CN115808736A - 光耦合器、光芯片和光通信设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光耦合器，应用于光通信领域。光耦合器包括掩埋层、支撑层、波导层和上包层。在高度方向上，支撑层在掩埋层和波导层之间。波导层在支撑层和上包层之间。在宽度方向上，波导层和支撑层位于上包层内部。波导层和支撑层的材料不同。本申请中，支撑层在上包层内部。因此，支撑层两侧包括上包层。光信号的能量可以分散在支撑层的两侧，从而降低波导层中心附近的能量分布不均的程度，降低光耦合器的耦合损耗。

Description

光耦合器、光芯片和光通信设备

技术领域

本申请涉及光通信领域，尤其涉及光耦合器、光芯片和光通信设备。

背景技术

在光通信领域中，不同光器件支持的模斑尺寸可能不同。例如，不同光器件包括光纤和光收发模块。光收发模块支持的模斑尺寸一般小于1微米。标准的单模光纤支持的模斑尺寸约等于10微米。两者的模斑尺寸差距过大，导致光纤和光收发模块直接耦合的损耗过大。

为此，可以通过光耦合器改变光信号的模斑大小，实现不同光器件的光耦合。例如，图1为光耦合器在宽度方向上的截面示意图。如图1所示，光耦合器包括掩埋层101、波导层102和上包层103。在图1中，Y轴为宽度方向，X轴为高度方向。垂直于X轴和Y轴的Z轴为传输方向。传输方向包括传输正方向和传输反方向。沿着传输正方向，波导层102的面积不断减小，上包层103的面积不断增大，掩埋层101的面积不变。光信号沿传输方向传输。对于来自光纤的沿传输反方向传输的反向光信号，光耦合器用于缩小反向光信号的模斑，向光收发模块传输缩小模斑后的反向光信号。对于来自光收发模块的沿传输正方向传输的正向光信号，光耦合器用于放大正向光信号的模斑，向光纤传输放大模斑后的正向光信号。其中，在实现光耦合的过程中，光纤的中心对准波导层102的中心。

在实际应用中，上包层103的折射率大于掩埋层101的折射率。因此，随着波导层102的面积不断减小，光信号的能量主要分散在上包层103。此时，光信号在掩埋层101上的能量远小于在上包层103上的能量，造成光耦合器和光纤耦合的损耗较大。

发明内容

本申请提供了一种光耦合器、光芯片和光通信设备，通过增加支撑层，可以降低波导层中心附近的能量分布不均的程度，进而降低光耦合器的耦合损耗。

本申请第一方面提供了一种光耦合器。光耦合器包括掩埋层、支撑层、波导层和上包层。其中，在高度方向上，支撑层在掩埋层和波导层之间。波导层在支撑层和上包层之间。在宽度方向上，波导层和支撑层位于上包层内部。波导层和支撑层的材料不同。

本申请中，支撑层位于上包层内部。因此，支撑层两侧包括上包层。光信号的能量可以分散在支撑层的两侧，从而降低波导层中心附近的能量分布不均的程度，降低光耦合器的耦合损耗。

本申请中，支撑层是一种波导结构，可以是刻蚀掩埋层形成的波导，也可以是沉积形成的波导，还可以是外延或者其他方式形成的，本申请不限制。支撑层用于支撑波导，但不具备传输光信号的作用。

由于支撑层波导的形状与波导层渐变形状一样，处于波导层的下方，使得波导层可以被上包层对称填充，进而降低光耦合器的耦合损耗。

在本申请第一方面的一种可选方式中，在宽度方向上，波导层的中心位置和上包层的中心位置的距离小于50纳米。其中，减小波导层的中心位置和上包层的中心位置的距离，可以进一步降低波导层中心附近的能量分布不均的程度，从而降低耦合损耗。

在本申请第一方面的一种可选方式中，在宽度方向上，上包层的形状为正方形或圆形。其中，当光耦合器与光纤耦合时，正方形或圆形的上包层可以进一步降低耦合损耗。

在本申请第一方面的一种可选方式中，光耦合器用于与光纤相连。光纤的直径为b微米。正方形的宽度a在区间b±0.5微米内，或，圆形的直径a在区间b±0.5微米内。此时，a和b的差值小于或等于0.5微米。其中，当上包层的直径或宽度接近光纤的直径时，可以进一步降低耦合损耗。

在本申请第一方面的一种可选方式中，在传输方向上，支撑层包括第一端面和第二端面。第一端面的面积大于第二端面的面积。其中，输出沿传输正方向传输的正向光信号的端面为第二端面。输出沿传输反方向传输的反向光信号的端面为第一端面。当第二端面的面积较小时，可以有效降低第二端面上波导层中心附近的能量分布不均的程度，从而降低损耗。

在本申请第一方面的一种可选方式中，沿第一端面到第二端面的方向上，支撑层的宽度逐渐减小。其中，支撑层的宽度逐渐减小，上包层在宽度方向上的截面面积不断增大。因此，本申请可以进一步降低波导层中心附近的能量分布不均的程度，降低耦合损耗。

在本申请第一方面的一种可选方式中，第二端面的宽度小于120纳米。其中，第二端面的宽度越小，上包层的截面面积越大。当上包层的截面面积越大时，波导层中心附近的能量分布越均匀。本申请限定第二端面的宽度小于120纳米，可以降低波导层中心附近的能量分布不均的程度，从而降低耦合损耗。

在本申请第一方面的一种可选方式中，在传输方向上，上包层覆盖第二端面。其中，通过覆盖第二端面，可以进一步提高上包层的截面面积，降低波导层中心附近的能量分布不均的程度，降低耦合损耗。

在本申请第一方面的一种可选方式中，在传输方向上，波导层为梯形结构。其中，沿传输正方向，波导层的宽度逐渐减小。当波导层包括上波导层和下波导层时，波导层为梯形结构是指上波导层和/或下波导层为梯形结构。在传输正方向，梯形结构的波导层有利于将正向光信号分散在上包层中，降低波导层中心附近的能量分布不均的程度，从而降低耦合损耗。

在本申请第一方面的一种可选方式中，波导层包括上波导层和下波导层。在宽度方向上，下波导层的宽度大于上波导层的宽度。其中，上波导层也可以称为脊波导。将波导层分为上波导层和下波导层，一方面有利于降低波导的传输损耗，另一方面有利于在高度方向上扩大沿传输正方向传输的光信号的模斑，从而降低波导层中心附近的能量分布不均的程度，从而降低耦合损耗。

在本申请第一方面的一种可选方式中，上波导层包括第一部分和第二部分。在传输方向上，第一部分为矩形结构。第一部分的宽度在400纳米到2000纳米之间。第二部分为梯形结构。梯形结构最小的宽度小于120纳米。

在本申请第一方面的一种可选方式中，在传输方向上，下波导层包括第三端面和第四端面。下波导层为梯形结构。第三端面的宽度大于第四端面的宽度。第四端面的宽度小于120纳米。其中，梯形结构的下波导层有利于将光信号分散在上包层中，降低波导层中心附近的能量分布不均的程度，从而降低耦合损耗。

在本申请第一方面的一种可选方式中，在传输方向上，下波导层在掩埋层上的投影和支撑层在掩埋层上的投影重合。其中，当下波导层在掩埋层上的投影和支撑层在掩埋层上的投影重合时，下波导层和支撑层的宽度相同。下波导层和支撑层的宽度相同时，可以减小加工过程中的工艺步骤。因此，本申请可以降低加工过程中的成本。

在本申请第一方面的一种可选方式中，上包层的材料的折射率大于支撑层的材料的折射率。其中，当上包层的材料的折射率大于支撑层的材料的折射率时，在传输正方向上，正向光信号的能量逐渐分散在上包层，可以降低波导层中心附近的能量分布不均的程度，从而降低耦合损耗。

在本申请第一方面的一种可选方式中，支撑层的材料的折射率小于波导层的材料的折射率。其中，当支撑层的材料的折射率小于波导层的材料的折射率时，在传输反方向上，反向光信号的能量逐渐集中在波导层上，从而降低耦合损耗。

在本申请第一方面的一种可选方式中，支撑层的材料为二氧化硅。

在本申请第一方面的一种可选方式中，支撑层的材料和掩埋层的材料相同。其中，当支撑层的材料和掩埋层的材料相同时，可以通过刻蚀工艺得到支撑层和掩埋层。因此，本申请可以降低加工过程中的成本。

在本申请第一方面的一种可选方式中，光耦合器还包括衬底。在高度方向上，掩埋层在衬底和支撑层之间。

在本申请第一方面的一种可选方式中，光耦合器还包括本体部。本体部还包括本体掩埋层、本体波导层和本体上包层。本体波导层在本体掩埋层和本体上包层之间。本体波导层和波导层的厚度相同。

本申请第二方面提供了一种光芯片。光芯片包括第一光器件和光耦合器。光耦合器用于从第二光器件接收反向光信号。光耦合器用于缩小反向光信号的模斑，得到缩小模斑后的反向光信号。光耦合器用于向第一光器件传输缩小模斑后的反向光信号。第一光器件器件用于对缩小模斑后的反向光信号进行处理。

在本申请第二方面的一种可选方式中，第一光器件为光收发模块。光收发模块用于解调缩小模斑后的反向光信号，得到输入电信号。

在本申请第二方面的一种可选方式中，第一光器件用于向光耦合器传输正向光信号。光耦合器用于放大正向光信号的模斑，得到放大模斑后的正向光信号。光耦合器用于输出放大模斑后的正向光信号。

在本申请第二方面的一种可选方式中，第一光器件为光收发模块。光收发模块用于根据输出电信号得到第二光信号。

本申请第三方面提供了一种光通信设备。光通信设备包括处理器和光芯片。光芯片用于接收反向光信号，根据反向光信号得到输入电信号。处理器用于对输入电信号进行数据处理。

在本申请第三方面的一种可选方式中，处理器还用于生成输出电信号。光芯片还用于根据输出电信号得到正向光信号，输出正向光信号。

本申请第四方面提供了一种光耦合器的制备方法。制备方法包括以下步骤：提供晶圆。在高度方向上，晶圆包括衬底、底层和波导层。底层在波导层和衬底之间。刻蚀晶圆的两侧。刻蚀的深度到达底层的内部，将底层分为宽度不同的支撑层和掩埋层。其中，在高度方向上，支撑层在掩埋层和波导层之间。支撑层的宽度小于掩埋层的宽度。刻蚀后的波导层的宽度小于掩埋层的宽度。在刻蚀后的晶圆上外延生长上包层。

在本申请第四方面的一种可选方式中，制备方法包括以下步骤：刻蚀上包层，使得在宽度方向上，上包层的形状为正方形或圆形。

在本申请第四方面的一种可选方式中，刻蚀后的晶圆包括宽度不同的上波导层和下波导层。在高度方向上，下波导层在支撑层和上波导层之间，下波导层的宽度大于下波导的宽度。

附图说明

图1为光耦合器在宽度方向上的截面示意图；

图2a为本申请中提供的光耦合器的第一个三维结构示意图；

图2b为本申请中提供的光耦合器的主视图；

图2c为本申请中提供的光耦合器的第一个俯视图；

图2d为本申请中提供的光耦合器的第一个截面示意图；

图2e为本申请中提供的光耦合器的第二个截面示意图；

图2f为本申请中提供的光耦合器的第三个截面示意图；

图2g为本申请中提供的光耦合器的第四个截面示意图；

图2h为本申请中提供的光耦合器的第五个截面示意图；

图3为本申请中提供的圆形上波导层的截面示意图；

图4a为本申请中提供的光耦合器的第二个三维结构示意图；

图4b为本申请中提供的光耦合器的第二个俯视图；

图4c为本申请中提供的光耦合器的第六个截面示意图；

图5为本申请中提供的光耦合器的结构示意图；

图6为本申请中提供的光芯片的结构示意图；

图7为本申请中提供的光通信设备的结构示意图；

图8为本申请中提供的光通信系统的结构示意图；

图9为本申请中提供的光耦合器的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

本申请提供了一种光耦合器、光芯片和光通信设备，通过增加支撑层，可以降低波导层中心附近的能量分布不均的程度，进而降低光耦合器的耦合损耗。应理解，本申请中使用的“第一”、“第二”、“正向”、“反向”等仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。另外，为了简明和清楚，本申请多个附图中重复参考编号和/或字母。重复并不表明各种实施例和/或配置之间存在严格的限定关系。

本申请中的光耦合器可以应用于光通信领域。在光通信领域中，不同光器件支持的模斑尺寸可能不同。为此，可以通过光耦合器改变光信号的模斑大小，实现不同光器件的光耦合。但是，在图1所示的光耦合器中，光信号在波导层102的中心附近的能量分布不均，导致光耦合器的耦合损耗较大。

为此，本申请中提供了一种光耦合器。图2a为本申请中提供的光耦合器的第一个三维结构示意图。在图2a中，Y轴为宽度方向。X轴为高度方向。Z轴为传输方向。传输方向可以分为传输正方向和传输负方向。图2a中Z轴的箭头方向为传输正方向。Z轴的箭头反方向为传输反方向。沿传输正方向传输的光信号称为正向光信号。沿传输反方向传输的光信号称为反向光信号。

本申请中，为了方便展示光耦合器的内部结构，在光耦合器的三维结构示意图和俯视图中对上包层204做透明化处理。如图2a所示，光耦合器包括掩埋层201、支撑层202、波导层203和上包层204。图2b为本申请中提供的光耦合器的主视图。如图2b所示，在高度方向上，支撑层202在掩埋层201和波导层203之间。波导层203在支撑层202和上包层204之间。波导层203和掩埋层201上覆盖有上包层204。为了扩大光信号在高度方向上的模斑，波导层203可以包括上波导层和下波导层。例如，在图2b中，波导层203包括上波导层2032和下波导层2031。下波导层2031在支撑层202和上波导层2032之间。

掩埋层201的材料可以为二氧化硅、或石英等。支撑层202的材料可以为氧化物、或氟化物等。其中，氧化物可以是二氧化硅、氧化镁或氧化铝等。波导层203的材料可以为铌酸锂薄膜、硅、氮化硅、或磷化铟等。当波导层203包括上波导层2032和下波导层2031时，上波导层2032和下波导层2031的材料可以相同，也可以不同。上包层204的材料可以为氮氧化硅、氧化物、氟化物等。为了降低加工过程中的成本，掩埋层201和支撑层202的材料可以相同。例如，掩埋层201和支撑层202的材料为二氧化硅。为了让正向光信号的能量主要分散在上包层204中，上包层204的材料的折射率可以大于支撑层202和掩埋层201的材料的折射率。为了让反向光信号的能量主要集中在波导层203中，波导层203材料的折射率可以大于上包层204的材料的折射率。

在本申请中，光耦合器可以用于放大正向光信号的模斑。光耦合器还可以用于缩小反向光信号的模斑。因此，光耦合器的结构可以沿传输方向发生变化。例如，图2c为本申请中提供的光耦合器的第一个俯视图。如图2c所示，光耦合器的结构沿中心线对称。截面(或端面)1～5将光耦合器分为4个部分。4个部分分别为截面1到截面2之间的部分1、截面2到截面3之间的部分2、截面3到截面4之间的部分3、截面4到截面5之间的部分4。其中，截面1～5垂直于传输方向。截面1为光耦合器的截止截面。截面2为下波导层2031和支撑层202的截止截面。截面3为上波导层2032的截止截面。截面4为上波导层2032的第一部分和第二部分的交界截面。截面4为支撑层202的截止截面。截面5为光耦合器的截止截面。下面根据截面示意图2d～2h对4个部分分别进行描述。应理解，本申请中提供的光耦合器的具体尺寸只是一个或多个示例，不应当作为限制本申请的保护范围的条件。

图2d为本申请中提供的光耦合器的第一个截面示意图。图2d为截面1的截面示意图。如图2d所示，光耦合器包括掩埋层201和上包层204。上包层204的厚度为6500纳米。上包层204的宽度为6500纳米。掩埋层201的宽度和上包层204的宽度相同。掩埋层201的厚度为1700纳米。

图2e为本申请中提供的光耦合器的第二个截面示意图。图2e为截面2的截面示意图。图2e也可以称为光耦合器的左视图。如图2e所示，光耦合器包括掩埋层201、支撑层202、下波导层2031和上包层204。下波导层2031的厚度为250纳米。下波导层2031的宽度为100纳米。支撑层202的宽度和下波导层2031的宽度相同。支撑层202的厚度为3000纳米。截面1到截面2的距离等于500微米。从截面1到截面2，部分1中的上包层204和掩埋层201的厚度和宽度未发生变化。上包层204的截面面积未发生变化。

图2f为本申请中提供的光耦合器的第三个截面示意图。图2f为截面3的截面示意图。如图2f示，光耦合器包括掩埋层201、支撑层202、下波导层2031、上波导层2032和上包层204。上波导层2032的厚度为250纳米。上波导层2032的宽度为100纳米。下波导层2031的宽度为1200纳米。支撑层202的宽度为1200纳米。截面2到截面3的距离等于100微米。从截面2到截面3，部分2中的上包层204的厚度和宽度未发生变化。上包层204的截面面积逐渐减小。掩埋层201的厚度和宽度未发生变化。支撑层202和下波导层2031的厚度未发生变化。支撑层202和下波导层2031的宽度的逐渐增加。

图2g为本申请中提供的光耦合器的第四个截面示意图。图2g为截面4的截面示意图。如图2g示，光耦合器包括掩埋层201、支撑层202、下波导层2031、上波导层2032和上包层204。上波导层2032的宽度为1200纳米。下波导层2031的宽度为2600纳米。支撑层202宽度为2600纳米。截面3到截面4的距离等于100微米。从截面3到截面4，部分3中的上包层204的厚度和宽度未发生变化。上包层204的截面面积逐渐减小。掩埋层201的厚度和宽度未发生变化。支撑层202和下波导层2031的厚度未发生变化。支撑层202和上波导层2032的宽度逐渐增加。上波导层2032和下波导层2031的厚度未发生变化。下波导层2031的宽度的逐渐增加。

图2h为本申请中提供的光耦合器的第五个截面示意图。图2h为截面5的截面示意图。图2h也可以称为光耦合器的右视图。如图2h示，光耦合器包括掩埋层201、支撑层202、下波导层2031、上波导层2032和上包层204。下波导层2031的宽度为4000纳米。支撑层202宽度为4000纳米。截面4到截面5的距离等于100微米。部分4中的上包层204的厚度和宽度未发生变化。上包层204的截面面积逐渐减小。掩埋层201的厚度和宽度未发生变化。上波导层2032的宽度未发生变化。支撑层202和下波导层2031的厚度未发生变化。支撑层202和下波导层2031的宽度的逐渐增加。

在本申请中，根据图2e～图2h可知，支撑层202的两侧包括上包层。因此，光信号的能量可以分散在支撑层202的两侧，从而降低波导层203中心附近的能量分布不均的程度，进而降低光耦合器的耦合损耗。

应理解，图2a～图2h所示的光耦合器只是本申请中提供的一个或多个实例。在实际应用中，本领域技术人员可以根据需求对光耦合器进行适应性的修改。在适应性的修改后，若光耦合器包括支撑层，则仍应当属于本申请的保护范围。适应性的修改包括但不仅限于以下的一项或多项内容。

例如，在前述图2d～图2h中，上包层204的形状为正方形。在实际应用中，上包层204还可以是矩形或圆形。例如，图3为本申请中提供的圆形上波导层的截面示意图。如图3所示，光耦合器包括掩埋层201、支撑层202、下波导层2031、上波导层2032和上包层204。上包层204的形状为圆形。

例如，在前述图2d～图2h中，上包层204的厚度和宽度为6.5微米。在实际应用中，上包层204的边长a可以在区间b±0.5微米内。b为与光耦合器相连的光纤的模场直径。b可以等于10.4微米、6.5微米或3.2微米。类似地，当上包层204的形状为圆形时，圆形的直径a可以在区间b±0.5微米内。

例如，在前述图2d～图2h中，上包层204的中心位置为上包层204对角连线的交点。以光耦合器的左下角为坐标原点，上包层204的中心位置的坐标(Y，X)为(3.25，4.95)。波导层203的中心位置为上波导层2032和下波导层2031交界线的中点。波导层203的中心位置(简称为波导层203的中心)的坐标(Y，X)为(3.25，4.95)。此时，波导层203的中心位置和上包层204的中心位置重合，即波导层203的中心位置和上包层204的中心位置的距离等于0。在实际应用中，波导层203的中心位置和上包层204的中心位置的距离可以不等于0。例如距离等于40纳米。但是，为了尽量降低波导层203中心附近的能量分布不均的程度，可以限定波导层203的中心位置和上包层204的中心位置的距离小于50纳米。应理解，波导层203的中心位置还可以是波导层203的重心。当上波导层2032的厚度大于下波导层2031的厚度时，波导层203的中心位置还可以是上波导层2032的重心。当上波导层2032的厚度小于下波导层2031的厚度时，波导层203的中心位置还还可以是下波导层2031的重心。

例如，在前述图2e～图2h中，支撑层202的宽度等于下波导层2031的宽度。下波导层2031在掩埋层201上的投影和支撑层202在掩埋层201上的投影重合。在实际应用中，支撑层202的宽度可以大于或小于下波导层2031的宽度。在前述图2c中，支撑层202为梯形结构。梯形结构包括第一端面和第二端面。第一端面在截面5上。第二端面在截面2上。第一端面的面积大于第二端面的面积。沿第一端面到第二端面的方向上，支撑层202的宽度逐渐减小。在实际应用中，支撑层202可以为矩形结构。此时，支撑层202的第一端面和第二端面的面积相同。沿第一端面到第二端面的方向上，支撑层202的宽度不变。

例如，在前述图2e中，支撑层202的第二端面的宽度等于100纳米。在实际应用中，第二端面的宽度还可以是其它的数值。例如110纳米、120纳米等。但是，第二端面的宽度越小，上包层204的截面面积越大。当上包层204的截面面积越大时，波导层203中心附近的能量分布越均匀。因此，本申请可以限定第二端面的宽度小于120纳米。

例如，在前述图2c中，上波导层2032包括第一部分和第二部分。第一部分为矩形结构。第一部分在截面5到截面4之间。第一部分的宽度在400纳米到2000纳米之间。第二部分为梯形结构。第二部分在截面4到截面3之间。梯形结构最小的宽度小于120纳米。梯形结构最小的宽度在截面3上。梯形结构最小的宽度等于100纳米。在实际应用中，上波导层2032可以为梯形结构。沿传输正方向，梯形结构的宽度逐渐减小。

例如，在前述图2e中，下波导层2031为梯形结构。梯形结构包括第三端面和第四端面。第三端面在截面5上。第四端面在截面2上。第三端面的宽度大于第四端面的宽度。第四端面的宽度小于120纳米。在实际应用中，下波导层2031可以包括第三部分和第四部分。第三部分在截面4到截面5之间。第三部分为矩形结构。第四部分在截面4到截面2之间。第四部分为梯形结构。

例如，光耦合器还可以包括衬底。在高度方向上，掩埋层201在衬底和支撑层202之间。衬底的材料可以是高阻硅、低阻硅或者石英灯

例如，光耦合器还可以包括本体部。图4a为本申请中提供的光耦合器的第二个三维结构示意图。如图4a所示，光耦合器包括凸出部(图中有填充图案的部分)和本地部(图中未填充图案的部分)。凸出部包括衬底400、掩埋层201、支撑层202、波导层203和上波导层204。凸出部的相关描述可以参考前述图2a～图2h和图3的描述。本体部包括衬底400、本体掩埋层401、本体波导层403和本体上包层402。在高度方向上，本体波导层403在本体掩埋层401和本体上包层402之间。本体掩埋层401在本体波导层403和衬底400之间。本体掩埋层401的厚度等于掩埋层201和支撑层202的厚度之和。本体波导层403包括本体上波导层4032和本体下波导层4031。本体上波导层4032的厚度等于上波导层2032的厚度。本体下波导层4031的厚度等于下波导层2031的厚度。本体下波导层4031的宽度等于下波导层2031的宽度。本体上包层402的材料可以是氮氧化硅、氧化物、或氟化物等。本体掩埋层401的材料可以是氧化物、或氟化物等。

图4b为本申请中提供的光耦合器的第二个俯视图。如图4b所示，光耦合器包括凸出部和本地部。凸出部在截面1至截面5之间。关于凸出部的描述可以参考前述图2c中的相关描述。本体部在截面5和截面6之间。截面5为支撑层202的截止截面。截面6为光耦合器的截止截面。图4c为本申请中提供的光耦合器的第六个截面示意图。图4c为截面6的截面示意图。图4c也可以称为光耦合器的右视图。如图4c所示，光耦合器包括衬底400、本体掩埋层401、本体波导层403和本体上包层402。本体波导层403包括本体上波导层4032和本体下波导层4031。本体上波导层4032和本体下波导层4031上覆盖有本体上包层402。

在图4a中的光耦合器中，本体部的宽度等于凸出部的宽度。在实际应用中，本体部的宽度可以大于凸出部的宽度。此时，本体部可以连接多个凸出部。例如，图5为本申请中提供的光耦合器的结构示意图。如图5所示，光耦合器包括本地部500。本体部的侧边连接有三个凸出部。三个凸出部分别为凸出部501、凸出部502和凸出部503。

前面对本申请中的光耦合器进行描述，下面对本申请中的光芯片进行描述。图6为本申请中提供的光芯片的结构示意图。如图6所示，光芯片600包括光耦合器601和第一光器件602。关于光耦合器601的描述可以参考前述图2a～图2h和图3～图5中的描述。光耦合器601用于从第二光器件603接收反向光信号。光耦合器601用于缩小反向光信号的模斑，得到缩小模斑后的反向光信号。例如，第二光器件603为光纤。在图2a～图2c中，光纤与光耦合器601的左端面(截面1)耦合。光纤的中心对准光耦合器601中波导层203的中心。光耦合器601从左端面接收反向光信号。随着反向光信号在光耦合器601中沿传输反方向传输，反向光信号的能量逐渐集中在波导层203，使得反向光信号的模斑逐渐减小。光耦合器601还用于向第一光器件602传输缩小模斑后的反向光信号。第一光器件602用于对反向光信号进行处理。例如，第一光器件602为光收发模块。光收发模块用于解调反向光信号，得到输入电信号。应理解，第一光器件602还可以是波分复用器、波分解复用器、光开关、模斑转换器、合波器、或分束器等。

在实际应用中，第一光器件602还可以用于向光耦合器601传输正向光信号。例如，第一光器件602是光收发模块。光收发模块用于通过调制输出电信号得到正向光信号。光收发模块用于向光耦合器601传输正向光信号。光耦合器601用于放大正向光信号的模斑，得到放大模斑后的正向光信号。例如，在图2a～图2c中，第一光器件602与光耦合器601的右端面(截面5)耦合。光耦合器601从右端面接收正向光信号。随着正向光信号在光耦合器601中沿传输正方向传输，正向光信号的能量逐渐分散在上包层204，使得正向光信号的模斑逐渐放大。光耦合器601用于向第二光器件603传输放大模斑后的正向光信号。

其中，当光耦合器601为图5所示的光耦合器时，光耦合器包括多个凸出部。光耦合器601可以与多个第二光器件相连。多个第二光器件和多个凸出部一一对应。多个凸出部中传输的多个光信号可以是相同的波长，也可以是不同的波长。例如，当第一光器件602是分束器时，多个光信号具有相同的波长。当第一光器件602是分波器时，多个光信号具有不同的波长。

在实际应用中，第二光器件603还是光开关、或模斑转换器等。此时，第二光器件603可以集成在光芯片600上，即光芯片600还可以包括第二光器件603。

前面对本申请中的光芯片进行描述，下面对本申请中的光通信设备进行描述。图7为本申请中提供的光通信设备的结构示意图。如图7所示，光通信设备700包括光芯片701和处理器702。关于光芯片701的描述可以参考前述6中的描述。光芯片701用于接收反向光信号，根据反向光信号得到输入电信号。具体地，光芯片701包括光耦合器和光收发模块。光耦合器601用于缩小反向光信号的模斑，得到缩小模斑后的反向光信号。光收发模块用于解调反向光信号，得到输入电信号。处理器702用于对输入电信号进行数据处理。

处理器702可以是可以是中央处理器(central processing unit，CPU)，网络处理器(network processor，NP)或者CPU和NP的组合。处理器702还可以进一步包括硬件芯片或其他通用处理器。上述硬件芯片可以是专用集成电路(application specific integratedcircuit，ASIC)，可编程逻辑器件(programmable logic device，PLD)或其组合。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

在其它实施例中，处理器702还可以用于生成输出电信号。光芯片701还用于根据输出电信号得到正向光信号，输出正向光信号。例如，光芯片701是光收发模块。光收发模块用于调制输出电信号，得到正向光信号。光耦合器用于放大正向光信号的模斑，得到放大模斑后的正向光信号。光耦合器用于输出放大模斑后的正向光信号。

前面对本申请中的光通信设备进行描述，下面对本申请中的光通信系统进行描述。图8为本申请中提供的光通信系统的结构示意图。如图8所示，光通信系统包括第一光通信设备801和第二光通信设备802。第一光通信设备801和第二光通信设备802通过光纤相连。第一光通信设备801和第二光通信设备802可以参考前述图7中光通信设备700的相关描述。

第一光通信设备801包括光芯片和处理器。处理器用于根据用于生成输出电信号。光芯片用于根据输出电信号得到正向光信号。具体地，光芯片包括光耦合器和光收发模块。光收发模块用于通过调制输出电信号得到正向光信号。光耦合器用于放大正向光信号的模斑，得到放大模斑后的正向光信号。光耦合器用于向光纤输出放大模斑后的正向光信号。

第一光通信设备801发送的正向光信号作为第二光通信设备802的反向光信号。第二光通信设备802用于通过光纤接收反向光信号。第二光通信设备802包括光芯片和处理器。光芯片用于接收反向光信号号，根据反向光信号得到输入电信号。具体地，光芯片包括光耦合器和光收发模块。光耦合器用于缩小反向光信号的模斑，得到缩小模斑后的反向光信号。光收发模块用于解调反向光信号，得到输入电信号。处理器用于对输入电信号进行数据处理。

类似地，在实际应用中，第二光通信设备802可以通过光纤向第一光通信设备801发送正向光信号。第二光通信设备802发送的正向光信号作为第一光通信设备801的反向光信号。第一光通信设备801接收反向光信号。

前面对本申请中的光通信系统进行描述，下面对本申请中光耦合器的制备方法进行描述。图9为本申请中提供的光耦合器的制备方法的流程示意图。如图9所示，光耦合器的制备方法包括以下步骤。

在步骤901中，提供提供晶圆。在高度方向上，晶圆包括衬底、底层和波导层。底层在波导层和衬底之间。

在步骤902中，刻蚀晶圆的两侧，刻蚀的深度到达底层的内部，将底层分为宽度不同的支撑部和掩埋层，在高度方向上，支撑部在掩埋层和波导层之间。支撑层的宽度小于掩埋层的宽度。刻蚀后的波导层的宽度小于掩埋层的宽度。例如，可以在带有衬底、底层和波导层的晶圆上镀一层铬作为硬掩膜。然后旋涂光刻胶，使用光刻机或电子束曝光机曝上波导层图形。以光刻胶为掩膜干法刻蚀金属铬。以金属铬作为掩膜干法刻蚀晶圆，刻蚀深度为波导层和支撑部的厚度。在刻蚀后，通过湿法腐蚀去除硬掩膜。

在步骤903中，在刻蚀后的晶圆上外延生长上包层。例如，可以使用等离子体增强化学气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)设备在刻蚀后的晶圆上生长上包层。

在生长上包层后，可以使用镀铬膜、光刻及干法刻蚀工艺制作上包层波导的图形掩膜。用金属铬作为掩膜干法刻蚀上包层，使得在宽度方向上，上包层的形状为正方形或圆形。

在前述步骤902中，同一次刻蚀得到了波导层和支撑层。在实际应用中，可以通过增加刻蚀的次数，刻蚀形成宽度不同的上波导层和下波导层。此时，在高度方向上，下波导层在支撑层和上波导层之间，下波导层的宽度大于下波导的宽度。

应理解，关于光耦合器的制备方法的描述，可以参考前述对光耦合器的描述。例如，光耦合器还包括衬底。例如，在传输方向上，支撑层为梯形结构。沿传输正方向，梯形结构的宽度逐渐减小。例如，光耦合器还包括本地部。例如，上波导层包括第一部分和第二部分。在传输方向上，第一部分为矩形结构，第二部分为梯形结构。沿传输正方向，梯形结构的宽度逐渐减小。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (26)

1.一种光耦合器，其特征在于，包括：

掩埋层、支撑层、波导层和上包层；

其中，在高度方向上，所述支撑层在所述掩埋层和所述波导层之间，所述波导层在所述支撑层和所述上包层之间；

在宽度方向上，所述波导层和所述支撑层位于所述上包层内部，所述波导层和所述支撑层的材料不同。

2.根据权利要求1所述的光耦合器，其特征在于，在宽度方向上，所述波导层的中心位置和所述上包层的中心位置的距离小于50纳米。

3.根据权利要求1或2所述的光耦合器，其特征在于，在宽度方向上，所述上包层的形状为正方形或圆形。

4.根据权利要求3所述的光耦合器，其特征在于，所述光耦合器用于与光纤相连，所述光纤的直径为b微米；

其中，所述正方形的宽度a在区间b±0.5微米内，或，所述圆形的直径a在区间b±0.5微米内。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的光耦合器，其特征在于，在传输方向上，所述支撑层包括第一端面和第二端面，所述第一端面的面积大于所述第二端面的面积。

6.根据权利要求5所述的光耦合器，其特征在于，沿所述第一端面到所述第二端面的方向上，所述支撑层的宽度逐渐减小。

7.根据权利要求5或6所述的光耦合器，其特征在于，所述第二端面的宽度小于120纳米。

8.根据权利要求5至7中任意一项所述的光耦合器，其特征在于，在传输方向上，所述上包层覆盖所述第二端面。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的波导层，其特征在于，在传输方向上，所述波导层为梯形结构。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的光耦合器，其特征在于，所述波导层包括上波导层和下波导层，在宽度方向上，所述下波导层的宽度大于所述上波导层的宽度。

11.根据权利要求10所述的光耦合器，其特征值在于，所述上波导层包括第一部分和第二部分，在传输方向上，所述第一部分为矩形结构，所述第一部分的宽度在400纳米到2000纳米之间，所述第二部分为梯形结构，所述梯形结构最小的宽度小于120纳米。

12.根据权利要求10或11所述的光耦合器，其特征值在于，在传输方向上，所述下波导层包括第三端面和第四端面，所述下波导层为梯形结构，其中，所述第三端面的宽度大于所述第四端面的宽度，所述第四端面的宽度小于120纳米。

13.根据权利要求10至12中任意一项所述的光耦合器，其特征在于，在传输方向上，所述下波导层在所述掩埋层上的投影和所述支撑层在所述掩埋层上的投影重合。

14.根据权利要求1至13中任意一项所述的光耦合器，其特征在于，所述上包层的材料的折射率大于所述支撑层的材料的折射率。

15.根据权利要求1至14中任意一项所述的光耦合器，其特征在于，所述支撑层的材料的折射率小于所述波导层的材料的折射率。

16.根据权利要求1至15中任意一项所述的光耦合器，其特征在于，所述支撑层的材料为二氧化硅。

17.根据权利要求1至16中任意一项所述的光耦合器，其特征在于，所述支撑层的材料和所述掩埋层的材料相同。

18.根据权利要求1至17中任意一项所述的光耦合器，其特征在于，所述光耦合器还包括衬底，在高度方向上，所述掩埋层在所述衬底和所述支撑层之间。

19.根据权利要求1至18中任意一项所述的光耦合器，其特征在于，所述光耦合器还包括本体部；

所述本体部还包括本体掩埋层、本体波导层和本体上包层，所述本体波导层在所述本体掩埋层和所述本体上包层之间，所述本体波导层和所述波导层的厚度相同。

20.一种光芯片，其特征在于，包括第一光器件和前述权利要求1至19中任意一项所述的光耦合器；

所述光耦合器用于接收反向光信号，缩小所述反向光信号的模斑，得到缩小模斑后的所述反向光信号，向所述第一光器件传输缩小模斑后的所述反向光信号；

所述第一光器件用于接收缩小模斑后的所述反向光信号，对所述反向光信号进行处理。

21.根据权利要求20所述的光芯片，其特征在于，

所述第一光器件还用于向所述光耦合器传输正向光信号；

所述光耦合器用于放大所述正向光信号的模斑，输出放大模斑后的所述正向光信号。

22.一种光通信设备，其特征在于，包括处理器和前述前述权利要求20或21所述的光芯片；

所述光芯片用于接收反向光信号，根据所述反向光信号得到输入电信号；

所述处理器用于对所述输入电信号进行数据处理。

23.根据权利要求22所述的光通信设备，其特征在于，

所述处理器还用于生成输出电信号，向所述光芯片传输所述输出电信号；

所述光芯片还用于根据所述输出电信号得到正向光信号，输出所述正向光信号。

24.一种光耦合器的制备方法，其特征在于，包括：

提供晶圆，在高度方向上，所述晶圆包括衬底、底层和波导层，所述底层在所述波导层和所述衬底之间；

刻蚀所述晶圆的两侧，刻蚀的深度到达所述底层的内部，将所述底层分为宽度不同的支撑层和掩埋层，其中，在高度方向上，所述支撑层在所述掩埋层和所述波导层之间，所述支撑层的宽度小于所述掩埋层的宽度，刻蚀后的所述波导层的宽度小于所述掩埋层的宽度；

在刻蚀后的所述晶圆上外延生长上包层。

25.根据权利要求24所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：

刻蚀所述上包层，使得在宽度方向上，所述上包层的形状为正方形或圆形。

26.根据权利要求24或25所述的制备方法，其特征在于，刻蚀后的所述晶圆包括宽度不同的上波导层和下波导层，在高度方向上，所述下波导层在所述支撑层和所述上波导层之间，所述下波导层的宽度大于所述下波导的宽度。

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