CN113359234B - 一种模斑变换器及硅光集成芯片 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种模斑变换器及硅光集成芯片，该模斑变换器具有与外部光纤光耦合的第一端面和与外部光器件光耦合的第二端面，包括第一光波导和第二光波导；其中第一光波导包括第一楔形结构和第二楔形结构，第一楔形结构和第二楔形结构朝向相背的方向；第二光波导包括第三楔形结构，第三楔形结构的尖端朝向第一楔形结构，且与第二楔形结构至少部分重叠。本申请通过设计特殊的波导耦合结构提高模斑变换器与外部光纤的模式匹配度，减小模斑变换器内两个光波导之间的偏振相关损耗，提高硅光集成芯片内光波导的热稳定性，从而降低硅光集成芯片内的光传输损耗。

Description

一种模斑变换器及硅光集成芯片

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种模斑变换器及硅光集成芯片。

背景技术

硅光芯片是实现光互连的关键技术，能够有效降低光通信中模块的成本。但是在光纤与硅光芯片的耦合处，典型单模硅波导的尺寸为420nm×220nm，而单模光纤的尺寸在9μm左右，二者直接耦合的耦合效率太低，需要有特殊的器件实现两者之间的高效耦合。目前通用的耦合方案有光栅耦合器的垂直耦合方式和模斑变换器(Spot Size Converter，SSC)的水平耦合方式。光栅耦合器是通过在硅波导上制作光栅结构，当光从光纤入射到光栅耦合器表面时，通过布拉格衍射效应实现与芯片上方摆放的光纤进行有效的耦合。这种方式可以提高光纤与耦合器的对准容差，但耦合效率较低且对波长敏感，不利于封装，多被用来测试芯片。所以在产品中多采用模斑变换器进行水平耦合，耦合效率高。

为了提高模斑变换器与单模光纤的模式匹配度，已有文献提出了多种不同结构的模斑变换器，其中与单模光纤具有较好模式匹配的结构，如图1所示的双层阶梯结构的模斑变换器，包括不同厚度的两个芯层：第一芯层10’和第二芯层20’，第一芯层10’包括第一楔形结构11’和第一线性结构12’，第二芯层20’包括第二楔形结构21’和第二线性结构22’，第二楔形结构21’与第一线性结构12’形成阶梯楔形结构。第一芯层10’的厚度比较薄，其第一楔形结构11’的尖端与外部光纤耦合，在第一楔形结构11’的尖端处的光场分布与光纤中的光场分布具有更好的重合度、更高的耦合效率。第一楔形结构11’横向展宽到第一线性结构12’处，第二芯层20’的厚度需要与外部硅光器件的顶层硅的厚度一致，比第一芯层10’厚，通过第二楔形结构21’与第一线性结构12’耦合实现光模式从第一芯层10’到第二芯层20’的变换。但是楔形结构的尖端受半导体加工工艺的限制，尺寸很难做到无限小，容易引入偏振相关损耗，即光从较薄厚度的波导向正常厚度波导渐变过程中，水平偏振模式(TE模)光损耗较小，垂直偏振的模式(TM模)光损耗较大，整体的模斑变换器具有较大的偏振相关损耗。上述模斑变换器的第一楔形结构和第二楔形结构的尖端横截面宽度都为100nm时，从第一芯层耦合到第二芯层时的偏振相关损耗如图2所示，对于TE模，该楔形结构的损耗较小，但是对于TM模，楔形结构的损耗较大，引入了较大的偏振相关损耗。

发明内容

本申请的目的在于提供一种模斑变换器及硅光集成芯片，具有极小的偏振相关损耗、更高的耦合效率和更好的热稳定性。

为了实现上述目的之一，本申请提供了一种模斑变换器，具有与外部光纤光耦合的第一端面和与外部光器件光耦合的第二端面，其特征在于，所述模斑变换器包括：

第一光波导，包括第一楔形结构和第二楔形结构，所述第一楔形结构的尖端临近所述第一端面，所述第二楔形结构的尖端朝向与所述第一楔形结构的尖端相背的方向；

第二光波导，包括第三楔形结构，所述第三楔形结构与所述第二楔形结构至少部分重叠以将所述第二楔形结构中的光模式绝热地耦合到所述第三楔形结构中；所述第三楔形结构的尖端朝向所述第一楔形结构。

作为实施方式的进一步改进，所述模斑变换器还包括衬底和设于所述衬底上的下包层，所述第一光波导和第二光波导设于所述下包层上。

作为实施方式的进一步改进，所述第一光波导和第二光波导之间还设有中间包层，所述中间包层的折射率小于所述第一光波导和第二光波导的折射率。

作为实施方式的进一步改进，所述中间包层的厚度小于或等于3微米。

作为实施方式的进一步改进，所述第一端面在所述第一光波导下方临近所述下包层的衬底处设有挖空部。

作为实施方式的进一步改进，所述第一光波导为硅波导，所述第二光波导为氮化硅波导，所述硅波导位于所述下包层上方，所述氮化硅波导位于所述硅波导上方。

作为实施方式的进一步改进，所述第一光波导的厚度小于或等于所述第二光波导的厚度。

作为实施方式的进一步改进，所述第一光波导的厚度在60～200nm范围内，所述第二光波导的厚度在200～800nm的范围内。

作为实施方式的进一步改进，所述第一楔形结构的尖端横截面的宽度小于或等于200nm；所述第三楔形结构的尖端横截面的宽度在100nm～300nm范围内。

作为实施方式的进一步改进，所述第二光波导还包括边耦合结构，所述边耦合结构一端与所述第三楔形结构的尖端连接，另一端偏离所述第二光波导的中心轴线向所述第一光波导的边缘延伸以将所述第一光波导中的光模式绝热地耦合到所述第二光波导中。

作为实施方式的进一步改进，所述边耦合结构远离所述第三楔形结构的一端的横截面宽度小于或等于200nm。

作为实施方式的进一步改进，所述边耦合结构远离所述第三楔形结构的一端延伸出所述第一光波导边缘。

作为实施方式的进一步改进，所述第二光波导还包括线性结构，所述线性结构设于所述第三楔形结构与所述第二端面之间。

本申请还提供了一种硅光集成芯片，包括衬底、下包层、顶层硅、氮化硅层和上包层；所述顶层硅上设有光有源器件，所述氮化硅层设有氮化硅光波导；

所述硅光集成芯片上临近所述硅光集成芯片与外部光纤的耦合端面设有上述任一实施例的模斑变换器；

所述外部光纤输出的光信号经所述模斑变换器的第一光波导耦合到所述第二光波导并传输到所述氮化硅光波导内，经所述氮化硅光波导耦合到所述顶层硅上的光有源器件内。

本申请的有益效果：通过设计特殊的波导耦合结构提高模斑变换器与外部光纤的模式匹配度，减小模斑变换器内两个光波导之间的偏振相关损耗，提高硅光集成芯片内光波导的热稳定性，从而降低硅光集成芯片内的光传输损耗。

附图说明

图1为现有技术的模斑变换器结构及截面示意图；

图2为图1中模斑变换器的模式变换耦合的偏振相关损耗示意图；

图3为本申请实施例1的模斑变换器结构及截面示意图；

图4为图3中模斑变换器沿中心轴的纵截面示意图；

图5为本申请实施例2的模斑变换器结构及截面示意图；

图6为图5中模斑变换器的模式变换耦合的偏振相关损耗示意图；

图7为本申请实施例3的模斑变换器纵截面及端面示意图；

图8为本申请实施例4的硅光集成芯片部分示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。

在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。

另外，本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。当元件或层被称为在另一部件或层“上”、与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。

实施例1

如图3和4，该实施例提供了一种模斑变换器，具有与外部光纤光耦合的第一端面a和与外部光器件光耦合的第二端面b，该模斑变换器包括第一光波导10和第二光波导20，第一光波导10的厚度小于第二光波导20的厚度。其中，第一光波导10包括第一楔形结构11和第二楔形结构12，该第一楔形结构11的尖端临近上述第一端面a，第二楔形结构12的尖端朝向与第一楔形结构11的尖端相背的方向。这里，该第一楔形结构11的尖端临近上述第一端面a，指的是第一楔形结构的尖端与其较大的一端相比更靠近第一端面a，下文中的“临近”同样指的更靠近、更接近的意思，不再赘述。该实施例中，第一楔形结构11和第二楔形结构12之间还设有一段线性结构，通过中间的线性结构连接第一楔形结构11和第二楔形结构12，在其它实施例中，第一楔形结构11和第二楔形结构12也可以直接相互连接。第二光波导20包括第三楔形结构21，该第三楔形结构21的尖端临近上述第一楔形结构11。第三楔形结构21与第一光波导10的第二楔形结构12至少部分重叠以将第二楔形结构12中的光模式绝热地耦合到第三楔形结构21中。这里，第二楔形结构12中的光模式绝热地耦合到第三楔形结构21中，指的是通过设计合适的第二楔形结构12和第三楔形结构21的长度以及二者之间重叠的部分的长度，使光在二者之间耦合的过程中没有模式突变，模式变换近似满足绝热条件，无辐射损耗，模式失配引起的连接损耗较小。该实施例中，第二光波导20还包括一线性结构22，该线性结构22临近模斑变换器的第二端面b，设于第三楔形结构21与第二端面b之间，用于与外部光器件的波导光耦合。该线性结构22可根据使用需要设计成多模光波导或单模光波导。在其它实施例中，也可以不需要线性结构22，第三楔形结构21的较宽的一端临近模斑变换器的第二端面，直接与外部光器件的波导光耦合。

该实施例中，模斑变换器设在绝缘体上硅(Silicon on Insulator，SOI)上，该SOI包括衬底31和设于衬底31上的下包层32，第一光波导10和第二光波导20设于下包层32上。该实施例中，第一光波导10和第二光波导20之间还设有中间包层33，中间包层33的折射率小于第一光波导10和第二光波导20的折射率，中间包层33的厚度小于或等于3微米，使得光可以从第一光波导10逐渐耦合到第二光波导20中，或者从第二光波导20逐渐耦合到第一光波导10中。在第一光波导10和第二光波导20上面还可以设有上包层34。

这里，衬底31为硅，下包层32作为绝缘体层，采用的是二氧化硅，中间包层33和上包层34也都采用二氧化硅。第一光波导10为硅波导，第二光波导20为氮化硅波导，硅波导(第一光波导10)位于下包层32上方，氮化硅波导(第二光波导20)位于硅波导上方。第一光波导10的厚度在60～200nm范围内，是通过将常规的绝缘体上硅的顶层硅光刻削薄形成的薄硅光波导，其第一楔形结构11的尖端横截面的宽度小于或等于200nm，具有极小的尖端截面，从而使得该截面处的光模式分布到包层里，与外部耦合的光纤传输的光模式更加匹配，即该尖端处的光场分布与光纤中的光场分布具有更好的重合度和更高的耦合效率。而第二光波导20的厚度在200～800nm的范围内，与常规的氮化硅波导厚度一致，其第三楔形结构21的尖端横截面的宽度在100nm～300nm范围内。光在第一光波导10和第二光波导20之间耦合的时候由于光波导截面的不同，使得光的传输模式会有一个突变，从而引起损耗以及偏振相关损耗，所以该实施例在第一光波导10和第二光波导20的耦合处设计了特殊的结构来降低损耗及偏振相关损耗。该实施例中，通过设计第一光波导10的第二楔形结构12使第一光波导10与第二光波导20重叠的部分横向逐渐收窄，而第二光波导20的第三楔形结构21则横向逐渐展宽，从而将第一光波导10中传输的光场慢慢释放到第二光波导20中，使光在二者之间耦合的过程中没有模式突变，模式变换近似满足绝热条件，即TE偏振和TM偏振的光均能较好地耦合到第二光波导中，降低了偏振相关损耗，提高了耦合效率。

实施例2

如图5所示，与实施例1不同的是，该实施例中的模斑变换器的第二光波导20增加了边耦合结构23，该边耦合结构23一端与第三楔形结构21的尖端连接，另一端偏离第二光波导20的中心轴线向第一光波导10的边缘延伸以更好地将第一光波导10中的光模式绝热地耦合到第二光波导20中。

在实施例1的模斑变换器中，为了尽可能地降低第一光波导10和第二光波导20之间的偏振相关损耗，第二光波导20的第三楔形结构21的尖端尺寸需要做到尽量地小，但是受半导体加工工艺限制，该第三楔形结构21的尖端没办法做到无限小，所以为了更进一步地降低偏振相关损耗，提高耦合效率，该实施例的模斑变换器在第三楔形结构21的尖端处增加了上述边耦合结构23。该边耦合结构23远离第三楔形结构21的一端延伸出第一光波导10边缘，该端面与第一光波导10的边缘之间的间距需要足够大，以足以阻止第一光波导10内传输的光从该端面进入边耦合结构23为宜。该实施例中，边耦合结构23远离第三楔形结构21的一端的横截面宽度小于或等于200nm。

如图5所示，这里以如下尺寸结构进行仿真测试，第一光波导10的厚度H1为110nm，第二光波导20的厚度H2为400nm，第一光波导10和第二光波导20之间的中间包层的厚度H3为190nm。E处边耦合结构的端面宽度D1为100nm，该E处边耦合结构23与第一光波导10的中心间距D5为2μm，B处第二光波导20第三楔形结构21的尖端宽度D2为100nm，BE段的长度为40μm；C处第一光波导10第二楔形结构12的尖端宽度D4为100nm，第二光波导20的线性结构22宽度D3为800nm，BC段的长度为40μm。该结构的模斑变换器中，光在第一光波导10和第二光波导20之间耦合的偏振相关损耗如图6所示，在1310nm波长处，TE偏振模的损耗不到0.05dB，TM偏振模的损耗不到0.25dB，与现有技术中的双层阶梯结构的模斑变换器的TM偏振模具有2dB多的损耗相比，偏振相关损耗降低了87.5％以上，大大提高了耦合效率。

实施例3

如图7所示，与实施例1和2不同的是，该实施例中的模斑变换器的第一端面a在第一光波导10下方临近下包层32的衬底31处设有挖空部40，例如可以采用湿法刻蚀工艺在衬底31的端面a刻蚀出挖空部40，以将光束缚在上包层34、下包层32和第一光波导10内，避免从外部光纤耦合到第一光波导10的光进入衬底31从衬底辐射损耗掉，从而进一步提高了外部光纤与模斑转换器之间的耦合效率。

实施例4

如图8所示，该实施例提供了一种硅光集成芯片，该硅光集成芯片包括衬底31、下包层32、顶层硅、氮化硅层和上包层34。其中，顶层硅上设有光有源器件60，如光探测器等，氮化硅层设有氮化硅光波导50。图中仅示意了硅光集成芯片的其中一部分，简单表示出了一个氮化硅光波导50的剖面示意图，硅光集成芯片上的氮化硅层可以根据实际使用需要设计若干氮化硅光波导、波分复用器或耦合器等光无源器件。在该硅光集成芯片与外部光纤70耦合的端面临近处设有上述实施例1-3任一实施例的模斑变换器，模斑变换器的第二光波导20的厚度与氮化硅层的厚度一致，与该硅光集成芯片的氮化硅光波导50连接。临近外部光纤处的顶层硅通过减薄处理做成薄硅波导(第一光波导10)，与外部光纤70的光场具有更好的匹配度。外部光纤70输出的光信号经模斑变换器的第一光波导10耦合到第二光波导20并传输到氮化硅光波导50内，经氮化硅光波导50耦合到顶层硅上的光有源器件60内。

当然，因为光路的可逆性，在其它实施例中，光有源器件60也可以是光调制器，输出调制的光信号经氮化硅光波导50传输到模斑变换器的第二光波导20，经第二光波导20耦合到第一光波导10之后，从第一光波导10耦合到外部光纤70内，由外部光纤70输出光信号。

该实施例中的硅光集成芯片采用氮化硅作为光波导进行光传输，具有更好的热稳定性和更低的传输损耗，而且采用上述任一实施例中的模斑变换器与外部光纤进行耦合，与光纤具有更高的模式匹配度和耦合效率，同时具有更低的偏振相关损耗。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种模斑变换器，设于绝缘体上硅(SOI)结构上，所述绝缘体上硅包括层叠的衬底层、下包层和顶层硅；所述模斑变换器具有与外部光纤光耦合的第一端面和与外部光器件光耦合的第二端面，其特征在于，所述模斑变换器包括：

第一光波导，包括第一楔形结构和第二楔形结构，所述第一楔形结构的尖端临近所述第一端面以与外部光纤光耦合，所述第二楔形结构的尖端朝向与所述第一楔形结构的尖端相背的方向；所述第一光波导为薄硅光波导，所述薄硅光波导的厚度在60～200nm范围内；

第二光波导，包括第三楔形结构，所述第三楔形结构与所述第二楔形结构至少部分重叠以将所述第二楔形结构中的光模式绝热地耦合到所述第三楔形结构中；所述第三楔形结构的尖端朝向所述第一楔形结构；所述第二光波导为氮化硅波导，所述氮化硅波导的厚度在200～800nm的范围内。

2.根据权利要求1所述的模斑变换器，其特征在于：所述第一光波导和第二光波导设于所述下包层上。

3.根据权利要求2所述的模斑变换器，其特征在于：所述第一光波导和第二光波导之间还设有中间包层，所述中间包层的折射率小于所述第一光波导和第二光波导的折射率。

4.根据权利要求3所述的模斑变换器，其特征在于：所述中间包层的厚度小于或等于3微米。

5.根据权利要求2所述的模斑变换器，其特征在于：所述第一端面在所述第一光波导下方临近所述下包层的衬底处设有挖空部。

6.根据权利要求2所述的模斑变换器，其特征在于：所述第二光波导位于所述顶层硅上方。

7.根据权利要求6所述的模斑变换器，其特征在于：所述第一楔形结构的尖端横截面的宽度小于或等于200nm；所述第三楔形结构的尖端横截面的宽度在100nm～300nm范围内。

8.根据权利要求1-7任一项所述的模斑变换器，其特征在于：所述第二光波导还包括边耦合结构，所述边耦合结构一端与所述第三楔形结构的尖端连接，另一端偏离所述第二光波导的中心轴线向所述第一光波导的边缘延伸以将所述第一光波导中的光模式绝热地耦合到所述第二光波导中。

9.根据权利要求8所述的模斑变换器，其特征在于：所述边耦合结构远离所述第三楔形结构的一端的横截面宽度小于或等于200nm。

10.根据权利要求8所述的模斑变换器，其特征在于：所述边耦合结构远离所述第三楔形结构的一端延伸出所述第一光波导边缘。

11.根据权利要求1-7任一项所述的模斑变换器，其特征在于：所述第二光波导还包括线性结构，所述线性结构设于所述第三楔形结构与所述第二端面之间。

12.一种硅光集成芯片，其特征在于：

所述硅光集成芯片包括衬底、下包层、顶层硅、氮化硅层和上包层；

所述顶层硅上设有光有源器件，所述氮化硅层设有氮化硅光波导；

所述硅光集成芯片上临近所述硅光集成芯片与外部光纤的耦合端面设有如权利要求1-11任一项所述的模斑变换器；

所述外部光纤输出的光信号经所述模斑变换器的第一光波导耦合到所述第二光波导并传输到所述氮化硅光波导内，经所述氮化硅光波导耦合到所述顶层硅上的光有源器件内。

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