CN117950110A - 模斑转换结构和光子器件 - Google Patents

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Abstract

提供一种模斑转换结构和光子器件。模斑转换结构包括：具有用于与集成光波导耦合的第一端面，以及用于与光纤耦合、并且与第一端面相平行的第二端面，模斑转换结构包括：衬底；隔离层，位于衬底的一侧，隔离层包括沿纵向方向延伸至第二端面的第一刻蚀部、第二刻蚀部和第一传输部，其中，第一传输部位于第一刻蚀部和第二刻蚀部之间，纵向方向与第二端面正交；波导层，位于隔离层的远离衬底的一侧，波导层的宽度沿靠近第二端面的方向呈现梯度减小，其中，宽度方向与纵向方向正交并且与衬底的底面平行；以及覆盖层，位于波导层的远离衬底的一侧并且覆盖波导层，覆盖层包括沿纵向方向延伸至第二端面、并且呈脊状凸起于第一传输部表面的第二传输部。

Description

模斑转换结构和光子器件
技术领域
本公开涉及光子技术领域，特别是涉及一种模斑转换结构和光子器件。
背景技术
光波导是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。光波导主要包括两大类：一类是集成光波导，包括平面介质光波导和条形介质光波导，它们通常作为光电集成器件中的一部分，因此被称为集成光波导；另一类是圆柱形光波导，通常被称为光纤。
集成光波导与光纤的耦合技术在光通信、微波光电子、激光束偏转、波前调制等领域都有着非常广泛和重要的应用，其中，端面耦合是集成光波导与光纤耦合较常采用的一种方式。
然而，由于集成光波导与光纤的模斑差异较大，如何提高两者耦合的效率，一直是本领域技术人员研究的重要课题。
发明内容
本公开实施例提供了一种模斑转换结构和光子器件，以提高集成光波导与光纤之间的耦合效率。
根据本公开的一方面，提供了一种模斑转换结构，具有用于与集成光波导耦合的第一端面，以及用于与光纤耦合、并且与第一端面相平行的第二端面，模斑转换结构包括：衬底；隔离层，位于衬底的一侧，隔离层包括沿纵向方向延伸至第二端面的第一刻蚀部、第二刻蚀部和第一传输部，其中，第一传输部位于第一刻蚀部和第二刻蚀部之间，纵向方向与第二端面正交；波导层，位于隔离层的远离衬底的一侧，波导层的宽度沿靠近第二端面的方向呈现梯度减小，其中，宽度方向与纵向方向正交并且与衬底的底面平行；以及覆盖层，位于波导层的远离衬底的一侧并且覆盖波导层，覆盖层包括沿纵向方向延伸至第二端面、并且呈脊状凸起于第一传输部表面的第二传输部。
在一些实施例中，第一刻蚀部和第二刻蚀部分别为刻蚀深度小于隔离层的厚度、并且延伸至第二端面的刻蚀盲槽。
在一些实施例中，第一刻蚀部和第二刻蚀部分别为刻蚀深度等于隔离层的厚度、并且延伸至第二端面的刻蚀通槽。
在一些实施例中，衬底具有刻蚀凹槽，刻蚀通槽与刻蚀凹槽连通。
在一些实施例中，第一刻蚀部和第二刻蚀部分别包括沿纵向方向排列的多个刻蚀通孔，其中，最靠近第二端面的刻蚀通孔为开口孔并且开口朝向第二端面。
在一些实施例中，衬底具有刻蚀凹槽，多个刻蚀通孔与刻蚀凹槽连通。
在一些实施例中，第一传输部的宽度处处相等，第二传输部的宽度处处相等；或者，第一传输部的宽度沿靠近第二端面的方向渐变减小，第二传输部的宽度沿靠近第二端面的方向渐变减小。
在一些实施例中，第二传输部相对于第一传输部的两个侧面居中设置。
在一些实施例中，覆盖层的宽度沿靠近第二端面的方向呈现梯度减小。
在一些实施例中，波导层包括平板层和位于平板层的远离衬底的一侧的脊凸层。
在一些实施例中，波导层延伸至第二端面；或者，波导层的靠近第二端面的窄端与第二端面之间具有间距。
根据本公开的一个方面，提供了一种光子器件，包括前述任一实施例的模斑转换结构。
根据本公开的一个或多个实施例，第一刻蚀部和第二刻蚀部对光模场在宽度方向的扩散具有阻止作用，从而可以将光较为集中地在第一传输部、第二传输部和波导层中传播。第二传输部呈脊状凸起于第一传输部表面，对于光模场具有下沉调制的作用，使其可以更多的下沉进入到隔离层中，使得在第二端面所形成的模斑的尺寸与光纤的模斑尺寸基本匹配，从而减少模斑转换的光损耗，提高耦合的效率。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：
图1是根据本公开一些示例性实施例的模斑转换结构的立体结构示意图；
图2是根据本公开一些示例性实施例的模斑转换结构的波导层的俯视结构示意图；
图3是根据本公开一些示例性实施例的模斑转换结构在第二端面所形成模斑与相关技术模斑转换结构在光输出侧端面所形成模斑的仿真对比图；
图4是根据本公开一些示例性实施例的模斑转换结构的立体结构示意图；
图5是根据本公开一些示例性实施例的模斑转换结构的立体结构示意图；
图6是根据本公开一些示例性实施例的模斑转换结构的立体结构示意图；
图7是根据本公开一些示例性实施例的模斑转换结构的立体结构示意图；
以及，图8是根据本公开一些示例性实施例的光子器件的结构框图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
尽管已有的模斑转换器能够在功能上实现集成光波导与光纤的耦合，但由于集成光波导与光纤的模斑差异较大，所以两者的耦合效率并不高，光能损失较大。例如，集成光波导的模斑通常在百纳米级别，而光纤、比如平头光纤的模斑却在十微米级别，损耗的光能量会导致耦合端面发热严重，从而影响到器件的可靠性和使用寿命。其中，耦合效率可以理解为，集成光波导发出的光功率与光纤接收的光功率的比值，或者，光纤发出的光功率与集成光波导接收的光功率的比值。
本公开实施例提供了一种模斑转换结构和光子器件，以提高集成光波导与光纤之间的耦合效率，减少模斑转换的光损耗。
如图1所示，本公开一些实施例提供的模斑转换结构100，具有用于与集成光波导(图中未示出)耦合的第一端面100a，以及用于与光纤(图中未示出)耦合、并且与第一端面100a相平行的第二端面100b。模斑转换结构100包括依次设置的衬底101、隔离层102、波导层103和覆盖层104。隔离层102位于衬底101的一侧，包括沿纵向方向延伸至第二端面100b的第一刻蚀部22、第二刻蚀部23和第一传输部21，其中，第一传输部21位于第一刻蚀部22和第二刻蚀部23之间，纵向方向与第二端面100b正交。波导层103(可参见图2所示)位于隔离层102的远离衬底101的一侧，其宽度沿靠近第二端面100b的方向呈现梯度减小，如图1中所示，宽度方向与纵向方向正交并且与衬底101的底面平行。覆盖层104位于波导层103的远离衬底101的一侧并且覆盖波导层103，包括沿纵向方向延伸至第二端面100b、并且呈脊状凸起于第一传输部21表面的第二传输部41。
在本公开实施例中，定义与第一端面100a(或第二端面100b)正交的纵向方向为光在波导层103中的主要传输方向，宽度方向与纵向方向正交并且与衬底101的底面平行。除第一端面100a和第二端面100b外，模斑转换结构100还包括与第一端面100a和第二端面100b相交的第一侧面100c和第二侧面100d。在一个实施例中，第一侧面100c和第二侧面100d与第一端面100a和第二端面100b正交。
模斑转换结构100的第一端面100a可以作为模斑转换结构100的光输入侧端面，第二端面100b作为模斑转换结构100的光输出侧端面，光从第一端面100a上波导层103的宽端进入模斑转换结构100，从第一传输部21和第二传输部41位于第二端面100b的端部输出。模斑转换结构100的第一端面100a还可以作为模斑转换结构100的光输出侧端面，第二端面100b作为模斑转换结构100的光输入侧端面，光从第一传输部21和第二传输部41位于第二端面100b的端部进入模斑转换结构100，在波导层103的引导下，从波导层103的宽端输出。
如图2所示，波导层103可以采用脊波导，包括平板层31和位于平板层31的远离衬底101的一侧的脊凸层32。脊波导具有低主模截止频率、宽频带和低阻抗等特性。在本公开的一些实施例中，波导层103的折射率n1、覆盖层104的折射率n2和隔离层102的折射率n3，满足：n1＞n2,n1＞n3。隔离层102和覆盖层104的折射率小于波导层103的折射率，从而可以将光主要限制在脊波导中传输，以更好地发挥脊波导的上述优势。
在本公开实施例中，波导层103的宽度沿靠近第二端面100b的方向呈现梯度减小，这样，可以对波导层103中传输的光进行较为缓和的模斑调制，从而尽量减少光传输损失，提高模斑转换结构100的耦合效率。“宽度沿靠近第二端面100b的方向呈现梯度减小”可以理解为，波导层103的宽度按照其变化规律可以大致划分为至少两个部分，每个部分可以采用等宽设计或宽度渐变设计，而且，越是靠近第二端面100b的部分，其宽度的均值越小。
波导层103的具体结构形式不限。如图2所示，在一些实施例中，波导层103的平板层31包括沿远离第二端面100b的方向依次设置的第一等宽部分301、第一渐宽部分306、第二等宽部分302、第二渐宽部分307和第三等宽部分303，脊凸层32包括沿远离第二端面100b的方向依次设置的第四等宽部分304、第三渐宽部分308和第五等宽部分305，其中，各等宽部分的宽度处处相等，各渐宽部分的宽度沿远离第二端面100b的方向呈线性或非线性渐变增大。
在该实施例中，波导层103的整体延伸至第二端面100b。在本公开的另一些实施例中，波导层的整体的靠近第二端面的窄端与第二端面之间也可以具有间距。此外，脊凸层的窄端与波导层的窄端之间也可以具有一定间距。
如图1所示，在本公开实施例中，覆盖层104整体的宽度也可以沿着靠近第二端面100b的方向呈现梯度减小。这样，可以使更多的光被引导进入波导层103和第二传输部41，从而进一步提高模斑转换结构100的耦合效率。
在本公实施例中，第一传输部21位于第一刻蚀部22和第二刻蚀部23之间，第一刻蚀部22和第二刻蚀部23对光模场在宽度方向的扩散具有阻止作用，从而可以将光较为集中地在第一传输部21、第二传输部41和波导层103中传播。第二传输部41呈脊状凸起于第一传输部21表面，也即，第二传输部41的宽度小于第一传输部21的宽度，这样，对于光模场具有下沉调制的作用，使其可以更多的下沉进入到隔离层102中，使得在第二端面100b所形成的模斑的尺寸与光纤的模斑尺寸基本匹配，从而减少模斑转换的光损耗，提高耦合的效率。
如图3所示，为本公开实施例模斑转换结构100在第二端面100b所形成模斑与相关技术模斑转换结构在光输出侧端面所形成模斑的仿真对比图，可以看出，本公开实施例模斑转换结构100在第二端面100b所形成模斑的尺寸更大，从而可以更好的与光纤耦合。
另一方面，由于在第二端面100b所形成模斑的尺寸更大，可以更好的与光纤耦合，因此，可以适当减少对波导层103结构设计和加工精度的依赖，从而降低微纳加工(如光刻、镀膜、刻蚀、离子注入、微流控、掩膜等)的难度，降低生产的成本。
如图1所示，在本公开实施例中，第二传输部41相对于第一传输部21的两个侧面居中设置，这样，如图3所示，所获得的模斑也左右对称、较为均匀，结构设计和制作加工起来也更加简便。在本公开的其它实施例中，第二传输部相对于第一传输部的两个侧面也可以不居中设置，例如，可以更加靠近第一传输部的其中一个侧面，或者，第二传输部与第一传输部的同一侧侧面平齐。
在本公开实施例中，第一刻蚀部22和第二刻蚀部23可以通过对隔离层102进行至少一部分厚度的刻蚀形成。
如图1所示，在一些实施例中，第一刻蚀部22和第二刻蚀部23分别为刻蚀深度小于隔离层102的厚度、并且延伸至第二端面100b的刻蚀盲槽220。
如图4所示，在另一些实施例中，第一刻蚀部22和第二刻蚀部23分别为刻蚀深度等于隔离层102的厚度、并且延伸至第二端面100b的刻蚀通槽221。
以上实施例中的刻蚀盲槽220或刻蚀通槽221对光模场在宽度方向的扩散具有阻止作用，从而可以将光较为集中地在第一传输部21、第二传输部41和波导层103中传播。
如图5所示，在另一些实施例中，第一刻蚀部22和第二刻蚀部23分别为刻蚀深度等于隔离层102的厚度、并且延伸至第二端面100b的刻蚀通槽221，衬底101具有刻蚀凹槽11，刻蚀通槽221与刻蚀凹槽11连通。
由于光主要在介质中传输，在衬底101设计刻蚀凹槽11，对从第二端面100b输入或输出的光具有限制作用，可以减少光向衬底101扩散，从而减少光传输损失，实现与光纤更好的耦合，进一步提高集成光波导与光纤之间的耦合效率。
如图6所示，在一些实施例中，第一刻蚀部22和第二刻蚀部23分别包括沿纵向方向排列的多个刻蚀通孔222，其中，最靠近第二端面100b的刻蚀通孔222为开口孔并且开口朝向第二端面100b。
呈离散状排列的多个刻蚀通孔222对光模场在宽度方向的扩散也可以起到阻止作用，从而可以将光较为集中地在第一传输部21、第二传输部41和波导层103中传播。
如图7所示，在另一些实施例中，在图6所示实施例的基础上，衬底101也进一步设计了刻蚀凹槽11，多个刻蚀通孔222与刻蚀凹槽11连通，从而可以减少光向衬底101扩散，减少光传输损失，进一步提高集成光波导与光纤之间的耦合效率。
如图1、图4至图7所示，在本公开实施例中，第一传输部21的宽度处处相等，第二传输部41的宽度处处相等。也即，第一传输部21和第二传输部41均采用了等宽设计。但是，本公开不限于此，例如，第一传输部的宽度也可以沿靠近第二端面的方向渐变减小，第二传输部的宽度沿靠近第二端面的方向渐变减小，只要在同一截面位置，第二传输部的宽度小于第一传输部的宽度即可，对于光模场仍然能够起到下沉调制的作用。
如图8所示，本公开实施例还提供一种光子器件1，包括前述任一实施例的模斑转换结构100。光子器件1的具体产品类型不限，例如可以为电光调制器、分路器(Splitter)、星形耦合器(Star coupler)、可调光衰减器(Variable Optical Attenuator，VOA)、光开关(Optical switch)、光梳(frequency comb)和阵列波导光栅(Array Waveguide Grating，AWG)等。
模斑转换结构100集成设置在光子器件1中，由于模斑转换结构100的耦合效率较高，因此，光子器件1的光损耗较小，性能得到提升。
应当理解的是，在本说明书中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系或尺寸为基于附图所示的方位或位置关系或尺寸，使用这些术语仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，并且因此不能理解为对本公开的保护范围的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本说明书提供了能够用于实现本公开的许多不同的实施方式或例子。应当理解的是，这些不同的实施方式或例子完全是示例性的，并且不用于以任何方式限制本公开的保护范围。本领域技术人员在本公开的说明书的公开内容的基础上，能够想到各种变化或替换，这些都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所附权利要求所限定的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种模斑转换结构，具有用于与集成光波导耦合的第一端面，以及用于与光纤耦合、并且与所述第一端面相平行的第二端面，所述模斑转换结构包括：
衬底；
隔离层，位于所述衬底的一侧，所述隔离层包括沿纵向方向延伸至所述第二端面的第一刻蚀部、第二刻蚀部和第一传输部，其中，所述第一传输部位于所述第一刻蚀部和所述第二刻蚀部之间，所述纵向方向与所述第二端面正交；
波导层，位于所述隔离层的远离所述衬底的一侧，所述波导层的宽度沿靠近所述第二端面的方向呈现梯度减小，其中，所述宽度方向与所述纵向方向正交并且与所述衬底的底面平行；以及
覆盖层，位于所述波导层的远离所述衬底的一侧并且覆盖所述波导层，所述覆盖层包括沿所述纵向方向延伸至所述第二端面、并且呈脊状凸起于所述第一传输部表面的所述第二传输部。
2.根据权利要求1所述的模斑转换结构，其中，
所述第一刻蚀部和所述第二刻蚀部分别为刻蚀深度小于所述隔离层的厚度、并且延伸至所述第二端面的刻蚀盲槽。
3.根据权利要求1所述的模斑转换结构，其中，
所述第一刻蚀部和所述第二刻蚀部分别为刻蚀深度等于所述隔离层的厚度、并且延伸至所述第二端面的刻蚀通槽。
4.根据权利要求3所述的模斑转换结构，其中，
所述衬底具有刻蚀凹槽，所述刻蚀通槽与所述刻蚀凹槽连通。
5.根据权利要求1所述的模斑转换结构，其中，
所述第一刻蚀部和所述第二刻蚀部分别包括沿所述纵向方向排列的多个刻蚀通孔，其中，最靠近所述第二端面的所述刻蚀通孔为开口孔并且开口朝向所述第二端面。
6.根据权利要求5所述的模斑转换结构，其中，
所述衬底具有刻蚀凹槽，所述多个刻蚀通孔与所述刻蚀凹槽连通。
7.根据权利要求1所述的模斑转换结构，其中，
所述第一传输部的宽度处处相等，所述第二传输部的宽度处处相等；或者
所述第一传输部的宽度沿靠近所述第二端面的方向渐变减小，所述第二传输部的宽度沿靠近所述第二端面的方向渐变减小。
8.根据权利要求1所述的模斑转换结构，其中，
所述第二传输部相对于所述第一传输部的两个侧面居中设置。
9.根据权利要求1所述的模斑转换结构，其中，
所述覆盖层的宽度沿靠近所述第二端面的方向呈现梯度减小。
10.根据权利要求1所述的模斑转换结构，其中，
所述波导层包括平板层和位于所述平板层的远离所述衬底的一侧的脊凸层。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的模斑转换结构，其中，
所述波导层延伸至所述第二端面；或者
所述波导层的靠近所述第二端面的窄端与所述第二端面之间具有间距。
12.一种光子器件，包括根据权利要求1至11中任一项所述的模斑转换结构。
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