图a为本发明实施例中红光的光场传输图，图b为本发明实施例中绿光的光场传输图，图c为本发明实施例中蓝光的光场传输图。从光场传输图可以看出，光场被很好的限制在了光波导中，可保证信号的有效传输。在第一双模干涉波导13和第二双模干涉波导17中，可以清晰的看见双模干涉模场图案。从第一分支波导12输入的红光、从中央输入波导11输入的绿光和从第三分支波导16输入的蓝光最终合成一束从输出波导19耦合输出，实现了rgb耦合器的三基光合束功能。
55.如图8所示为平面光波导rgb耦合器中局部插入损耗随第二分支波导、第四分支波导的宽度、横向位移的变化曲线，其中，图a为本发明实施例中平面光波导rgb耦合器中局部插入损耗随第二分支波导宽度的变化曲线示意图；图b为本发明实施例中平面光波导rgb耦合器中局部插入损耗随第四分支波导横向位移的变化曲线示意图；图c为本发明实施例中平面光波导rgb耦合器中局部插入损耗随第二分支波导宽度的变化曲线示意图；图d为本发明实施例中平面光波导rgb耦合器中局部插入损耗随第四分支波导横向位移的变化曲线示意图。由于平面光波导rgb耦合器中插入损耗主要在第二分支波导和第四分支波导的y分支处产生，因此分支波导宽度、横向位移的制造误差会对器件传输效率造成影响。可以看出平面光波导rgb耦合器对分支波导宽度的容忍度达到
±
30nm，且具有
±
0.3μm的横向位移容忍度。从横向位移的容忍度可以看出来，所设计的多模干涉rgb耦合器具有较小的自映像点偏差。
56.如图9所示，为基于双模干涉的平面光波导rgb耦合器中红光、绿光和蓝光的归一化输出功率随波长的变化关系曲线，可以看出耦合器对红光、绿光和蓝光都能保持较好的传输效率及波长容差度，3db带宽均大于50nm。这主要是由多模耦合区域长度的急剧减小所导致的。
57.实施例2：
58.本实施例与实施例1的不同之处在于：
59.第一双模干涉波导13的长度a2为13.5μm，第二双模干涉波导17的长度a4为18.5μm。第二分支波导14的分支角g2为6
°
，第四分支波导18的分支角g4为7
°
。
60.实施例3：
61.本实施例与实施例1的不同之处在于：
62.第一双模干涉波导13的长度a2为13.3μm，第二双模干涉波导17的长度a4为18.3μm。第二分支波导14的宽度为0.27μm，第四分支波导18的宽度为0.27μm。

技术特征：

1.一种基于双模干涉结构的平面光波导rgb耦合器，其特征在于，从下至上依次包括硅片衬底(31)、在硅片衬底(31)上制备的二氧化硅下包层(32)、在二氧化硅下包层(32)上制备的条形结构的光波导芯层(33)、在光波导芯层(33)和二氧化硅下包层(32)上制备的二氧化硅上包层(34)；光波导芯层(33)被包埋在二氧化硅上包层(34)中；光波导芯层(33)中，沿光的传播方向，包括顺次连接的中央输入波导(11)、第一双模干涉波导(13)、连接波导(15)、第二双模干涉波导(17)和输出波导(19)；其中，第一分支波导(12)一端连接在中央输入波导(11)和第一双模干涉波导(13)的连接处；第二分支波导(14)一端连接在第一双模干涉波导(13)和连接波导(15)的连接处；第三分支波导(16)一端连接在连接波导(15)和第二双模干涉波导(17)的连接处；第四分支波导(18)一端连接在第二双模干涉波导(17)和输出波导(19)的连接处。2.根据权利要求1所述的一种基于双模干涉结构的平面光波导rgb耦合器，其特征在于：中央输入波导(11)、第一双模干涉波导(13)、连接波导(15)、第二双模干涉波导(17)和输出波导(19)的长度a1、a2、a3、a4和a5，为1～100μm；第一双模干涉波导(13)和第二双模干涉波导(17)的宽度w3和w3’相等，为0.3～0.5μm。3.根据权利要求1所述的一种基于双模干涉结构的平面光波导rgb耦合器，其特征在于：连接波导(15)和输出波导(19)的宽度w5和w5’相等，为0.2～0.4μm；中央输入波导(11)和第一分支波导(12)的宽度w1和w2，为0.3～0.5μm；第二分支波导(14)、第三分支波导(16)和第四分支波导(18)的宽度w4、w4’和w4”相等，为0.2～0.4μm。4.根据权利要求1所述的一种基于双模干涉结构的平面光波导rgb耦合器，其特征在于：硅片衬底(31)的厚度为0.5～1mm；二氧化硅下包层(32)的厚度为0.5～10μm；光波导芯层(33)的厚度为0.2～0.4μm；二氧化硅上包层(34)的厚度为0.5～10μm。5.根据权利要求1所述的一种基于双模干涉结构的平面光波导rgb耦合器，其特征在于：中央输入波导(11)、第一双模干涉波导(13)、连接波导(15)、第二双模干涉波导(17)和输出波导(19)位于同一条直线上。6.根据权利要求5所述的一种基于双模干涉结构的平面光波导rgb耦合器，其特征在于：第一分支波导(12)一端连接在中央输入波导(11)和第一双模干涉波导(13)的连接处，且第一分支波导(12)和中央输入波导(11)之间的夹角为第一分支角g1；第二分支波导(14)一端连接在第一双模干涉波导(13)和连接波导(15)的连接处，且第二分支波导(14)和连接波导(15)之间的夹角为第二分支角g2；第三分支波导(16)一端连接在连接波导(15)和第二双模干涉波导(17)的连接处，且第三分支波导(16)和连接波导(15)之间的夹角为第三分支角g3；第四分支波导(18)一端连接在第二双模干涉波导(17)和输出波导(19)的连接处，且第四分支波导(18)和输出波导(19)之间的夹角为第四分支角g4。7.根据权利要求6所述的一种基于双模干涉结构的平面光波导rgb耦合器，其特征在于：第一分支角g1、第二分支角g2、第三分支角g3和第s分支角g4的角度范围均为1～15
°
。8.根据权利要求1～7任一项所述的一种基于双模干涉结构的平面光波导rgb耦合器，
其特征在于：红光从第一分支波导(12)输入，绿光从中央输入波导(11)输入，红光和绿光进入第一双模干涉波导(13)，分别在第一双模干涉波导(13)中激发出基模和一阶模式并发生干渉，随后红光和绿光耦合成一束输出到连接波导(15)；耦合的红光和绿光从连接波导(15)输入，蓝光从第三分支波导(16)输入，红光、绿光和蓝光进入第二双模干涉波导(17)，分别在第二双模干涉波导(17)中激发出基模和一阶模式并发生干渉，随后红光、绿光和蓝光耦合成一束输出到输出波导(19)。9.根据权利要求8所述的一种基于双模干涉结构的平面光波导rgb耦合器，其特征在于：输入的红光、绿光和蓝光的模式都是基模，输出的红光、绿光和蓝光的模式也都是基模。10.根据权利要求8所述的一种基于双模干涉结构的平面光波导rgb耦合器，其特征在于：输入红光的波长为620～760nm，输入绿光的波长为490～580nm，输入蓝光的波长为400～480nm。

技术总结

本发明公开了一种基于双模干涉结构的平面光波导RGB耦合器。所述耦合器从下至上依次包括硅片衬底、在硅片衬底上制备的二氧化硅下包层、在二氧化硅下包层上制备的条形结构的光波导芯层、在光波导芯层和二氧化硅下包层上制备的二氧化硅上包层；光波导芯层被包埋在二氧化硅上包层中；光波导芯层中，沿光的传播方向，包括顺次连接的中央输入波导、第一双模干涉波导、连接波导、第二双模干涉波导和输出波导；本发明利用双模干涉、氮化硅波导以及波导级联方式实现工艺容差大、尺寸小以及强限光的特点，通过级联配置依次实现了红、绿激光束的耦合和红、绿、蓝三激光束的耦合；本发明中RGB耦合器具有传输效率高、带宽大以及器件尺寸紧凑的效果。效果。效果。