CN113552668A - 一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，能够在硅基光芯片上实现高光功率输入，并多路输出，包括：端面耦合单元、第一连接单元、功率分束单元、第二连接单元、转换单元、第三连接单元。相比硅基端面耦合器，本发明能够承受更高的输入光功率；与现有的硅基半导体制作工艺兼容，易于低成本的制作和大规模生产；降低光纤与硅基光波导间的损耗；转换单元能够实现与硅基器件的耦合，且耦合损耗非常低，易于实现与硅光芯片大规模集成。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成技术领域，尤其涉及一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构。
背景技术
对于硅光子集成的商业化应用，其中关键的挑战之一是实现光纤与硅光芯片的低损耗光耦合，特别是标准单模光纤，即SMF-28与硅光芯片的光耦合。目前为止，基于硅基的各种端面耦合器被提出，单个端面的耦合损耗能做到2～3dB，但与单模光纤耦合时，其仍旧面临吸收损耗较大的问题。
除此之外，硅材料具有较强的二阶非线性吸收系数，包括双光子吸收(TPA，Two-photonabsorption)和TPA导致的自由载流子吸收(FCA，free-carrier absorption)。当耦合的光功率较大时，硅波导会产生较大的非线性损耗，导致透过率下降；进一步增大耦合光功率，甚至导致硅波导不可逆的损坏。一般来说，硅基端面耦合器可承受的光功率较低，一般可承受光功率<19dbm，80mW，对于需要高输入光功率的硅基集成芯片的应用场景，譬如激光雷达，以往基于硅基端面耦合器的端面耦合方案就不再适用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
在一些可选的实施例中，提供一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，包括：端面耦合单元，用于接收自光纤输出的高光功率，并进行模斑转换；功率分束单元，用于将自身接收的光分束为若干份；转换单元，用于将光信号从氮化硅波导转换到硅波导；且所述端面耦合单元与所述功率分束单元的波导由氮化硅形成。
进一步的，所述端面耦合单元的波导形状为倒锥形、三叉戟型或者亚波长光栅型。
进一步的，所述转换单元包括：氮化硅波导和硅波导，且结构采用基于垂直结构的耦合方式，所述氮化硅波导和所述硅波导均为锥形结构波导，且在垂直方向上有一定的间隔，随着所述氮化硅波导锥形结构逐渐变窄的同时，所述硅波导锥形结构逐渐变宽。
进一步的，所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，还包括：第一连接单元，用于将所述端面耦合单元耦合的光信号传输至所述功率分束单元。
进一步的，所述第一连接单元的波导由氮化硅形成。
进一步的，所述功率分束单元将所述第一连接单元传输的光分成N份，其中1≤N≤50。
进一步的，所述功率分束单元的波导结构为多模干涉结构、定向耦合结构或者Y分支结构。
进一步的，所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，还包括：第二连接单元，用于将光信号从所述功率分束单元传输至所述转换单元。
进一步的，所述第二连接单元的波导由氮化硅形成。
进一步的，所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，还包括：第三连接单元，用于将自所述转换单元输出的光信号传输至后续的硅基光器件，所述第三连接单元的波导由硅形成。
本发明所带来的有益效果：
1.相比硅基端面耦合器，本发明能够承受更高的输入光功率，具体的，可承受的输入光功率>30dbm，1000mW，同时能够实现多路光源输出，减少输入的光源个数；
2.与现有的硅基半导体制作工艺兼容，易于低成本的制作和大规模生产；
3.相比硅，氮化硅材料热光系数小，端面耦合单元更能实现对温度不敏感的制备要求；
4.降低光纤与硅基光波导间的损耗；
5.转换单元能够实现与硅基器件的耦合，且耦合损耗非常低，易于实现与硅光芯片大规模集成。
附图说明
图1是本发明一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构的示意图；
图2是硅基倒锥形波导的损耗随输入光功率的变化图；
图3是采用倒锥形波导的端面耦合单元的俯视图；
图4是采用倒锥形波导的端面耦合单元的侧视图；
图5是采用三叉戟型波导的端面耦合单元的俯视图；
图6是采用三叉戟型波导的端面耦合单元的侧视图；
图7是采用亚波长光栅型波导的端面耦合单元的俯视图；
图8是采用亚波长光栅型波导的端面耦合单元的侧视图；
图9是基于垂直结构耦合的转换单元俯视图；
图10是基于垂直结构耦合的转换单元侧视图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
如图1-10所示，在一些说明性的实施例中，提供一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，能够在硅基光芯片上实现高光功率输入，并多路输出，包括：端面耦合单元10、第一连接单元40、功率分束单元20、第二连接单元50、转换单元30、第三连接单元60。
端面耦合单元10，用于接收从光纤001输出的高光功率，并进行模斑转换，将经模斑转换的光传输至第一连接单元40。从光纤001输出的光源首先进入端面耦合单元10，实现输入光信号的高效率耦合。
端面耦合单元10、第一连接单元40、功率分束单元20、第二连接单元50的波导由氮化硅形成。
如图2所示，可以看到，随着输入光功率的增大，硅基波导的损耗会增大，即随着input的增大，额外插损增大。并且当光功率大于20dBm，光源会对波导造成不可逆的损坏。损耗增大的主要原因是硅在通信波段具有较强的非线性吸收，而相比硅波导，氮化硅波导在通信波段的非线性吸收系数几乎为零。因而随着入射光功率的增大，氮化硅波导的损耗几乎不会增大。相比硅材料，氮化硅材料可支持更高的光功率。同时，氮化硅的工艺与现有的硅基半导体工艺兼容，具有可操作性和低成本性。
如图3-8所示，端面耦合单元10的波导形状为倒锥形、三叉戟型或者亚波长光栅型。
端面耦合单元10的波导尺寸与光纤001模斑尺寸的大小相匹配，从而实现低损耗的端面耦合。如图3和4所示，端面耦合单元10的倒锥形波导11完成光纤001到硅基光芯片高光功率的耦合，实现模斑转换。可设计倒锥形波导11尖端的宽度，匹配光纤001的模斑尺寸，实现低损耗的端面耦合。
第一连接单元40，用于将端面耦合单元10耦合的光信号传输至功率分束单元20。
功率分束单元20，用于将自身接收的光分束为若干份，即用于将第一连接单元40传输的光分成N份，实现高光功率1×N的分束，其中1≤N≤50，是根据通常使用的光分路器的通道数做的限制。功率分束单元20的波导结构为多模干涉结构、定向耦合结构或者Y分支结构。功率分束单元20能够将输入的高光功率分为多路，实现多路输出，且每一路的光功率满足后续硅基光器件的传输需求。对于需要减少光源且要实现多路输出的应用场景很有意义。例如，400Gb/s以及更高速率的数据中心硅光器件，通常采用激光器阵列或者多个光源与硅光芯片的混合集成，以满足多通道并行的需求。但如果采用本发明的端面耦合方式，一个高功率光源可分为多路输出，满足多通道并行，减少光源个数，简化封装，提高可靠性。
第二连接单元50，用于将光信号从功率分束单元20传输至转换单元30。
转换单元30，用于将光信号从氮化硅波导转换到硅波导。
转换单元30包括：氮化硅波导31和硅波导32，如图9和10所示，结构采用基于垂直结构的耦合方式，氮化硅波导31和硅波导32均为锥形结构波导，且在垂直方向上有一定的间隔，随着氮化硅波导31锥形结构逐渐变窄的同时，硅波导32锥形结构逐渐变宽，实现将光从氮化硅波导31转换到硅波导32中，通过设计结构参数，可实现超低损耗的转换。除此之外，本发明利用耐高功率的氮化硅材料实现高功率光源的引入，即在Si基上实现高功率输入，而后对光信号分束，降低光功率到硅波导能承受的功率，后续耦合到硅波导中，所以本发明采用具备氮化硅波导31和硅波导32的转换单元30。
第三连接单元60，用于将自转换单元30输出的光信号传输至后续的硅基光器件，从而实现硅光芯片的高输入光功率的高效的端面耦合。第三连接单元60的波导由硅形成。
本发明的端面耦合单元10波导使用氮化硅材料，利用氮化硅材料非线性吸收系数小的特点，相比硅基端面耦合器，能承受更高的输入光功率，输入光功率>30dbm，1000mW，并且能实现多路光源输出，减少输入的光源个数；氮化硅材料与现有的硅基半导体制作工艺兼容，易于低成本的制作和大规模生产；相比硅，氮化硅材料热光系数小，端面耦合单元10更能实现温度不敏感；相比硅，氮化硅有更低的传输损耗，可以降低光纤与硅基光波导间的损耗；转换单元能实现与硅基器件的耦合，且耦合损耗超低，易于实现与硅光芯片大规模集成。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
Claims (10)
1.一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，其特征在于，包括：
端面耦合单元，用于接收自光纤输出的高光功率，并进行模斑转换；
功率分束单元，用于将自身接收的光分束为若干份；
转换单元，用于将光信号从氮化硅波导转换到硅波导；
且所述端面耦合单元与所述功率分束单元的波导由氮化硅形成。
2.根据权利要求1所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，其特征在于，所述端面耦合单元的波导形状为倒锥形、三叉戟型或者亚波长光栅型。
3.根据权利要求1所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，其特征在于，所述转换单元包括：氮化硅波导和硅波导，且结构采用基于垂直结构的耦合方式，所述氮化硅波导和所述硅波导均为锥形结构波导，且在垂直方向上有一定的间隔，随着所述氮化硅波导锥形结构逐渐变窄的同时，所述硅波导锥形结构逐渐变宽。
4.根据权利要求3所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，其特征在于，还包括：第一连接单元，用于将所述端面耦合单元耦合的光信号传输至所述功率分束单元。
5.根据权利要求4所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，其特征在于，所述第一连接单元的波导由氮化硅形成。
6.根据权利要求5所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，其特征在于，所述功率分束单元将所述第一连接单元传输的光分成N份，其中1≤N≤50。
7.根据权利要求6所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，其特征在于，所述功率分束单元的波导结构为多模干涉结构、定向耦合结构或者Y分支结构。
8.根据权利要求7所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，其特征在于，还包括：第二连接单元，用于将光信号从所述功率分束单元传输至所述转换单元。
9.根据权利要求8所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，其特征在于，所述第二连接单元的波导由氮化硅形成。
10.根据权利要求9所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，其特征在于，还包括：第三连接单元，用于将自所述转换单元输出的光信号传输至后续的硅基光器件，所述第三连接单元的波导由硅形成。
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| CN114488398A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-13 | Nano科技(北京)有限公司 | 一种冗余式硅基光电集成芯片 |
| CN114706164A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-07-05 | 深圳市速腾聚创科技有限公司 | 波导转换芯片及激光雷达 |
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