CN108020889A - 光波导耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种光波导耦合器，光波导耦合器由多条宽度、高度渐变的波导构成。沿光耦合器的长度方向上依次排布前端耦合区、光耦合区。由于前端耦合区的前端波导的宽度和厚度在光入射端最小，使得光耦合器具有多个波导尖端，多个波导尖端的模斑相互重叠，能够实现光耦合器模斑与激光器输出模斑的匹配，将激光器输出的光耦合进入到硅光芯片，光耦合器具有结构简单、光耦合效率高的优点。

Description

光波导耦合器

技术领域

本公开涉及光通信应用技术领域，特别涉及一种光波导耦合器。

背景技术

随着信息传输对带宽的要求越来越高，光通信市场对100Gbps以上的高速光模块的需求越来越大。利用硅光集成技术研制高带宽、低成本和高集成度的高速光模块已成为迫切需求。

目前，在硅光芯片上已经实现了高速率硅光调制器、高速率探测器、低损耗传输波导和波分复用等无源硅光器件的制作。并且实现了通过同一个硅光芯片上集成各个功能器件实现单路25Gpbs或者50Gbps的信息传输。

然而，硅是一种间接带隙材料，发光效率极低，不适合作为光发射器件，为此，人们利用III-V族直接带隙半导体激光器与硅光芯片混合集成的方案来解决硅光芯片的光源难题。

现有技术中，通过单端波导耦合器实现硅光芯片和半导体激光器的光斑耦合。为实现激光器输出模斑与波导模斑的匹配，需要将单条波导拉锥至很窄的宽度，才能较好的将激光器产生的光耦合进硅光芯片中。然而，这种方法对模斑的耦合精度的要求极高，当器件的制备工艺水平达不到模斑的耦合精度要求时，将导致半导体激光器和硅光芯片的光耦合效率较低。

发明内容

为了解决相关技术中存在的半导体激光器和硅光芯片的光耦合效率较低的技术问题，本公开提供了一种光波导耦合器。

一种光波导耦合器，包括：

前端耦合区，包括至少两条前端波导，所述前端波导的宽度沿其一端向另一端逐渐变宽；

光耦合区，包括至少两条耦合波导和一条中心波导；所述中心波导被所述耦合波导包围；耦合波导的一端连接所述前端波导的另一端，所述耦合波导的宽度自其一端向另一端逐渐变窄，所述中心波导的宽度沿其一端向另一端逐渐变宽。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

前端耦合区包括至少两条前端波导，前端波导的宽度沿其一端向另一端逐渐变宽，由于前端波导的宽度和厚度在光入射端最小，因此具有较大的模斑，能接收具有大模斑的光，至少两条前端波导的模斑相叠加，进一步提高光耦合器匹配大模斑光的能力；

光耦合区包括至少两条耦合波导和一条中心波导，耦合波导的宽度沿其一端向另一端逐渐变窄的过程中耦合波导的折射率也逐渐变化，导致耦合波导对光的束缚逐渐变弱，使得在耦合波导中传输的光逐渐脱离耦合波导，而耦合波导包围中心波导，使得脱离耦合波导的光进入中心波导，提高了光耦合入中心波导的效率；

中心波导的宽度沿其一端向另一端逐渐逐渐变宽，中心波导的一端的大模斑利于耦合来自耦合波导的光，在中心波导的宽度渐变宽的过程中，中心波导的模式折射率逐渐变大，中心波导对光的束缚逐渐变强，使得光在波导中传输的能量损失减少。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明光耦合器优选实施例的结构示意图。

图2是本发明光耦合器另一优选实施例的结构示意图。

图3是本发明光耦合器优选实施例的前端波导和耦合波导的俯视图。

图4是本发明光耦合器优选实施例的中心波导和输出波导的俯视图。

图5是本发明光耦合器优选实施例的光耦合器立体图。

图6是本发明光耦合器另一优选实施例的结构示意图。

图7是本发明光耦合器优选实施例中前端耦合区的截面A1-A1的示意图。

图8是光通过截面B1-B1所形成的光斑图。

图9是另一优选实施例中前端耦合区A1-A1截面示意图。

图10是本发明光耦合器优选实施例中高度拉锥区的截面A2-A2的示意图。

图11是光通过截面A2-A2所形成的光斑图。

图12是本发明光耦合器优选实施例中过渡区的截面A3-A3的示意图。

图13是本发明光耦合器优选实施例中光耦合区的截面A4-A4的示意图。

图14是光通过截面B4-B4所形成的光斑图。

图15是光通过截面A4-A4所形成的光斑图。

图16是本发明光耦合器优选实施例中后端输出区的截面A5-A5的示意图。

图17是光通过截面B5-B5所形成的光斑图。

图18是一示例性实施例示出的光收发模块的框图。

附图标记说明如下：100、光收发模块；1000、硅光芯片；2000、激光器；3000、单模光纤；1100、光耦合器；1200、单模波导；1400、硅衬底；1500挖空层；1300、光调制器；1110、前端耦合区；1120、高度拉锥区；1130、过渡区；1140、光耦合区；1150、后端输出区；1111、第一前端波导；1112、第二前端波导；1121、第一拉锥波导；1122、第二拉锥波导；1131、第一过渡波导；1132、第二过渡波导；1141、第一耦合波导；1142、第二耦合波导；1143、第三耦合波导；1151、输出波导。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例执行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

如图1所示，本发明提供了一种光波导耦合器1100。图1为该光波导耦合器1100的结构示意图，图7-17为该光波导耦合器1100在长度方向上的不同区域的截面示意图以及光通过不同区域的截面所形成的光斑图。

如图1所示，该光波导耦合器1100由多条宽度、高度渐变的波导构成，沿光波导耦合器1100的长度方向上依次排布前端耦合区1110、光耦合区1140。

硅基光波导是指在硅衬底上制作的折射率不同的芯层和包层，通过包层对光的传播进行约束，将光约束在芯层中传播。

本技术方案中，光波导耦合器的波导是指平面光波导，仅涉及光波导的芯层结构，对于光波导的包层结构可以参照现有技术。

前端耦合区包括至少两条前端波导，前端波导的宽度沿其一端向另一端逐渐变宽，由于前端波导的宽度和厚度在光入射端最小，因此具有较大的模斑，能接收具有大模斑的光，至少两条前端波导的模斑相叠加，进一步提高光波导耦合器匹配大模斑光的能力。

光耦合区包括至少两条耦合波导和一条中心波导，耦合波导的一端连接前端波导的另一端，耦合波导的宽度沿其一端向另一端逐渐变窄的过程中耦合波导的折射率也逐渐变化，导致耦合波导对光的束缚逐渐变弱，使得在耦合波导中传输的光逐渐脱离耦合波导，而耦合波导包围中心波导，使得脱离耦合波导的光进入中心波导，提高了光耦合入中心波导的效率。

中心波导的宽度沿其一端向另一端逐渐变宽，中心波导的一端的大模斑利于耦合来自耦合波导的光，在中心波导的宽度渐变变宽的过程中，中心波导对光的束缚逐渐变强，使得光在波导中传输的能量损失减少。

其中，模斑是指光在波导中传输的模场分布，当波导的直径越小，光在波导中传播的模式折射率越小，波导对在波导中传播的光的束缚越弱，使得光可以脱离波导而分布于波导之外，即使得光在波导中传输的模斑变大。

图2是本发明光波导耦合器另一优选实施例的结构示意图。

图3是本发明光波导耦合器优选实施例的前端波导和耦合波导的俯视图。

图4是本发明光波导耦合器优选实施例的中心波导和输出波导的俯视图。

图5是本发明光波导耦合器优选实施例的光波导耦合器立体图。

在本发明光波导耦合器的另一优选实施例中，结合图2-5示，该光波导耦合器1100由多条宽度、高度渐变的波导构成，沿光波导耦合器1100的长度方向上依次排布前端耦合区1110、高度拉锥区1120、过渡区1130、光耦合区1140和后端输出区1150。

光波导耦合器包括沿所述光波导耦合器的径向排布的多条前端波导，前端波导的宽度沿其前端至后端方向渐增，由于光波导耦合器的波导的宽度和厚度在起始端最小，因此具有较大的模斑，而多个波导尖端形成的多个模斑，进一步扩大了光波导耦合器的模斑，较容易与激光器输出模斑的匹配，将激光器输出的光耦合进入到硅光芯片，能极大的减小光在耦合过程中的能量损失。

图6是本发明光波导耦合器另一优选实施例的结构示意图。

图7是本发明光波导耦合器优选实施例中前端耦合区的截面A1-A1的示意图。

在本发明光波导耦合器的另一优选实施例中，参阅图6-7，前端耦合区1110包括沿光波导耦合器1100的宽度方向间隔的第一前端波导1111和第二前端波导1112，第一前端波导1111和第二前端波导1112的长度方向与光波导耦合器1100的长度方向一致。第一前端波导1111和第二前端波导1112的宽度在起始端最小，并沿其前端(即起始端)至后端方向渐增。其中，以图1的视图方向为参照，“前端”是指图1中靠左的一端，“后端”是指图1中靠右的一端，以下如无特殊说明，“前端”和“后端”的含义均与此类同。

第一前端波导1111和第二前端波导1112的宽度和厚度均对应小于单模波导的宽度和厚度，形成两个小尖端，便于光的耦合。

较优地，前端耦合区1110中的第一前端波导1111和第二前端波导1112呈等腰梯形状，即第一前端波导1111和第二前端波导1112的起始段具有最小的宽度，第一前端波导1111和第二前端波导1112的宽度沿光波导耦合器1100的长度方向对称的逐渐增加。

较优地，前端耦合区1110的第一前端波导1111和第二前端波导1112沿光波导耦合器1100的长度方向互相平行，并且彼此成对称分布。

图8是光通过截面B1-B1所形成的光斑图。光斑，即指光的模斑，是光场在波导中的某个截面的投影，根据不同截面的模斑，即可获得到光的模场分布情况。根据截面B1-B1所形成的光斑，可知前端耦合区1110通过多个波导尖端和激光器的模斑耦合，获得了大部分激光器发出的能量，即获得了较高的光耦合效率。

图9是本发明光波导耦合器优选实施例中高度拉锥区的截面A2-A2的示意图。参阅图5和图9，高度拉锥区1120包括第一拉锥波导1121和第二拉锥波导1122，第一拉锥波导1121和第二拉锥波导1122均可分为上、下两层，第一拉锥波导1121和第二拉锥波导1122的下层的前端分别连接第一耦合硅波1111和第二耦合波导1112的后端，并和第一耦合硅波1111和第二耦合波导1112具有一致的宽度渐变趋势，第一拉锥波导1121和第二拉锥波导1122的上、下两层厚度之和等于预设厚度。

高度拉锥区通过在前端耦合区的基础上再叠加一层波导，将厚度增加至预设厚度，较优地，预设厚度等于单模波导的厚度，以使得光后续能够在波导的中单模传输，通过增加光波导耦合器的波导厚度，减小光在光波导耦合器中传输的能量损失。

较优地，拉锥波导(包括第一拉锥波导1121和第二拉锥波导1122)的上层的前端的宽度比下层的前端的宽度小，拉锥波导上层的的后端的宽度和下层的后端的宽度一样。

图11是光通过高度拉锥区的截面A2-A2所形成的光斑图。截面A2-A2的光斑的厚度比截面A1-A1的光斑的厚度更大，即高度拉锥区中相对于前端耦合区所增加的上层波导，扩大了光模场的分布边界。

图12是本发明光波导耦合器优选实施例中过渡区的截面A3-A3的示意图。

参阅图6和图12，过渡区1130包括第一过渡波导1131和第二过渡波导1132，第一过渡波导1131和第二过渡波导1132的前端分别和第一拉锥波导1121和第二拉锥波导1122的后端相连，第一过渡波导1131和第二过渡波导1132的后端的间隔为预设间隔，以便于光在后面的光耦合区1140中进行的耦合。

在图6所示的实施例中，较优地，第一拉锥波导1121和第二拉锥波导1122之间的间距大于光耦合区的两侧耦合波导之间的间距，过渡区的两条过渡波导沿各自长度方向上弯曲延伸。过渡波导的弯曲度是由高度拉锥区中第一拉锥波导1121和第二拉锥波导1122之间的间距决定的。通过过渡区的弯曲波导结构减小高度拉锥区中两条拉锥波导之间的间距，以便于后期的光耦合。

较优地，第一拉锥波导1121和第二拉锥波导1122之间的间距等于光耦合区的两侧耦合波导之间的间距，过渡区的两条过渡波导沿各自长度方向上直线延伸。此时，由于高度拉锥区中的两条拉锥形波导的间距较小，因此，过渡区采用直波导的结构。

图13是本发明光波导耦合器优选实施例中光耦合区的截面A4-A4的示意图。

参阅图6和图13，光耦合区1140包括沿光波导耦合器1100的宽度方向间隔的第二耦合波导1142、第一耦合波导1141和第三耦合波导1143，位于光耦合区1140两侧的第二耦合波导1142和第三耦合波导1143的前端分别和过渡波导1131和过渡波导1132的后端相连，第二耦合波导1142和第三耦合波导1143的沿其前端至后端方向逐渐减小，第一耦合波导1141的宽度沿其前端至后端方向逐渐增加。

较优地，第二耦合波导1142、第一耦合波导1141和第三耦合波导1143互相平行，第二耦合波导1142和第三耦合波导1143到中间的第一耦合波导1141的距离是一样的。

耦合波导的宽度沿其前端至后端方向逐渐减小，中心波导的宽度沿其前端至后端方向逐渐增加，中心波导的模斑沿其前端至后端方向逐渐减小；耦合波导的模斑在其前端处较大，各模斑重叠面积较大，易于将光耦合进入中心波导；中心波导的模斑在其后端处较小，能减小光在光波导耦合器中传输的能量损失。

图14是光通过截面B4-B4所形成的光斑图，图15是光通过截面A4-A4所形成的光斑图。结合图14和图15，根据截面B4-B4的光斑以及截面A4-A4的光斑可知，在光耦合区的前端，仍有较大的光场分布于光耦合区的耦合波导体中，而在光耦合区的后端，光场逐渐集中分布于中心波导中。耦合波导的模斑在其光入射端较大，各模斑重叠面积较大，易于将光耦合进入中心波导；中心波导的模斑在其后端处较小，能减小光在光波导耦合器中传输的能量损失。

参阅图6和图16，后端输出区1150包括一条输出波导1151，输出波导1151的前端连接位于耦合波导1141的后端，输出波导1151的后端的宽度为预设宽度。

较优地，预设宽度可以等于单模波导宽度，以便于光通过所述后端输出区输入单模波导中。

较优地，输出波导1151沿其前端至后端方向上包括宽度渐增段和等宽度段，宽度渐增段的前端与耦合波导相接，等宽度段的宽度为预设宽度。

结合图6和16所示，输出波导1151的宽度渐增段的宽度由小于单模波导1200的宽度逐渐渐增至与等宽度段的宽度相同，输出波导1151的等宽度段的宽度等于单模波导1200的宽度。

图17是光通过截面B5-B5所形成的光斑图。根据截面B5-B5的光斑可知，输出波导1151中的光场分布已经接近单模波导1200中的光场分布。此时，输出波导1151中传输光能很容易的耦合进单模波导1200。

现有技术中的光波导耦合器通过单端波导实现硅光芯片和半导体激光器的光斑耦合，为实现激光器输出模斑与波导模斑的匹配，需要将单条波导拉锥至很窄的宽度，才能较好的将激光器产生的光耦合进硅光芯片中。然而，这种方法对模斑的耦合精度的要求极高，当器件的制备工艺水平达不到模斑的耦合精度要求时，将导致半导体激光器和硅光芯片的光耦合效率较低。

而本发明提供的光波导耦合器1100光波导耦合器由多条宽度、高度渐变的波导构成。沿光波导耦合器的长度方向上依次排布前端耦合区1100、高度拉锥区1120、过渡区1130、光耦合区1140和后端输出区1150。由于前端耦合区1100中的前端波导的宽度和厚度在起始端最小，使得光波导耦合器1100具有多个波导尖端，由于前端波导的宽度和厚度在光入射端最小，因此具有较大的模斑，能接收具有大模斑的光，多个前端波导的模斑相叠加，进一步提高光波导耦合器匹配大模斑光的能力，本发明提供的光波导耦合器1100不但结构简单，而且耦合效率高。

图18是一示例性实施例示出的光收发模块的框图。

如图18所示，光收发模块1000包括半导体激光器2000、硅光芯片1000和单模光纤3000；硅光芯片1000的波导结构层的两端分别设有光波导耦合器1100。其中一光波导耦合器1100的前端耦合区1110与半导体激光器2000相接，以将半导体激光2000器发射的光耦合进硅光芯片1000；另一光波导耦合器1100的前端耦合区1110与单模光纤3000相接，以将硅光芯片1000中传输的光耦合进单模光纤。

进一步的，硅光芯片1000还包括光调制器1300，和激光器相连的一光波导耦合器1100的前端耦合区1110将半导体激光2000器发射的光耦合进硅光芯片1000，通过该光波导耦合器1100的后端输出区1150将光耦合进单模波导1200中。然后由单模波导1200将光输入到光调制器1300进行信号调制加载。光调制器1300通过另一单模波导1200将经过信号调制的输入到和单模光纤相连的另一光波导耦合器1100，并通过该光波导耦合器1100的前端耦合区1110将光耦合进单模光纤3000中。

图9是另一优选实施例中前端耦合区A1-A1截面示意图。

更进一步的，结合图9、18所示，硅光芯片1000的波导结构层下方具有硅衬底1400，硅衬底1400位于光波导耦合器的前端耦合区1110之下，所述硅衬底1400具有掏空层1500，掏空层1500通过将前端耦合区1110之下部分的硅衬底1400进行刻蚀处理获得。

通过将光波导耦合器1100中位于前端耦合区1110之下的硅衬底1400刻蚀一部分，可以避免耦合进光波导耦合器1100中的光向硅衬底1400的扩散，从而降低光的传输损耗，进一步提高光耦合效率。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围执行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种光波导耦合器，其特征在于，包括：

前端耦合区，包括至少两条前端波导，所述前端波导的宽度沿其一端向另一端逐渐变宽；

光耦合区，包括至少两条耦合波导和一条中心波导；所述中心波导被所述耦合波导包围；所述耦合波导的一端连接所述前端波导的另一端，所述耦合波导的宽度沿其一端向另一端逐渐变窄，所述中心波导的宽度自其一端向另一端逐渐变宽。

2.根据权利要求1所述的光耦合器，其特征在于，所述前端波导分为上、下两层，所述前端波导的上层长度短于下层长度，上层宽度小于下层宽度，所述前端波导的上、下层在所述前端耦合区与所述耦合波导区相连位置的宽度相等。

3.根据权利要求1所述的光耦合器，其特征在于，所述前端波导的厚度沿其一端向另一端逐渐增加，所述前端波导在所述前端耦合区与所述耦合波导区相连位置的厚度等于所述耦合波导的厚度。

4.根据权利要求1所述的光耦合器，其特征在于，所述前端波导到所述中心波导的距离大于所述耦合波导到所述中心波导的距离，所述前端波导与耦合波导通过弯曲部实现连接。

5.根据权利要求1所述的光耦合器，其特征在于，所述前端波导到所述中心波导的距离等于所述耦合波导到所述中心波导的距离，所述前端波导沿各自长度方向直线延伸，并和其中一条所述耦合波导对应连接。

6.根据权利要求1所述的光耦合器，其特征在于，所述光耦合器还包括后端输出区，所述后端输出区包括一条输出波导，所述输出波导的一端连接所述光耦合区的中心波导。

7.根据权利要求6所述的光耦合器，其特征在于，所述输出波导的宽度沿其一端向另一端逐渐增加，所述输出波导的一端的宽度等于所述中心波导宽度，所述输出波导的另一端的宽度等于预设宽度。

8.根据权利要求1所述的光耦合器，其特征在于，所述光耦合区的所述耦合波导互相平行，所述耦合波导到所述中心波导的距离相等。

9.一种光模块，所述光收发模块包括如权利要求1-8任一项所述的光耦合器。