CN114153024A - 光学组件、光子集成芯片及其耦合结构 - Google Patents

光学组件、光子集成芯片及其耦合结构 Download PDF

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CN114153024A CN202010926151.5A CN202010926151A CN114153024A CN 114153024 A CN114153024 A CN 114153024A CN 202010926151 A CN202010926151 A CN 202010926151A CN 114153024 A CN114153024 A CN 114153024A
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Abstract

本申请公开了一种光学组件、光子集成芯片及其耦合结构，该耦合结构具有用于与外部单模光纤耦合的耦合端面，其包括基板、设于基板上的芯片波导和聚合物波导，该聚合物波导临近耦合端面；其中，聚合物波导包括相互连接的常规聚合物波导和第一反向楔形结构；该第一反向楔形结构的尖端位于耦合端面处；常规聚合物波导与芯片波导部分重叠，芯片波导和聚合物波导相光耦合。本申请的耦合结构采用了具有反向楔形结构的聚合物波导，聚合物波导与其包层的折射率差可采用较大的范围，增加了聚合物波导折射率的可选范围，降低了工艺要求，可缩小聚合物波导的尺寸、减小聚合物波导与单模光纤之间的耦合损耗。

Description

光学组件、光子集成芯片及其耦合结构
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光学组件、光子集成芯片及其耦合结构。
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。典型单模硅波导的尺寸为420nm×220nm，而单模光纤的尺寸9μm左右，在硅光芯片与单模光纤之间需要有特殊的器件实现两者之间的高效耦合。目前常用的耦合方案有光栅耦合器的垂直耦合和模斑变换器(spot size converter,SSC)的水平耦合。
中国专利《一种光斑转换器及光学装置》(申请号：201510516253.9)公开了一种光斑转换器，用于硅光芯片与单模光纤的耦合，包括与常规硅波导桥接的亚波长光栅，以及覆盖于亚波长光栅上的聚合物波导，聚合物波导设于硅光芯片的埋氧层上，包覆亚波长光栅未与埋氧层接触的所有表面，常规硅波导通过亚波长光栅与聚合物波导光耦合，聚合物波导再与单模光纤耦合。但是由于聚合物波导的端面处的模场直径远比普通单模光纤的模场直径小，所以该方案中采用的是透镜光纤，即除了该光斑转换器，还需要透镜光纤的透镜耦合才能提高硅光芯片与单模光纤之间的光斑匹配，从而提高耦合效率。而且，该方案的聚合物波导包覆亚波长光栅的上表面和两侧，工艺复杂；另外，聚合物波导外侧包层依然是二氧化硅，二者之间的折射率差不能太大的要求限制了聚合物波导的折射率可选范围。
发明内容
本申请的目的在于提供一种光学组件、光子集成芯片及其耦合结构，降低了工艺要求，而且无需透镜光纤，可直接耦合普通单模光纤，减小了聚合物波导与单模光纤之间的耦合损耗。
为了实现上述目的之一，本申请提供了一种光子集成芯片的耦合结构，具有用于与外部单模光纤耦合的耦合端面，其特征在于：所述耦合结构包括基板、设于所述基板上的芯片波导和聚合物波导，所述聚合物波导临近所述耦合端面；
所述聚合物波导包括相互连接的常规聚合物波导和第一反向楔形结构；所述第一反向楔形结构的尖端位于所述耦合端面处；所述常规聚合物波导与所述芯片波导部分重叠，所述芯片波导和所述聚合物波导光耦合。
作为实施方式的进一步改进，所述芯片波导包括第二反向楔形结构，所述第二反向楔形结构与所述常规聚合物波导至少部分重叠。
作为实施方式的进一步改进，所述芯片波导包括亚波长光栅波导，所述亚波长光栅波导与所述常规聚合物波导至少部分重叠。
作为实施方式的进一步改进，所述芯片波导还包括与所述亚波长光栅波导相连的反向楔形亚波长光栅波导，所述反向楔形亚波长光栅波导与所述常规聚合物波导重叠。
作为实施方式的进一步改进，所述芯片波导还包括第三反向楔形结构，所述常规亚波长光栅波导包覆所述第三反向楔形结构的两侧。
作为实施方式的进一步改进，所述芯片波导为单模光波导。
作为实施方式的进一步改进，所述第一反向楔形结构的尖端端面宽度在600nm～1500nm范围内。
作为实施方式的进一步改进，所述常规聚合物波导与所述芯片波导重叠部分的长度在200μm～2000μm范围内。
作为实施方式的进一步改进，所述基板为硅基板，所述耦合结构还包括位于所述芯片波导和所述硅基板之间的埋氧层，以及位于所述聚合物波导下方的聚合物基底；所述埋氧层上还设有覆盖所述芯片波导的包层，所述聚合物基底上还设有覆盖所述聚合物波导的聚合物包层；
所述芯片波导为硅波导或氮化硅波导。
作为实施方式的进一步改进，所述芯片波导与所述聚合物波导之间的包层厚度在0～200nm范围内。
作为实施方式的进一步改进，所述聚合物包层和聚合物基底的折射率与所述聚合物波导的折射率差在0.005～0.6范围内；
所述聚合物波导的折射率小于所述芯片波导的折射率。
本申请还提供了一种光子集成芯片，包括光有源器件和/或光无源器件，以及上述任一实施例所述的耦合结构，所述光有源器件和/或光无源器件光连接所述耦合结构的芯片波导。
本申请另外提供了一种光学组件，包括光子集成芯片和单模光纤，该光子集成芯片包括上述任一实施例所述的耦合结构，所述光子集成芯片通过所述耦合结构与所述单模光纤光耦合。
本申请的有益效果：本申请的耦合结构采用了具有反向楔形结构的聚合物波导，聚合物波导与其包层的折射率差可具有较大的范围，增加了聚合物波导折射率的可选范围，降低了工艺要求，可缩小聚合物波导的尺寸、减小聚合物波导与单模光纤之间的耦合损耗。
附图说明
图1为本申请实施例1中光子集成芯片包含耦合结构的局部及截面示意图；
图2为本申请实施例1中耦合结构沿波导长度方向的纵截面示意图；
图3为本申请实施例2中光子集成芯片包含耦合结构的局部及截面示意图；
图4为本申请实施例2中耦合结构沿波导长度方向的纵截面示意图；
图5为聚合物波导与芯片波导之间的耦合损耗随反向楔形亚波长光栅波导长度的变化仿真图；
图6为不同尖端端面宽度的第一反向楔形结构与单模光纤之间的耦合损耗仿真图；
图7为本申请光学组件示意图。
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。
采用光子集成芯片可有效降低光模块的成本，常用的光子集成芯片如硅光芯片，其单模硅波导的典型尺寸为420nm×220nm，而单模光纤的尺寸在9μm左右，本申请提供了一种光子集成芯片，具有特殊的耦合结构，可通过该耦合结构与单模光纤实现高效耦合。
实施例1
该实施例提供一种包含耦合结构的光子集成芯片，其耦合结构可用于光子集成芯片与外部单模光纤的耦合，如图1和2所示，其中，图1为光子集成芯片包含耦合结构的局部及截面示意图，其中为了清楚显示芯片波导和聚合物波导的位置关系，局部图上只显示了芯片波导和聚合物波导，省略了衬底和包层等结构。图2为耦合结构沿波导长度方向的纵截面示意图。该耦合结构200设于光子集成芯片100的边缘，具有用于与外部单模光纤耦合的耦合端面E。上述光子集成芯片100可以设有光有源器件和/或光无源器件(未在图中表示)，如光探测器、波分复用/解复用器、分光器和/或偏振分束器等，光有源器件和/或光无源器件连接上述耦合结构的芯片波导远离上述耦合端面的一端。
具体的，如图1和2所示，该实施例中，上述耦合结构200包括基板101，设于基板101上的芯片波导20和聚合物波导10，该聚合物波导10临近耦合结构200的耦合端面E。其中，聚合物波导10包括相互连接的常规聚合物波导12和第一反向楔形结构11，该第一反向楔形结构11的尖端位于上述耦合端面E处。常规聚合物波导12与芯片波导20部分重叠，实现芯片波导20和聚合物波导10之间的光耦合。这里，常规聚合物波导12指的是具有固定宽度和高度和一段长条形波导。该实施例以绝缘体上硅结构的硅光子集成芯片为例进行说明，上述芯片波导为硅波导，在其它实施例中，芯片波导也可以是氮化硅波导，光子集成芯片也可以是其它材料的集成芯片，如铌酸锂等，但不局限于硅光子集成芯片或铌酸锂材料的集成芯片。
该实施例中，以硅光子集成芯片为例，上述基板101为硅基板，上述耦合结构200还包括位于芯片波导20和硅基板之间的埋氧层102，以及位于聚合物波导10下方的聚合物基底105。埋氧层102上还设有覆盖芯片波导20的包层103，聚合物基底105上还设有覆盖聚合物波导10的聚合物包层104。这里，埋氧层102和包层103均采用二氧化硅，芯片波导20为单模硅波导。当然，在其它实施例中，包层也可以采用其它折射率低于芯片波导折射率的材料。上述聚合物基底105靠近芯片波导20的端面，聚合物波导10和聚合物包层104延伸至芯片波导20上，使聚合物波导10覆盖于芯片波导20上。芯片波导20与聚合物波导10之间的包层103厚度H在0～200nm范围内，以使芯片波导与聚合物波导之间实现倏逝波耦合。由于包层和波导均为聚合物，不受二氧化硅包层折射率的限制，所以聚合物波导的折射率具有较大的可选范围，降低了聚合物波导的工艺要求。而且硅波导(芯片波导)仍然包覆在二氧化硅包层中，制作过程中，只需减薄硅波导上方的二氧化硅包层，无需掏空硅波导两侧的二氧化硅包层，一方面保护了硅波导，避免露出硅波导致使裸露的硅波导被损坏，另一方面降低了工艺难度，也方便后续聚合物波导及封装等各种工艺的实施。
该实施例中，上述聚合物基底105、聚合物包层104和聚合物波导10采用的聚合物的折射率在1.5～2之间，聚合物包层104和聚合物基底105的折射率与聚合物波导10的折射率差在0.005～0.6范围内，可与单模光纤具有更好的耦合效率，同时较大的折射率差降低了聚合物波导的工艺难度。
上述覆盖于芯片波导20上的聚合物波导10为其常规聚合物波导12，其横截面宽度在2-7μm范围内。芯片波导20与常规聚合物波导12重叠的部分为一第二反向楔形结构21，该第二反向楔形结构21的尖端朝向所述耦合端面E，芯片波导20通过第二反向楔形结构21与常规聚合物波导12实现绝热耦合。该实施例中，常规聚合物波导12与芯片波导20重叠部分的长度L在200μm～2000μm范围内，第一反向楔形结构11的尖端端面宽度D在600nm～1500nm范围内。
以光信号从光子集成芯片100到单模光纤的耦合为例，光信号从光子集成芯片100的常规波导30传输到其耦合结构200的第二反向楔形结构21，通过第二反向楔形结构21绝热地耦合到常规聚合物波导12。即随着第二反向楔形结构21的宽度逐渐收窄，光信号的光场能量逐渐向常规聚合物波导12转移，在第二反向楔形结构21的尖端处，光场能量集中在常规聚合物波导12中，再由常规聚合物波导12传输到第一反向楔形结构11。随着第一反向楔形结构11的横截面宽度逐渐收窄，光信号的光场能量慢慢扩大到聚合物包层104中，使光信号在第一反向楔形结构11的尖端处(端面E处)的光场与单模光纤的光场接近，以提高耦合结构200与单模光纤的光场匹配度，从而减少耦合损耗，可有效提高耦合结构与单模光纤的耦合效率。光信号从单模光纤到耦合结构的耦合过程为上述光信号传输的逆向过程，同样可提高光信号从单模光纤到耦合结构的耦合效率。
实施例2
如图3和4所示，该实施例的耦合结构200与实施例1不同的是，该实施例中，芯片波导20包括亚波长光栅波导22，其中，亚波长光栅波导22与常规聚合物波导12至少部分重叠，实现芯片波导20与聚合物波导10之间的光耦合。
该实施例中，上述芯片波导20还包括与亚波长光栅波导22相互连接的反向楔形亚波长光栅波导23，该反向楔形亚波长光栅波导23与常规聚合物波导12至少部分重叠，实现芯片波导20与聚合物波导10的绝热耦合。亚波长光栅波导22与光子集成芯片100的常规波导30之间通过一第三反向楔形结构24桥接，该第三反向楔形结构24较宽的一端连接光子集成芯片100的常规波导30，亚波长光栅波导22包覆于第三反向楔形结构24的两侧。上述反向楔形亚波长光栅波导23和第三反向楔形结构24的尖端均朝向耦合端面E，上述常规波导30指光子集成芯片的具有固定宽度和高度的单模光波导。
同样，以硅光子集成芯片为例，该实施例中，基板101为硅基板，基板101上设有埋氧层102，芯片波导20设于埋氧层102上，并覆盖有包层103，聚合物波导10设于聚合物基底105上，并覆盖有聚合物包层104。这里，埋氧层102和包层103均采用二氧化硅，芯片波导20为单模硅波导。当然，在其它实施例中，包层也可以采用其它折射率低于芯片波导折射率的材料，芯片波导也可以是氮化硅波导。上述聚合物基底105靠近芯片波导20的端面，聚合物波导10和聚合物包层105延伸至芯片波导20上，使聚合物波导10覆盖于芯片波导20的亚波长光栅波导22上，芯片波导20与聚合物波导10之间的包层103厚度H在0～200nm范围内，以使芯片波导20与聚合物波导10之间实现更好的耦合。亚波长光栅波导22和反向楔形亚波长光栅波导23的等效折射率从亚波长光栅波导22临近常规波导30一端向反向楔形亚波长光栅波导23的尖端处(截面C处)逐渐变小，使尖端处的等效折射率接近聚合物波导10的折射率。同时在亚波长光栅波导22与常规波导30桥接处，第三反向楔形结构24的尖端端面(截面F)之前(临近常规波导30一侧)的亚波长光栅波导22的宽度与其之后(临近反向楔形亚波长光栅波导23一侧)的亚波长光栅波导22的宽度可分别调整，以使该尖端端面处的等效折射率连续、逐渐变小，避免等效折射率突变引起光反射损耗。亚波长光栅波导22的周期则应该小于波导内传输的光信号的波长除以2倍的光栅等效折射率的值。采用反向楔形亚波长光栅波导23与常规聚合物波导12进行绝热耦合，缩短了芯片波导20与聚合物波导10重叠耦合的长度，可有效减少传输损耗。这里，常规聚合物波导12与芯片波导20重叠部分的长度可缩短至1000μm，甚至600μm，都可以保持较小的耦合损耗，仍然具有较高的耦合效率。
这里，以如下的具体例子为例进行分析说明：亚波长光栅波导22和反向楔形亚波长光栅波导23的整体等效折射率为2.5，其周期取280nm，占空比选择方便加工的0.5，反向楔形亚波长光栅波导23的尖端端面(截面C处)宽度为170nm。为了使亚波长光栅波导22和反向楔形亚波长光栅波导23的等效折射率连续变小，在合适的位置可适当调整其占空比，不一定是严格的0.5的占空比。第三反向楔形结构24的尖端端面(截面F)之前的亚波长光栅波导22的宽度为280nm，之后的亚波长光栅波导22的宽度为375nm，结合合适的占空比，使第三反向楔形结构24的尖端端面处具有连续的折射率变化，避免折射率突变引起的额外损耗。上述各参数的设定，以使反向楔形亚波长光栅波导23的尖端端面处(截面C处)，本征模光场的能量主要聚集在聚合物波导10中为目标。上述聚合物基底105、聚合物包层104和聚合物波导10采用的聚合物的折射率在1.5～2之间，聚合物包层104和聚合物基底105的折射率与聚合物波导10的折射率差在0.005～0.6范围内。这里，聚合物波导10的折射率取1.58，聚合物包层104的折射率取1.56，二者之间的折射率差为0.02。在此基础上，亚波长光栅波导22和反向楔形亚波长光栅波导23与聚合物波导10的耦合损耗随二者重叠(或者反向楔形亚波长光栅波导23)的长度L变化关系如图5所示，当重叠的长度L大于200μm时，耦合损耗小于1.5dB；当重叠的长度L大于600μm时，耦合损耗已经非常小，小于0.2dB。假设光在亚波长光栅波导22和反向楔形亚波长光栅波导23内的传输损耗为3dB/cm，600μm的传输损耗为0.18dB，加上小于0.2dB的耦合损耗，整体的损耗小于0.38dB，有效减少了芯片波导20到聚合物波导10之间耦合的整体损耗，提高了二者之间的耦合效率。
另外，当聚合物波导10的高度h取3.5μm，常规聚合物波导12的宽度d也设为3.5μm时，聚合物波导10的第一反向楔形结构11不同的尖端端面宽度D与单模光纤耦合的损耗如图6所示。在第一反向楔形结构11的尖端端面宽度D为1μm或0.6μm时，该损耗小于0.6dB；该尖端端面宽度D为0.8μm时，具有最小的损耗，约为0.3dB。所以，结合上述芯片波导20与聚合物波导10之间的耦合损耗，从芯片波导20到聚合物波导10再到单模光纤之间的耦合，整体损耗可以小于0.7dB，且偏振相关损耗小于0.1dB，有效提高了光子集成芯片与单模光纤之间的耦合效率，实现高效耦合。
同实施例1一样，这里以光信号从光子集成芯片100到单模光纤的耦合为例，光信号从光子集成芯片100的常规波导30传输到其耦合结构200的第三反向楔形结构24，通过第三反向楔形结构24与亚波长光栅波导22的桥接结构传输到亚波长光栅波导22中，再经反向楔形亚波长光栅波导23绝热地耦合到常规聚合物波导12中。即随着反向楔形亚波长光栅波导23的宽度逐渐收窄，光信号的光场能量逐渐向常规聚合物波导12转移，在反向楔形亚波长光栅波导23的尖端处(截面C处)，光场能量集中在常规聚合物波导12中，再由常规聚合物波导12传输到第一反向楔形结构11。随着第一反向楔形结构11的横截面宽度逐渐收窄，光信号的光场能量慢慢扩大到聚合物包层104中，使光信号在第一反向楔形结构11的尖端处(端面E处)的光场与单模光纤的光场接近，以提高耦合结构200与单模光纤的光场匹配度，从而减少耦合损耗，可有效提高耦合结构与单模光纤的耦合效率。光信号从单模光纤到耦合结构的耦合过程为上述光信号传输的逆向过程，同样可提高光信号从单模光纤到耦合结构的耦合效率。
实施例3
如图7所示，该实施例提供了一种光学组件，如光模块等。该光学组件包括光子集成芯片100和单模光纤300，该光子集成芯片100包括上述实施例1或2中的耦合结构200，光子集成芯片100通过其耦合结构200与单模光纤300实现高效的光耦合。
该光子集成芯片100可以设有光有源器件和/或光无源器件(未在图中表示)，如光探测器、波分复用/解复用器、分光器和/或偏振分束器等，光有源器件和/或光无源器件通过芯片的常规波导30连接上述耦合结构200的芯片波导20远离单模光纤300的一端。
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 (13)

1.一种光子集成芯片的耦合结构，具有用于与外部单模光纤耦合的耦合端面，其特征在于：所述耦合结构包括基板、设于所述基板上的芯片波导和聚合物波导，所述聚合物波导临近所述耦合端面；
所述聚合物波导包括相互连接的常规聚合物波导和第一反向楔形结构；所述第一反向楔形结构的尖端位于所述耦合端面处；所述常规聚合物波导与所述芯片波导部分重叠，所述芯片波导和所述聚合物波导光耦合。
2.根据权利要求1所述的光子集成芯片的耦合结构，其特征在于：
所述芯片波导包括第二反向楔形结构，所述第二反向楔形结构与所述常规聚合物波导至少部分重叠。
3.根据权利要求1所述的光子集成芯片的耦合结构，其特征在于：
所述芯片波导包括亚波长光栅波导，所述亚波长光栅波导与所述常规聚合物波导至少部分重叠。
4.根据权利要求3所述的光子集成芯片的耦合结构，其特征在于：所述芯片波导还包括与所述亚波长光栅波导相连的反向楔形亚波长光栅波导，所述反向楔形亚波长光栅波导与所述常规聚合物波导重叠。
5.根据权利要求4所述的光子集成芯片的耦合结构，其特征在于：所述芯片波导还包括第三反向楔形结构，所述常规亚波长光栅波导包覆所述第三反向楔形结构的两侧。
6.根据权利要求1所述的光子集成芯片的耦合结构，其特征在于：所述芯片波导为单模光波导。
7.根据权利要求1所述的光子集成芯片的耦合结构，其特征在于：所述第一反向楔形结构的尖端端面宽度在600nm～1500nm范围内。
8.根据权利要求1所述的光子集成芯片的耦合结构，其特征在于：所述常规聚合物波导与所述芯片波导重叠部分的长度在200μm～2000μm范围内。
9.根据权利要求1-8任一项所述的光子集成芯片的耦合结构，其特征在于：
所述基板为硅基板，所述耦合结构还包括位于所述芯片波导和所述硅基板之间的埋氧层，以及位于所述聚合物波导下方的聚合物基底；所述埋氧层上还设有覆盖所述芯片波导的包层，所述聚合物基底上还设有覆盖所述聚合物波导的聚合物包层；
所述芯片波导为硅波导或氮化硅波导。
10.根据权利要求9所述的光子集成芯片的耦合结构，其特征在于：所述芯片波导与所述聚合物波导之间的包层厚度在0～200nm范围内。
11.根据权利要求9所述的光子集成芯片的耦合结构，其特征在于：所述聚合物包层和聚合物基底的折射率与所述聚合物波导的折射率差在0.005～0.6范围内；所述聚合物波导的折射率小于所述芯片波导的折射率。
12.一种光子集成芯片，包括光有源器件和/或光无源器件，其特征在于：还包括权利要求1-11任一项所述的耦合结构，所述光有源器件和/或光无源器件光连接所述耦合结构的芯片波导。
13.一种光学组件，包括光子集成芯片和单模光纤，其特征在于：所述光子集成芯片包括权利要求1-11任一项所述的耦合结构，所述光子集成芯片通过所述耦合结构与所述单模光纤光耦合。
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