CN112433296B - 一种波导耦合结构及光子集成系统 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供一种波导耦合结构及光子集成系统；其中，波导耦合结构包括：衬底；设于衬底一侧的包层，包括第一侧表面和第二侧表面；设于包层内的第二波导，包括前表面和后表面，后表面作为波导耦合结构的出光面；设于包层内的至少一个第一波导；每个第一波导包括传输段和耦合段；其中，传输段位于第二波导外且呈长方体状，传输段远离耦合段的端面与第一侧表面平齐并作为波导耦合结构的入光面；耦合段从第一侧面伸入第二波导内；沿垂直于第一侧表面方向，从入光面至出光面，耦合段的宽度递减；包层、第二波导和第一波导的折射率依次增大。通过本方案可以实现将激光器发出的光信号低损耗地耦合到平面光波导电路PLC中的硅基光芯片。

Description

一种波导耦合结构及光子集成系统

技术领域

本公开涉及光电子技术领域，特别是涉及一种波导耦合结构及光子集成系统。

背景技术

平面光波导技术生产出的器件，具有体积小、损耗低、集成度高、便于规模生产等优点，在光通信系统中得到了广泛应用。近年来，随着平面光波导技术的发展，光子集成系统在向着小尺寸、高密度的方向迅猛迈进。

目前，当前主流光子集成系统(如规格为40G/100G的光模块)中器件之间的耦合基本上还是基于棱镜、透镜、光滤波片等自由空间耦合的技术实现。这种耦合方式制作工艺复杂且需要主动对光，封装成本高、耦合损耗大，很难支持光子集成系统更大规模的集成。

而在光子集成系统中，按照目前的自由空间耦合技术，激光器与平面光波导电路(Planner Lightwave Circuit，PLC)中的硅基光芯片进行耦合时，由于激光器和光波导在高斯束腰级别、形状、折射率分布等方面具有较大的差别，激光器发出的光信号在传输过程中容易产生模场失配，引起较大的耦合损耗，严重影响光子集成系统的性能。

发明内容

本公开实施例的目的在于提供一种波导耦合结构及光子集成系统，可以实现将激光器发出的光信号低损耗地耦合到平面光波导电路PLC中的硅基光芯片。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种波导耦合结构，包括：

衬底；

设于所述衬底一侧且呈长方体状的包层，包括垂直于所述衬底且相对的第一侧表面和第二侧表面；

设于所述包层内且呈长方体状的第二波导，包括与所述第一侧表面相对的前表面和与所述第二侧表面平齐的后表面，所述后表面作为波导耦合结构的出光面；

设于所述包层内且在平行于所述衬底的平面内排列的至少一个第一波导；每个所述第一波导包括沿垂直于所述第一侧表面方向设置的传输段和耦合段；其中，所述传输段位于第二波导外且呈长方体状，所述传输段远离所述耦合段的端面与所述第一侧表面平齐并作为波导耦合结构的入光面；所述耦合段从所述第一侧面伸入所述第二波导内；所述耦合段平行于所述衬底表面和所述第一侧表面的方向的尺寸为所述耦合段的宽度；沿垂直于所述第一侧表面方向，从所述入光面至所述出光面，所述耦合段的宽度递减；所述耦合段大端面和小端面的形状均为矩形，所述大端面与所述传输段横截面的尺寸大小相同；

所述包层、所述第二波导和所述第一波导的折射率依次增大。

在一些实施例中，所述第一波导的数量为一个，所述传输段平行于所述衬底表面和所述第一侧表面的方向的尺寸为所述传输段的宽度，所述传输段的宽度W₁＝1～4μm。

在一些实施例中，所述第一波导的数量为多个，多个所述第一波导间隔排布。

在一些实施例中，多个所述第一波导的尺寸相同，所述传输段平行于所述衬底表面和所述第一侧表面的方向的尺寸为所述传输段的宽度，所述传输段的宽度W₁＝0.3μm～0.6μm；

相邻所述第一波导之间的间距Sep＝1-1.5*W₁。

在一些实施例中，所述耦合段垂直于所述第一侧表面的方向的尺寸为所述耦合段的长度；所述耦合段垂直于所述衬底表面的方向的尺寸为所述耦合段的高度；所述耦合段的长度L₁＝300μm～400μm，所述耦合段的小端面的宽度W_tip＝0.08μm～0.12μm；

所述传输段的长度和高度的方向与所述耦合段的长度和高度的方向一致；所述传输段的长度L_in＝200μm～400μm，高度H₁＝1μm～4μm；

所述第二波导的长度、宽度和高度的方向与所述耦合段的长度、宽度和高度的方向一致；所述第二波导的长度L₂＝400～800μm，宽度W₂＝4μm～5μm，高度H₂＝4μm～5μm。

在一些实施例中，所述第一波导还包括过渡段；

所述过渡段位于所述耦合段靠近所述出光面的一端，向所述出光面延伸；所述过渡段的截面形状、尺寸与所述小端面的形状、尺寸相同。

在一些实施例中，所述过渡段垂直于所述第一侧表面的方向的尺寸为所述过渡段的长度；所述过渡段的长度L_out＝50μm～100μm。

在一些实施例中，所述第一波导的折射率为1.44～2.00。

在一些实施例中，所述第一波导的材料包括Si₃N₄和SiON中的至少一种；所述第二波导的材料包括SiO₂。

在一些实施例中，所述耦合段在所述衬底上的正投影为梯形。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光子集成系统，包括激光器、硅基光芯片和上述第一方面的波导耦合结构；

所述激光器用于发出光信号；

所述硅基光芯片的输入端设有用于接收所述光信号的波导；

所述波导耦合结构位于所述激光器和硅基光芯片之间，实现所述激光器和所述波导的耦合。

本公开实施例提供的方案中，波导耦合结构包括包层以及位于包层内的第一波导和第二波导；第一波导的折射率大于第二波导的折射率，第二波导的折射率大于包层的折射率；第一波导包括传输段和耦合段，耦合段从第二波导的前侧面伸入第二波导内，第二波导的与该前侧面相对的后侧面为出光面；沿垂直于出光面的方向，耦合段的宽度递减。通过本方案，可以使激光器发出的光信号经第一波导泄露到第二波导中，将激光器中的模场转换为波导中的模场，从而扩大了模场，实现激光器与波导模场的匹配，可有效减少由因模式失配引起的耦合损耗，提高耦合效率。因此，能够将激光器发出的光信号低损耗地耦合到PLC等硅基光集成电路中，提高光子集成系统的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本公开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。

图1是本公开实施例提供的一种波导耦合结构的结构示意图；

图2是图1波导耦合结构的俯视图；

图3是图1沿A-A线的剖视图；

图4是图1沿B-B线的剖视图；

图5是图1中第一波导和第二波导的连接示意图；

图6是本公开实施例提供的另一种波导耦合结构的结构示意图；

图7是图6波导耦合结构的俯视图；

图8是图6中第一波导和第二波导的连接示意图；

图9是本公开实施例提供的无过渡段的波导耦合结构的第一波导结构示意图；

图10本公开实施例提供的波导耦合结构的第一波导耦合段长度L₁与耦合效率的关系示意图；

图11是本公开实施例提供的无过渡段的波导耦合结构中，第一波导的耦合段宽度W₁和长度L₁与耦合效率的关系示意图。

图12是本公开实施例提供的有过渡段的波导耦合结构的第一波导结构示意图；

图13是本公开实施例提供的有过渡段的波导耦合结构中，第一波导的耦合段宽度W₁和长度L₁与耦合效率的关系示意图。

图中各标号的说明如下：

1—衬底；

2—包层；

21—第一波导，211—传输段、212—耦合段、213—过渡段；

22—第二波导；

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行描述。

由于激光器和光波导在高斯束腰级别、形状、折射率分布等方面具有较大的差别。以半导体激光器为例，半导体激光器的高斯束腰在约1～2μm级别且为椭圆光斑；光波导的束腰在4.5μm(例如二氧化硅波导)左右；并且绝大多数情况下，半导体激光器的折射率分布也与光波导的折射率分布不同。因此，激光器发出的光信号在传输过程中容易产生模场失配，引起较大的耦合损耗，严重影响光子集成系统的性能。

针对上述技术问题，本公开实施例提供一种波导耦合结构及光子集成系统，可以实现将激光器发出的光信号低损耗地耦合到平面光波导电路PLC中的硅基光芯片。

下面首先对本公开实施例所提供一种波导耦合结构进行介绍。

如图1、图5和图9所示，本公开实施例提供的一种波导耦合结构，包括：

衬底1；

设于衬底1一侧且呈长方体状的包层2，包括垂直于衬底1且相对的第一侧表面和第二侧表面；

设于包层2内且呈长方体状的第二波导22，包括与第一侧表面相对的前表面和与第二侧表面平齐的后表面，后表面作为波导耦合结构的出光面；

设于包层2内且在平行于衬底1的平面内排列的至少一个第一波导21；每个第一波导21包括沿垂直于第一侧表面方向设置的传输段211和耦合段212；其中，传输段211位于第二波导22外且呈长方体状，传输段211远离耦合段212的端面与第一侧表面平齐并作为波导耦合结构的入光面；耦合段212从第一侧面伸入第二波导22内；耦合段212平行于衬底1表面和第一侧表面的方向的尺寸为耦合段212的宽度；沿垂直于第一侧表面方向，从入光面至出光面，耦合段212的宽度递减；耦合段212大端面和小端面的形状均为矩形，大端面与传输段211横截面的尺寸大小相同；

包层2、第二波导22和第一波导21的折射率依次增大。

本公开实施例提供的方案中，波导耦合结构包括包层以及位于包层内的第一波导和第二波导；第一波导的折射率大于第二波导的折射率，第二波导的折射率大于包层的折射率；第一波导包括传输段和耦合段，耦合段从第二波导的前侧面伸入第二波导内，第二波导的与该前侧面相对的后侧面为出光面；沿垂直于出光面的方向，耦合段的宽度递减。通过本方案，可以使激光器发出的光信号经第一波导泄露到第二波导中，将激光器中的模场转换为波导中的模场，从而扩大了模场，实现激光器与波导模场的匹配，可有效减少由因模式失配引起的耦合损耗，提高耦合效率。因此，能够将激光器发出的光信号低损耗地耦合到PLC等硅基光集成电路中，提高光子集成系统的性能。

在一些实施例中，第一波导21的数量为一个，传输段211平行于衬底1表面和第一侧表面的方向的尺寸为传输段211的宽度，传输段211的宽度W₁＝1μm～4μm。例如，传输段211的宽度W₁可以为2μm。

在一些实施例中，如图6和图8所示，为了提高耦合效率，第一波导21的数量为多个，多个第一波导21间隔排布。

在一些实施例中，如图7所示，多个第一波导21的尺寸相同，传输段211平行于衬底1表面和第一侧表面的方向的尺寸为传输段211的宽度，传输段211的宽度W₁＝0.3μm～0.6μm；

相邻第一波导21之间的间距Sep＝1-1.5*W₁。

对于本公开实施例提供的波导耦合结构的第一波导而言，如果耦合段的大端面的宽度(如2μm)较大，那么耦合段的大端面的宽度递减到小端面宽度(如0.1μm)时，为了避免耦合段的宽度尺寸变化幅度过大，需要增大耦合段的长度，以缓冲有效折射率的剧烈变化。但是为了满足器件小型化的需求，耦合段的长度不能无限增大。基于这种考虑，本公开实施例中，将第一波导的数量设置为多个，例如3个、4个、5个等；多个第一波导的耦合段大端面的宽度较小。每个小尺寸的第一波导的最大宽度相比于原来仅一个第一波导的耦合段的最大宽度显著减小。例如，采用三个耦合段的最大宽度较小的第一波导，则该每个第一波导耦合段的耦合段大端面的宽度可以仅为0.3μm～0.6μm。相比于原来2μm递减到0.1μm，该每个第一波导耦合段的大端面的宽度变化幅度较小，因此有效折射率能够实现缓慢变化，则耦合段长度可以适当减小，从而在减小损耗，满足耦合效率的前提下，也可以有效满足器件小型化的需求。

在一些实施例中，如图2至图4所示，耦合段212垂直于第一侧表面的方向的尺寸为耦合段212的长度；耦合段212垂直于衬底1表面的方向的尺寸为耦合段212的高度；耦合段212的长度L₁＝300μm～400μm，耦合段212的小端面的宽度W_tip＝0.08μm～0.12μm；

传输段211的长度和高度的方向与耦合段212的长度和高度的方向一致；传输段211的长度L_in＝200μm～400μm，高度H₁＝1μm～4μm；

第二波导22的长度、宽度和高度的方向与耦合段212的长度、宽度和高度的方向一致；第二波导22的长度L₂＝400～800μm，宽度W₂＝4μm～5μm，高度H₂＝4μm～5μm。

本公开实施例提供的波导耦合结构，第一波导耦合段的长度L₁与耦合效率密切相关。如图10所示，当第一波导耦合段大端面和小端面的尺寸确定时，如果间隔50μm，将第一波导耦合段的长度L₁从500μm减小到200μm，耦合效率不断降低。分析可知，耦合段的长度越小，其截面面积减小的程度越快，则有效折射率剧烈变化，从而大端面和小端面两侧与第二波导产生的折射率差急剧减小，导致耦合效率迅速减小。考虑到同时满足高性能和小尺寸的要求，第一波导耦合段长度L₁的取值范围为300μm～400μm。

在一些实施例中，如图12所示，第一波导21还可以包括过渡段213；

过渡段213位于耦合段212靠近出光面的一端，向出光面延伸；过渡段213的截面形状、尺寸与小端面的形状、尺寸相同。

第一波导在原有传输段和耦合段基础上增加了过渡段结构，该过渡段使第一波导耦合至第二波导的光的有效折射率进一步缓慢变化，可以使耦合效率显著提升。通过对比图11和图13可以看出，设有过渡段213的波导耦合结构耦合效率更高，特别在耦合段212长度L₁＝350μm～400μm时，耦合效率明显提高。

在一些实施例中，过渡段213垂直于第一侧表面的方向的尺寸为过渡段213的长度；过渡段213的长度L_out＝50μm～100μm。

在一些实施例中，第一波导21的折射率为1.44～2.00。

在一些实施例中，第一波导21的材料包括Si₃N₄和SiON中的至少一种；第二波导22的材料包括SiO₂。

Si₃N₄是一种具有适中折射率差的材料，其优点体现为氮化硅光波导在通信波长范围内几乎不会存在自由载流子吸收。SiON具有良好的稳定性、高透明度和可调节的折射率等特性。此外，衬底可以采用硅片；包层的材料可以为SiO₂。

本公开实施例提供的波导耦合结构，包层可以采用折射率n≈1.44为SiO₂，第一波导可以采用折射率n≈2的Si₃N₄，或者折射率n≈1.44～2.00的SiON。相比于现有折射率n≈3.48的绝缘体上硅SOI(Silicon-on-insulator)波导，本公开实施例提供的波导耦合结构具有较小的芯包层折射率差，从而可以减少因侧壁粗糙导致的散射损耗，进而提高耦合效率。并且，相比于折射率n≈1.46的二氧化硅波导，由于波导耦合结构具有较大的芯包层折射率差，数值孔径NA(Numerical Aperture)较高，具有较强的收光能力，相当于激光器发出的光进入了收光更强的进光口。因此，采用材料为Si₃N₄或SiON的第一波导，以及材料为SiO₂的第二波导，可以达到改善耦合效率的目的。

在一些实施例中，如图2和图7所示，耦合段212在衬底1上的正投影为梯形。

此外，耦合段212除采用两个侧面为平面，从而呈现为投影为梯形的梯形体结构外，也可以采用将梯形体结构的两侧平面设置成曲面的其他类似结构。

本公开实施例还提供一种光子集成系统，包括激光器、硅基光芯片和上述的波导耦合结构；

激光器用于发出光信号；

硅基光芯片的输入端设有用于接收光信号的波导；

波导耦合结构位于激光器和硅基光芯片之间，实现激光器和波导的耦合。

其中，激光器可以采用单模激光器。单模激光器可以包括法布里-珀罗激光器(Fabry-Perot,简写为FP)、分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser,简写为DFB)、电吸收调制激光器(Electlro-absorption Modulated Laser,简写为EML)、基于半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier,简写为SOA)。此外，对应于单模激光器，上述波导也可以采用单模波导。

本公开实施例提供的光子集成系统，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。如多波长激光器阵列，热光开关阵列，光外差接收机和光发射机等。

以上仅为本公开的较佳实施例而已，并非用于限定本公开的保护范围。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本公开的保护范围内。

Claims (7)

1.一种波导耦合结构，其特征在于，包括：

衬底(1)；

设于所述衬底(1)一侧且呈长方体状的包层(2)，包括垂直于所述衬底(1)且相对的第一侧表面和第二侧表面；

设于所述包层(2)内且呈长方体状的第二波导(22)，包括与所述第一侧表面相对的前表面和与所述第二侧表面平齐的后表面，所述后表面作为波导耦合结构的出光面；

设于所述包层(2)内且在平行于所述衬底(1)的平面内排列的至少一个第一波导(21)；每个所述第一波导(21)包括沿垂直于所述第一侧表面方向设置的传输段(211)和耦合段(212)；其中，所述传输段(211)位于第二波导(22)外且呈长方体状，所述传输段(211)远离所述耦合段(212)的端面与所述第一侧表面平齐并作为波导耦合结构的入光面；所述耦合段(212)从所述第一侧面伸入所述第二波导(22)内；所述耦合段(212)平行于所述衬底(1)表面和所述第一侧表面的方向的尺寸为所述耦合段(212)的宽度；沿垂直于所述第一侧表面方向，从所述入光面至所述出光面，所述耦合段(212)的宽度递减；所述耦合段(212)大端面和小端面的形状均为矩形，所述大端面与所述传输段(211)横截面的尺寸大小相同；

所述包层(2)、所述第二波导(22)和所述第一波导(21)的折射率依次增大；

所述第一波导(21)的数量为多个，多个所述第一波导(21)间隔排布；

多个所述第一波导(21)的尺寸相同，所述传输段(211)平行于所述衬底(1)表面和所述第一侧表面的方向的尺寸为所述传输段(211)的宽度，所述传输段(211)的宽度W₁＝0.3μm～0.6μm；

相邻所述第一波导(21)之间的间距Sep＝1-1.5*W₁。

2.根据权利要求1所述的波导耦合结构，其特征在于，所述耦合段(212)垂直于所述第一侧表面的方向的尺寸为所述耦合段(212)的长度；所述耦合段(212)垂直于所述衬底(1)表面的方向的尺寸为所述耦合段(212)的高度；所述耦合段(212)的长度L₁＝300μm～400μm，所述耦合段(212)的小端面的宽度W_tip＝0.08μm～0.12μm；

所述传输段(211)的长度和高度的方向与所述耦合段(212)的长度和高度的方向一致；所述传输段(211)的长度L_in＝200μm～400μm，高度H₁＝1μm～4μm；

所述第二波导(22)的长度、宽度和高度的方向与所述耦合段(212)的长度、宽度和高度的方向一致；所述第二波导(22)的长度L₂＝400～800μm，宽度W₂＝4μm～5μm，高度H₂＝4μm～5μm。

3.根据权利要求1所述的波导耦合结构，其特征在于，所述第一波导(21)还包括过渡段(213)；

所述过渡段(213)位于所述耦合段(212)靠近所述出光面的一端，向所述出光面延伸；所述过渡段(213)的截面形状、尺寸与所述小端面的形状、尺寸相同。

4.根据权利要求3所述的波导耦合结构，其特征在于，所述过渡段(213)垂直于所述第一侧表面的方向的尺寸为所述过渡段(213)的长度；所述过渡段(213)的长度L_out＝50μm～100μm。

5.根据权利要求1所述的波导耦合结构，其特征在于，所述第一波导(21)的折射率为1.44～2.00。

6.根据权利要求5所述的波导耦合结构，其特征在于，所述第一波导(21)的材料包括Si₃N₄和SiON中的至少一种；所述第二波导(22)的材料包括SiO₂。

7.一种光子集成系统，其特征在于，包括激光器、硅基光芯片和权利要求1至6任一所述的波导耦合结构；

所述激光器用于发出光信号；

所述硅基光芯片的输入端设有用于接收所述光信号的波导；

所述波导耦合结构位于所述激光器和硅基光芯片之间，实现所述激光器和所述波导的耦合。

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