CN114114530B - 一种过渡波导结构、光波导结构以及光耦合结构 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种过渡波导结构、光波导结构以及光耦合结构，所述过渡波导结构包括：相互平行的第一端面和第二端面，以及与所述第一端面和所述第二端面相互垂直的第一底面；所述第一端面的面积小于所述第二端面的面积；所述第一端面用于接收/输出光信号，对应的所述第二端面用于输出/接收光信号；呈阵列分布的第一通孔，每个所述第一通孔的轴向垂直于所述第一底面；沿所述第一端面到所述第二端面的方向，所述第一通孔的孔径增大。本申请实施例提供的过渡波导结构，通过设置呈阵列分布的第一通孔，且沿所述第一端面到所述第二端面的方向，所述第一通孔的孔径增大，以实现过渡波导结构的有效折射率的渐变，降低了光信号传输过程中的损耗。

Description

一种过渡波导结构、光波导结构以及光耦合结构

技术领域

本申请实施例涉及光通信技术领域，尤其涉及一种过渡波导结构、光波导结构以及光耦合结构。

背景技术

当硅材料应用于光电器件领域时，其在制造工艺和制造成本上具有明显的优势。然而，由于硅基光波导和二氧化硅光纤的折射率相差很大，会不可避免地带来反射和模场不匹配的问题。

近年来，为了提高耦合效率，在设计光电器件，更具体而言，在设计硅光芯片时，波导和光纤之间的过渡结构成为了研究的热点。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例为解决现有技术中存在的至少一个技术问题而提供一种过渡波导结构、光波导结构以及光耦合结构。

为达到上述目的，本申请的技术方案是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种过渡波导结构，包括：相互平行的第一端面和第二端面，以及与所述第一端面和所述第二端面相互垂直的第一底面；所述第一端面的面积小于所述第二端面的面积；所述第一端面用于接收/输出光信号，对应的所述第二端面用于输出/接收光信号；

呈阵列分布的第一通孔，每个所述第一通孔的轴向垂直于所述第一底面；

沿所述第一端面到所述第二端面的方向，所述第一通孔的孔径增大。

根据本申请的一种实施方式，每个所述第一通孔的孔径沿指向所述第一底面的方向减小。

根据本申请的一种实施方式，所述第一通孔沿所述过渡波导结构的中心轴呈镜像对称，且所述第一通孔的孔径沿远离所述中心轴的方向增大。

根据本申请的一种实施方式，每个所述第一通孔在轴向上由若干个重复单元堆叠而成。

根据本申请的一种实施方式，所述重复单元的形状包括圆柱形、圆台、长方体、棱台或者正多面体。

根据本申请的一种实施方式，任意相邻两个所述第一通孔的轴线之间的距离相等。

第二方面，本申请实施例提供一种光波导结构，包括：小模斑波导结构、大模斑波导结构以及如上述技术方案中所述的过渡波导结构；所述过渡波导结构设于所述小模斑波导结构和所述大模斑波导结构之间。

根据本申请的一种实施方式，所述大模斑波导结构包括：相互平行的第三端面和第四端面；所述第三端面与所述第四端面的尺寸相等；

所述大模斑波导结构设有呈阵列分布的第二通孔，每个所述第二通孔的轴向平行于所述第三端面；

所述第二端面与所述第三端面的尺寸相等。

根据本申请的一种实施方式，所述小模斑波导结构包括：相互平行的第五端面和第六端面；所述第五端面与所述第六端面的尺寸相等；

所述第六端面与所述第一端面的尺寸相等。

第三方面，本申请实施例提供一种光耦合结构，包括：衬底、硅波导、光纤以及如上述技术方案中所述的光波导结构；

所述光波导结构设于所述衬底的上方；

所述小模斑波导结构的一侧设有所述硅波导，所述大模斑波导结构的一侧设有所述光纤。

根据本申请的一种实施方式，所述小模斑波导结构的折射率与所述硅波导的折射率相同；所述大模斑波导结构的折射率与所述光纤的折射率相同。

本申请实施例提供了一种过渡波导结构、光波导结构以及光耦合结构，所述过渡波导结构包括：相互平行的第一端面和第二端面，以及与所述第一端面和所述第二端面相互垂直的第一底面；所述第一端面的面积小于所述第二端面的面积；所述第一端面用于接收/输出光信号，对应的所述第二端面用于输出/接收光信号；呈阵列分布的第一通孔，每个所述第一通孔的轴向垂直于所述第一底面；沿所述第一端面到所述第二端面的方向，所述第一通孔的孔径增大。本申请实施例提供的过渡波导结构，通过设置呈阵列分布的第一通孔，且沿所述第一端面到所述第二端面的方向，所述第一通孔的孔径增大，以实现过渡波导结构的有效折射率的渐变，降低了光信号传输过程中的过渡波导结构的端面反射损耗和模场转换损耗，从而提高了光耦合效率。

附图说明

图1为过渡波导结构的三维结构示意图；

图2为过渡波导结构的俯视图；

图3为过渡波导结构沿图2中AA’的剖视图；

图4和图5为过渡波导结构的第一重复单元的结构示意图；

图6为过渡波导结构的局部俯视图；

图7为光波导结构的三维结构示意图；

图8为光波导结构的俯视图；

图9为光波导结构沿图8中BB’的剖视图；

图10为光波导结构的简化俯视图；

图11为大模斑波导结构的局部俯视图；

图12为光耦合结构的简化俯视图；

图中包括：10-过渡波导结构；11-第一端面；12-第二端面；13-第一底面；20-大模斑波导结构；21-第三端面；22-第四端面；23-第二底面；30-小模斑波导结构；31-第五端面；32-第六端面；33-第三底面；40-第一通孔；41、41’-第一重复单元；42-第一基本单元；50-第二通孔；51-第二重复单元；52-第二基本单元；60-光纤；70-硅波导；80-衬底；CDFE为过渡波导结构的对称面；GH为过渡波导结构的中心轴。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式及附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本申请必然存在第一元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本申请，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本申请的技术方案。本申请的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本申请还可以具有其他实施方式。

本申请实施例提供一种过渡波导结构。参考图1，图1为过渡波导结构的三维结构示意图。如图1所示，过渡波导结构10包括相互平行的第一端面11和第二端面12，以及与第一端面11和第二端面12相互垂直的第一底面13；过渡波导结构10还包括呈阵列分布的第一通孔40，每个第一通孔40的轴向垂直于第一底面13。

在本申请的一些实施例中，所述第一端面的面积小于所述第二端面的面积。其中，所述第一端面可为矩形，所述第二端面也可为矩形。

在本申请的一些实施例中，所述第一端面用于接收/输出光信号，对应的所述第二端面用于输出/接收光信号。具体而言，第一端面可以用于接收光信号，第二端面可以用于输出光信号，光信号可以由第一端面输入过渡波导结构，此时光信号由第二端面输出过渡波导结构；或者，第二端面可以用于接收光信号，第一端面可以用于输出光信号，光信号可以由第二端面输入过渡波导结构，此时光信号由第一端面输出过渡波导结构。也就是说，光信号在过渡波导结构中的传播方向既可以沿第一端面到第二端面的方向，也可以沿第二端面到第一端面的方向。

参考图2，图2为过渡波导结构的俯视图。如图2所示，第一通孔40在过渡波导结构10内呈现为阵列分布。将平行于第一端面和第二端面的方向称为行方向，即X方向，将垂直于第一端面和第二端面的方向称为列方向，或者，将平行于光信号的传播方向的方向称为列方向，即Z方向。具体而言，过渡波导结构的形状可以为四棱台，该过渡波导结构在俯视图内呈现为等腰梯形，将平行于该等腰梯形的上底和下底的方向称为行方向，将平行于该等腰梯形的高的方向称为列方向，过渡波导结构内分布有若干行和若干列的第一通孔。

在本申请的一些实施例中，沿所述第一端面到所述第二端面的方向，所述第一通孔的孔径增大。具体而言，沿所述第一端面到所述第二端面的方向，过渡波导结构的有效折射率逐渐降低。在本申请的一个实施例中，沿所述第一端面到所述第二端面的方向，过渡波导结构的有效折射率非线性降低。

本申请实施例提供的过渡波导结构，通过设置呈阵列分布的第一通孔，每个所述第一通孔的轴向垂直于所述第一底面，且第一通孔的孔径沿所述第一端面指向所述第二端面的方向，即Z方向，第一通孔的孔径增大，以实现过渡波导结构的有效折射率的渐变，降低了光信号传输过程中的过渡波导结构的端面反射损耗和模场转换损耗，从而提高了光耦合效率。

在本申请的一些实施例中，每个所述第一通孔的孔径沿指向所述第一底面的方向减小。

参考图3，图3为过渡波导结构沿图2中AA’的剖视图。图3示出了沿Z方向的第一通孔40的剖面结构，第一通孔40的轴向垂直于第一底面13，换言之，第一通孔40的轴向平行于第一端面11和第二端面12；每个第一通孔40的孔径沿指向第一底面13的方向减小。具体而言，每个第一通孔在剖视图中呈现为锥形，即，沿着第一通孔的轴向，第一通孔与第一底面的距离越小，第一通孔的孔径越小。

本申请实施例提供的过渡波导结构，通过设置呈阵列分布的第一通孔，每个所述第一通孔的孔径沿指向所述第一底面的方向减小。以实现进入该过渡波导结构的光信号中，不同路径的光信号的光程近似相等，以减小发散角，实现近准直的功能。

在本申请的一些实施例中，所述第一通孔沿所述过渡波导结构的中心轴呈镜像对称，且所述第一通孔的孔径沿远离所述中心轴的方向增大。

参考图1，第一端面11可以为矩形，且将第一端面11的对角线的交点记为G；第二端面12也可以为矩形，且将第二端面12的对角线的交点记为H。GH连线即为过渡波导结构的中心轴。其中，第一通孔沿过渡波导结构的中心轴呈镜像对称，且第一通孔与中心轴的距离越远，第一通孔的孔径越大。

仍参考图1，过渡波导结构的对称面CDFE是经过上述中心轴GH、且垂直于第一端面11和第二端面12的平面，且过渡波导结构的对称面CDFE垂直于第一底面13。其中，C和E分别为第一端面的相互平行的两条边长的中点，D和F分别为第二端面的相互平行的两条边长的中点。换言之，过渡波导结构的对称面平行于光信号的传播方向，即，过渡波导结构的对称面平行于Z方向。过渡波导结构关于该对称面呈镜像对称，且过渡波导结构内设置的第一通孔也关于该对称面呈镜像对称。

仍参考图2，图2示出了过渡波导结构的俯视图。具体而言，过渡波导结构的形状可以为四棱台，该过渡波导结构在俯视图内呈现为等腰梯形，此时，C、G、E在俯视图中重合为一点，D、H、F在俯视图中也重合为一点。图2示出的CD连线即为该等腰梯形的对称轴，即，该过渡波导结构在第一底面的正投影关于该对称轴呈镜像对称。并且，对于同一行的第一通孔，即，沿X方向分布的第一通孔，第一通孔与该对称轴的距离越远，第一通孔的孔径越大。换言之，沿X方向分布的第一通孔，第一通孔的孔径先减小后增大。具体而言，过渡波导结构沿X方向的折射率先增大后减小，其中，过渡波导结构位于对称轴位置处的折射率略大于过渡波导结构两侧位置处的折射率。

如果沿X方向分布的第一通孔的数量为奇数，那么位于该对称轴上的一个第一通孔的孔径最小；如果沿X方向分布的第一通孔的数量为偶数，那么与该对称轴距离最近的两个第一通孔的孔径最小。图2示出的即为沿X方向分布的第一通孔的数量为偶数的情况。本申请实施例提供的过渡波导结构，通过设置呈阵列分布的第一通孔，每个所述第一通孔的孔径沿指向所述第一底面的方向减小；所述第一通孔沿所述过渡波导结构的中心轴呈镜像对称，且所述第一通孔的孔径沿远离所述中心轴的方向增大。以实现进入该过渡波导结构的光信号中，不同路径的光信号的光程近似相等，以减小发散角，实现近准直的功能。且过渡波导结构在X方向上两侧位置处的折射率略小于在X方向上中心轴位置处的折射率，能够有效地降低反射损耗。

仍参考图1，过渡波导结构的形状可以为四棱台，将四棱台的四条侧棱边延长后相交于一点，以该相交点为原点O建立坐标系。或者，可以将该四棱台看作四棱锥的底面和平行于底面的截面间部分，此时，四棱锥的顶点即为坐标系的原点O。以与第一端面相互垂直的两条边长平行的方向分别设置为坐标系的X方向和Y方向，以垂直于第一端面和第二端面的方向设置为坐标系的Z方向，或者，以平行于光信号的传播方向的方向设置为坐标系的Z方向。

其中，图1示出的X方向、Z方向与图2示出的X方向、Z方向相同。图1示出的坐标系原点O也为未采用本申请实施例提供的过渡波导结构时，发散角延长线的交点。下式1为过渡波导结构内折射率的分布函数：

其中，n表示过渡波导结构内坐标系中位置为(x，y，z)的某点的折射率，n_SiO2表示二氧化硅的折射率，n_Si表示硅的折射率，x、y、z分别表示过渡波导结构内某点的坐标位置，L表示过渡波导结构在Z方向上的长度，l表示坐标系的原点O到第一端面的最小距离，即坐标系的原点O到第一端面的距离在Z方向上的距离，a、b、c、A、m和n’均为可以调整的参数。

在本申请的一个实施例中，a可以为0.001，b可以为0.0001，c可以为2，A可以为0.01。这里，选取a和b的值略大于0，可以降低边界的粗糙度引起的散射。

在本申请的一个实施例中，L可以为50μm。

由式1分析可知，在a、b、c、A、m、n’、L和l参数不变的情况下，对于每个第一通孔而言，Z方向的坐标位置是恒定不变的，那么X方向和Y方向的坐标位置值越大，该点的折射率越小，从而对应的孔径就越大。因此，第一通孔在图3示出的剖视图中呈现为锥形孔的形貌。

具体地，在过渡波导结构内，沿第一端面到第二端面的方向，即，图1示出的Z方向，过渡波导结构的折射率逐渐降低；沿截线方向，过渡波导结构的折射率先增大后减小。其中，截线方向指的是平行于第一底面且与图1示出的Z方向垂直的任何方向，也就是图1示出的X方向。可以理解的是，第一通孔的孔径沿X方向先减小后增大，因此，过渡波导结构的折射率沿X方向先增大后减小。

具体地，过渡波导结构内某点的有效折射率和孔径的大小关系可通过数值仿真的方式获得。这里仍可以参考图2，按照图2中虚线所示，将过渡波导结构划分为若干个尺寸相同的正方体，结合图4，将该正方体称为第一基本单元42，每个第一基本单元42中存在一个第一重复单元41。换言之，在过渡波导结构中，若干个第一基本单元分别沿列方向(即，Z方向)和行方向(即，X方向)进行堆叠，以形成过渡波导结构。并且，若干个第一重复单元沿垂直于第一底面的方向(即，Y方向)进行堆叠，以形成第一通孔。

这里，过渡波导结构内某点的有效折射率和孔径的大小关系可通过数值仿真的方式获得，以小于0.1nm的步长，计算获得孔径从0增加至第一基本单元的边长对应的折射率值。考虑到计算量较大，可以使用参数化建模的方法，首先，使用第一基本单元阵列建立矩形波导，通过数值仿真的方式计算得到有效折射率和孔径大小的关系，并且以数组的方式进行存储，例如，每一个孔径数值对应一个折射率值；接着，通过公式计算得到有效折射率的空间分布，并且以数组的方式进行存储，例如，每一个坐标位置对应一个折射率值；最后，将过渡波导结构离散化，即，划分为若干个尺寸相同的第一基本单元，通过每个第一基本单元的坐标位置对应的有效折射率，来选择每个第一基本单元内的孔径大小。

本申请实施例提供的过渡波导结构，通过设置呈阵列分布的第一通孔，每个所述第一通孔的孔径沿指向所述第一底面的方向减小；所述第一通孔沿所述过渡波导结构的中心轴呈镜像对称，且所述第一通孔的孔径沿远离所述中心轴的方向增大。过渡波导结构内有效折射率分布满足光程差相同的原则，以确保经过过渡波导结构后输出的光信号的等相位面仍为平面。这里，过渡波导结构的设计能够实现折射率匹配以降低反射损耗，从而提高光耦合效率。

在本申请的一些实施例中，每个所述第一通孔在轴向上由若干个第一重复单元堆叠而成。具体而言，每个所述第一通孔在图1示出的Y方向上，由若干个第一重复单元堆叠而成。

参考图4和图5，图4和图5为过渡波导结构的第一重复单元的结构示意图。如图4和图5所示，对第一基本单元42进行开孔，以获得第一重复单元41。图4示出的第一重复单元41的形状为圆台，图5示出的第一重复单元41’的形状为四棱台。若干个第一基本单元分别沿列方向(即，Z方向)和行方向(即，X方向)进行堆叠，以形成过渡波导结构。并且，若干个第一重复单元沿垂直于第一底面的方向(即，Y方向)进行堆叠，以形成第一通孔。

在本申请的一些实施例中，第一基本单元的边长需要满足亚波长的条件。例如，在一个具体的实施例中，第一基本单元的边长<23nm。

在本申请的一些实施例中，所述第一重复单元的形状可以包括圆柱形、圆台、长方体、棱台或者正多面体。

在本申请的一些实施例中，任意相邻两个所述第一通孔的轴线之间的距离相等。

参考图6，图6为过渡波导结构的局部俯视图。图6示出了四行四列，共计十六个第一基本单元，每个第一基本单元42内均设置有一个第一重复单元41，这里的第一重复单元为第一通孔的一部分。图6示出的虚线为每个第一基本单元42的对角线，虚线对角线的交点即为每个第一基本单元在俯视图中的几何中心，同时，虚线对角线的交点也为每个第一重复单元在俯视图中的几何中心。换言之，每个第一基本单元和每个第一重复单元在俯视图中的几何中心重合。可以理解的是，每个第一基本单元的尺寸相同，那么任意相邻两个第一通孔在所述第一底面的正投影的几何中心之间的距离相等，即，该距离为第一基本单元的边长。由上述分析可知，在过渡波导结构内，单位体积内第一通孔的数量是恒定的，即，第一通孔的分布密度是均一的。每个第一通孔通过多个沿Y方向排布的第一基本单元中的第一重复单元组成，针对每个第一通孔，各个第一重复单元在俯视图中的几何中心重合，而第一通孔的轴线由各个第一重复单元的轴线组成，第一重复单元的轴线在所述第一底面的正投影与几何中心重合。

本申请实施例提供的过渡波导结构，通过亚波长的周期性结构，即，按照周期性排列的第一重复单元，以实现对有效折射率的控制。具体而言，本申请实施例提供的过渡波导结构，通过第一通孔，例如，锥形孔，以实现有效折射率在不同方向上的变化。

本申请实施例还提供一种光波导结构。参考图7，图7为光波导结构的三维结构示意图。如图7所示，光波导结构包括小模斑波导结构30、大模斑波导结构20和过渡波导结构10；过渡波导结构10设于小模斑波导结构30和大模斑波导结构20之间。图7示出的光波导结构中，光信号的传播可以依次经过小模斑波导结构30、过渡波导结构10和大模斑波导结构20，此时，过渡波导结构10用于接收从小模斑波导结构30输出的光信号，且将光信号传输至大模斑波导结构20。当然，图7示出的光波导结构中，光信号的传播可以依次经过大模斑波导结构20、过渡波导结构10和小模斑波导结构30，此时，过渡波导结构10用于接收从大模斑波导结构20输出的光信号，且将光信号传输至小模斑波导结构30。也就是说，光信号在光波导结构中的传播方向可以是双向的，既可以由小模斑波导结构入射、经过过渡波导结构后，最终由大模斑波导结构射出，也可以由大模斑波导结构入射、经过过渡波导结构后，最终由小模斑波导结构射出。

继续参考图7，大模斑波导结构20包括相互平行的第三端面21和第四端面22，以及与第三端面21和第四端面22相互垂直的第二底面23；第三端面21与第四端面22的尺寸相等；大模斑波导结构20还包括呈阵列分布的第二通孔50，每个第二通孔50的轴向垂直于第二底面23。

这里，大模斑波导结构与过渡波导结构相连，此时，第二端面与第三端面的尺寸相等。具体而言，第二端面可以为矩形，第三端面也可以为矩形，第二端面和第三端面的长、宽均相同，且第二端面和第三端面的面积相等。

仍参考图7，小模斑波导结构30包括相互平行的第五端面31和第六端面32，以及与第五端面31和第六端面32相互垂直的第三底面33；第五端面31与第六端面32的尺寸相等。

这里，小模斑波导结构与过渡波导结构相连，此时，第六端面与第一端面的尺寸相等。具体而言，第六端面可以为矩形，第一端面也可以为矩形，第六端面和第一端面的长、宽均相同，且第六端面和第一端面的面积相等。可以理解的是，第三底面、第一底面和第二底面位于同一平面。

参考图8，图8为光波导结构的俯视图。如图8所示，第二通孔50在大模斑波导结构20内呈现为阵列分布。将平行于第三端面和第四端面的方向称为行方向，即X方向，将垂直于第三端面和第四端面的方向称为列方向，或者，将平行于光信号的传播方向的方向称为列方向，即Z方向。在大模斑波导结构内分布有若干行和若干列第二通孔。

在本申请的一些实施例中，大模斑波导结构内分布的第二通孔的尺寸相同。具体而言，第二通孔的孔径相同，且第二通孔沿其轴向的深度相同。

参考图9，图9为光波导结构沿图8中BB’的剖视图。图9示出了沿Z方向的第一通孔40和第二通孔50的剖面结构，第二通孔50的轴向垂直于第二底面23，换言之，第二通孔50的轴向平行于第三端面21和第四端面22；每个第二通孔50的孔径在指向第二底面23的方向始终保持不变。具体而言，每个第二通孔可以为圆柱形通孔，第二通孔在图9示出的剖视图中呈现为矩形。

参考图10，图10为光波导结构的简化俯视图。如图10所示，小模斑波导结构30、过渡波导结构10和大模斑波导结构20的正投影分别具有第三形状、第一形状和第二形状，其中，第三形状和第二形状可以为矩形或者正方形，所述第三形状、所述第一形状和所述第二形状的对角线的交点位于同一直线上。换言之，第三形状、第一形状和第二形状均为轴对称图形，且第三形状、第一形状和第二形状的对称轴位于同一条直线上。上述对角线的交点所在的直线即为对称轴。

在本申请的一些实施例中，任意相邻两个所述第二通孔的轴线之间的距离相等。

参考图11，图11为大模斑波导结构的局部俯视图。图11示出了三行三列，共计九个第二基本单元，每个第二基本单元52内均设置有一个第二重复单元51，这里的第二重复单元为第二通孔的一部分。这里，第二基本单元52也可以是正方体，图11示出的虚线为每个第二基本单元52的对角线，虚线对角线的交点即为每个第二基本单元在俯视图中的几何中心，同时，虚线对角线的交点也为每个第二重复单元在俯视图中的几何中心。换言之，每个第二基本单元和每个第二重复单元在俯视图中的几何中心重合。可以理解的是，每个第二基本单元的尺寸相同，那么任意相邻两个第二通孔在所述第二底面的正投影的几何中心之间的距离相等，即，该距离为第二基本单元的边长。由上述分析可知，在大模斑波导结构内，单位体积内第二通孔的数量是恒定的，即，第二通孔的分布密度是均一的。每个第二通孔通过多个沿Y方向排布的第二基本单元中的第二重复单元组成，针对每个第二通孔，各个第二重复单元在俯视图中的几何中心重合，而第二通孔的轴线由各个第二重复单元的轴线组成，第二重复单元的轴线在所述第二底面的正投影与几何中心重合。

上述技术方案中，第二重复单元的形状可以是圆柱形。

上述技术方案中，第一基本单元可以与第二基本单元的尺寸相同，或者，第一基本单元也可以与第二基本单元的尺寸不同。

在本申请的一些实施例中，第一通孔的分布密度可以与第二通孔的分布密度相同。具体而言，过渡波导结构的单位体积内的第一通孔的数量与大模斑波导结构的单位体积内的第二通孔的数量相同。

在本申请的另一些实施例中，第一通孔的分布密度可以与第二通孔的分布密度不同。具体而言，过渡波导结构的单位体积内的第一通孔的数量与大模斑波导结构的单位体积内的第二通孔的数量不同。

由于本申请实施例提供的光波导结构中，小模斑波导结构、过渡波导结构及过渡波导结构内呈阵列分布的第一通孔，和大模斑波导结构及大模斑波导结构内呈阵列分布的第二通孔，均可以通过硅沉积和硅刻蚀工艺直接集成在硅光芯片上，能够有效地提高硅光芯片的集成度。这里，无论是过渡波导结构内呈现周期性排列的第一通孔，还是大模斑波导结构内呈现周期性排列的第二通孔，由于第一通孔和第二通孔的轴向均垂直于第一底面或第二底面所在的平面，因此，第一通孔和第二通孔均可以通过硅刻蚀工艺，即开孔方式来实现，从而使得本申请实施例提供的光波导结构能够直接集成在硅光芯片上，简化光波导结构的制作流程。

本申请实施例还提供一种光耦合结构。参考图12，图12为光耦合结构的简化俯视图。如图12所示，光耦合结构包括衬底80、硅波导70、光纤60以及上述技术方案中的光波导结构，光波导结构设于衬底80的上方，小模斑波导结构30的一侧设有硅波导70，大模斑波导结构20的一侧设有光纤60。其中，光波导结构包括依次相连的小模斑波导结构30、过渡波导结构10和大模斑波导结构20。

在上述光耦合结构中，可以由硅波导输出光信号进入光波导结构，由光波导结构输出该光信号至光纤中，此时硅波导位于光波导结构接收光信号的一端，光纤位于光波导结构输出光信号的一端。其中，光信号在光波导结构中的传输依次经过小模斑波导结构、过渡波导结构和大模斑波导结构，图12示出的箭头方向即为光信号的传播方向。此外，在上述光耦合结构中，也可以由光纤输出光信号进入光波导结构，由光波导结构输出该光信号至硅波导，此时光纤位于光波导结构接收光信号的一端，硅波导位于光波导结构输出光信号的一端。其中，光信号在光波导结构中的传输依次经过大模斑波导结构、过渡波导结构和小模斑波导结构。

在本申请的一些实施例中，所述第一端面的面积小于所述第二端面的面积。具体地，第一端面的尺寸与第六端面的尺寸相同；第二端面的尺寸与第三端面的尺寸相同。如前所述，第五端面的尺寸与第六端面的尺寸相同，第三端面的尺寸与第四端面的尺寸相同。换言之，第五端面的面积小于第四端面的面积。具体而言，小模斑波导结构的第五端面的面积小于大模斑波导结构的第四端面的面积。这里，第五端面的尺寸与硅波导的尺寸相匹配，第四端面的尺寸与光纤的尺寸相匹配，因此，第五端面的面积小于第四端面的面积。

在本申请的一些实施例中，所述小模斑波导结构的折射率与所述硅波导的折射率相同；所述大模斑波导结构的折射率与所述光纤的折射率相同。具体而言，大模斑波导结构的折射率与光纤内纤芯的折射率相同。例如，过渡波导结构可以通过周期性排列的第一通孔实现有效折射率的最大范围为1～3.42。大模斑波导结构可以通过周期性排列的第二通孔实现有效折射率为1～3.42中的任意值。其中，空气的折射率为1，硅的折射率为3.42。

具体地，小模斑波导结构与硅波导相连，其有效折射率与硅波导的有效折射率相匹配，过渡波导结构设于小模斑波导结构与大模斑波导结构之间，以实现折射率的渐变，大模斑波导结构与光纤相连，其有效折射率与光纤的有效折射率相匹配。其中，大模斑波导结构通过第二通孔实现了有效折射率与光纤相匹配，因此，这里光耦合结构在实现模场匹配，降低模场转换损耗的同时，也实现了折射率匹配，有效地降低了端面反射损耗，从而提高了光耦合效率。

在上述光耦合结构中，光信号可以由硅波导射入小模斑波导结构，之后光信号在折射率渐变的过渡波导结构中实现模斑大小的渐变，在该过渡波导结构内，通过设计波导的宽度、有效折射率分布以及光的半波长相匹配，因此，在过渡波导结构内光的模式不变；最后，光信号进入大模斑波导结构内，实现与光纤的光耦合。光信号由光纤射入大模斑波导结构，经过过渡波导结构后，由小模斑波导结构射出后进入硅波导的过程中，也通过设计过渡波导结构的宽度、有效折射率分布以及光的半波长相匹配，以实现在过渡波导结构内光的模式不变。

与相关技术方案中模斑转换器(spot size converter，SSC)相比，由于硅与周围的空气或二氧化硅的折射率相差甚远，很难实现折射率匹配。可以理解的是，如果光耦合结构无法实现折射率匹配和模场匹配，那么硅波导和光纤的光耦合效率会大打折扣。

本申请实施例提供的光耦合结构，通过控制折射率，在接收光信号的情况下，能够实现折射率匹配，从而有效地降低端面反射损耗和模场转换损耗。且本申请实施例提供的光耦合结构，能够兼具聚焦功能，以进一步降低损耗。本申请实施例提供的光耦合结构，从未采用本申请实施例提供的光耦合结构的发散角延长线的交点(即图1示出的坐标系原点O)开始，到过渡波导结构的第二端面，所有路径的光程近似相等，即光程之间的误差小于预期，因此，本申请实施例提供的光耦合结构通过调节光程来调整发散角，即，本申请实施例提供的过渡波导结构通过调节不同位置的折射率来改变光程，在无需使用额外的透镜条件下即可实现光的近准直，减小发散角，既能够有利于光的耦合，以提高耦合效率和降低耦合的难度，还能够使得光耦合结构更加紧凑，从而减小封装阶段的复杂度和成本。这里，近准直指的是在一定距离内，发散角的大小远远低于预期值，即，本申请实施例提供的光耦合结构能够具备聚焦功能，有效地减小发散角，实现近准直，增加容差，降低光耦合难度。

本申请实施例提供了一种过渡波导结构、光波导结构以及光耦合结构，所述过渡波导结构包括：相互平行的第一端面和第二端面，以及与所述第一端面和所述第二端面相互垂直的第一底面；所述第一端面的面积小于所述第二端面的面积；所述第一端面用于接收/输出光信号，对应的所述第二端面用于输出/接收光信号；呈阵列分布的第一通孔，每个所述第一通孔的轴向垂直于所述第一底面；沿所述第一端面到所述第二端面的方向，所述第一通孔的孔径增大。本申请实施例提供的过渡波导结构，通过设置呈阵列分布的第一通孔，且沿所述第一端面到所述第二端面的方向，所述第一通孔的孔径增大，以实现过渡波导结构的有效折射率的渐变，降低了光信号传输过程中的过渡波导结构的端面反射损耗和模场转换损耗，提高了光耦合效率。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本申请的优选实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是在本申请的发明构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种过渡波导结构，其特征在于，包括：相互平行的第一端面和第二端面，以及与所述第一端面和所述第二端面相互垂直的第一底面；所述第一端面的面积小于所述第二端面的面积；所述第一端面用于接收/输出光信号，对应的所述第二端面用于输出/接收光信号；

呈阵列分布的第一通孔，每个所述第一通孔的轴向垂直于所述第一底面；每个所述第一通孔的孔径沿指向所述第一底面的方向减小；

沿所述第一端面到所述第二端面的方向，所述第一通孔的孔径增大。

2.如权利要求1所述的过渡波导结构，其特征在于，所述第一通孔沿所述过渡波导结构的中心轴呈镜像对称，且所述第一通孔的孔径沿远离所述中心轴的方向增大。

3.如权利要求1所述的过渡波导结构，其特征在于，每个所述第一通孔在轴向上由若干个重复单元堆叠而成。

4.如权利要求3所述的过渡波导结构，其特征在于，所述重复单元的形状包括圆柱形、圆台、长方体、棱台或者正多面体。

5.如权利要求1所述的过渡波导结构，其特征在于，任意相邻两个所述第一通孔的轴线之间的距离相等。

6.一种光波导结构，其特征在于，包括：小模斑波导结构、大模斑波导结构以及如权利要求1至5任一项所述的过渡波导结构；所述过渡波导结构设于所述小模斑波导结构和所述大模斑波导结构之间。

7.如权利要求6所述的光波导结构，其特征在于，所述大模斑波导结构包括：相互平行的第三端面和第四端面；所述第三端面与所述第四端面的尺寸相等；

所述大模斑波导结构设有呈阵列分布的第二通孔，每个所述第二通孔的轴向平行于所述第三端面；

所述第二端面与所述第三端面的尺寸相等。

8.如权利要求6所述的光波导结构，其特征在于，所述小模斑波导结构包括：相互平行的第五端面和第六端面；所述第五端面与所述第六端面的尺寸相等；

所述第六端面与所述第一端面的尺寸相等。

9.一种光耦合结构，其特征在于，包括：衬底、硅波导、光纤以及如权利要求6至8任一项所述的光波导结构；

所述光波导结构设于所述衬底的上方；

所述小模斑波导结构的一侧设有所述硅波导，所述大模斑波导结构的一侧设有所述光纤。

10.如权利要求9所述的光耦合结构，其特征在于，所述小模斑波导结构的折射率与所述硅波导的折射率相同；所述大模斑波导结构的折射率与所述光纤的折射率相同。