CN114791649A - 一种模斑变换器 - Google Patents

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李军
石文虎
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Abstract

本发明涉及一种模斑变换器，其包括底衬、下包层、波导层及覆盖层，所述下包层及所述覆盖层依次设置于所述底衬上，所述波导层位于所述覆盖层内，所述波导层包括第一波导结构及位于所述第一波导结构两侧的至少两个第二波导结构；其中，所述第一波导结构被配置为与至少两个所述第二波导结构形成光场过渡转换，以将光场转换至两侧的至少两个所述第二波导结构中，所述第二波导结构与所述覆盖层形成斑纹扩大结构，所述第二波导结构将光场发散至所述覆盖层，形成椭圆形光斑，本发明提供的模斑变换器可扩大并形成椭圆形斑纹，提升耦合效率。

Description

一种模斑变换器
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种模斑变换器。
背景技术
近几年，云服务、5G通信以及高清电视等业务的迅速发展对通信速率和容量提出了极大的需求。光通信通过采用将传输信号加载在光载波上，利用光纤作为媒质进行传输的方式，具有高带宽、高速率和低成本的优势，使得通信领域取得了革命性的发展。其中硅光技术作为光通信领域的一项研究热点，由于具有高折射率差的特点，使得光器件的尺寸相比于传统光器件得到了一个甚至几个量级的减小，此外，也由于硅光工艺可以与传统的CMOS工艺相兼容，都给硅光技术带来了成本低和便于量产的优势。正是基于这些优势，硅光技术经过近二十多年的快速发展，已经建立起一套完善的平台进行设计、制造、测试和封装应用于电信级和数据中心领域的光收发器件和光学信号处理器件。
目前硅光技术仍然存在一些需要解决的问题，其中重要的一项就是小尺寸的硅光芯片与光纤之间的有效耦合问题。硅光芯片由于高折射率差的优势可以使得光波导的截面尺寸缩小到几百纳米的量级，因此硅光波导所导引的光场光斑大小就远小于单模光纤约10微米的光斑，二者光斑大小的失配造成了硅光芯片与光纤进行耦合时的巨大能量损耗，从而对整个光通信系统的性能造成影响。为了提升耦合效率，会采取在硅光芯片入光口制作模斑变换器的方式。模斑变换器主要分为两种，一种是基于垂直耦合的光栅耦合器，虽然具有较好的耦合对准容差和方便的晶圆级测试等优点，但同时也具有工作波长范围窄，偏振相关性大等缺点。而另一种是基于边缘耦合的模斑变换器，具有工作波长范围宽、偏振不敏感的优势。
然而，目前采用的边缘耦合模式转换器有悬挂式结构和倒锥型结构。悬挂式结构由于需要掏空SiO2波导底部和周围的材料，工艺复杂度高，且仅靠SiO2悬挂壁支撑整个波导结构，力学性能和器件可靠性都会是很大的问题；而倒锥型结构，由于BOX隔离层厚度有限，导致光斑较大时，衬底会对光斑造成形变以及产生泄漏损耗，而光斑较小时与光纤光斑的耦合失配又很大，从而导致耦合损耗较大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种模斑变换器解决光纤光斑耦合损耗较大的问题。
为了达到上述目的，本发明解决技术问题的技术方案是提供一种模斑变换器，其包括：底衬、下包层、波导层及覆盖层，所述下包层及所述覆盖层依次设置于所述底衬上，所述波导层位于所述覆盖层内，所述波导层包括第一波导结构及位于所述第一波导结构两侧的至少两个第二波导结构；其中，所述第一波导结构被配置为与至少两个所述第二波导结构形成光场过渡转换，以将光场转换至两侧的至少两个所述第二波导结构中，所述第二波导结构与所述覆盖层形成斑纹扩大结构，所述第二波导结构将光场发散至所述覆盖层，形成椭圆形光斑。
在一些实施例中，所述第一波导结构包括第一直波导及第一到锥形波导，所述第一倒锥形波导的底面与所述第一直波导连接；所述第二波导结构包括第二锥形波导、第二直波导及第二倒锥形波导，所述第二锥形波导的底面及所述第二倒锥形波导的底面分别连接所述第二直波导的两侧，所述第二锥形波导与所述第一倒锥形波导形成光场过渡转换。
在一些实施例中，所述第一倒锥形波导的宽度沿远离所述第一直波导的放心逐渐减小，所述第二锥形波导及所述第二倒锥形波导的宽度皆沿远离所述第二直波导的方向逐渐减小。
在一些实施例中，所述第二倒锥形波导与所述覆盖层形成斑纹扩大结构。
在一些实施例中，所述下包层的厚度为2um，所述波导层的厚度为400nm，所述覆盖层的厚度为6um。
在一些实施例中，所述第一直波导的长度为10um，所述第一倒锥形波导的长度为90um，所述第二锥形波导的长度为60um，所述第二直波导的长度为5-10um，所述第二倒锥形波导的长度为90-100um。
在一些实施例中，所述下包层及所述覆盖层采用SiO2材料，所述衬底采用SOI晶圆Si衬底，所述波导层采用SiN材料。
在一些实施例中，所述波导层与所述下包层之间存在间距。
在一些实施例中，所述波导层采用Si材料，所述下包层与所述波导层贴合。
在一些实施例中，所述第一倒锥形波导及位于其两侧的至少两个所述第二锥形波导的宽度满足相配匹配，以实现光场过渡转换。
与现有技术相比，本发明所提供的模斑变换器具有以下有益效果：
通过设置第一波导结构及位于其两侧的至少两个第二波导结构，在进行光传播时对光斑进行扩大，且形成椭圆形光斑，从而降低耦合损耗，提升与SMF28单模光纤或半导体激光器的耦合效率。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的一种模斑变换器的剖面结构示意图；
图2为本发明第一实施例提供的一种模斑变换器的波导层俯视图；
图3为本发明第一实施例提供的一种模斑变换器的第一波导结构俯视图；
图4为本发明第一实施例提供的一种模斑变换器的第二波导结构俯视图；
图5为本发明第二实施例提供的一种模斑变换器的剖面结构示意图；
附图标记说明：
1、底衬；2、下包层；3、波导层；4、覆盖层；31、第一波导结构；32、第二波导结构；311、第一直波导；312、第一倒锥形波导；321、第二锥形波导；322、第二直波导；323、第二倒锥形波导。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1-4，本发明第一实施例提供的一种模斑变换器，包括底衬1、下包层2、波导层3及覆盖层4，下包层2及覆盖层4依次设置于底衬1上，波导层3位于覆盖层4内，波导层3包括第一波导结构31及位于第一波导结构31两侧的至少两个第二波导结构32，其中第一波导结构31被配置为与至少两个第二波导结构32形成光场过渡转换，且第一波导结构31在靠近至少两个第二波导结构32时对光场的限制逐渐减弱，以将光场转换至两侧的至少两个第二波导结构32中，并通过第二波导结构32将光场发散至覆盖层4，第二波导结构32与覆盖层4形成斑纹扩大结构，形成椭圆形光斑，从而提升耦合效率。
通过设置第一波导结构31及位于第一波导结构31两侧的第二波导结构32，可将模斑变化器设置为单层，简化工艺。并且，通过该结构的设置，可将模斑变化器形成椭圆形结构，从而形成椭圆形光斑，进一步提升与标准单模光纤及半导体激光器的耦合效率。
可以理解，第一波导结构31在靠近第二波导结构32时对光场限制的减弱，可以是利用第一波导结构31朝靠近第二波导结构32方向上的宽度逐渐减小，来实现。
进一步地，第一波导结构31包括第一直波导311及第一倒锥形波导312，第一倒锥形波导312的底面与第一直波导311连接。第二波导结构32包括第二锥形波导321、第二直波导322及第二倒锥形波导323，第二锥形波导321的底面及第二倒锥形波导323的底面分别连接第二直波导322的两侧，且第二锥形波导321与第一倒锥形波导312，形成光场过渡转换，以使光场可以从第一波导结构31传输至两侧的两个第二波导结构32中。
进一步的，通过调整位于第一倒锥形波导312及位于其两侧的至少两个第二锥形波导321的宽度，满足相位匹配条件，从而实现形成光场过渡转换。
在一个具体实施例中，第一倒锥形波导312的宽度沿远离第一直波导311的方向逐渐减小，第二锥形波导321及第二倒锥形波导323的宽度皆沿远离第二直波导322的方向逐渐减小，从而在信号光从第一直波导311传输至第一倒锥波形波导312时，对光场的限制逐渐减弱，从而将光场传输至第二锥形波导321中。接着广场通过第二直波导322的传输，进入第二倒锥形波导323内，并同样由于第二倒锥形波导323对光场限制的逐渐减弱，使得光场慢慢的发散进入覆盖层4内，实现对光斑的扩大。
进一步地，第二倒锥形波导323与覆盖层4形成斑纹扩大结构。
在一个具体实施例中，下包层2的厚度为2um，波导层3的厚度为400nm，覆盖层4的厚度为6um。
在一个具体实施例中，第一直波导311的长度为10um，第一倒锥形波导312的长度为90um，第二锥形波导321的长度为60um，第二直波导322的长度为5-10um，第二倒锥形波导323的长度为90-100um。
通过上述长度参数，可最佳效果的实现信号光从第一波导结构31传播至第二波导结构32，并从第二波导结构32发散进覆盖层4内。
进一步地，下包层2采用SiO2材料，覆盖层4采用SiO2材料，底衬1采用SOI晶圆Si衬底，波导层3采用SiN材料。
进一步地，波导层3与下包层2之间存在间距。
请参阅图5，本发明第二实施例提供的一种模斑变换器，波导层3采用Si材料，下包层2与波导层3贴合，即，下包层2与波导层3之间没有间距。
本发明的工作原理为：首先，信号光从第一直波导311的一端开始向第一倒锥形波导312传播，由于第一倒锥形波导312的宽度沿远离第一直波导311的方向逐渐减小，导致对光场的限制逐渐减弱，而位于其两侧的至少两个第二锥形波导321的宽度沿远离第二直波导322的方向逐渐减小，即超靠近第二直波导322的方向逐渐增大，也即第二锥形波导321对光场的限制逐渐增强，通过第一倒锥形波导312与第二锥形波导321的相位匹配，从而使得光场从第一倒锥形波导312处慢慢的传输到第二锥形波导321中。
接着，第二锥形波导321中的光场过第二直波导322传输至第二倒锥形波导323处，由于第二倒锥形波导323朝远离第二直波导322的方向宽度逐渐减小，对光场的限制减弱，从而使得光场慢慢发散进入覆盖层4，由于覆盖层4的截面积较大，对光场基本无约束，因此光斑可扩大，且在第一波导结构31及位于其两侧的至少两个第二波导结构32的结构设置下，形成的扩大光斑可呈椭圆形状，相较于其他扩大光斑的方式，进一步提升了与SMF28单模光纤或半导体激光器的耦合效率。
与现有技术相比，本发明所提供的模斑变换器具有以下有益效果：
通过设置第一波导结构及位于其两侧的至少两个第二波导结构，在进行光传播时对光斑进行扩大，且形成椭圆形光斑，从而降低耦合损耗，提升与SMF28单模光纤或半导体激光器的耦合效率。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种模斑变换器，其特征在于，包括：底衬、下包层、波导层及覆盖层，所述下包层及所述覆盖层依次设置于所述底衬上，所述波导层位于所述覆盖层内，所述波导层包括第一波导结构及位于所述第一波导结构两侧的至少两个第二波导结构；
其中，所述第一波导结构被配置为与至少两个所述第二波导结构形成光场过渡转换，以将光场转换至两侧的至少两个所述第二波导结构中，所述第二波导结构与所述覆盖层形成斑纹扩大结构，所述第二波导结构将光场发散至所述覆盖层，形成椭圆形光斑。
2.如权利要求1所述的一种模斑变换器，其特征在于：
所述第一波导结构包括第一直波导及第一到锥形波导，所述第一倒锥形波导的底面与所述第一直波导连接；
所述第二波导结构包括第二锥形波导、第二直波导及第二倒锥形波导，所述第二锥形波导的底面及所述第二倒锥形波导的底面分别连接所述第二直波导的两侧，所述第二锥形波导与所述第一倒锥形波导形成光场过渡转换。
3.如权利要求2所述的一种模斑变换器，其特征在于：
所述第一倒锥形波导的宽度沿远离所述第一直波导的放心逐渐减小，所述第二锥形波导及所述第二倒锥形波导的宽度皆沿远离所述第二直波导的方向逐渐减小。
4.如权利要求2所述的一种模斑变换器，其特征在于：
所述第二倒锥形波导与所述覆盖层形成斑纹扩大结构。
5.如权利要求1所述的一种模斑变换器，其特征在于：
所述下包层的厚度为2um，所述波导层的厚度为400nm，所述覆盖层的厚度为6um。
6.如权利要求2所述的一种模斑变换器，其特征在于：
所述第一直波导的长度为10um，所述第一倒锥形波导的长度为90um，所述第二锥形波导的长度为60um，所述第二直波导的长度为5-10um，所述第二倒锥形波导的长度为90-100um。
7.如权利要求1所述的一种模斑变换器，其特征在于：
所述下包层及所述覆盖层采用SiO2材料，所述衬底采用SOI晶圆Si衬底，所述波导层采用SiN材料。
8.如权利要求1所述的一种模斑变换器，其特征在于：
所述波导层与所述下包层之间存在间距。
9.如权利要求1所述的一种模斑变换器，其特征在于：
所述波导层采用Si材料，所述下包层与所述波导层贴合。
10.如权利要求2所述的一种模斑变换器，其特征在于：
所述第一倒锥形波导及位于其两侧的至少两个所述第二锥形波导的宽度满足相配匹配，以实现光场过渡转换。
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