CN112014925B - 一种用于硅光芯片的模斑转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于硅光芯片的模斑转换器，包括下包层和上包层，下包层和上包层之间具有波导层，波导层包括波导基体和设置在波导层上的波导体，波导体一端与输入光波导对接，另一端与输出光波导对接，波导体与输入光波导对接一端的尺寸大于输出波导体与光波导对接一端的尺寸，且波导体与输出光波导对接一端至波导体与光波导之间具有尺寸线性缩减的区段，使得两种光波导的模斑尺寸逐渐匹配，从而实现两种模斑间的高效耦合。所述用于硅光芯片的模斑转换器的波导体具有三维锥形结构，其尺寸在垂直和水平方向上线性缩减，实现与输入光波导的尺寸和形状逐渐匹配，能够提高两种模式间的耦合效率。
Description
技术领域
本发明涉及硅光芯片相关技术领域，更准确的说涉及一种用于硅光芯片的模斑转换器。
背景技术
光子集成，即光子集成电路，其以介质波导为中心集成光器件的光波导型集成回路，即将若干光器件集成在一片基片上，构成一个整体，器件之间以半导体光波导连接，使其具有某些功能的光路。在未来的高速率、大容量信息网络体系中，光子集成技术将成为主体技术。由于硅材料具备高带宽、低插损，且易于实现光互连所需的分路器、调制器、探测器等光学元件，因此目前硅光芯片是光子集成的主要实现手段，本专利也主要针对硅光芯片来展开的。在光集成中的一个关键技术是实现光波导和其他部件（如光纤、透镜、激光器等）的有效耦合，有效耦合的前提是光波导和其他部件的模斑尺寸相匹配。以单模光纤为例，其模斑直径约为9微米，而光波导的模斑直径为0.2-4 微米。二者间直接耦合效率极低，这除了二者间折射率差异的原因外，更重要的是模斑尺寸差异导致的模斑失配。因为二者间模式尺寸和形状的不匹配大大降低了光纤到波导间的耦合效率，增大了光信号的传播损耗。目前，光集成芯片的耦合方法主要有端面耦合和光栅耦合两种方式，其中端面耦合可以有效的减小光波导与其他部件的耦合损耗。端面耦合是在硅基光子集成芯片的边缘设置模斑转换器，模斑转换器中的模斑与外部的光波导的模场进行耦合，实现光路上的对接。
现有技术中通常采用锥形模斑转换器进行波导间的耦合。锥形模斑转换器可以分为侧面锥形和垂直锥形两种，其波导结构又有脊型、掩埋型、单芯和双芯之别。比较成熟的锥形模斑转换器为侧面锥形，它在二维尺寸上（水平方向上）线性或非线性地渐变。这种模斑转换器由于受到垂直方向尺寸的限制，传播模式为扁平状的高斯基模，大大降低了波导到波导的耦合效率，导致模斑转换器的耦合效率较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于硅光芯片的模斑转换器，包括下包层和上包层，下包层和上包层之间具有波导层，波导层包括波导基体和设置在波导层上的波导体，波导体一端与输入光波导对接，另一端与输出光波导对接，波导体与输入光波导对接一端的尺寸大于波导体与输出光波导对接一端的尺寸，且波导体与输入光波导对接一端至波导体与输出光波导之间具有尺寸线性缩减的区段，实现与输入光波导模式的尺寸逐渐匹配，从而实现两种模式间的高效耦合。
为了达到上述目的，本发明提供一种用于硅光芯片的模斑转换器，包括下包层、上包层以及波导层，所述波导层位于所述下包层和所述上包层之间，所述波导层包括波导基体和波导体，所述波导基体设置在所述下包层上，所述波导体设置在所述波导基体上，所述波导体上具有尺寸线性缩减的渐变区段，且所述渐变区段的宽度及高度均线性缩减；所述波导体两端中尺寸较大的一端为输入端，所述波导体远离所述输入端的一端为输出端；所述波导基体具有依次排列的第一段、第二段以及第三段，所述第一段及所述第三段顶面均为平面，且所述第一段的高度小于所述第三段的高度，所述第二段顶部为斜面，所述斜面的底端及顶端分别与所述第一段及所述第三段的顶面对接。
优选地，所述波导体具有所述渐变区段和光波导对接区段，所述渐变区段位于所述第一段、所述第二段及所述第三段顶部，所述光波导对接区段位于所述第三段顶部。
优选地，所述渐变区段从所述输入端至所述输出端方向依次具有第一对接段、过渡段、第二对接段，所述第一对接段位于所述第一段顶部，所述过渡段位于所述第二段顶部，所述第二对接段位于所述第三段顶部，所述第二对接段与所述光波导对接区段对接。
优选地，所述渐变区段从所述输入端至所述输出端方向水平方向尺寸逐渐减小，所述过渡段从所述输入端至所述输出端方向垂直方向尺寸逐渐减小。
优选地，所述波导体顶面为平面。
优选地，所述光波导对接区段为长方体结构。
优选地，所述波导体的侧壁采用湿法腐蚀的方法处理改善粗糙度。
与现有技术相比，本发明公开的一种用于硅光芯片的模斑转换器，优点在于：所述用于硅光芯片的模斑转换器的波导体具有锥型结构，在垂直和水平方向上线性缩减，实现光波导与光波导的尺寸和形状逐渐匹配，能够提高两种模式间的耦合效率；所述用于硅光芯片的模斑转换器的波导层采用单一波导结构，尺寸小，更适合小尺寸大规模的光路集成；通过简单的物理切割方式改变输出波导层长度，可以实现不同的模斑尺寸，可以匹配光纤或者激光器的不同的模斑要求，可以有效的提高耦合效率和降低封装成本，适用性和灵活性更强；所述用于硅光芯片的模斑转换器的波导层结构较为简单，可采用湿法腐蚀的方式来改善波导体侧壁的粗糙度，通过更为光滑的侧壁来有效减小散射损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
如图1所示为本发明一种用于硅光芯片的模斑转换器的结构示意图。
如图2所示为本发明一种用于硅光芯片的模斑转换器的分体结构示意图。
如图3所示为本发明一种用于硅光芯片的模斑转换器的波导层的结构示意图。
如图4所示为本发明一种用于硅光芯片的模斑转换器的波导层的正视图。
如图5所示为本发明一种用于硅光芯片的模斑转换器的波导层的俯视图。
如图6所示为水平方向光斑尺寸与波导长度的关系图。
如图7所示为垂直方向光斑尺寸与波导长度的关系图。
如图8所示为光波导与光纤耦合及与激光器耦合时的位置偏差与耦合效率的关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本申请一种用于硅光芯片的模斑转换器，包括下包层1、上包层4以及波导层2，波导层2位于下包层1和上包层4之间，波导层2包括波导基体20和波导体30，波导基体20设置在下包层1上，波导体30设置在波导基体20上，波导体30上具有尺寸线性缩减的渐变区段31，且渐变区段31的宽度及高度均线性缩减，渐变区段31形成锥型结构。波导体30尺寸较大的一端为输入端301，输入端301与光纤或激光器对接，波导体30远离输入端301的一端为输出端302，输出端302与光波导对接。通过渐变区段31，实现两种模式的尺寸和形状逐渐匹配，进而实现两种模式间的高效耦合。优选地，波导体30为单一波导结构，尺寸小，更适合小尺寸大规模的光路集成。
具体的，如图3、图4和图5所示，波导基体20具有依次排列的第一段201、第二段202以及第三段203，波导基体20为一体化结构。第一段201及第三段203顶面均为平面，且第一段201的高度小于第三段203的高度。第二段202顶部为斜面，斜面的底端及顶端分别与第一段201及第三段203的顶面对接。波导体30具有渐变区段31和光波导对接区段32，渐变区段31位于第一段201、第二段202及第三段203顶部，光波导对接区段32位于第三段203顶部，渐变区段31与光波导对接区段32的交界处位于第三段203顶部。光波导对接区段32为长方体结构。渐变区段31远离光波导对接区段32的一端为输入端301，光波导对接区段32远离渐变区段31的一端为输出端302。优选地，波导体30顶面为平面。
渐变区段31从输入端301至输出端302方向依次具有第一对接段311、过渡段312、第二对接段313，第一对接段311位于第一段201顶部，过渡段312位于第二段202顶部，第二对接段313位于第三段203顶部，第二对接段313与光波导对接区段32对接。渐变区段31从输入端301至输出端302方向水平方向尺寸逐渐减小，过渡段312从输入端301至输出端302方向垂直方向尺寸逐渐减小。渐变区段31整体在平行于水平面方向上形成楔形，且过渡段312在垂直于水平面方向形成楔形。通过渐变区段31在垂直和水平方向上线性缩减使模斑尺寸与光纤或激光器的模斑尺寸和形状逐渐匹配，达到了提高耦合效率，降低光传播过程中损耗的效果。
散射损耗是波导的主要损耗之一，散射损耗主要指刻蚀光波导时，波导侧壁较为粗糙使光在侧壁发生散射从而增加损耗，损耗可达0.2-0.3dB/cm。由于本申请中波导体30为整体结构，且结构较为简单，优选采用湿法腐蚀的方法来改善波导体30侧壁的粗糙度，进一步减小波导的损耗。
如图6和图7所示，光斑尺寸与波导体30长度为线性变换关系，可以通过物理切割的方式来控制波导体30的长度，进而实现不同尺寸的光斑输出，即可根据光斑形状来选择合适的波导体30长度，适用性和灵活性更强。
由于硅光芯片需要与不同形状的光斑进行耦合，因此需要将波导的输出光斑调整为合适的尺寸来提高耦合效率。与光纤或激光器耦合时的耦合效率与位置关系图如图8所示。由于光纤的光斑模式是圆形的，因此需要在垂直方向和水平方向将波导的光斑直径缩小圆形光斑，以便提高耦合效率；由于激光器的光斑是椭圆形的光斑，因此需要在垂直方向和水平方向做不同程度的缩减来将光斑压缩成椭圆形状。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种用于硅光芯片的模斑转换器，其特征在于，包括下包层、上包层以及波导层，所述波导层位于所述下包层和所述上包层之间，所述波导层包括波导基体和波导体，所述波导基体设置在所述下包层上，所述波导体设置在所述波导基体上，所述波导体具有尺寸线性缩减的渐变区段和光波导对接区段，且所述渐变区段的宽度及高度均线性缩减；所述波导体两端中尺寸较大的一端为输入端，所述波导体远离所述输入端的一端为输出端；所述波导基体具有依次排列的第一段、第二段以及第三段，所述第一段及所述第三段顶面均为平面，且所述第一段的高度小于所述第三段的高度，所述第二段顶部为斜面，所述斜面的底端及顶端分别与所述第一段及所述第三段的顶面对接；所述波导体具有所述渐变区段和光波导对接区段，所述渐变区段位于所述第一段、所述第二段及所述第三段顶部，所述光波导对接区段位于所述第三段顶部。
2.如权利要求1所述的用于硅光芯片的模斑转换器，其特征在于，所述渐变区段从所述输入端至所述输出端方向依次具有第一对接段、过渡段、第二对接段，所述第一对接段位于所述第一段顶部，所述过渡段位于所述第二段顶部，所述第二对接段位于所述第三段顶部，所述第二对接段与所述光波导对接区段对接。
3.如权利要求2所述的用于硅光芯片的模斑转换器，其特征在于，所述渐变区段从所述输入端至所述输出端方向水平方向尺寸逐渐减小，所述过渡段从所述输入端至所述输出端方向垂直方向尺寸逐渐减小。
4.如权利要求1所述的用于硅光芯片的模斑转换器，其特征在于，所述波导体顶面为平面。
5.如权利要求1所述的用于硅光芯片的模斑转换器，其特征在于，所述光波导对接区段为长方体结构。
6.如权利要求1所述的用于硅光芯片的模斑转换器，其特征在于，所述波导体的侧壁采用湿法腐蚀的方法处理改善粗糙度。
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