CN114460682B - 端面耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种端面耦合器，包括硅衬底、埋氧层和二氧化硅包层，二氧化硅包层内设有：条形中心波导，条形中心波导包括第一波导段和第二波导段，第一波导段和第二波导段端部相接；两个平板波导，各平板波导的几何中心线均与第一波导段的几何中心线平行设置，每个平板波导的几何中心线与第一波导段的几何中心线之间具有第一距离；两个辅助波导，各辅助波导的几何中心线均与第一波导段的几何中心线平行设置，每个辅助波导的几何中心线与第一波导段的几何中心线之间具有第二距离；条形中心波导的折射率大于各平板波导及各辅助波导的折射率，以形成与光纤模场相匹配的波导模场。该端面耦合器减小了光纤与波导之间的模场匹配损耗，提高了耦合效率。

Description

端面耦合器

技术领域

本发明涉及光电器件技术领域，尤其涉及一种端面耦合器。

背景技术

硅基光子器件具有与CMOS(互补金属氧化物半导体，英文全称ComplementaryMetal Oxide Semiconductor)工艺兼容、大带宽、低延迟、低能耗、低串扰等显著的优点，可以实现高性能、低成本、小尺寸、高集成的片上光互联。硅和二氧化硅或者空气具有较大的折射率差，这使得以硅为材料的波导对光场具有很强的限制能力，可以实现高度集成。

光纤通信的飞速发展极大推动了光子器件的发展，在光通信领域，一个很关键的问题是如何将光从光纤中引导进入集成芯片的波导中。对于这一问题，目前一般采用端面耦合器实现光纤与波导的连接。但端面耦合器存在一定的耦合损耗，且耦合损耗主要包括光纤与波导模场的对准损耗、光纤和波导的模场匹配损耗、波导端面的反射损耗、波导端面的散射损耗以及波导模式转换损耗。对于光纤与波导模场的对准损耗主要取决于光纤与波导的对准能力，因此可通过将光纤与波导对准而降低；波导端面的散射损耗可以通过提高端面质量的方法来降低；波导端面的反射损耗可通过在端面滴加折射率匹配液的方法来降低。

而由于光纤模场直径在10.5μm左右，波导直径一般小于0.5μm，所以导致二者的模场失配超过20dB，使得光纤和波导之间存在较大的模场匹配损耗。目前还未存在一种较为理想的端面耦合器，以解决模场匹配损耗过高问题。因此，如何将光从光纤中平稳的耦合至集成芯片的波导中且提高耦合效率是亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种端面耦合器，以解决现有技术中存在的一个或多个问题。

根据本发明的一个方面，本发明公开了一种端面耦合器，所述端面耦合器包括硅衬底、设置在硅衬底上的埋氧层和位于所述埋氧层的远离所述硅衬底的一侧的二氧化硅包层，所述二氧化硅包层内设有：

自所述端面耦合器的一端朝向另一端延伸的条形中心波导，所述条形中心波导包括第一波导段和第二波导段，所述第一波导段和所述第二波导段端部相接，以使所述第一波导段和所述第二波导段之间可进行光耦合，所述第一波导段的远离所述第二波导段的一端为光纤接入端，所述第二波导段的横截面面积随着远离所述光纤接入端的距离的增大而逐渐增大，所述条形中心波导的横截面形状为矩形；

对称布置在所述第一波导段的相对的第一侧和第二侧并自所述端面耦合器的一端朝向另一端延伸的两个平板波导，各所述平板波导的几何中心线均与所述第一波导段的几何中心线平行设置，每个所述平板波导的几何中心线与所述第一波导段的几何中心线之间具有第一距离；

对称布置在所述第一波导的相对的第三侧与第四侧并自所述端面耦合器的一端朝向另一端延伸的两个辅助波导，各所述辅助波导的几何中心线均与所述第一波导段的几何中心线平行设置，每个所述辅助波导的几何中心线与所述第一波导段的几何中心线之间具有第二距离；

所述条形中心波导的折射率大于各所述平板波导及各辅助波导的折射率，以在光纤接入端形成与光纤模场相匹配的波导模场。

在本发明的一些实施例中，各所述平板波导与所述硅衬底平行。

在本发明的一些实施例中，两个所述辅助波导的几何中心线之间的距离不小于各所述平板波导在垂直于其延伸方向的横向上的宽度。

在本发明的一些实施例中，各所述辅助波导的横截面形状为矩形，所述平板波导的横截面形状为矩形。

在本发明的一些实施例中，各所述平板波导在垂直于其延伸方向的横向上的宽度范围为15μm～30μm，各所述平板波导在垂直于其延伸方向的纵向上的厚度范围为20nm～30nm。

在本发明的一些实施例中，所述平板波导在垂直于其延伸方向的横向上的宽度尺寸均匀或沿远离光纤接入端的方向逐渐减小；所述辅助波导在垂直于其延伸方向的横向上的宽度尺寸均匀或沿光纤接入端的方向逐渐减小。

在本发明的一些实施例中，所述条形中心波导的横截面形状为方形，所述第二波导段为棱台形波导，所述棱台形波导的上底面与所述第一波导段的端面完全重合。

在本发明的一些实施例中，所述第一波导段的长度与各所述平板波导和/或各所述辅助波导的长度相等；所述第二波导段的长度与所述第一波导段的长度的比值范围为1～2。

在本发明的一些实施例中，所述条形中心波导与各所述平板波导及各辅助波导的折射率之差大于或等于所述条形中心波导折射率的50％。

在本发明的一些实施例中，所述中心波导的材料为硅，各所述平板波导和各所述辅助波导的材料为氮化硅。

本发明实施例中的端面耦合器，在耦合器的光纤接入端的条形中心波导周围对称的设置两个平板波导和两个辅助波导，且条形中心波导的折射率高于各平板波导和各辅助波导的折射率，使得在光纤接入端形成与光纤模场相匹配的波导模场；从而在光纤与波导的耦合过程中，降低了光纤与波导的模场匹配损耗，提高了耦合效率；并且条形中心波导的第二波导段的横截面面积随着远离光纤接入端的距离的增大而逐渐增大，从而使得光能够平稳的传输，避免发生泄漏。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本发明一实施例的端面耦合器的结构示意图。

图2为本发明一实施例的端面耦合器的正视图。

图3为本发明一实施例的端面耦合器的侧视图。

图4为本发明一实施例的端面耦合器的俯视图。

图5为本发明一实施例的端面耦合器的光纤接入端端面的光场分布仿真图。

图6为本发明一实施例的端面耦合器的芯片接入端端面的光场分布仿真图。

图7为本发明一实施例的端面耦合器的沿光传输方向的光场分布仿真图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，本说明书内容中所出现的方位名词是相对于附图所示的位置方向；如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。直接连接为两个零部件之间不借助中间部件进行连接，间接连接为两个零部件之间借助其他零部件进行连接。

为了解决光纤与波导在耦合过程中模场匹配损耗过高的问题，本发明公开了一种端面耦合器。该端面耦合器整体结构基于SOI技术，且沿光传输方向上可被划分为两段，第一段用于捕获并且聚焦光场，第二段用于将捕获的光场压缩并传输到芯片的波导中。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件。

图1为本发明一实施例的端面耦合器的结构示意图，如图1所示，该端面耦合器包括硅衬底、埋氧层02和二氧化硅包层03。埋氧层02设置在硅衬底上，而二氧化硅包层03位于埋氧层02的远离硅衬底的一侧。

二氧化硅包层03内设有自端面耦合器的一端朝向另一端延伸的条形中心波导。该条形中心波导具体的可位于二氧化硅包层03的中心位置，即条形中心波导的几何中心线可与二氧化硅包层03的几何中心线重合。条形中心波导的横截面形状可为矩形，且横截面是指与条形中心波导的延伸方向向垂直的平面。条形中心波导包括第一波导段331和第二波导段332，第一波导段331和第二波导段332端部相接，以使第一波导段331和第二波导段332之间可进行光耦合。应当理解的是，第一波导段331和第二波导段332端部相接不仅包括第一波导段331和第二波导段332端的端面相对接，也包括第一波导段331与第二波导段332的端部的一部分在长度方向上交错重合；长度方向是指光传输方向。无论采用哪种对接方式，只要能保证第一波导段331和第二波导段332之间实现光耦合即可。另外，第一波导段331的远离第二波导段332的一端为光纤接入端，具体的为图1中的左侧一端；第二波导段332的横截面面积随着远离光纤接入端的距离的增大而逐渐增大，也即第二波导段332从左至右横截面面积呈逐渐增大状态。第二波导段332的右端作为芯片波导接入端，在光的传输方向上，第二波导段332横截面面积逐渐增大，可使光模场平稳的传输以减轻耦合过程中的模场泄露。

二氧化硅包层03内除了设有条形中心波导之外，还设有两个平板波导31和两个辅助波导32。两个平板波导31对称设置在第一波导段331的相对的第一侧和第二侧，且各平板波导31均与条形中心波导类似的，自端面耦合器的一端朝向与另一端延伸。另外，各平板波导31的几何中心线均与第一波导段331的几何中心线平行设置，且每个平板波导31的几何中心线与第一波导段331的几何中心线之间具有第一距离。类似的，两个辅助波导32对称设置在第一波导段331的相对的第三侧和第四侧，且各辅助波导32也均自端面耦合器的一端朝向与另一端延伸；各辅助波导32的几何中心线均与第一波导段331的几何中心线平行设置，且每个辅助波导32的几何中心线与第一波导段331的几何中心线之间具有第二距离。应当理解的是，几何中心线是指可将各部件分割成相等两部分的平面的中线；例如，对于矩形的平板波导31，其几何中心线也可理解为中线；对于横截面为圆的条形波导，几何中心线可理解为圆柱体的中轴线；而对于一些不规则的立体结构，几何中心线是指用于将该不规则立体平分为两部分的平面的中线。

进一步的，条形中心波导的折射率还大于各平板波导31及各辅助波导32的折射率，以在光纤接入端形成与光纤模场相匹配的波导模场。对于该端面耦合器，在第一波导段331的相对的第一侧和第二侧设置平板波导31，对于光场捕获更有利，从而减小了模场泄露。并且第一波导段331以及位于第一波导段331周围的两个平板波导31和两个辅助波导32可看作为端面耦合器的第一段，其在光的传输过程中尽可能多的捕获光场并且将光场向条形中心波导汇聚；条形中心波导的与第一波导段331相接的第二波导段332作为端面耦合器的第二段，用于将第一段捕获的光场绝热的传输至光集成器件中。

对于各个波导的折射率，可设置为条形中心波导与各平板波导31及各辅助波导32的折射率之差大于或等于条形中心波导折射率的50％。例如，条形中心波导的材料可选用硅，而各平板波导31和各辅助波导32的材料可选用氮化硅；硅的折射率大约为氮化硅折射率的两倍。另外，条形中心波导的材料也可以为除硅材料之外的其他类型，例如通过磷化铟替代；而氮化硅也可以用氮的氧化物替代；只要能满足条形中心波导与各平板波导31及各辅助波导32之间的相对折射率要求即可。

进一步地，平板波导31与硅衬底平行。当第一波导段331具体的为条形的矩形波导时，此时第一侧和第二侧分别指该条形中心波导的上下两侧，而第三侧和第四侧则分别指该条形中心的左右两侧，对于上下左右方位关系是相对于附图3来说，也即第一波导段331的上侧是指第一波导段331的远离硅衬底的一侧。

可选的，两个辅助波导32的几何中心线之间的距离不小于各平板波导31在垂直于其延伸方向的横向上的宽度。平板波导31的垂直于其延伸方向上的横向上的宽度是指图3所示的平板波导31的沿水平方向上的尺寸；此时也即两个辅助波导32分别位于平板波导31的左右两侧，且各辅助波导32的几何中心线之间的距离大于平板波导31在水平方向上的尺寸。另外，各辅助波导32的几何中心线之间的距离也可等于平板波导31在水平方向上的尺寸，此时各辅助波导32的几何中心线分别与平板波导31的左右两个侧面位于同一竖直平面内。除此之外，在平板波导31在横向上的宽度尺寸足够大时，各辅助波导32的几何中心线之间的距离也可小于平板波导31的横向上的宽度，只要保证两个平板波导31及两个辅助波导32所形成的模场与光纤模场相匹配即可。

进一步的，辅助波导32具体的为矩形波导，该矩形波导的在垂直于其延伸方向的横截面的形状为矩形。类似的，平板波导31的横截面形状也可为矩形。横截面是指辅助波导32或平板波导31垂直于其延伸方向上的平面。除此之外，辅助波导32和平板波导31的横截面形状也可以为其它形状，如等腰梯形。

横截面形状为矩形的平板波导31至少包括以下两种情况，即平板波导31在垂直于其延伸方向的横向上的宽度尺寸均匀或沿远离光纤接入端的方向逐渐减小。宽度尺寸均匀可以理解为平板波导31在图1所示的y方向上的尺寸沿远离光纤接入端的方向是相等的，即整个平板波导31呈长方体结构。宽度尺寸沿远离光纤接入端的方向逐渐减小可以为平板波导31的在Z方向上投影呈楔形或梯形。应当理解的是，对于上述结构形状的平板波导31，其厚度是相等的，厚度为平板波导31在Z方向上的尺寸。进一步的，当平板波导31在垂直于其延伸方向的横向上的宽度尺寸均匀的情况时，其在垂直于其延伸方向的横向上的宽度范围为15μm～30μm，在垂直于其延伸方向的纵向上的厚度范围为20nm～30nm；另外，当平板波导31在垂直于其延伸方向的横向上的宽度尺寸沿远离光纤接入端的方向逐渐减小时，其在垂直于其延伸方向的纵向上的厚度范围为20nm～30nm，在靠近与光纤接入端的端面的宽度范围为15μm～30μm；在垂直于其延伸方向的横向上的宽度是指图1所示的Y轴方向，垂直于其延伸方向的纵向上的厚度是指图1所示的Z轴方向。

类似的，辅助波导32也具体的包括以下两种情况：辅助波导32的在垂直于其延伸方向的横向上的宽度尺寸均匀或沿远离光纤接入端的方向逐渐减小。垂直于其延伸方向的横向上的宽度是指图1所示的Y方向上的尺寸。当辅助波导32的宽度尺寸均匀时，可将整个辅助波导32看作为长方体结构；而当辅助波导32的宽度沿远离光纤接入端的方向逐渐减小时，辅助波导32的在图1所示的Z方向上投影呈楔形或梯形。

在本发明一实施例中，条形中心波导的横截面形状为方形，横截面是指条形中心波导的垂直于其延伸方向(光传输方向)上的平面。条形中心波导的第二波导段332具体的可为棱台形波导。该棱台形波导的上底面与第一波导段331的端面完全重合，以防止光在耦合过程中产生泄露。示例性的，棱台形波导为正棱台形结构，此时棱台形波导的上底面的边长与第一波导段331的端面的边长相等；棱台形波导上底面边长与第一波导段331端面边长相等的设置是为了保证第一波导段331的端面与第二波导段332的端面完全重合对接，另外在保证光耦合效率的情况下，棱台形波导的上底面边长也可稍大于第一波导段331的端面边长。棱台形波导除了为正棱台形之外，也可为除正棱台之外的其他普通棱台；如棱台形波导的上底面和下底面也可为呈相似长方形，此时若想实现棱台形波导的上底面与第一波导段331的端面完全重合，第一波导段331的横截面形状还需为与棱台形波导的上底面完全相同的长方形。

在本发明一实施例中，如图2和图4所示，第一波导段331的长度与各平板波导31和/或各辅助波导32的长度相等。第二波导段332的长度与第一波导段331的长度的比值范围为1～2；具体的可选为1，即第二波导段332的长度与第一波导段331的长度相等。长度是指第一波导段331、各平板波导31和各辅助波导32的沿延伸方向上的尺寸。应当理解的是，各平板波导31和/或各辅助波导32的长度也可均大于第一波导段331的长度，但为了使端面耦和器的输出端模场匹配与元器件波导模场，应保证各平板波导31和各辅助波导32的长度小于第一波导段331和第二波导段332的长度之和。

为了更详细的描述该端面耦合器的结构，以下将参考图1至图4通过一具体实施例对端面耦合器各个部分的尺寸进行具体说明。

该端面耦合器从下至上依次设有SOI衬底01、BOX埋氧层02和二氧化硅包层03，二氧化硅包层03内设有条形中心波导、分别位于条形中心波导上下两侧的两个平板波导31以及分别位于条形中心波导另外两侧的辅助波导32。以图1为例，X向作为长度方向，Y向作为宽度方向，Z向作为厚度方向。则SOI衬底01的厚度为大于7μm，宽度为30μm；BOX埋氧层02的厚度为3μm，宽度为30μm；二氧化硅包层03的总厚度为30μm，宽度为30μm。两个平板波导31与条形中心波导之间的第一距离数值范围可以为5μm～15μm，两个辅助波导32与条形中心波导之间的第二距离数值范围也可为5μm～15μm；位于条形中心波导的上下两侧的两个平板波导31的厚度为20nm，宽度为20μm；两个辅助波导32的厚度为450nm，宽度为550nm；第一波导段331的厚度为120nm，宽度为120nm，第二波导段332为正四棱台结构，其上底面为边长为120nm的正方形，下底面边长为450nm的正方形。第一波导段331的长度为100μm；各平板波导31及各辅助波导32的长度与第一波导段331的长度均相等，也均为100μm；第二波导段332的长度为260μm。

上述的具体参数仅是本发明公开内容的一种优选实施方式，其中SOI衬底01、BOX埋氧层02以及二氧化硅包层03的宽度范围可以设置在20μm～40μm，而整个耦合器(第一波导段331+第二波导段332)的长度范围可以在260μm～1000μm之间。但应当注意的是，耦合器的整体长度越大，其偶和效率会更高但集成度会被降低；相反若耦合器的整体长度越小，则偶和效率会相应的降低而集成度会提高；因此可具体根据应用要求调整耦合器的各个部件的尺寸。

图5、图6和图7为耦合试验过程中的仿真示意图。在实验过程中，该端面耦合器的光纤接入端所接入的光纤为SMF-28标准光纤，其模场直径为10.5μm左右，输入光波为单模光波。图5为端面耦合器的靠近与光纤一端的光场分布图；图6为端面耦合器的靠近与芯片一端的光场分布图；图7为光在端面耦合器内沿光传输方向上的光场分布图。从图5至图7可以看出，该端面耦合器能够起到较好的汇聚及捕获光场的效果，且被捕获到的光场可以高效的耦合到第二波导段332中，且经过测试得到，耦合效率达到91％左右。

通过上述实施例可以发现，本发明所公开的端面耦合器，在耦合器的光纤接入端的条形中心波导周围对称的设置两个平板波导和两个辅助波导，平板波导可较优的捕获光场，且条形中心波导的折射率高于各平板波导和各辅助波导的折射率，使得在光纤接入端形成与光纤模场相匹配的波导模场；从而在光纤与波导的耦合过程中，降低了光纤与波导的模场匹配损耗，提高了耦合效率；并且条形中心波导的第二波导段的横截面面积随着远离光纤接入端的距离的增大而逐渐增大，从而使得光能够平稳的传输，避免发生泄漏，从而进一步的提高了耦合效率。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

上述所列实施例，显示和描述了本发明的基本原理与主要特征，但本发明不受上述实施例的限制，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下对本发明做出的修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种端面耦合器，其特征在于，包括硅衬底、设置在硅衬底上的埋氧层和位于所述埋氧层的远离所述硅衬底的一侧的二氧化硅包层，所述二氧化硅包层内设有：

自所述端面耦合器的一端朝向另一端延伸的条形中心波导，所述条形中心波导包括第一波导段和第二波导段，所述第一波导段和所述第二波导段端部相接，以使所述第一波导段和所述第二波导段之间可进行光耦合，所述第一波导段的远离所述第二波导段的一端为光纤接入端，所述第二波导段的横截面面积随着远离所述光纤接入端的距离的增大而逐渐增大，所述条形中心波导的横截面形状为矩形，所述第一波导段为条形的矩形波导；

对称布置在所述第一波导段的相对的第一侧和第二侧并自所述端面耦合器的一端朝向另一端延伸的两个平板波导，各所述平板波导的几何中心线均与所述第一波导段的几何中心线平行设置，每个所述平板波导的几何中心线与所述第一波导段的几何中心线之间具有第一距离；

对称布置在所述第一波导的相对的第三侧与第四侧并自所述端面耦合器的一端朝向另一端延伸的两个辅助波导，各所述辅助波导的几何中心线均与所述第一波导段的几何中心线平行设置，每个所述辅助波导的几何中心线与所述第一波导段的几何中心线之间具有第二距离；

所述条形中心波导的折射率大于各所述平板波导及各辅助波导的折射率，以在光纤接入端形成与光纤模场相匹配的波导模场；

两个所述辅助波导的几何中心线之间的距离不小于各所述平板波导在垂直于其延伸方向的横向上的宽度；

各所述平板波导在垂直于其延伸方向的横向上的宽度范围为15μm~30μm，各所述平板波导在垂直于其延伸方向的纵向上的厚度范围为20nm~30nm；

所述第一波导段的长度与各所述平板波导和/或各所述辅助波导的长度相等。

2.根据权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于，各所述平板波导与所述硅衬底平行。

3.根据权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于，各所述辅助波导的横截面形状为矩形，所述平板波导的横截面形状为矩形。

4.根据权利要求3所述的端面耦合器，其特征在于，所述平板波导在垂直于其延伸方向的横向上的宽度尺寸均匀或沿远离光纤接入端的方向逐渐减小；所述辅助波导在垂直于其延伸方向的横向上的宽度尺寸均匀或沿远离光纤接入端的方向逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于，所述条形中心波导的横截面形状为方形，所述第二波导段为棱台形波导，所述棱台形波导的上底面与所述第一波导段的端面完全重合。

6.根据权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于，所述第二波导段的长度与所述第一波导段的长度的比值范围为1~2。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的端面耦合器，其特征在于，所述条形中心波导与各所述平板波导及各辅助波导的折射率之差大于或等于所述条形中心波导折射率的50%。

8.根据权利要求7所述的端面耦合器，其特征在于，所述条形中心波导的材料为硅，各所述平板波导和各所述辅助波导的材料为氮化硅。

Images