CN106104334B - 悬置式脊形氧化物波导 - Google Patents

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Abstract

一种波导，包括：单模光芯，该单模光芯被配置成在倒锥形波导与光纤之间传送光信号，其中，芯沿倒锥形波导与光纤之间的光信号传播轴纵向地延伸；以及空气包层，该空气包层被布置成沿光信号传播轴与芯相邻。

Description

悬置式脊形氧化物波导
相关申请的交叉引用
本申请要求由Qianfan Xu等人于2014年4月11日提交的题目为“Suspended RidgeOxide Waveguide(悬置式脊形氧化物波导)”的第61/978,361号美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并至本文中，如同其全部内容在本文中再现一样。
关于联邦赞助研究或开发的声明
不适用。
引用微缩胶片附录
不适用。
背景技术
硅(silicon，Si)光子装置可以是指将硅用作芯片中的光学介质的光子装置。硅光子装置可以在由光纤电信系统采用的红外波长下工作。硅可以位于二氧化硅(silicondioxide，SiO2)层或硅石(silica)层的顶部，并且用作绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)。硅光子装置可以通过采用工业标准半导体制造技术来制造。
由于硅通常用作集成电路的衬底，所以包括光学部件和电子部件二者的混合装置可以被集成至单个芯片上。这样的混合装置可以提供电数据操作，而且还提供可以使得芯片之间以及芯片内的数据传输能够更快的光学互联。因此，对硅光子的关注度增大。
发明内容
在一种实施方式中，本公开内容包括一种波导，该波导包括：单模光芯，该单模光芯被配置成在倒锥形波导与光纤之间传送光信号，其中，芯沿倒锥形波导与光纤之间的光信号传播轴纵向地延伸；以及空气包层，该空气包层被布置成沿光信号传播轴与芯相邻。
在另一实施方式中，本公开内容包括一种方法，该方法包括：将光信号引导至倒锥形Si波导中；使光信号从倒锥形Si波导传送至单模波导，该单模波导包括芯和包围该芯的空气包层；以及从单模波导朝向光纤发送光信号，其中，单模波导包括比倒锥形Si波导的光模式更大的光模式，并且其中，单模波导的光模式与光纤的光模式相兼容。
在又一实施方式中，本公开内容包括一种光学装置，该光学装置包括：衬底；被布置在衬底上的单模波导，其中，单模波导包括芯和包围该芯的空气包层，其中，单模波导包括第一端以及沿光信号传播轴与第一端相反的第二端，以及其中，第一端被配置成耦合至单模光纤(single-mode fiber，SMF)；以及被布置在单模波导的芯的一部分内的倒锥形波导，其中，倒锥形波导从第二端朝向第一端以逐渐减小的宽度延伸，以及其中，倒锥形波导沿光信号传播轴与单模波导对准，以提供倒锥形波导与光纤之间的光路。
根据以下结合附图和权利要求进行的详细描述可以更清楚地理解这些和其他特征。
附图说明
为了更全面地理解本公开内容，现在参照以下结合附图进行的简要描述以及具体实施方式，其中，相似的附图标记表示相似的部件。
图1是多模悬置式通道波导的顶视图。
图2是示出多模悬置式通道波导的光场分布的图。
图3A至图3D示出了单模悬置式脊形波导的实施方式。
图4是示出针对单模悬置式脊形波导的光场分布的实施方式的示意图。
图5是示出单模脊形波导的在横电(transverse electric，TE)模下的电(electric，E)场分布的横截面视图的实施方式的图。
图6是示出单模脊形波导的在TE模下的E场分布的顶视图的实施方式的图。
图7是示出单模脊形波导的在横磁(transverse magnetic，TM)模下的E场分布的横截面视图的实施方式的图。
图8是示出单模脊形波导的在TM模下的E场分布的顶视图的实施方式的图。
图9是包括单模悬置式脊形波导的光学装置的实施方式的横截面视图。
图10是光学边缘耦合方法的实施方式的流程图。
具体实施方式
首先应当理解，尽管下文提供一种或更多种实施方式的说明性实现，但所公开的系统和/或方法可以使用任何数目的技术来实现，无论所述技术是否为当前已知或现有的。本公开内容决不应当限于下文所说明的包括本文所说明并描述的示例性设计和实现在内的说明性实现、附图和技术，而是可以在所附权利要求书的范围以及其等同方式的全部范围内修改。
有效地耦合至硅光子器件中以及从硅光子器件中有效地耦合出来是具有挑战性的，这是因为高限制Si波导模式与光纤模式或自由空间光束(例如，高斯光束)模式之间的失配较大。例如，高限制Si波导可以包括在小于1微米(micrometer，μm)的亚微米尺寸范围内的横截面，而SMF可以包括数十微米的横截面。如此，Si波导包括比光纤模式小约一个数量级的光模式。若干光模式转换技术是基于采用具有涂覆层的倒锥体的。倒锥体是宽度沿光路的方向显著地减小的波导。例如，Vilson R.Almeida等人在Optics Letters，第28卷，第15期，2003年8月1日的“Nanotaper for compact mode conversion”中采用被较低折射率的包层包围的包括硅波导芯或氮化硅波导芯的倒锥体，该文献通过引用合并至本文中。包层材料形成多模波导的围绕倒锥体的另一层，以用于限定具有较大模式尺寸的光模式。可替选地，Qing Fang等人在OPTICS EXPRESS，第18卷，第8期，2010年的“Suspendedoptical fiber-to-waveguide mode size converter for Silicon photonics”中以及Long Chen等人在IEEE Photonics Technology Letters，第22卷，第23期，第1744-1746页，2010年的“Low-Loss and Broadband Cantilever Couplers Between Standard CleavedFibers and High-Index-Contrast Si3N4or Si Waveguides”中采用被空气包围的悬置式多模硅石通道波导来提供光模式转换，所述文献通过引用合并至本文中。然而，这些技术中的一些技术的性能受高阶模干扰的限制。
本文中所公开的是用于通过采用围绕倒锥形波导并且耦合至光纤的单模悬置式脊形波导来提供光纤与硅光子平台上的高限制倒锥形波导之间的光学边缘耦合的各种实施方式。单模波导是指仅传导工作波长处的光信号在每个偏振态(例如，TE模和TM模)下的基模的波导。波导包括SiO2芯和包围该芯的空气包层。芯包括沿光信号传播轴纵向地延伸的脊形结构。例如，脊形结构由被布置在平板上的脊部来形成。脊部和平板的尺寸被设计成沿脊部提供单模光信号传播。通过将波导设计成单模而非多模，可以避免或减少来自高阶模的干扰和/或耦合。因此，当与多模通道波导相比较时，这可以提高耦合效率。在实施方式中，脊部的高度与定位有脊部的平板的高度之间的竖直高度比被配置成在约1.5(例如，±10％)至约5之间的范围内以保持单模光信号传播。在实施方式中，平板包括被布置在两个纵向地延伸的阶跃部之间的基部。脊部被定位在基部的大约中间部位处并且每个阶跃部被布置在离开脊部的边缘的一定距离处，从而在脊部与阶跃部之间形成空气间隙。空气间隙对应于空气包层。分隔距离被配置成为至少约1μm，使得平板的阶跃部与沿脊部传播的光信号可以不在光学上相干扰。在实施方式中，沿阶跃部和/或平板的基部经由底切来形成空气孔或空气腔，以使波导悬置在空气中。在另一实施方式中，波导被布置在衬底上并且衬底的与波导相邻的部分被移除或蚀刻掉，以使波导悬置在空气中。通过使波导悬置在包括低折射率的空气中，波导可以提供较高的耦合效率。为了提供光耦合，所公开的实施方式采用被布置在SiO2芯内的Si倒锥体。例如，SiO2芯包括比Si倒锥体的光模式尺寸更大的光模式尺寸。如此，当光信号被引导至倒锥体中时，光信号的光模式可以随着Si倒锥体的宽度变窄而从Si倒锥体逐渐地传输至SiO2芯，从而提供光模式转换。
图1是多模悬置式通道波导100的顶视图。波导100包括芯110、包层120、倒锥体130以及多个窄侧条140。芯110沿光信号传播轴纵向地延伸。包层120以与芯110相邻的方式纵向地延伸。倒锥体130被包围在芯110中。芯110由SiO2材料制成。芯110包括支持光信号传播的多种模(例如，包括高阶模)的尺寸。包层120包括空气，其可以通过在波导100中蚀刻沟道来形成。波导100通过多个窄侧条140的支承而被悬置在空气中。倒锥体130是Si波导或氮化硅(silicon nitride，SiN)波导。波导100还包括第一端101以及与第一端101相反的第二端102。倒锥体130在波导100的一部分内从第一端101朝向第二端102延伸。倒锥体130包括第一端131、与第一端131相反的第二端132以及从第一端131至第二端132逐渐变细或变窄的宽度。波导100可以用作光模式转换器。例如，倒锥体130可以被配置成在第一端131处耦合至高限制Si波导并且波导100可以被配置成在第二端102处耦合至光纤(例如，SMF或多模光纤(multi-mode fiber，MMF))。当倒锥体130在第一端131处接收光信号时，倒锥体130随着光信号沿波导100传播而以绝热的形式改变光信号的光模式。当光信号到达倒锥体130的第二端132时，由芯110来传导光信号，该芯110限定具有较大的光模式的光信号。如此，当光信号沿芯110传播时，光信号的光模式扩展。因此，当光信号到达与光纤耦合的第二端102时，光信号的光模式与光纤模式相匹配。相反地，可以在第二端102处例如从光纤接收光信号，并且波导100随着光信号传播通过芯110并且传输至倒锥体130而减小光信号的光模式。将波导100用作模式转换器或耦合器的一个优点在于，可以通过采用工业标准互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)集成电路(integratedcircuit，IC)制造技术和半导体材料来制造波导100。
图2示出多模悬置式通道波导的光场分布的图示200。该波导与波导100相似。例如，该波导包括与倒锥体130相似的埋入式倒锥体并且该波导通过与侧条140相似的侧条而被悬置在空气中。在图示200中，x轴表示波导沿光信号传播轴的以μm为单位的纵向长度，y轴表示波导的以μm为单位的宽度以及图示200的索引示出了在约0.1至约1.3之间的光场强度。图示200示出了如由箭头240所示从图示200的右侧被注入至波导中的光信号的光场分布。例如，图示200的右侧与波导100的耦合至光纤的第二端102对应，以及图示200的左侧与波导100的耦合至高限制Si线或高限制Si波导的第一端101对应。如所示出的，光信号的光模式随着光信号沿波导从右侧穿行至左侧而缩小或减小。然而，光场分布示出了从图示200的右侧至左侧随着幅度的不断增大(例如，随着光信号沿波导穿行)，纹波210的量不断增大。纹波210是由侧条引起的，侧条破坏波导的平移对称性以及由波导对多模光信号传播的支持。例如，当光信号经过侧条侧时，侧条激发高阶模。然而，不同的模以不同的速度传播，从而彼此相互干扰。因此，在侧条的位置附近形成纹波210。干扰和/或纹波210降低了波导的性能。
图3A至图3D示出了单模悬置式脊形波导300的实施方式。图3A是单模脊形波导300的顶视图。波导300包括芯310、空气包层320和倒锥体330。例如，芯310可以由包括比空气包层320的折射率更高的折射率的材料(例如，SiO2)制成，以及倒锥体330可以由包括比芯310的折射率更高的折射率的材料(例如Si)制成。芯310包括沿如由线305所示的光信号传播轴纵向地延伸的脊部311和平板312。脊部311包括第一纵向侧361以及与第一纵向侧361相对的第二纵向侧362。空气包层320以与脊部311的第一纵向侧361和第二纵向侧362相邻的方式纵向地延伸。由于脊部311的折射率(例如，对于SiO2而言为约1.45)高于空气包层320的折射率(例如，为约1)，所以沿波导300传播的光信号可能受脊部311约束。如下文中更全面地讨论的，脊部311和平板312的尺寸和结构被设计成提供单模光信号传播。倒锥体330被布置和/或被埋在芯310的脊部311内。倒锥体330包括第一端331、沿光信号传播轴与第一端331相反的第二端332以及从第一端331至第二端332逐渐变细或变窄的宽度。例如，倒锥体330是倒锥形Si波导。倒锥体330在脊部311的至少一部分内从第一端301朝向第二端302延伸。倒锥体330沿光信号传播轴与脊部311和/或芯310对准。波导300还包括多个空气孔340，使得波导300可以被悬置在空气中。例如，可以通过经由化学处理以蚀刻掉平板312的一些部分来生成空气孔340。应当注意，空气孔340被布置在平板312中离开空气包层320的一定距离处，使得空气孔340与沿波导300传播的光信号可以不相干扰。
在一种实施方式中，波导300被配置成在高限制Si波导(例如，Si纳米线)与光纤(例如，SMF)之间进行耦合。例如，高限制Si波导被耦合至倒锥体330的第一端331并且光纤被耦合至波导300的第二端302。当倒锥体330在第一端331处接收光信号时，倒锥体330随着光信号沿倒锥体330传播而以绝热的形式改变光信号的光模式并且随着倒锥体330的宽度变窄而将光信号从倒锥体330逐渐地传输至脊部311，其中，脊部311包括较大的光模式。当光信号到达波导300的第二端302时，光信号包括与光纤模式相兼容的光模式。如此，波导300可以操作为光模式转换器。在一些实施方式中，波导300可以被布置在硅光子芯片上与硅光子芯片的边缘接近的位置处，以提供光纤与硅光子芯片之间的光输入耦合和/或光输出耦合。
图3B是单模脊形波导300的沿图3A的线303截取的、当沿由箭头指示的方向观察时的横截面视图。如所示出的，芯310包括被布置在平板312的表面上的脊部311。平板312包括基部351、第一阶跃部352和第二阶跃部353。脊部311、基部351和阶跃部352沿光信号传播轴纵向地延伸。脊部311被布置在基部351的大约中间部位处。第一阶跃部352在离开脊部311的第一侧361的被标记为wt的距离384处从基部351升高。类似地，第二阶跃部352在离开脊部311的第二侧362的距离(例如，与距离384类似)处从基部351升高。空气孔340沿光信号传播轴被布置在平板312的第一阶跃部352和第二阶跃部353内。
如所示出的，脊部311包括约6.5μm的被表示为w的宽度381以及约4.4μm的被表示为h的高度382。平板312的基部351包括约2μm的被表示为hs1的高度383。平板312的第二阶跃部353包括升高至约6.4μm的被表示为hs2的高度385。脊部311的第二侧362与第二阶跃部353之间的分隔距离384为约3μm。第一阶跃部352包括与第二阶跃部353的尺寸相似的尺寸并且以与第二阶跃部353相对于脊部311的方式相似的方式被布置。应当注意，芯310的结构的尺寸确定波导300的光学传播属性。例如，选择上文所描述的尺寸以提供在约1μm至约2μm的波长的情况下的单模光信号传播。例如，波导例如波导300可以支持两种偏振，即沿水平方向的TE模和沿竖直方向的TM模。当由单模波导传导光信号时，光信号的单TE模和单TM模可以传播通过波导。如此，当波导300被设计成提供单模光信号传播时，不可能发生任何高阶模激发，这可以减少光学干扰并且增大耦合效率。此外，脊部311和平板312的第一阶跃部352被设计成分隔开足够量(例如，大于约1μm)的距离以避免来自平板312的光耦合和/或干扰。
虽然上文中提供了具体值，但是可以根据工作时的光信号的波长来使用任何合适的值。例如，当工作时的波长为至少约1μm至约2.5μm时，高度382的范围可以为从2μm至15μm，高度383的范围可以为从0.5μm至10μm，宽度361的范围可以为从2μm至15μm，以及距离384可以大于1μm。应当注意，对于脊部311和平板312而言，可以采用所描述的尺寸的各种组合。然而，为了针对TE偏振和TM偏振二者均保持单模，脊部311和平板312可以包括在约1.5至约5之间的范围内的竖直高度比。
图3C是单模脊形波导300的沿图3A的线305截取的、当沿由贯穿脊部311的箭头所指示的方向观察时的实施方式的横截面视图。如所示出的，倒锥体330被嵌入在脊部311内并且在脊部311的至少一部分内延伸。脊部311被布置在第一空气层371与第二空气层372之间。第一空气层371可以与脊部311的暴露于空气中的顶表面对应(例如，与图3A中所示的顶视图对应)。如下文中更全面地描述的，第二空气层372可以与平板312中的底切对应。
图3D是单模脊形波导300的沿图3A的线304截取的、当沿由贯穿平板312的箭头所指示的方向观察时的另一实施方式的横截面视图。如所示出的，底板312被布置在第一空气层371与第二空气层372之间。此外，平板312包括如上所述的空气孔340。
图4是示出单模脊形波导400的光场分布470的实施方式的横截面视图。波导400与波导300相似。横截面视图与沿图3A的线303截取的、当沿由箭头指示的方向观察时的横截面区域对应。该横截面视图与图3B中所示的横截面视图相似并且另外示出了当光信号被注入至波导400中时的光场分布470。例如，波导400包括芯410以及与芯410的一部分接合的空气包层420。芯410与芯310相似以及空气包层420与空气包层320相似。芯410包括被布置在平板412上的脊部411，其中，脊部411与脊部311相似以及平板与平板312相似。此外，脊部411和平板412被配置有与脊部311和平板312的设计参数或尺寸相似的设计参数或尺寸。例如，脊部411包括约6.5μm的高度和约6.5μm的宽度。平板412包括与基部351相似的基部451以及与阶跃部352和阶跃部353相似的阶跃部452和阶跃部453，基部451具有约2μm的高度，阶跃部452和阶跃部453各自具有约6.4μm的高度。阶跃部452和阶跃部453中的每个阶跃部在离开脊部411的边缘约3μm的距离处从基部451升高。因此，波导400支持单模传播。如所示出的，光场分布470集中在约脊部411处，其中，中心471处的强度最高并且仅非常少量的光场(如472所示)会被泄漏至底板412中。与波导100相反，波导400支持单模光信号传播而非多模光信号传播，因此，波导400可以不包括如波导100中的高阶模效应和/或干扰。此外，由于脊部411被布置在平板412上，所以波导400可以不像在波导100中那样需要侧条的机械支承。如此，波导400可以不包括如在波导100中那样由侧条引起的光模式微扰。因此，波导400可以比波导100提供更有效的耦合以及更高的性能。
图5示出单模悬置式脊形波导例如波导300和波导400的在TE模下的E场分布510的横截面视图的实施方式的图示500。在图示500中，x轴表示波导的宽度，y轴表示波导的以μm为单位的高度，以及图示500的索引示出了在约0.2至约0.8之间的光场强度。E场分布510表示波导的例如沿图3A的线303截取的横截面处的E场分布，所述横截面可以与图3B和图4中所示的横截面视图相似。如所示出的，在TE模下的E场分布510集中在波导的约脊部(被示出为511)处，其中，在TE模下的E场分布510极少泄漏到波导的平板部(被示出为512)中。
图6示出单模悬置式脊形波导例如波导300和波导400的在TE模下的E场分布610的顶视图的实施方式的图示600。在图示600中，x轴表示波导的以μm为单位的纵向长度，y轴表示波导的以μm为单位的宽度，以及图示600的索引示出了在约0.0至约3.6之间的光场强度。E场分布610表示在TE模下的跨波导的顶表面的E场分布，所述顶表面例如与图3A中所示的波导300的顶视图相似。例如，E场分布610与如由箭头640所示从图示600的右侧耦合至波导中的光信号对应。如所示出的，在TE模下的E场分布610随着光信号从图示600的右侧至左侧沿波导穿行而平滑地转变光信号的光模式。通过对图示600和图示200进行比较，E场分布610不包括如光场分布210中所示的纹波效应或干扰效应。纹波效应的消失是由于采用单模波导而非多模波导并且经由底切例如以在波导300中包括空气孔340来使波导悬置而不是由于采用侧条例如侧条140来支承波导造成的。因此，波导可以有效地耦合TE模。
图7示出单模悬置式脊形波导例如波导300和波导400的在TM模下的E场分布710的横截面视图的实施方式的图示700。在图示700中，x轴表示波导的宽度，y轴表示波导的以μm为单位的高度，以及图示700的索引示出了在约0.2至约0.8之间的光场强度。E场分布710表示波导的例如沿图3A的线303截取的横截面处的E场分布，所述横截面可以与图3B和图4中所示的横截面视图相似。例如，E场分布710与E场分布510对应，但是E场分布710是在TM模下而不是如E场分布510那样在TE模下。如所示出的，在TM模下的E场分布710集中在波导的约脊部(被示出为711)处，其中，在TM模下的E场分布710极少泄漏到波导的平板部(被示出为712)中。
图8示出单模悬置式脊形波导例如波导300和波导400的在TM模下的E场分布810的顶视图的实施方式的图示800。在图示800中，x轴表示波导的以μm为单位的纵向长度，y轴表示波导的以μm为单位的宽度，以及图示800的索引示出了在约0.0至约2.4之间的光场强度。E场分布810表示在TM模下的跨波导的顶表面的E场分布，所述顶表面例如与图3A中所示的波导300的顶视图相似。例如，E场分布810与如由箭头840所示从图示800的右侧耦合至波导中的光信号对应。例如，E场分布810与E场分布610对应，但是E场分布810是在TM模下而非如E场分布610那样在TE模下。如所示出的，在TM模下的E场分布810随着光信号从图示800的右侧至左侧沿波导穿行而平滑地转变光信号的光模式。通过对图示800和图示200进行比较，E场分布810不包括如光场分布210中所示的纹波效应或干扰效应。通过采用单模波导并且在不采用侧条例如侧条140的情况下使波导悬置来去除纹波效应。因此，波导可以有效地耦合TM模。
如上文在图5至图8中所示的，当与多模悬置式通道模式波导例如波导100相比较时，所公开的单模悬置式脊形波导例如波导300和波导400提供具有更有效的耦合的更高的性能。例如，所公开的单模悬置式脊形波导针对TE模和TM模二者可以提供小于约3分贝(decibel，dB)的耦合损耗。该改进是由于下述产生：通过如上所述的合适的设计参数以采用单模光信号传播并且经由在平板例如平板312和平板412中离开脊部例如脊部311和脊部411的位置处进行蚀刻来产生空气腔例如空气孔340以使波导悬置。
图9是包括被布置在衬底平台902上的单模悬置式脊形波导901的光学装置900的实施方式的横截面视图。波导901与波导300和波导400相似。衬底平台902由Si材料制成。与波导300和波导400相似，波导901由SiO2材料制成。波导901包括与被布置在与平板312和平板412相似的平板912上的与脊部311和脊部411相似的脊部911。横截面视图与当波导300被布置在与衬底平台902相似的衬底上时沿图3A的线303截取的横截面区域对应。在装置900中，通过在波导901的下面蚀刻掉衬底902的一部分903来使波导901悬置在空气中。例如，蚀刻可以从衬底平台902的背侧执行。如此，波导901沿平板912可以不包括孔例如孔340。此外，波导901可以包括比波导300和波导400的悬置部更窄的悬置部915。
图10是光学边缘耦合方法1000的实施方式的流程图。方法1000是由单模悬置式脊形单模波导例如波导300、波导400和波导901来实现的。方法1000是在将波导用作光模式转换器时实现的。例如，可以如装置900中所示的那样将光模式转换器布置在硅光子芯片上。在步骤1010处，将光信号引导至倒锥形Si波导例如倒锥体330中。例如，倒锥形Si波导被布置在单模波导的芯例如芯310和芯410内并且该芯被空气包层例如包层320和包层420包围。在步骤1020处，使光信号例如沿芯从倒锥形Si波导传送至单模波导。例如，单模波导的芯包括比倒锥形Si波导的光模式尺寸更大的光模式尺寸，使得当光信号从倒锥形Si波导的尖端例如第二端332被传送至较大模式的单模波导中时可以实现光模式转换。在步骤1030处，从单模波导朝向光纤例如SMF发送光信号。当光信号到达光纤时，光信号的光模式与光纤的光模式尺寸相兼容。
虽然本公开内容中已提供若干实施方式，但应理解，在不脱离本公开内容的精神或范围的情况下，所公开的系统和方法可以以许多其他特定形式来体现。本示例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文中所给出的细节。例如，各种元件或部件可以被组合或合并在另一系统中，或者某些特征可以省略或不被实施。
此外，在不脱离本公开内容的范围的情况下，各种实施方式中描述和说明为离散或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其他系统、模块、技术或方法进行组合或合并。展示或论述为彼此耦接或直接耦接或通信的其他项可以采用电方式、机械方式或其他方式通过某种接口、装置或中间部件间接地耦接或通信。在不脱离本文所公开的精神和范围的情况下，可以由本领域的技术人员得出并且可以作出变化、替代和改变的其他示例。

Claims (19)

1.一种单模波导，包括：
光芯，所述光芯被配置成在倒锥形波导与光纤之间耦合光信号，其中，所述光芯沿所述倒锥形波导与所述光纤之间的光信号传播轴纵向地延伸；以及
空气包层，所述空气包层被布置成沿所述光信号传播轴与所述光芯相邻，
其中，所述光芯包括平板以及被布置在所述平板上的脊部，所述平板和所述脊部沿所述光信号传播轴纵向地延伸，
其中，所述平板包括基部以及被布置成与所述基部相邻的阶跃部，所述基部和所述阶跃部沿所述光信号传播轴延伸，所述空气包层的一部分被布置在所述脊部与所述阶跃部之间,
其中，所述基部包括第一高度,所述脊部包括第三高度,所述脊部的所述第三高度与所述基部的所述第一高度之比为1.5至5，
其中，所述倒锥形波导在所述脊部的至少一部分内沿所述光信号传播轴纵向地延伸。
2.根据权利要求1所述的波导，
其中，所述平板和所述脊部包括二氧化硅(SiO2)材料。
3.根据权利要求2所述的波导，其中，所述脊部具有2微米(μm)至15μm的高度。
4.根据权利要求2所述的波导，其中，所述脊部具有2微米(μm)至15μm的宽度。
5.根据权利要求2所述的波导，其中，所述平板具有0.5微米(μm)至10μm的高度。
6.根据权利要求2所述的波导，其中，所述阶跃部包括大于所述第一高度的第二高度。
7.根据权利要求6所述的波导，其中，所述脊部被布置在所述基部的中间部位处，其中，所述脊部的第三高度等于所述阶跃部的所述第二高度，其中，所述基部包括比所述脊部的宽度更大的宽度，以及其中，所述空气包层的所述部分具有大于1微米(μm)的宽度。
8.根据权利要求6所述的波导，其中，所述平板包括沿所述光信号传播轴被布置在所述阶跃部中的底切空气孔，并且其中，所述底切空气孔竖直地延伸通过所述平板的所述阶跃部。
9.根据权利要求6所述的波导，其中，所述平板包括沿所述光信号传播轴被布置在所述基部中的底切空气孔。
10.根据权利要求1所述的波导，其中，所述倒锥形波导包括硅(Si)材料。
11.一种光学边缘耦合方法，包括：
将光信号引导至倒锥形硅(Si)波导中；
使所述光信号从所述倒锥形硅波导传送至单模波导，所述单模波导包括芯和包围所述芯的空气包层；以及
从所述单模波导朝向光纤发送所述光信号，
其中，所述单模波导包括比所述倒锥形硅波导的光模式更大的光模式，并且
其中，所述单模波导的所述光模式与所述光纤的光模式相兼容，
其中，所述芯包括平板以及被布置在所述平板上的脊部，所述脊部和所述平板沿所述光信号的光路的方向延伸，
其中，所述平板包括基部以及被布置成与所述基部相邻的阶跃部，所述基部和所述阶跃部沿所述光信号的光路的方向延伸，所述空气包层的一部分被布置在所述脊部与所述阶跃部之间,
其中，所述基部包括第一高度,所述脊部包括第三高度,所述脊部的所述第三高度与所述基部的所述第一高度之比为1.5至5，
其中，所述倒锥形硅波导在所述脊部的至少一部分内沿所述光信号的光路的方向延伸。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述芯包括二氧化硅(SiO2)材料，其中，所述光信号沿所述脊部传播，以及其中，所述脊部被所述空气包层包围。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述基部被布置在两个阶跃部之间，其中，所述脊部被布置在所述平板的所述基部的中心位置处，其中，每个所述阶跃部被布置在离开所述脊部的边缘的一定距离处，使得所述光信号不被耦合至所述阶跃部，以及其中，所述平板在所述阶跃部、所述基部或者所述阶跃部与所述基部的组合中还包括空气孔。
14.一种光学装置，包括：
衬底；
被布置在所述衬底上的单模波导，其中，所述单模波导包括芯和包围所述芯的空气包层，其中，所述芯包括平板以及被布置在所述平板上的脊部，所述单模波导包括第一端以及沿光信号传播轴与所述第一端相反的第二端，并且其中，所述第一端被配置成耦合至单模光纤(SMF)；以及
被布置在所述脊部的一部分内的倒锥形波导，其中，所述倒锥形波导从所述第二端朝向所述第一端以逐渐减小的宽度延伸，并且其中，所述倒锥形波导沿所述光信号传播轴与所述单模波导对准，以提供所述倒锥形波导与所述光纤之间的光路，
其中，所述平板和所述脊部沿所述光信号传播轴纵向地延伸，
其中，所述平板包括基部以及被布置成与所述基部相邻的阶跃部，所述基部和所述阶跃部沿所述光信号传播轴延伸，所述脊部和所述阶跃部被所述空气包层分隔开,
其中，所述基部包括第一高度,所述脊部包括第三高度,所述脊部的所述第三高度与所述基部的所述第一高度之比为1.5至5。
15.根据权利要求14所述的光学装置，其中，所述脊部被布置在所述基部的中间部位处。
16.根据权利要求15所述的光学装置，其中，所述平板包括沿所述光信号传播轴在所述阶跃部中、沿所述光信号传播轴在所述基部中或者沿所述光信号传播轴在所述阶跃部与所述基部的组合中的多个空气腔。
17.根据权利要求14所述的光学装置，其中，所述衬底的与所述单模波导相邻的至少一部分被蚀刻掉，以使所述单模波导悬置在空气中。
18.根据权利要求14所述的光学装置，其中，所述衬底包括硅(Si)材料，其中，所述单模波导包括二氧化硅(SiO2)材料，以及其中，所述倒锥形波导包括硅(Si)材料。
19.根据权利要求14所述的光学装置，其中，所述芯包括比所述倒锥形波导的光模式尺寸更大的光模式尺寸，并且其中，所述芯的所述光模式尺寸与所述单模光纤的光模式尺寸相兼容。
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