CN114935794A - 模斑转换器、光芯片和光通信器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模斑转换器、光芯片和光通信器件，包括衬底层、过渡波导层、包层和粘合层，锥形过渡波导层位于衬底层上，包层包括包层盖合段、包层过渡段和盖波导段，包层盖合段位于衬底层上并覆盖在波导锥形段上，包层过渡段位于衬底层上并覆盖在波导过渡段上，盖波导段位于衬底层上，包层盖合段、包层过渡段和盖波导段依次沿光路方向布置，包层过渡段的宽度和盖波导段的宽度均小于包层盖合段的宽度，粘合层位于衬底层上且位于包层过渡段和盖波导段的外周，包层过渡段的折射率和盖波导段的折射率均大于粘合层的折射率。本方案实现光能量稳定转换及其耦合，且结构简单易于封装，兼具高机械稳定性、高封装鲁棒性以及高耦合效率。

Description

模斑转换器、光芯片和光通信器件

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种模斑转换器、光芯片和光通信器件。

背景技术

随着通信技术的发展，光芯片在光纤通信技术领域中的应用也越来越广范，由于光芯片的模斑尺寸较小，而光纤的模斑尺寸较大，导致光芯片与光纤之间因模斑大小不匹配而引入耦合损耗，因此，如何实现基于光芯片与光纤传输链路之间的有效耦合尤为关键。

在集成光芯片的封装中，输入/输出光纤需要与光芯片的光学端口相接，以实现光纤与芯片上光波导模式的耦合。这里先定义折射率差为光波导芯层与包层折射率的差，一般的，低折射率差光波导模场分布大，高折射率差光波导模场分布小。标准光纤通常可用于与折射率差较低的波导结构的耦合，由高折射率差材料平台(如绝缘体上硅、磷化铟、薄膜铌酸锂等)制成的集成光波导可以将光束缚在更小的几何范围内。由于其尺寸小、集成度高，因此高折射率差集成光波导目前被广泛应用于开发新型集成光电子器件中。然而，由于高折射率差光波导的模场尺寸与光纤模场尺寸差异较大，模场失配严重，因此会造成较大的耦合损耗。为了解决模场失配问题，在应用高折射率差波导技术时，一般会设计模斑转换器用来匹配集成光波导与光纤的模场，进而提高耦合效率。

现有技术中公开号为CN113820801A的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器设置有覆盖波导、两个倒锥形波导和器件波导，两个倒锥形波导连接在覆盖波导和器件波导之间，在两个倒锥形波导和器件波导上覆盖设置有包层，覆盖波导设置在第一步倒锥形波导的端部处，其中，两个倒锥形波导为异质材料，包层的材质为氧化硅，覆盖波导包括第一波导芯层，第一波导芯层的材质为聚合物SiON层或聚合物SU－8，由于采用不同的材料，因此容易导致由材料不同引入的损耗，且在不同材料的界面处模式容易产生突变，继而影响光学器件的传输稳定性，且覆盖波导顶部未设置包层，而是直接与空气接触，这样也不便于器件的固定和安装，影响器件的结构稳定性。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种高传输稳定性和结构稳定性的模斑转换器。

本发明的第二目的是提供一种具有上述模斑转换器的光芯片。

本发明的第三目的是提供一种具有上述光芯片的光通信器件。

为了实现本发明第一目的，本发明提供一种模斑转换器，包括衬底层和过渡波导层，过渡波导层位于衬底层上，过渡波导层包括沿光路方向布置的波导锥形段和波导过渡段，波导锥形段包括第一锥形平板层和锥形脊状层，锥形脊状层位于第一锥形平板层上，第一锥形平板层的尾端和锥形脊状层的尾端位于同一侧，第一锥形平板层的尖端和锥形脊状层的尖端位于同一侧，第一锥形平板层的尾端宽度大于第一锥形平板层的尖端宽度，锥形脊状层的尾端宽度大于锥形脊状层的尖端宽度，波导过渡段包括第二锥形平板层，第二锥形平板层的尾端与第一锥形平板层的尖端连接，第一锥形平板层和第二锥形平板层在同一水平高度上，第二锥形平板层的尾端宽度大于第二锥形平板层的尖端宽度；模斑转换器还包括包层和粘合层，包层包括包层盖合段、包层过渡段和盖波导段，包层盖合段位于衬底层上并覆盖在波导锥形段上，包层过渡段位于衬底层上并覆盖在波导过渡段上，盖波导段位于衬底层上，包层盖合段、包层过渡段和盖波导段依次沿光路方向布置，包层过渡段的宽度和盖波导段的宽度均小于包层盖合段的宽度；粘合层位于衬底层上且位于包层过渡段和盖波导段的外周，包层过渡段的折射率和盖波导段的折射率均大于粘合层的折射率。

由上述方案可见，通过可设置在光芯片边缘的模斑转换器，并且过渡波导层和粘合层各自为同一材料布置，且为了形成波导结构，包层过渡段的折射率和盖波导段的折射率均大于粘合层的折射率，且包层过渡段的宽度和盖波导段的宽度均小于包层盖合段的宽度，并配合呈锥形布置的过渡波导层，从而使光能量在过渡波导层与盖波导之间高效且稳定转换及其耦合，并且采用的材料相对单一，材料整体性良好，利于光高效传输，降低损耗，以及结构简单易于封装，兼具高机械稳定性、高封装鲁棒性以及高耦合效率。

更进一步的方案是，模斑转换器还包括封装盖，封装盖盖合在粘合层的上方。

更进一步的方案是，封装盖盖合在盖波导段的上方。

由上可见，通过粘合层粘合在包层和封装盖，提高器件的封装稳定性，并且封装盖还可用于连接具有光纤的光纤块，从而提高模斑转换器和光纤的连接结构稳定性。

更进一步的方案是，包层过渡段的两侧具有镂空部，粘合层位于镂空部内。

更进一步的方案是，盖波导段呈直线或弯折布置。

由上可见，通过设置波导锥形段和波导过渡段，并配合包层过渡段的布置，继而使得光能量在波导过渡段传输和转换时收到预设的尺寸限制，继而可低损耗输入盖波导段，且盖波导段可直线布置和直线输出，在盖波导段弯折布置时，可减小光纤与光芯片耦合时的端面背向反射，通过使光纤与波导端面呈一定角度，可以有效地减小背向反射，且弯折或直线的灵活布置，可使较容易地实现对光纤输入/输出端位置的变换。

更进一步的方案是，包层盖合段、包层过渡段和盖波导段由相同材料一体成型布置。

由上可见，通过相同材料一体成型的包层，从而使光能量在过渡波导层处的传输更为稳定和高效，避免了由材料不同引入的损耗且工艺更为简单。

为了实现本发明第二目的，本发明提供一种光芯片，包括器件衬底、器件波导层和如上述方案的模斑转换器，器件波导层位于器件衬底上，器件波导层与波导锥形段对接。

更进一步的方案是，器件衬底和衬底层呈一体成型布置，器件波导层与过渡波导层呈一体成型布置。

更进一步的方案是，光芯片还包括光纤，盖波导段与光纤对接。

为了实现本发明第三目的，本发明提供一种光通信器件，包括如上述方案的光芯片。

由上可见，通过将器件波导层与波导锥形段对接，使得光信号高效地在模斑转换器转换，且利用器件衬底和衬底层呈一体成型布置，器件波导层与过渡波导层呈一体成型布置，使光芯片在边缘处一体集成设置模斑转换器，以便于与光纤的对接，同时也提高光通信器件的解决方案时灵活度，以及使光通信器件具备高传输稳定性和结构稳定性。

附图说明

图1是本发明光芯片实施例的结构图。

图2是本发明光芯片实施例中衬底层和波导层的结构图。

图3是本发明光芯片实施例沿光路方向的剖视图。

图4是图3中A处的剖视图。

图5是图3中B处的剖视图。

图6是图3中C处的剖视图。

图7是图3中D处的剖视图。

图8是本发明光芯片实施例的盖波导与光纤的耦合效率曲线图。

图9是本发明光芯片实施例的盖波导的模式特征图。

图10是过渡波导的有效折射率与宽度W的变化曲线图。

图11是模斑转换器的光能量变换图。

图12是本发明光芯片实施例的结构原理图。

图13是本发明光芯片另一实施例的结构原理图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

光芯片和模斑转换器实施例：

参照图1至图7，光芯片包括器件衬底112、器件波导层13和模斑转换器，器件波导层13位于器件衬底112上，模斑转换器包括衬底层111和过渡波导层2，在实际应用中，可将器件衬底112和衬底层111呈一体成型布置，器件波导层13与过渡波导层2呈一体成型布置，具体地，器件波导层13包括平板层131和脊状层132，脊状层132位于平板层131上，过渡波导层2位于衬底层111上，过渡波导层2包括波导锥形段和波导过渡段，波导锥形段包括第一锥形平板层21和锥形脊状层23，锥形脊状层23位于第一锥形平板层21上，波导过渡段包括第二锥形平板层22，平板层131、第一锥形平板层21和第二锥形平板层22位于同一水平高度且呈一体成型布置，脊状层132和锥形脊状层23同一水平高度且呈一体成型布置。

第一锥形平板层21的尾端和锥形脊状层23的尾端位于同一侧，第一锥形平板层21的尖端和锥形脊状层23的尖端位于同一侧，第一锥形平板层21的尾端宽度大于第一锥形平板层21的尖端宽度，且由尾端至尖端呈线性减小，锥形脊状层23的尾端宽度大于锥形脊状层23的尖端宽度，且由尾端至尖端呈线性减小，第一锥形平板层21的尾端与平板层131连接，锥形脊状层23的尾端与脊状层132连接，第二锥形平板层22的尾端与第一锥形平板层21的尖端连接，第二锥形平板层22的尾端宽度大于第二锥形平板层22的尖端宽度，且由尾端至尖端呈线性减小，第二锥形平板层22的尖端在光路方向X的端部设置有镂空部24。

模斑转换器还包括包层3、粘合层4和封装盖12，包层3包括依次沿光路方向X布置的包层盖合段31、包层过渡段32和盖波导段33，包层盖合段31、包层过渡段32和盖波导段33由相同材料一体成型布置，且包层3呈凸型布置，包层过渡段32和包层盖合段31的两侧具有镂空部，包层盖合段31呈平板状布置，包层过渡段32和盖波导段33沿光路方向X直线布置，包层过渡段32和盖波导段33可呈柱状布置，包层过渡段32的宽度和盖波导段33的宽度均小于包层盖合段31的宽度，包层盖合段31位于衬底层111上并覆盖在波导锥形段的第一锥形平板层21和锥形脊状层23上，包层过渡段32位于衬底层111上并覆盖在波导过渡段的第二锥形平板层22上，盖波导段33位于衬底层111上并位于镂空部24处，

粘合层4位于衬底层111上且位于包层盖合段31、包层过渡段32和盖波导段33的外周，粘合层4填充在包层过渡段32和包层盖合段31的两侧的镂空部内，封装盖12盖合在粘合层4的上方，且位于包层3的包层过渡段32和盖波导段33上方，粘合层4粘接在衬底层111、包层3和封装盖12之间，包层过渡段32的折射率和盖波导段33的折射率均大于粘合层4的折射率。

在本实施例中，器件衬底112和衬底层111由二氧化硅制成，器件波导层13和过渡波导层2由薄膜铌酸锂制成，包层3和粘合层4可采用树脂材料制成，为方便具体描述，本实施例以二氧化硅衬底上550nm厚的薄膜铌酸锂晶圆为例，平板层131、第一锥形平板层21和第二锥形平板层22刻蚀深度275nm，而脊状层132上宽度1μm，锥形脊状层23的上宽度呈锥形并逐渐减小，在第二锥形平板层22上则没有脊状结构，在镂空部24处则将薄膜铌酸锂完全刻蚀，此时波导仅支持单模。当然此类集成光芯片可能会被用来实现其他电学功能，因此波导是否被完全刻蚀到底、刻蚀的深度可根据实际需求进行定制，且过渡波导层在垂直方向上高度可变，可呈线性变化、渐变亦可阶梯型变化，以及锥形的宽度变化可呈线性变换、抛物线型、指数型或S型的变化。

参照图6和图7，对于包层过渡段32和盖波导段33的高Hlwg和宽Wlwg，以及第二锥形平板层22高H和宽W的尺寸布置，为了使光能量在过渡波导与盖波导之间有效地转换，过渡波导与盖波导的模式有效折射率neff要满足匹配条件，考虑到需要实现偏振不敏感的特性，那么对TE和TM模式都要能满足匹配条件，通过合理地选择参数，其包括上包层材料折射率、高Hlwg、宽Wlwg、高H和宽W。

下面对参数设计过程进行描述：

首先，需要确定包层材料的折射率，通常来说，用于封装盖粘合的树脂材料在红外通信波段的折射率在1.45至1.55的范围内，如前所述，包层材料的树脂材料的折射率必须要大于粘合层的树脂材料的折射率，因此粘合层可选择使用树脂材料的折射率＝1.47，包层的折射率＝1.56为例来进行设计过程的说明，器件的工作波长选为1550nm，接着，需要确定宽度(Wlwg)与高度(Hlwg)，图8展示了盖波导与小芯光纤的耦合效率随着上述宽度(Wlwg)与高度(Hlwg)变化的曲线。

图8的计算结果显示，最大的耦合效率出现在Wlwg＝3.0μm及Hlwg＝3.0μm处，此时对TE和TM模，理论上的耦合损耗为－0.05dB，接下来，需要对过渡波导的参数进行设计以实现模式匹配条件，上述设计好的盖波导的模式特征如下图9所示，盖波导的TE与TM模式的有效折射率为1.54。

因此，为了满足模式匹配条件，第二锥形平板层22的宽度W与高度H需要经过合理的设计，以实现过渡波导的模式有效折射率也接近于1.54，由于铌酸锂材料拥有比较高的折射率，其折射率接近2，因此可以预见要实现有效折射率为1.54，W与H的取值都会非常小，图10展示了过渡波导的有效折射率(neff)随着宽度W变化的曲线。

且考虑到工艺制程简单性，H的取值与平板层131厚度相同，均为275nm，从图10可得出，当过渡波导宽度W小于0.2μm时，TE与TM模式的有效折射率可达到1.54附近，基于上述分析，可设计过渡波导的宽度W从最大处1.0μm通过拉锥变换缓慢过渡到最小处100/120nm。

经过仿真验证，此方案可行，总体能量损耗对TE模为－0.2dB，对TM模为－0.5dB，可以实现高耦合效率及低耦合损耗，图11为模斑转换器的光能量变换(a)俯视图及(b)侧视图。

参照图12，光芯片还包括光纤，光纤可采用单模或多模光纤，呈直线布置的盖波导段与光纤对接，光纤可承担输入或输出作用，从而可将实现光信号的模场转换，提高信号的耦合效率。另外，参照图13，为了尽量减小光纤与光芯片耦合时的端面背向反射，盖波导段呈弯折布置，且通过使光纤与波导端面呈一定角度对接，可以有效地减小背向反射。

光通信器件实施例：

光通信器件包括通信装置和上述实施例的光芯片，光芯片与通信装置通信连接，通信装置可以为路由器、发射机、接收机等常见的装置，在此不做具体限定。

当然上述实施例只是本案的较佳实施例，在具体应用当中，可具有更多的变化，如包层和盖波导的材料亦可是聚合物，也可以是无机化合物等，包层材料不仅限于通用的封装盖粘合树脂，以及光纤与盖波导的耦合不限于紧密相接，两者中间可以保留一段距离或添加其他光学器件，且封装盖与光纤块的形状不限于立方体，也可以是其他形状，如圆柱等，另外本发明的光波导并不仅局限于薄膜铌酸锂，而是适用于其他所有集成光子技术平台。

由上可见，通过将器件波导层与波导锥形段对接，使得光信号高效地在模斑转换器转换，且利用器件衬底和衬底层呈一体成型布置，器件波导层与过渡波导层呈一体成型布置，使光芯片在边缘处一体集成设置模斑转换器，以便于与光纤的对接，同时也提高光通信器件的解决方案时灵活度，以及使光通信器件具备高传输稳定性和结构稳定性。

Claims (10)

1.模斑转换器，包括衬底层和过渡波导层，所述过渡波导层位于所述衬底层上，所述过渡波导层包括沿光路方向布置的波导锥形段和波导过渡段，所述波导锥形段包括第一锥形平板层和锥形脊状层，所述锥形脊状层位于所述第一锥形平板层上，所述第一锥形平板层的尾端和所述锥形脊状层的尾端位于同一侧，所述第一锥形平板层的尖端和所述锥形脊状层的尖端位于同一侧，所述第一锥形平板层的尾端宽度大于所述第一锥形平板层的尖端宽度，所述锥形脊状层的尾端宽度大于所述锥形脊状层的尖端宽度，所述波导过渡段包括第二锥形平板层，所述第二锥形平板层的尾端与所述第一锥形平板层的尖端连接，所述第一锥形平板层和所述第二锥形平板层在同一水平高度上，所述第二锥形平板层的尾端宽度大于所述第二锥形平板层的尖端宽度；

其特征在于：

所述模斑转换器还包括包层和粘合层，所述包层包括包层盖合段、包层过渡段和盖波导段，所述包层盖合段位于所述衬底层上并覆盖在所述波导锥形段上，所述包层过渡段位于所述衬底层上并覆盖在所述波导过渡段上，所述盖波导段位于所述衬底层上，所述包层盖合段、所述包层过渡段和所述盖波导段依次沿所述光路方向布置，所述包层过渡段的宽度和所述盖波导段的宽度均小于所述包层盖合段的宽度；

所述粘合层位于所述衬底层上且位于所述包层过渡段和所述盖波导段的外周，所述包层过渡段的折射率和所述盖波导段的折射率均大于所述粘合层的折射率。

2.根据权利要求1所述的模斑转换器，其特征在于：

所述模斑转换器还包括封装盖，所述封装盖盖合在所述粘合层的上方。

3.根据权利要求2所述的模斑转换器，其特征在于：

所述封装盖盖合在所述盖波导段的上方。

4.根据权利要求1所述的模斑转换器，其特征在于：

所述包层过渡段的两侧具有镂空部，所述粘合层位于所述镂空部内。

5.根据权利要求4所述的模斑转换器，其特征在于：

所述盖波导段呈直线或弯折布置。

6.根据权利要求1至5任一项所述的模斑转换器，其特征在于：

所述包层盖合段、所述包层过渡段和所述盖波导段由相同材料一体成型布置。

7.光芯片，其特征在于，包括器件衬底、器件波导层和如上述权利要求1至6任一项所述的模斑转换器，所述器件波导层位于所述器件衬底上，所述器件波导层与所述波导锥形段对接。

8.根据权利要求7所述的光芯片，其特征在于：

所述器件衬底和所述衬底层呈一体成型布置，所述器件波导层与所述过渡波导层呈一体成型布置。

9.根据权利要求7所述的光芯片，其特征在于：

所述光芯片还包括光纤，所述盖波导段与所述光纤对接。

10.光通信器件，其特征在于，包括如上述权利要求7至9任一项的光芯片。

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