CN108603985B - 一种光耦合器及光处理方法 - Google Patents

Abstract

一种光耦合器，包括：硅衬底(10)、位于硅衬底上的埋氧层(20)以及位于埋氧层上的顶硅层(30)，顶硅层包括多个并排的亚波长硅光栅(310)以及合光区(32)。多个亚波长硅光栅的两端均分别与外部光纤与合光区相接，且多个亚波长硅光栅的与外部光纤相接的一端的宽度小于与合光区相接的一端的宽度。每个该亚波长硅光栅用于将从外部光纤射入的光耦合入顶硅层中，并将在自身中向合光区方向传播的光的光斑尺寸减小至目标波导中光的光斑尺寸。合光区用于将从多个亚波长硅光栅输入的光合并，然后将光传输至目标波导，从而解决了现有技术中缺乏高耦合效率且低工艺成本的光耦合器的问题。还公开了一种光处理方法。

Description

一种光耦合器及光处理方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种光耦合器及光处理方法。

背景技术

基于绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator；简称：SOI)衬底的光波导器件的制备工艺与传统集成电路的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor；简称：CMOS)工艺相兼容，大大减少了制备光电芯片的成本，使得基于SOI衬底的光波导器件成为极具前途的光波导器件。

然而，随着芯片集成度的提高，SOI光波导达到亚微米尺度，波导中的光的模斑尺寸小于1μm，而光纤中的模斑尺寸为8～10μm，二者之间模斑尺寸的失配将导致严重的耦合损耗。

反向锥形耦合器能够减小光纤与光波导间的耦合损耗，但是其工艺需要对SOI材料的厚度进行精确控制，成本较高。

发明内容

本发明实施例提供一种光耦合器及光处理方法，用于解决现有技术中缺乏高耦合效率且低工艺成本的光耦合器的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种光耦合器，包括：硅衬底、位于硅衬底上的埋氧层以及位于埋氧层上的顶硅层，而顶硅层包括多个并排的亚波长硅光栅以及合光区；其中，多个亚波长硅光栅的两端均分别与外部光纤与合光区相接，且多个亚波长硅光栅的与外部光纤相接的一端的宽度小于与合光区相接的一端的宽度。多个亚波长硅光栅呈类锥状，用于将从外部光纤射入的光耦合入顶硅层中，且还用于将在自身中向合光区方向传播的光的光斑尺寸减小至目标波导中光的光斑尺寸，而合光区用于将从多个亚波长硅光栅输入的光合并以及将合并后的光传输至目标波导。

上述实现方式中，光纤入射的光经由多个类锥状的亚波长硅光栅之后，光斑尺寸逐渐变小至目标波导中光的光斑尺寸，经由合光区将两路光合并之后传输至目标波导，由于减小了光斑失配，降低了耦合损耗，提高耦合效率。不仅如此，本发明实施例中，在设计光耦合器时，可以通过调整亚波长硅光栅中的硅块的宽度、长度、相邻硅块间距、多个亚波长硅光栅的间距等参数来获得最小的PDL，不仅设计自由度大，而且上述参数均是在顶硅层面内硅块的尺寸，通过一次光刻工艺即可获得设计出的图案，工艺成本低，成品率高。

在一些可能的实现方式中，顶硅层包括两个亚波长硅光栅。

在一些可能的实现方式中，每个亚波长硅光栅包括：顺次相接的第一区域、第二区域以及第三区域；其中，第一区域的两端分别与外部光纤以及第二区域相接，第一区域包括若干个相互间隔地排列为一行的硅块，且用于将从外部光纤射入的光耦合入顶硅层中；第二区域包括若干个相互间隔地排列为一行的硅块，且第二区域中硅块的宽度大于第一区域中硅块的宽度，用于将从第一区域输入的光的光斑尺寸调小；第三区域的两端分别与第二区域以及合光区相接，第三区域由第一硅光栅与第二硅光栅套嵌形成，其中，每个第二硅光栅中的硅块位于第一硅光栅的两个相邻硅块之间，且第二硅光栅中硅块的宽度小于第一硅光栅中硅块的宽度，第三区域用于将从第二区域输入的光的光斑尺寸减小至目标波导中光的光斑尺寸，以及用于将从第二区域输入的光的光斑形状调整为目标波导中光的光斑形状。上述实现方式中，通过控制第一区域中硅块的长度、宽度、相邻硅块的间距以及多个亚波长硅光栅的间距等参数，能够实现横电偏振光和横磁偏振光的模式匹配，进而获得最小的PDL。且上述硅块的长度、宽度、光栅周期以及锥尖宽度等参数所涉及的只是顶硅层面内的图案形状，只需一次光刻工艺即可制备出器件图案，工艺简单。不仅如此，本发明实施例中，可以通过调整硅块的长度、宽度、光栅周期以及锥尖宽度四个参数中的任意一个或多个参数来获得最小的PDL，设计自由度更大，利于兼顾其他耦合参数。再者，通过第二区域以及第三区域对耦合进硅块中的光进行模式转换，将光斑大小逐渐调小至与目标波导接近的数值，并将光斑的形状调整至与目标波导中一致的形状。

在一些可能的实现方式中，第一区域中所有硅块的长度相等、宽度相等，且第一区域中任意两个相邻硅块的间距相同。

在一些可能的实现方式中，第二区域中任意两个相邻硅块中靠近第一区域的硅块的宽度小于靠近第三区域的硅块的宽度，换言之，从第二区域靠近第一区域的一侧向靠近第三区域的一侧，硅块的宽度逐渐增大，使得从第一区域输入的光的光斑逐渐减小，以减小光纤与目标波导间的光斑失配。

在一些可能的实现方式中，每个第二硅光栅中的硅块连接第一硅光栅的两个相邻硅块，且第一硅光栅中的每个硅块的宽度等于第二区域中最接近第三区域的硅块的宽度，第二硅光栅中任意相邻两个硅块中靠近第二区域的硅块的宽度小于靠近合光区的硅块的宽度，换言之，第二硅光栅从靠近第二区域的一侧向靠近第三区域的一侧，其硅块的宽度逐渐变大，进而在将光的形状调整为与目标波导中的光斑形状的同时，进一步将在第三区域中向合光区传输的光的光斑大小调小至目标波导中的光斑大小，减小光斑尺寸失配，提高耦合效率。

在一些可能的实现方式中，第二硅光栅中最接近第二区域的硅块的宽度小于第一区域中硅块的宽度，以增加第三区域对光斑尺寸的转换能力。

在一些可能的实现方式中，第一区域中每个硅块的长度、第二区域中每个硅块的长度以及第一硅光栅中每个硅块的长度三者相同。

在一些可能的实现方式中，第二区域中相邻硅块的间距从靠近第一区域的一侧向靠近第三区域的一侧逐渐变小，第一硅光栅中相邻硅块的间距从靠近第二区域的一侧向靠近合光区的一侧逐渐减小。上述实现方式中，通过逐渐减小相邻硅块的间距，在保证光斑模式缓慢过渡的情况下，减少反射损耗，提高耦合效率。

在一些可能的实现方式中，多个亚波长硅光栅中的任意两个亚波长硅光栅平行且轴对称。

在一些可能的实现方式中，合光区包括：多模波导、位于多模波导第一侧的多个输入波导以及位于多模波导的第二侧的输出波导。其中，多模波导为偏振不敏感的波导，即：对于TE偏振光和TM偏振光，多模波导宽度都应该只支持两个最低阶的模式。上述实现方式中，偏振不敏感的多模波导更易于对光耦合器进行封装。

在一些可能的实现方式中，每个输入波导以及输出波导的宽度线性变化，其中，每个输入波导以及输出波导与多模波导相连接处波导宽度最大。上述实现方式中，通过输入波导以及输出波导的宽度的线性变化，能够使得输入合光区以及输出合光区的光的强度变化更平滑。

在一些可能的实现方式中，多个亚波长硅光栅紧邻合光区的硅块的宽度、合光区的两个输入波导的与模式转换区相连的侧端的宽度，以及合光区的输出波导的与目标波导相连的侧端的宽度均等于目标波导的宽度，以使得输入到目标波导处的光的光斑大小与目标波导的光斑大小相同。

第二方面，本发明实施例提供一种光处理方法，所述方法由光耦合器执行，所述光耦合器包括硅衬底、位于所述硅衬底上的埋氧层以及位于所述埋氧层上的顶硅层，所述顶硅层包括多个并排的亚波长硅光栅以及合光区；所述多个亚波长硅光栅的两端均分别与外部光纤与所述合光区相接，且所述多个亚波长硅光栅的与所述外部光纤相接的第一端的宽度小于与所述合光区相接的第二端的宽度，所述方法包括：所述光耦合区通过多个亚波长硅光栅各自的第一端接收外部光纤输出的光；所述光耦合器通过所述多个亚波长硅光栅将从所述外部光纤接收的光的光斑尺寸调小至目标波导的光的光斑尺寸；所述光耦合器通过所述多个亚波长硅光栅各自的第二端将处理后的光传输至合光区；所述光耦合器通过所述合光器将分别经所述多个亚波长硅光栅处理后的光合并以及将合并后的光传输至所述目标波导。

在一些可能的实现方式中，每个所述亚波长硅光栅包括：顺次相接的第一区域、第二区域以及第三区域；其中，所述第一区域的两端分别与所述外部光纤以及所述第二区域相接，所述第一区域包括多个排列为一行的非连续的硅块；所述第二区域包括多个排列为一行的非连续的硅块，且所述第二区域中硅块的宽度大于所述第一区域中硅块的宽度，所述第二区域中任意两个相邻硅块中靠近第一区域的硅块的宽度小于靠近第三区域的硅块的宽度；所述第三区域的两端分别与所述第二区域以及所述合光区相接，所述第三区域由第一硅光栅与第二硅光栅套嵌形成，其中，每个所述第二硅光栅中的硅块位于所述第一硅光栅的相邻两个硅块之间，且所述第二硅光栅中硅块的宽度小于所述第一硅光栅中硅块的宽度；所述第一硅光栅中的每个硅块的宽度等于所述第二区域中最接近所述第三区域的硅块的宽度，所述第二硅光栅中任意相邻两个硅块中靠近所述第二区域的硅块的宽度小于靠近所述合光区的硅块的宽度；所述光耦合器通过所述多个亚波长硅光栅将从所述外部光纤接收的光的光斑尺寸调小至目标波导的光的光斑尺寸，包括：所述光耦合器通过所述第一区域将从所述外部光纤接收的光耦合入所述顶硅层中以及将耦合入所述顶硅层的光传输至所述第二区域；所述光耦合器通过所述第二区域将从所述第一区域输入的光的光斑尺寸减小以及将处理后的光传输至所述第三区域；所述光耦合器通过所述第三区域将从所述第二区域输入的光的光板尺寸减小至所述目标波导中光的光斑尺寸，以及将从所述第二区域输入的光的光斑形状调整为所述目标波导中光的光斑形状。

在一些可能的实现方式中，所述合光区包括：偏振不敏感的多模波导、位于所述多模波导第一侧的两个输入波导以及位于所述多模波导的第二侧的输出波导；所述光耦合器通过所述合光器将分别经所述多个亚波长硅光栅处理后的光合并以及将合并后的光传输至所述目标波导，包括：所述光耦合器通过所述两个输入波导分别接收从所述多个亚波长硅光栅各自的第二端输入的光；所述光耦合器通过所述偏振不敏感的多模波导将从所述两个输入波导输入的光进行合并，并传输至所述输出波导；所述光耦合器通过所述输出波导将所述多模波导合并后的光传输至所述目标波导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中光耦合器的横截面的示意图；

图2为本发明实施例中顶硅层的俯视图案的示意图；

图3为本发明实施例中顶硅层中模式转换区的俯视图案的示意图；

图4为本发明实施例中顶硅层中合光区的俯视图案的示意图。

具体实施方式

下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本发明技术方案的详细的说明，而不是对本发明技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

下面首先对本发明实施例中的部分概念进行介绍。

绝缘体上硅SOI，是指在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧层，以减小寄生电容和漏电流。参照图1，SOI从下至上分别为硅衬底10、埋氧层20以及顶硅层30，其中，顶硅层30中的硅被刻蚀成耦合器对应的图案，刻蚀后的SOI结构即作为光纤与光波导之间的耦合器。

硅块，指的是顶硅层30中被刻蚀出的块状的硅。本发明实施例中，硅块的三维尺寸分别被称为“厚度”、“长度”以及“宽度”，其中，厚度指的是硅块在沿着埋氧层20指向顶硅层30的竖直方向的尺寸，长度指的是硅块在沿着光传播方向上的尺寸，而宽度指的是硅块在垂直于光传播方向的横截面中垂直于厚度方向的那个维度的尺寸。

硅光栅，指的是由相互间隔地排列为一行的一组硅块所形成光栅。其中，硅光栅的周期指的是相邻两个硅块的间距。

亚波长光栅指的是光栅周期远小于入射光波长的光栅，由于光栅周期远小于入射光波长，光栅反射的光可以忽略，入射光通过硅光栅继续向前传播。本发明实施例中，光栅周期可以小于一阶布拉格光栅周期，如光栅周期在250nm至500nm范围之内。

偏振相关损耗(Polarization-dependent loss；简称：PDL)，指的是光器件或系统在所有偏振状态下的最大传输差值，即所有偏振状态下最大传输和最小传输的比率。PDL是表征耦合损耗的重要参数，其数值越小，耦合损耗越小。

参照图1至图4，本发明实施例提供的光耦合器，包括：硅衬底10、位于硅衬底10上的埋氧层20以及位于埋氧层20之上的顶硅层30。

其中，顶硅层30被刻蚀成耦合器图案，具体的，顶硅层30包括模式转换区31以及合光区32。

模式转换区31包括多个并排的亚波长硅光栅310。其中，多个亚波长硅光栅310的两个侧端的硅块的宽度不同，具体的，亚波长硅光栅310与光纤相连的一侧的硅块的宽度较小，而与合光区相连的一侧的硅块的宽度较大，亚波长硅光栅310整体呈类锥状。从光纤入射的光在所述类锥状的亚波长硅光栅310中传播的过程中，光斑大小逐渐减小，直至从亚波长硅光栅输出至合光区32的光的光斑大小接近(即，稍大于)或等于目标波导对应的光斑大小。

合光区32包括多个输入波导321、多模波导322以及一个输出波导323，其中，多个输入波导321分别连接模式转换区31的多个亚波长硅光栅310，用于接收经多个亚波长硅光栅310处理后的光。多模波导322用于对经两个输入波导321输入的多路光进行合光处理，并将处理后的光经由输出波导323传输至目标波导。

上述技术方案中，光纤入射的光经由多个类锥状的亚波长硅光栅310之后，光斑逐渐变小至一般硅波导的光斑的大小，经由合光区32将多路光合并之后传输至目标波导，由于减小了光斑失配，降低了耦合损耗。

不仅如此，本发明实施例中，在设计光耦合器时，可以通过调整亚波长硅光栅310中的硅块的宽度、长度、相邻硅块间距、多个亚波长硅光栅310的间距等参数来获得最小的PDL，不仅设计自由度大，而且上述参数均是在顶硅层30面内硅块的尺寸，通过一次光刻工艺即可获得设计出的图案，工艺成本低，成品率高。

实际情况中，模式转换区31可以包括2个、3个、4个以及更多个亚波长硅光栅，为了便于描述，本发明实施例以下内容中，以模式转换区31包括2个亚波长硅光栅为例进行描述。

在一种可能的实现方式中，两个亚波长硅光栅310均包括顺次相接的第一区域311、第二区域312以及第三区域313。

其中，第一区域311包括若干个相互间隔地排列为一行的不连续的硅块，用于将光纤入射的光耦合进顶硅层中，并沿着第一区域311中的硅块继续向前传播。为保证光在第一区域311中向前传播，第一区域311中的相邻硅块间距小于一阶布拉格光栅周期，如其取值可以在250nm至500nm范围内。

第二区域312包括若干个相互间隔地排列为一行的不连续的硅块，其中，第三区域313中硅块的宽度大于第一区域311中硅块的宽度，进而在光从第一区域311进入第二区域312之后，光斑大小减小。

第三区域313由第一硅光栅3131与第二硅光栅3132套嵌形成，其中，每个第二硅光栅3132中的硅块位于第一硅光栅3131的相邻两个硅块之间，且第二硅光栅3132中硅块(以下称为“内部硅块”)的宽度小于第一硅光栅3131中硅块(以下称为“外部硅块”)的宽度。第三区域313又可称为齿状模式转换区，用于调整光斑的形状，将光斑形状调整为与目标波导一致的形状。

上述每个内部硅块位于第一硅光栅3131的两个相邻外部硅块之间，可以包括如下两种实施方式：其一，每个内部硅块连接两个相邻的外部硅块，即内部硅块与外部硅块相连；其二，每个内部硅块位于两个外部硅块之间，且外部硅块与内部硅块不相连，二者之间被刻蚀隔离开。

上述技术方案中，可以通过控制第一区域311中硅块的长度、宽度、光栅周期(相邻硅块的间距)以及锥尖宽度(所谓锥尖宽度，指的是模式转换区31中两个硅光栅各自的距离外部光纤最近的硅块之间的距离)等参数，能够实现横电(Transverse-electric；简称：TE)偏振光和横磁(Transverse-magnetic；简称：TM)偏振光的模式匹配，进而获得最小的PDL。实际情况中，可以在设计光耦合器时，利用数值仿真软件获得上述参数的数值与PDL的关系，通过改变上述参数的数值，获得最小的PDL，进而确定最佳的器件尺寸参数。

在现有的反向锥形耦合器中，主要通过调整顶硅层30的厚度来实现耦合匹配，具体实施时需要引入新的材料，以及采用多次刻蚀工艺，工艺成本很高。而本发明实施例中，上述硅块的长度、宽度、光栅周期以及锥尖宽度等参数所涉及的只是顶硅层30面内的图案形状，只需一次光刻工艺即可制备出器件图案，工艺简单。

不仅如此，本发明实施例中，可以通过调整硅块的长度、宽度、光栅周期以及锥尖宽度四个参数中的任意一个或多个参数来获得最小的PDL，设计自由度更大，利于兼顾其他耦合参数。例如，为了获得较高的对准容差，可以适当增大锥尖宽度，这是因为当锥尖宽度增加的时候，取得最小耦合损耗的位置不在波导中心，而是分别向左右移动，这样耦合损耗与光纤位置的曲线由单峰曲线变为了双峰平坦型曲线，进而大幅度增加光纤与波导间的对准容差。

进一步，通过第二区域312以及第三区域313对耦合进硅块中的光进行模式转换，将光斑大小逐渐调小至与目标波导接近的数值，并将光斑的形状调整至与目标波导中一致的形状。

在另一种可能的实现方式中，第一区域311中所有硅块的长度相等、宽度相等，且相邻硅块的间距均相等，以将从光纤输入的光稳定耦合到硅块之中。例如，第一区域311的光栅周期(即相邻硅块的间距)相等且取值在250nm到500nm范围之内，硅块长度相等且取值在100nm到400nm范围之内，第一区域311的总体长度为10μm至50μm范围内，所有硅块的宽度相等且取值在0.1μm到0.3μm范围之内，锥尖宽度的取值在0.5μm至2.5μm范围内。

在另一种可能的实现方式中，第二区域312中任意两个相邻硅块中靠近第一区域311的硅块的宽度小于靠近第三区域313的硅块的宽度，换言之，从第二区域312靠近第一区域311的一侧向靠近第三区域313的一侧，硅块的宽度逐渐增大，宽度具体可以线性增大、指数增大或以抛物线函数的形式增大。第二区域312中硅块的宽度逐渐变大，使得从第一区域311输入的光的光斑逐渐减小，以减小光纤与目标波导间的光斑失配。

可选的，第二区域312的总体长度取值可以在20μm到50μm范围之内。

在另一种可能的实现方式中，每个第二硅光栅3132中的硅块连接第一硅光栅3131的两个相邻硅块，即，第一硅光栅3131中的外部硅块与第二硅光栅3132中的外部硅块连接在一起。另外，第一硅光栅3131中的每个硅块的宽度等于第二区域312中硅块的最大宽度，在前述第二区域312中硅块宽度逐渐变大的实现方式中，第一硅光栅3131中的每个硅块的宽度等于最接近第三区域313的硅块的宽度。再者，第二硅光栅3132中任意相邻两个硅块中靠近第二区域312的硅块的宽度小于靠近合光区的硅块的宽度，换言之，第二硅光栅3132从靠近第二区域312的一侧向靠近第三区域313的一侧，内部硅块的宽度逐渐变大。

其中，第一硅光栅的作用是实现光斑的平滑过渡，而第二硅光栅的作用为将光斑的大小进一步减小为目标波导中光的光斑大小，以及用于将光斑的形状调整为目标波导中的光斑形状。具体的，第二硅光栅通过内部硅块的宽度沿光传播方向逐渐增大，实现非连续周期波导到连续波导的转换，进而将第三区域中的布洛赫模式的光平缓转变为目标波导中的非布洛赫模式的光，实现光斑形状的调整。

上述技术方案中，第三区域313通过套嵌排列的外部硅块以及内部硅块形成齿状模式转换器，用于对光斑进行整形，将第二区域312输入的光斑调整至与目标波导一致的形状。不仅如此，第三区域313所形成的齿状模式转换器还能够进一步将光斑大小调整至与目标波导中光斑大小接近的数值。

在另一种可能的实现方式中，第三区域313中最接近第二区域312的内部硅块的宽度小于第一区域311中硅块的宽度。由于内部硅块的最小值小于第一区域311中硅块的宽度，而内部硅块的宽度最大值接近或达到外部硅块的宽度，进而保证第三区域313中内部硅块的宽度的总的变化幅度较大，增强第三区域313对光斑尺寸的调整能力。

在另一种可能的实现方式中，第一区域311中每个硅块的长度、第二区域312中每个硅块的长度以及第一硅光栅3131中每个硅块的长度三者相同。

在另一种可能的实现方式中，第二区域312中相邻硅块的间距从靠近第一区域311的一侧向靠近第三区域313的一侧逐渐变小，第三区域313中相邻两个外部硅块的间距从靠近第二区域312的一侧向靠近合光区32的32一侧逐渐减小。

上述技术方案中，通过逐渐减小硅光栅的周期(即：相邻硅块的间距)，在保证光斑模式缓慢过渡的情况下，减少反射损耗，提高耦合效率。

在另一种可能的实现方式中，模式转换区31中的两个亚波长硅光栅310平行且轴对称。具体的，两个亚波长硅光栅310平行，指的是两个硅光栅的中轴线平行且不共线；进一步，两个硅光栅对称，指的是两个硅光栅沿着两个所述中轴线的等分线成轴对称。

在另一种可能的实现方式中，第一区域311中所有硅块的第一中轴线、第二区域312中所有硅块的第二中轴线以及第三区域313中所有硅块的第三中轴线重合。

在另一种可能的实现方式中，合光区32包括：两个输入波导321、多模波导322以及输出波导323。

其中，输入波导321以及输出波导323分别位于多模波导322的两侧，多模波导322用于对通过两个输入波导321输入的两路光进行合光，且为偏振不敏感的波导。

所谓偏振不敏感的多模波导，指的是对于TE偏振光和TM偏振光，多模波导宽度都应该只支持两个最低阶的模式，即TE0/TE2，TM0/TM2。偏振不敏感的多模波导更易于光耦合器的封装。

可选的，本发明实施例中，多模波导322宽度的可能取值范围为1.5μm至2.5μm，多模波导322长度由宽度优化确定，可以为第一次能够产生分光时长度的整数倍。

在另一种可能的实现方式中，两根输入波导321分别位于多模区宽度的1/4和3/4的位置，输出波导323位于多模区宽度中心位置。

在另一种可能的实现方式中，输入波导321以及输出波导323是宽度线性变化的波导，两个所述输入波导321以及所述输出波导323与所述多模波导322相连接处波导宽度最大。输入波导321以及输出波导323在顶硅层30面内呈梯形。实际情况中，输入波导321和/或输出波导323的宽度最小值的可能取值为0.7μm至1.2μm，宽度最大值的可能取值为2μm至5μm。通过输入波导以及输出波导的宽度的线性变化，能够使得输入合光区以及输出合光区的光的强度变化更平滑，优化合光区的输入输出特性。

在另一种可能的实现方式中，两个亚波长硅光栅310紧邻合光区32的硅块的宽度、合光区32的两个输入波导321的与模式转换区31相连的侧端的宽度，以及合光区32的输出波导323的与目标波导相连的侧端的宽度均等于所述目标波导的宽度，以使得输入到目标波导处的光的光斑大小与目标波导的光斑大小相同。

在另一种可能的实现方式中，光耦合器还包括：位于顶硅层30之上的保护层40，该保护层的材料可以是二氧化硅或者其他与硅工艺相容的氧化物，用于保护顶硅层30中模式转换区31以及合光区32所对应的图案，避免器件图案被磨损或腐蚀。

可选的，在顶硅层30中硅块间的空隙处均覆盖有上述保护层。

需要说明的是，本发明实施例以上内容是从光由光纤入射至光耦合器并经由光耦合器进入目标波导的角度来进行描述的，实际情况中，上述情况是可逆的，即光从目标波导入射光耦合器并经由光耦合器入射光纤时，光耦合器同样能够实现光纤光斑与目标波导光斑的适配，减小耦合损耗。

可选的，本发明实施例中，亚波长硅光栅310除了图2以及图3所示的实现方式之外，还可以为包括其他的呈现类锥状的实现方式，例如，亚波长硅光栅310包括若干个间隔地排列为一行的不连续的硅块，从靠近光纤的一侧向靠近合光区的一侧，硅块的宽度逐渐变大；又例如，亚波长硅光栅包括顺次相连的N个区段，N大于等于2，每个区段包括若干个宽度相等的硅块，其中，第k+1区段中硅块的宽度大于第k区段中硅块的宽度，k的取值为1至N-1，换言之，从靠近光纤的一侧向靠近合光区的一侧，不同区段中硅块的宽度逐渐增大。

另外，本发明实施例中，顶硅层30中的硅图形是一体成型的，其中第三区域313与合光区32相连、合光区32与目标波导相连，指的是二者的硅块是相连的。再者，参照图3，亚波长硅光栅310的第一区域311与第二区域312相接，指的是第一区域311的最右端的硅块与第二区域312的最左端的硅块相邻。

基于相同的发明构思，本发明实施例还提供一种光处理方法所述方法由光耦合器执行，所述光耦合器包括硅衬底、位于所述硅衬底上的埋氧层以及位于所述埋氧层上的顶硅层，所述顶硅层包括多个并排的亚波长硅光栅以及合光区；所述多个亚波长硅光栅的两端均分别与外部光纤与所述合光区相接，且所述多个亚波长硅光栅的与所述外部光纤相接的第一端的宽度小于与所述合光区相接的第二端的宽度，所述方法包括：

所述光耦合区通过多个亚波长硅光栅各自的第一端接收外部光纤输出的光；

所述光耦合器通过所述多个亚波长硅光栅将从所述外部光纤接收的光的光斑尺寸调小至目标波导的光的光斑尺寸；

所述光耦合器通过所述多个亚波长硅光栅各自的第二端将处理后的光传输至合光区；

所述光耦合器通过所述合光器将分别经所述多个亚波长硅光栅处理后的光合并以及将合并后的光传输至所述目标波导。

在一种可能的实现方式中，每个所述亚波长硅光栅包括：顺次相接的第一区域、第二区域以及第三区域；其中，所述第一区域的两端分别与所述外部光纤以及所述第二区域相接，所述第一区域包括多个排列为一行的非连续的硅块；所述第二区域包括多个排列为一行的非连续的硅块，且所述第二区域中硅块的宽度大于所述第一区域中硅块的宽度，所述第二区域中任意两个相邻硅块中靠近第一区域的硅块的宽度小于靠近第三区域的硅块的宽度；所述第三区域的两端分别与所述第二区域以及所述合光区相接，所述第三区域由第一硅光栅与第二硅光栅套嵌形成，其中，每个所述第二硅光栅中的硅块位于所述第一硅光栅的相邻两个硅块之间，且所述第二硅光栅中硅块的宽度小于所述第一硅光栅中硅块的宽度；所述第一硅光栅中的每个硅块的宽度等于所述第二区域中最接近所述第三区域的硅块的宽度，所述第二硅光栅中任意相邻两个硅块中靠近所述第二区域的硅块的宽度小于靠近所述合光区的硅块的宽度；

所述光耦合器通过所述多个亚波长硅光栅将从所述外部光纤接收的光的光斑尺寸调小至目标波导的光的光斑尺寸，包括：

所述光耦合器通过所述第一区域将从所述外部光纤接收的光耦合入所述顶硅层中以及将耦合入所述顶硅层的光传输至所述第二区域；

所述光耦合器通过所述第二区域将从所述第一区域输入的光的光斑尺寸减小以及将处理后的光传输至所述第三区域；

所述光耦合器通过所述第三区域将从所述第二区域输入的光的光板尺寸减小至所述目标波导中光的光斑尺寸，以及将从所述第二区域输入的光的光斑形状调整为所述目标波导中光的光斑形状。

在一种可能的实现方式中，所述合光区包括：偏振不敏感的多模波导、位于所述多模波导第一侧的多个输入波导以及位于所述多模波导的第二侧的输出波导；

所述光耦合器通过所述合光器将分别经所述多个亚波长硅光栅处理后的光合并以及将合并后的光传输至所述目标波导，包括：

所述光耦合器通过所述多个输入波导分别接收经所述多个亚波长硅光栅各自的第二端输入的光；

所述光耦合器通过所述偏振不敏感的多模波导将从所述两个输入波导输入的光进行合并，并传输至所述输出波导；

所述光耦合器通过所述输出波导将所述多模波导合并后的光传输至所述目标波导。

上述光处理方法的具体实现方式请参照前述光耦合器的实现方式，在此不予重复。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种光耦合器，其特征在于，包括：硅衬底、位于所述硅衬底上的埋氧层以及位于所述埋氧层上的顶硅层，所述顶硅层包括多个并排的亚波长硅光栅以及合光区；所述多个亚波长硅光栅的两端均分别与外部光纤与所述合光区相接，且所述多个亚波长硅光栅的与所述外部光纤相接的一端的宽度小于与所述合光区相接的一端的宽度；其中，所述多个亚波长硅光栅中的每个所述亚波长硅光栅用于将从所述外部光纤射入的光耦合入顶硅层中，且还用于将在自身中向所述合光区方向传播的光的光斑尺寸减小至目标波导中光的光斑尺寸；所述合光区用于将从所述多个亚波长硅光栅输入的光合并以及将合并后的光传输至所述目标波导。

2.如权利要求1所述的光耦合器，其特征在于，所述顶硅层包括两个所述亚波长硅光栅。

3.如权利要求1或2所述的光耦合器，其特征在于，每个所述亚波长硅光栅包括：顺次相接的第一区域、第二区域以及第三区域；

其中，所述第一区域的两端分别与所述外部光纤以及所述第二区域相接，所述第一区域包括多个排列为一行的非连续的硅块，且用于将从所述外部光纤射入的光耦合入顶硅层中；

所述第二区域包括多个排列为一行的非连续的硅块，且所述第二区域中硅块的宽度大于所述第一区域中硅块的宽度，用于将从所述第一区域输入的光的光斑尺寸调小；

所述第三区域的两端分别与所述第二区域以及所述合光区相接，所述第三区域由第一硅光栅与第二硅光栅套嵌形成，其中，每个所述第二硅光栅中的硅块位于所述第一硅光栅的相邻两个硅块之间，且所述第二硅光栅中硅块的宽度小于所述第一硅光栅中硅块的宽度，所述第三区域用于将从所述第二区域输入的光的光斑尺寸减小至所述目标波导中光的光斑尺寸，以及用于将从所述第二区域输入的光的光斑形状调整为所述目标波导中光的光斑形状。

4.如权利要求3所述的光耦合器，其特征在于，所述第一区域中所有硅块的长度相等、宽度相等，且所述第一区域中任意两个相邻硅块的间距相同。

5.如权利要求3所述的光耦合器，其特征在于，所述第二区域中任意两个相邻硅块中靠近第一区域的硅块的宽度小于靠近第三区域的硅块的宽度。

6.如权利要求5所述的光耦合器，其特征在于，每个所述第二硅光栅中的硅块连接所述第一硅光栅的两个相邻硅块，且所述第一硅光栅中的每个硅块的宽度等于所述第二区域中最接近所述第三区域的硅块的宽度，所述第二硅光栅中任意相邻两个硅块中靠近所述第二区域的硅块的宽度小于靠近所述合光区的硅块的宽度。

7.如权利要求6所述的光耦合器，所述第二硅光栅中最接近所述第二区域的硅块的宽度小于所述第一区域中硅块的宽度。

8.如权利要求6或7所述的光耦合器，其特征在于，所述第一区域中每个硅块的长度、所述第二区域中每个硅块的长度以及所述第一硅光栅中每个硅块的长度三者相同。

9.如权利要求6-7中任一项所述的光耦合器，其特征在于，所述第二区域中相邻硅块的间距从靠近所述第一区域的一侧向靠近所述第三区域的一侧逐渐变小，所述第一硅光栅中相邻硅块的间距从靠近所述第二区域的一侧向靠近所述合光区的一侧逐渐减小。

10.如权利要求1或2或4-7中任一项所述的光耦合器，其特征在于，所述多个亚波长硅光栅中的任意两个平行且轴对称。

11.如权利要求1或2或4-7中任一项所述的光耦合器，其特征在于，所述合光区包括：

偏振不敏感的多模波导；以及

位于所述多模波导第一侧的多个输入波导，分别用于接收所述多个亚波长硅光栅中的一个亚波长硅光栅输出的光；以及

位于所述多模波导的第二侧的输出波导，用于将所述多模波导合并的光传输至所述目标波导。

12.如权利要求11所述的光耦合器，其特征在于，每个所述输入波导以及所述输出波导的宽度线性变化，其中，每个所述输入波导以及所述输出波导与所述多模波导相连接处波导宽度最大。

13.如权利要求1或2或4-7或12中任一项所述的光耦合器，其特征在于，多个所述亚波长硅光栅紧邻所述合光区的硅块的宽度、所述合光区的多个所述输入波导的与模式转换区相连的侧端的宽度，以及所述合光区的输出波导的与所述目标波导相连的侧端的宽度均等于所述目标波导的宽度，所述模式转换区包括多个所述亚波长硅光栅。

14.一种光处理方法，其特征在于，所述方法由光耦合器执行，所述光耦合器包括硅衬底、位于所述硅衬底上的埋氧层以及位于所述埋氧层上的顶硅层，所述顶硅层包括多个并排的亚波长硅光栅以及合光区；所述多个亚波长硅光栅的两端均分别与外部光纤与所述合光区相接，且所述多个亚波长硅光栅的与所述外部光纤相接的第一端的宽度小于与所述合光区相接的第二端的宽度，所述方法包括：

所述光耦合区通过多个亚波长硅光栅各自的第一端接收外部光纤输出的光；

所述光耦合器通过所述多个亚波长硅光栅将从所述外部光纤接收的光的光斑尺寸调小至目标波导的光的光斑尺寸；

所述光耦合器通过所述多个亚波长硅光栅各自的第二端将处理后的光传输至合光区；

所述光耦合器通过所述合光器将分别经所述多个亚波长硅光栅处理后的光合并以及将合并后的光传输至所述目标波导。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，每个所述亚波长硅光栅包括：顺次相接的第一区域、第二区域以及第三区域；其中，所述第一区域的两端分别与所述外部光纤以及所述第二区域相接，所述第一区域包括多个排列为一行的非连续的硅块；所述第二区域包括多个排列为一行的非连续的硅块，且所述第二区域中硅块的宽度大于所述第一区域中硅块的宽度，所述第二区域中任意两个相邻硅块中靠近第一区域的硅块的宽度小于靠近第三区域的硅块的宽度；所述第三区域的两端分别与所述第二区域以及所述合光区相接，所述第三区域由第一硅光栅与第二硅光栅套嵌形成，其中，每个所述第二硅光栅中的硅块位于所述第一硅光栅的相邻两个硅块之间，且所述第二硅光栅中硅块的宽度小于所述第一硅光栅中硅块的宽度；所述第一硅光栅中的每个硅块的宽度等于所述第二区域中最接近所述第三区域的硅块的宽度，所述第二硅光栅中任意相邻两个硅块中靠近所述第二区域的硅块的宽度小于靠近所述合光区的硅块的宽度；

所述光耦合器通过所述多个亚波长硅光栅将从所述外部光纤接收的光的光斑尺寸调小至目标波导的光的光斑尺寸，包括：

所述光耦合器通过所述第一区域将从所述外部光纤接收的光耦合入所述顶硅层中以及将耦合入所述顶硅层的光传输至所述第二区域；

所述光耦合器通过所述第二区域将从所述第一区域输入的光的光斑尺寸减小以及将处理后的光传输至所述第三区域；

所述光耦合器通过所述第三区域将从所述第二区域输入的光的光板尺寸减小至所述目标波导中光的光斑尺寸，以及将从所述第二区域输入的光的光斑形状调整为所述目标波导中光的光斑形状。

16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述合光区包括：偏振不敏感的多模波导、位于所述多模波导第一侧的多个输入波导以及位于所述多模波导的第二侧的输出波导；

所述光耦合器通过所述合光器将分别经所述多个亚波长硅光栅处理后的光合并以及将合并后的光传输至所述目标波导，包括：

所述光耦合器通过所述多个输入波导分别接收经所述多个亚波长硅光栅各自的第二端输入的光；

所述光耦合器通过所述偏振不敏感的多模波导将从所述多个输入波导输入的光进行合并，并传输至所述输出波导；

所述光耦合器通过所述输出波导将所述多模波导合并后的光传输至所述目标波导。

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