CN115201970B - 具有光栅耦合器的硅基光学芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有光栅耦合器的硅基光学芯片，所述光栅耦合器包括：衬底；光栅结构，至少包括第一光栅层和第二光栅层，所述第二光栅层和所述第一光栅层依次设置于所述衬底之上，所述第一光栅层和所述第二光栅层交错排列；波导结构，至少包括第一波导层和第二波导层，所述第一波导层沿所述第一光栅层的光栅周期排列方向与所述第一光栅层连接，所述第二波导层沿所述第二光栅层的光栅周期排列方向与所述第二光栅层连接。本发明所提供的硅基光学芯片，提高了光栅耦合器的整体耦合效率，进而增强了由单模光纤传输至光栅耦合器的入射光信号的光束指向性。其中多层光栅的制造工艺成熟，很容易与SOI芯片集成，提高了硅基光学芯片的信号接收效率。

Description

具有光栅耦合器的硅基光学芯片

技术领域

本申请涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种硅基光学芯片。

背景技术

耦合器是将光纤与硅基光学芯片中传输的光信号相互耦合的器件。光纤中的光信号模斑尺寸为几个微米，而硅基光学芯片中光信号的模斑尺寸约为几百纳米，耦合器将光纤等大模斑光学器件中的光信号耦合进入波导或硅基光学芯片中传输，按照光纤与硅基光学芯片的相对位置，耦合器可以分为平面耦合和垂直耦合两种。

平面耦合，也称边缘耦合(Edge Coupler)，指光纤和硅基光学芯片位于同一平面，通过锥形波导等方式进行耦合。垂直耦合，也称为光栅耦合(Grating Coupler)，利用光栅的衍射效应进行耦合，由于不同衍射级数的衍射光的衍射方向不同，因此可以将光栅耦合器作为改变光信号传输方向的器件，将光纤中传输的光信号耦合到垂直方向(或垂直方向并有微小夹角)的硅基光学芯片中。根据光路可逆，光栅耦合器也可以用来将硅基光学芯片中传输的光信号耦合到垂直方向(或垂直方向并有微小夹角)的光纤中。

并不是所有的入射光信号经过光栅的衍射后都可以耦合到硅基光学芯片之中，或从硅基光学芯片中耦合出去，只有满足布拉格条件的光才能有效地进行耦合。如图1所示，当两束入射光以入射角α入射至光栅表面后，出射为另外两束光，以出射角β出射；当出射光相干增强时，光程差需要满足以下相干增强条件：

dsin(α+β)＝mλ

其中d是光栅常数，亦即光栅周期，λ为光波在介质中的波长，m是光栅的衍射级数。

对于单模光纤，光波的中心波长一定，即λ一定，选取适当的d，可使α＝0°，β＝90°，则：

d＝mλ

其中，λ＝λ₀/n_eff，λ₀为光波在真空中的波长，n_eff为光栅的有效折射率。

利用不同衍射级数的衍射光进行耦合，对应不同的光栅周期。当衍射级数m取值为1时，得到：

d＝λ₀/n_eff

如图2所示，通过光栅耦合器进行光信号的耦合，由于零级衍射光不改变光的传输方向，因此，大部分零级衍射光不能有效地耦合到光栅之中，而是泄露到了衬底材料中。由于零级衍射光所包含的能量占入射光总能量的比例最大，造成了光信号能量的损失。实际应用中，通常以光束指向性作为衡量指标，光束指向性即指沿着特定方向传输的光能量占据入射光总能量的比例。因此，现有技术中，光栅耦合器的光束指向性较差，是一个亟待解决的技术问题。

此外，影响光栅耦合器的光束指向性的因素还有光栅的对称性。如图2所示，由单模光纤耦合进入到光栅耦合器中的光，经过光栅衍射后，会分成几乎对称的两部分。而在这两部分之中，往往只有一部分耦合进入硅基光学芯片，另一部分则成了自然损耗，这也导致了光栅耦合器的耦合效率很低，进而影响了光栅耦合器的光束指向性。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种具有光栅耦合器的硅基光学芯片，所述光栅耦合器包括：

衬底；

光栅结构，至少包括第一光栅层和第二光栅层，所述第二光栅层和所述第一光栅层依次设置于所述衬底之上，所述第一光栅层和所述第二光栅层交错排列；

波导结构，至少包括第一波导层和第二波导层，所述第一波导层沿所述第一光栅层的光栅周期排列方向与所述第一光栅层连接，所述第二波导层沿所述第二光栅层的光栅周期排列方向与所述第二光栅层连接。

根据本发明的一个方面，其中所述第一波导层与所述第一光栅层的连接处和所述第二波导层与所述第二光栅层的连接处上下对齐。

根据本发明的一个方面，其中所述第一波导层的截面面积小于所述第二波导层的截面面积。

根据本发明的一个方面，其中所述光栅耦合器进一步包括：

包层，所述光栅结构和所述波导结构被所述包层包裹，其中：

所述光栅结构和所述波导结构的材料相同，所述包层与所述光栅结构的材料不同，以提供不同的介电常数。

根据本发明的一个方面，所述硅基光学芯片中：

所述第一光栅层和所述第二光栅层的尺寸、周期、占空比均相同，所述第一光栅层和所述第二光栅层间隔预设长度排列，所述预设长度小于所述第一光栅层的周期；或

所述第一光栅层和所述第二光栅层的尺寸、周期相同，占空比不同，所述第一光栅层和所述第二光栅层对齐排列；或

所述第一光栅层和所述第二光栅层的尺寸、占空比相同，周期不同，所述第一光栅层和所述第二光栅层对齐排列；或

所述第一光栅层和所述第二光栅层的尺寸、周期、占空比中的一项或多项不同，并且所述第一光栅层和所述第二光栅层间隔预设长度排列。

根据本发明的一个方面，所述硅基光学芯片进一步包括：

单层硅，设置于所述第二波导层之下，并配置成：

所述第一波导层中的光信号在传输过程中耦合到所述第二波导层，所述第二波导层中的光信号在传输过程中耦合到所述单层硅。

根据本发明的一个方面，其中所述光栅结构的占空比从所述第一波导层与所述第一光栅层的连接处开始由大变小。

根据本发明的一个方面，其中所述光栅结构的周期从所述第一波导层与所述第一光栅层的连接处开始由小变大。

根据本发明的一个方面，所述硅基光学芯片中：

所述光栅耦合器接收单模光纤传输的光信号，通过所述光栅结构进行耦合，通过所述波导结构传输，最终耦合到所述单层硅中。

根据本发明的一个方面，其中所述光信号的光能量在所述第一光栅层和所述第二光栅层之间等分或非等分。

本发明的多个实施例所提供的具有光栅耦合器的硅基光学芯片，通过多层光栅中相邻两层光栅交错排列，提高了光栅耦合器的整体耦合效率，进而增强了由单模光纤传输至光栅耦合器的入射光信号的光束指向性。通过在多层光栅的对应位置处设置多层光波导，使得耦合进入多层光栅的光信号沿着对应的多层光波导进行传输，并在传输过程中逐层耦合，最终耦合进入硅基光学芯片的芯片接口，进一步提高了光栅耦合器的信号接收效率。其中多层光栅的制造工艺成熟，很容易与SOI芯片集成，在不增加工艺复杂度和成本的前提下，提高了硅基光学芯片的信号接收效率，对于硅光通信和激光雷达等光电子应用领域具有重要的意义。此外，通过改变多层光栅中部分或全部层的光栅周期和/或占空比，使得多层光栅中部分或全部层的光栅周期向着芯片接口的传输方向由大变小，和/或占空比向着芯片接口的传输方向由小变大，进一步解决了由于光栅的对称性引入的衍射光信号的自然损耗问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本申请要求保护的范围。

图1示出了反射型光栅中光波的传输路径；

图2示出了现有技术中的光栅耦合器及入射光信号的泄漏和损耗；

图3示出了本发明的一个实施例所提供的具有光栅耦合器的硅基光学芯片；

图4示出了本发明的一个实施例所提供的具有光栅耦合器的硅基光学芯片中光信号的传输路径；

图5示出了本发明的一个实施例所提供的光栅耦合器中的光栅结构；

图6示出了本发明的一个实施例所提供的光栅耦合器中的光栅结构；

图7示出了本发明的一个实施例所提供的光栅耦合器中的光栅结构；

图8示出了本发明的一个实施例所提供的具有光栅耦合器的硅基光学芯片；

图9示出了本发明的一个实施例所提供的光栅耦合器中的波导结构；

图10示出了本发明的一个实施例所提供的具有光栅耦合器的硅基光学芯片；

图11示出了本发明的一个实施例所提供的光栅耦合器中的光栅结构；

图12示出了本发明的一个实施例所提供的光栅耦合器中的光栅结构；

图13示出了本发明的一个实施例所提供的硅基光学芯片及其与单模光纤的耦合；

图14示出了本发明的一个实施例所提供的具有光栅耦合器的硅基光学芯片的立体示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种具有光栅耦合器的硅基光学芯片，通过在衬底材料上制备多层光栅结构，以提高光栅耦合器的光束指向性。具体地，通过多层光栅中的相邻两层光栅交错排列，使得入射光信号从其中的第一层光栅泄漏的部分(零级衍射光)通过其中的第二层光栅再次发生衍射作用，提高了光栅耦合器整体的耦合效率。并且，制备氮化硅结构或硅结构的光栅，该工艺已经广泛应用于标准CMOS生产线中，不会增加额外的工艺复杂性和制造成本，制备出的具有光栅耦合器的硅基光学芯片，可以提高对于光纤传输或波导传输的光信号的接收效率。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，本发明提供一种具有光栅耦合器100的硅基光学芯片，光栅耦合器100包括光栅结构110、波导结构120和衬底130。其中：

光栅结构110至少包括第一光栅层111和第二光栅层112，第二光栅层112和第一光栅层111依次设置于衬底130之上，第一光栅层111和第二光栅层112交错排列，以使入射到光栅耦合器100的光信号经第一光栅层111发生衍射作用、耦合进入第一光栅层111后，泄漏的部分光信号(即零级衍射光信号)经过第二光栅层112再次发生衍射作用、耦合进入第二光栅层112。入射到光栅耦合器100的光信号经过多层光栅反复发生衍射作用，大部分耦合进入了各层光栅之中，从而使泄漏到衬底之中的光能量降低。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，入射光信号经过第一光栅层111发生衍射作用，m1级(不妨设为一级衍射)的衍射光分量耦合进入第一光栅层111，沿着第一光栅层111的光栅周期的排列方向传输。入射光信号的零级衍射光分量不改变传输方向，但由于零级衍射光分量经过了两种介质的交界面，零级衍射光分量发生了微小角度的偏移，并沿着与原入射光方向平行的方向继续传输。零级衍射光分量经过第二光栅层112发生衍射作用，m2级(同样可以为一级衍射或其他级数的衍射)的衍射光分量耦合进入第二光栅层112，沿着第二光栅层112的光栅周期的排列方向传输。第二光栅层112对泄漏光信号(第一次衍射的零级衍射光)再次耦合，提高了入射光信号的利用率，降低了泄漏到衬底之中的光能量。

根据本发明的一个实施例，光栅结构110包括多层光栅，所述多层光栅中的相邻两层光栅交错排列。对于多层光栅，使相邻两层光栅交错排列，即使得相邻两层光栅中的第一光栅层的刻蚀部分与相邻两层光栅中的第二光栅层的非刻蚀部分部分或全部重合，使得相邻两层光栅中的第一光栅层的非刻蚀部分与相邻两层光栅中的第二光栅层的刻蚀部分部分或全部重合，从第一光栅层泄漏的光信号(零级衍射光)经过第二光栅层时再次发生衍射作用，部分耦入第二光栅层之中。所述使相邻两层光栅的交错排列可以通过如下方式实现：

可选地，以光栅结构110包括两层光栅为例，如图5所示，两层光栅的尺寸、周期、占空比均相同，第一光栅层111与第二光栅层112之间错开预设长度排列(如图中虚线所示)，该预设长度小于等于光栅周期d。

可选地，以光栅结构110包括两层光栅为例，如图6所示，两层光栅的尺寸、周期相同，占空比不同，两层光栅对齐排列，由于占空比不同而呈现两层光栅交错排列的效果，即第一光栅层111的刻蚀部分与第二光栅层112的非刻蚀部分部分或全部重合，第一光栅层111的非刻蚀部分与第二光栅层112的刻蚀部分部分或全部重合。

可选地，以光栅结构110包括两层光栅为例，如图7所示，两层光栅的尺寸、占空比相同，周期不同，两层光栅对齐排列，由于周期不同而呈现两层光栅交错排列的效果，即第一光栅层111的刻蚀部分与第二光栅层112的非刻蚀部分部分或全部重合，第一光栅层111的非刻蚀部分与第二光栅层112的刻蚀部分部分或全部重合。

可选地，光栅结构110包括多层光栅，所述多层光栅的各项参数，包括周期、占空比、尺寸中的一项或多项不同，和/或所述多层光栅中的相邻层光栅之间错开预设长度排列，通过计算机软件仿真，调整各项参数及所述预设长度，使得入射光信号在各层光栅中均发生衍射作用，经过多次耦合，使得最终泄漏到衬底之中的光能量最少，即光栅耦合器100的整体耦合效率最高。

本发明的上述多个实施例所提供的具有光栅耦合器100的硅基光学芯片，通过多层光栅中相邻两层光栅交错排列，提高了光栅耦合器的整体耦合效率，进而增强了由单模光纤传输至光栅耦合器的入射光信号的光束指向性。其中多层光栅的制造工艺成熟，在不增加工艺复杂度和成本的前提下，大大提高了硅基光学芯片的信号接收效率。

根据本发明的一个实施例，如图8所示，波导结构120至少包括第一波导层121和第二波导层122，第一波导层121沿第一光栅层111的光栅周期排列方向与第一光栅层111连接，第二波导层122沿第二光栅层112的光栅周期排列方向与第二光栅层112连接。通过光纤或波导传输的光信号通过耦合，部分进入第一光栅层111(不妨设为入射光的m1级衍射光分量)、部分进入第二光栅层112(不妨设为入射光的m2级衍射光分量)，第一光栅层111中耦合的光信号沿着第一波导层121传输，第二光栅层112中耦合的光信号沿着第二波导层122传输。第一波导层121中传输的光信号在传输过程中逐渐耦合(泄漏)进入第二波导层122之中。

根据本发明的一个实施例，如图8所示，其中波导结构120中的第一波导层121与第一光栅层111的连接处和第二波导层122与第二光栅层112的连接处上下对齐。第一波导层121的截面面积小于第二波导层122的截面面积。第一光栅层111与对应的第一波导层121沿图中所示的虚线连接，第二光栅层112与对应的第二波导层122沿图中所示的虚线连接，第一光栅层111与第一波导层121的连接处，与第二光栅层112与第二波导层122的连接处对齐。

入射光信号经过耦合，部分衍射光分量进入第一光栅层111，并沿着第一波导层121传输，经过再次耦合，部分衍射光分量进入第二光栅层112，并沿着第二波导层122传输。第一波导层121中传输的光信号在传输过程中逐渐耦合(泄漏)进入第二波导层122之中。通过对波导结构120的多层波导的形状、尺寸进行设计，能够使第一波导层121在传输过程中将传输光信号的大部分耦合(泄漏)进入第二波导层122中，可选地，再由第二波导层122耦合(泄漏)进入硅基光学芯片的芯片接口。

如图9所示，根据本发明的一个实施例，第一波导层121的截面面积小于第二波导层122的截面面积，光信号在第一波导层121中传输的过程中，能够大部分耦合到第二波导层122之中。相邻波导层的上下重合的面积越大，进入第二波导层的光能比例越高。相反，相邻波导层上下重合的面积越小，则进入第二波导层的光能比例越低。通过计算机软件仿真，可以得到波导结构120的多层波导的最佳截面积比。

根据本发明的一个实施例，光栅结构110包括多层光栅，所述多层光栅中的相邻两层光栅交错排列，波导结构120包括多层波导，以使耦合进入各层光栅中的光信号沿着对应的波导层传输，并在传输过程中将所述光信号耦合入下一层波导。

本发明的上述多个实施例所提供的具有光栅耦合器100的硅基光学芯片，通过多层光栅中相邻两层光栅交错排列，并在多层光栅的对应位置处设置多层光波导，使得耦合进入多层光栅的光信号沿着对应的多层光波导进行传输，并在传输过程中逐层耦合，最终耦合进入硅基光学芯片的芯片接口，进一步提高了光栅耦合器的信号接收效率。

根据本发明的一个实施例，如图10所示，光栅耦合器100进一步包括包层140和隔离层150。

在光栅耦合器100的衬底130上形成隔离层150，隔离层150位于衬底130和光栅结构110之间。在光栅耦合器100的隔离层150上形成包层140，光栅结构110被包层140所包裹。如图10所示，以光栅结构110包括两层光栅为例，分别为第一光栅层111、第二光栅层112，包层140位于隔离层150与第二光栅层112之间、第二光栅层112与第一光栅层111之间，以及第一光栅层111的上方。可选地，光栅结构110与波导结构120采用相同的材料制成，如硅或氮化硅，包层140与光栅结构110采用不同的材料制成，如二氧化硅，以提供与光栅结构110不同的介电常数或反射因子，使入射光信号在光栅结构110与包层140的交界面发生衍射；同时，包层140与隔离层150均对光栅耦合器100中的光栅结构110、波导结构120起到保护作用。

如背景技术中的图2所示，由于光栅的对称性，入射光经过光栅发生衍射作用，几乎形成了对称的两部分，沿着光栅周期的排列方向向着两个相反的方向传输。在向相反方向传输的这两部分光信号之中，往往只有一部分是可以被硅基光学芯片的芯片接口所接收的，另一部分则成了自然损耗。根据本发明的一个实施例，如图11所示，本发明提供一种具有光栅耦合器100的硅基光学芯片，光栅耦合器100包括光栅结构110，光栅结构110包括多层光栅，例如图中所示的两层光栅，该多层光栅的光栅周期不是恒定的，而是向着芯片接口的传输方向由大变小，根据谐振方程：

d sin(α+β)＝mλ

在入射光在介质中的中心波长λ、入射光的入射角α、衍射级数m均不变的情况下，光栅周期d由大变小，可以将衍射光的出射角β提高到接近90°，进而将更多的衍射光分量的耦合到向着芯片接口的传输方向。

根据本发明的一个实施例，如图12所示，本发明提供一种光栅耦合器，该光栅耦合器包括光栅结构110，光栅结构110包括多层光栅，例如图中所示的两层光栅，该多层光栅的占空比不是恒定的，而是向着芯片接口的传输方向由小变大。由于衍射光分量会向着有效折射率高的方向传输，而单层光栅的有效折射率通过如下公式计算：

n_eff＝dc*n_eff1+(1-dc)*n_eff2

其中，dc为单层光栅的占空比，n_eff1为未刻蚀部分对于入射光的有效折射率，即光栅材料对于入射光的有效折射率，n_eff2为刻蚀部分对于入射光的有效折射率，即包层材料或真空对于入射光的有效折射率。

由于光栅材料对于入射光的有效折射率n_eff1大于包层材料对于入射光的有效折射率n_eff2，当单层光栅的占空比dc逐渐增加时，单层光栅的有效折射率n_eff也逐渐增加，进而将更多的衍射光分量耦合到向着芯片接口的传输方向。

本发明的上述多个实施例所提供的具有光栅耦合器100的硅基光学芯片，通过改变多层光栅中部分或全部层的光栅周期和/或占空比，使得多层光栅中部分或全部层的光栅周期向着芯片接口的传输方向由大变小，和/或占空比向着芯片接口的传输方向由小变大，进一步解决了由于光栅的对称性造成的入射光信号的自然损耗问题。

根据本发明的一个实施例，如图13所示，本发明所提供的硅基光学芯片进一步包括：单层硅300。

将单层硅300设置于第二波导层122之下，作为硅基光学芯片的芯片接口。第一波导层121中的光信号在传输过程中耦合到第二波导层122之中，第二波导层122中的光信号在传输过程中耦合到单层硅300之中。

根据本发明的一个实施例，如图13所示，光栅耦合器100进一步配置成：

接收单模光纤200传输的光信号，使所述光信号耦入光栅结构110，并通过波导结构120传输所述光信号，并将所述光信号耦入单层硅300。

根据本发明的一个实施例，光栅耦合器100中，由单模光纤入射的光信号的光能量在所述多层光栅中等分或非等分。入射光信号经第一光栅层111发生衍射作用、耦合进入第一光栅层111后，泄漏的部分光信号(即零级衍射光信号)经过第二光栅层112再次发生衍射作用、耦合进入第二光栅层112。入射光信号经过多层光栅反复发生衍射作用，入射光信号大部分耦合进入了各层光栅中，入射光信号的光能量在多层光栅之间分配，可选地，根据计算机软件仿真结果确定入射光信号的光能量在各层光栅之间的分配情况。

本发明的上述多个实施例所提供的具有光栅耦合器的硅基光学芯片，通过多层光栅中相邻两层光栅交错排列，提高了光栅耦合器的整体耦合效率，进而增强了由单模光纤传输至光栅耦合器的入射光信号的光束指向性。并且，相较于单层光栅，多层光栅提供了更多的结构灵活度，通过控制多层光栅的光栅周期、占空比及位置关系，能够实现更好的高斯强度模斑分布；多层光栅对刻蚀深度的要求及制程容差降低，更加工艺友好。通过在多层光栅的对应位置处设置多层光波导，使得耦合进入多层光栅的光信号沿着对应的多层光波导进行传输，并在传输过程中逐层耦合，最终耦合进入硅基光学芯片的芯片接口中，进一步提高了光栅耦合器的信号接收效率。且该多层光栅的制造工艺成熟，在不增加工艺复杂度和成本的前提下，能够制造出包括该光栅耦合器的信号接收效率更高的硅基光学芯片。本发明所提供的包括光栅耦合器100的硅基光学芯片，其中一个实施例的立体实物图如图14所示。

上文所述的衬底130包括SOI(Silicon-On-Insulator)衬底，SOI技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层，制备光栅耦合器中的SOI结构可以通过已有技术实现，即在制备光栅耦合器时使用SOI产品作为基础。

根据本发明的一个实施例，制备上文所述的光栅结构110中的多层光栅的材料相同或不同，制备所述多层光栅的材料包括：

氮化硅、硅、氧化硅、Ⅲ-Ⅴ族材料、铌酸锂中的一种或多种。

根据本发明的一个实施例，制备上文所述的衬底130、隔离层150、包层140的材料相同或不同，制备衬底130、隔离层150、包层140的材料包括：

硅、二氧化硅中的一种或多种。

本发明的上述多个实施例所提供的具有光栅耦合器的硅基光学芯片，通过多层光栅中相邻两层光栅交错排列，提高了光栅耦合器的整体耦合效率，进而增强了由单模光纤传输至光栅耦合器的入射光信号的光束指向性。通过在多层光栅的对应位置处设置多层光波导，使得耦合进入多层光栅的光信号沿着对应的多层光波导进行传输，并在传输过程中逐层耦合，最终耦合进入硅基光学芯片的芯片接口中，进一步提高了光栅耦合器的信号接收效率。且该多层光栅的制造工艺成熟，很容易与SOI芯片集成，在不增加工艺复杂度和成本的前提下，提供了硅基光学芯片的信号接收效率，对于硅光通信和激光雷达等光电子应用领域具有重要的意义。此外，通过改变多层光栅中部分或全部层的光栅周期和/或占空比，使得多层光栅中部分或全部层的光栅周期向着芯片接口的传输方向由大变小，和/或占空比向着芯片接口的传输方向由小变大，进一步解决了由于光栅的对称性引入的衍射光信号的自然损耗问题。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (9)

1.一种具有光栅耦合器的硅基光学芯片，其特征在于，所述光栅耦合器包括：

衬底；

光栅结构，至少包括第一光栅层和第二光栅层，所述第二光栅层和所述第一光栅层依次设置于所述衬底之上，所述第一光栅层和所述第二光栅层交错排列；

波导结构，至少包括第一波导层和第二波导层，所述第一波导层沿所述第一光栅层的光栅周期排列方向与所述第一光栅层连接，所述第二波导层沿所述第二光栅层的光栅周期排列方向与所述第二光栅层连接，

其中所述硅基光学芯片还包括单层硅，设置于所述第二波导层之下，并配置为使得：

所述第一波导层中的光信号在传输过程中耦合到所述第二波导层，所述第二波导层中的光信号在传输过程中耦合到所述单层硅。

2.如权利要求1所述的具有光栅耦合器的硅基光学芯片，其中所述第一波导层与所述第一光栅层的连接处和所述第二波导层与所述第二光栅层的连接处上下对齐。

3.如权利要求2所述的具有光栅耦合器的硅基光学芯片，其中所述第一波导层的截面面积小于所述第二波导层的截面面积。

4.如权利要求1-3中任一项所述的具有光栅耦合器的硅基光学芯片，其中所述光栅耦合器进一步包括：

包层，所述光栅结构和所述波导结构被所述包层包裹，其中：

所述光栅结构和所述波导结构的材料相同，所述包层与所述光栅结构的材料不同，以提供不同的介电常数。

5.如权利要求1-3中任一项所述的具有光栅耦合器的硅基光学芯片，其中

所述第一光栅层和所述第二光栅层的尺寸、周期、占空比均相同，所述第一光栅层和所述第二光栅层间隔预设长度排列，所述预设长度小于所述第一光栅层的周期；或

所述第一光栅层和所述第二光栅层的尺寸、周期相同，占空比不同，所述第一光栅层和所述第二光栅层对齐排列；或

所述第一光栅层和所述第二光栅层的尺寸、占空比相同，周期不同，所述第一光栅层和所述第二光栅层对齐排列；或

所述第一光栅层和所述第二光栅层的尺寸、周期、占空比中的一项或多项不同，并且所述第一光栅层和所述第二光栅层间隔预设长度排列。

6.如权利要求1-3中任一项所述的具有光栅耦合器的硅基光学芯片，其中所述光栅结构的占空比从所述第一波导层与所述第一光栅层的连接处开始由大变小。

7.如权利要求1-3中任一项所述的具有光栅耦合器的硅基光学芯片，其中所述光栅结构的周期从所述第一波导层与所述第一光栅层的连接处开始由小变大。

8.如权利要求1-3中任一项所述的具有光栅耦合器的硅基光学芯片，其中

所述光栅耦合器接收单模光纤传输的光信号，通过所述光栅结构进行耦合，通过所述波导结构传输，最终耦合到所述单层硅中。

9.如权利要求8所述的具有光栅耦合器的硅基光学芯片，其中所述光信号的光能量在所述第一光栅层和所述第二光栅层之间等分或非等分。