CN115877509A - 模斑转换结构和光子器件 - Google Patents

Abstract

提供一种模斑转换结构和光子器件。模斑转换结构包括：依次设置的衬底、隔离层和波导层，波导层包括沿远离衬底的方向依次排列的N个分别呈凸起形状的子波导层，N为自然数且N≥3，其中：模斑转换结构具有配置为与集成光波导耦合的第一端面，以及与第一端面相背并且配置为与光纤耦合的第二端面；沿远离衬底的方向，第n+1个子波导层在衬底上的正投影落入第n个子波导层在衬底上的正投影内，n为自然数且1≤n≤N‑1；沿远离第一端面的方向，每个子波导层在衬底上的正投影的宽度呈现收窄趋势；每个子波导层的宽端延伸至第一端面，第1个子波导层的窄端延伸至第二端面或者与第二端面之间具有间距，第n+1个子波导层的窄端与第n个子波导层的窄端之间具有间距。

Description

模斑转换结构和光子器件

技术领域

本公开涉及光子技术领域，特别是涉及一种模斑转换结构和光子器件。

背景技术

光波导是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。光波导主要包括两大类：一类是集成光波导，包括平面介质光波导和条形介质光波导，它们通常作为光电集成器件中的一部分，因此被称为集成光波导；另一类是圆柱形光波导，通常被称为光纤。

集成光波导与光纤的耦合技术在光通信、微波光电子、激光束偏转、波前调制等领域都有着非常广泛和重要的应用，其中，端面耦合是集成光波导与光纤耦合较常采用的一种方式。

然而，由于集成光波导与光纤的模斑差异较大，如何提高两者耦合的效率，一直是本领域技术人员研究的重要课题。

发明内容

本公开实施例提供了一种模斑转换结构和光子器件，以提高集成光波导与光纤之间的耦合效率。

根据本公开的一个方面，提供了一种模斑转换结构，包括：依次设置的衬底、隔离层和波导层，波导层包括沿远离衬底的方向依次排列的N个分别呈凸起形状的子波导层，N为自然数且N≥3，其中：模斑转换结构具有配置为与集成光波导耦合的第一端面，以及与第一端面相背并且配置为与光纤耦合的第二端面；沿远离衬底的方向，第n+1个子波导层在衬底上的正投影落入第n个子波导层在衬底上的正投影内，n为自然数且1≤n≤N-1；沿远离第一端面的方向，每个子波导层在衬底上的正投影的宽度呈现收窄趋势；每个子波导层的宽端延伸至第一端面，第1个子波导层的窄端延伸至第二端面或者与第二端面之间具有间距，第n+1个子波导层的窄端与第n个子波导层的窄端之间具有间距。

在一些实施例中，除第N个和第N-1个子波导层外，其余至少一个子波导层的厚度c满足：c≤200纳米。

在一些实施例中，每个子波导层包括多个波导段，多个波导段包括宽度减小波导段，宽度减小波导段在衬底上的正投影的宽度沿远离第一端面的方向渐变减小；第N个子波导层的多个波导段还包括延伸至第一端面的等宽波导段，等宽波导段在衬底上的正投影的宽度处处相等。

在一些实施例中，每个子波导层包括多个波导段，多个波导段包括宽度减小波导段和等宽波导段，其中，宽度减小波导段在衬底上的正投影的宽度沿远离第一端面的方向渐变减小，等宽波导段在衬底上的正投影的宽度处处相等；第N个子波导层的延伸至第一端面的波导段为等宽波导段；每个子波导层的最靠近第二端面的波导段为等宽波导段。

在一些实施例中，每个子波导层的最靠近第二端面的波导段为横截面呈三角形或梯形的等宽波导段。

在一些实施例中，模斑转换结构还包括：与第一端面和第二端面相交的第一侧面和第二侧面；除第N个子波导层外，其余至少一个子波导层的延伸至第一端面的波导段还延伸至第一侧面和/或第二侧面。

在一些实施例中，N个子波导层在衬底上的正投影相对于同一轴线分别呈轴对称结构。

在一些实施例中，模斑转换结构具有朝向衬底延伸并且曝露出衬底的多个槽，以及设于衬底并将多个槽连通的连通结构，其中，多个槽在衬底上的正投影分布在波导层在衬底上的正投影的两侧。在一些实施例中，至少一个槽曝露于第二端面。

根据本公开的另一个方面，提供了一种光子器件，包括前述任一实施例的模斑转换结构。

根据本公开的一个或多个实施例，可以提高波导层的一些子波导层在厚度和窄端尺寸设计上的自由度，进而也是提高波导层在厚度和窄端尺寸设计上的自由度，从而尽量减少光传输损失，提高模斑转换结构的耦合效率。

根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。

附图说明

在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：

图1是根据本公开一些示例性实施例的模斑转换结构的俯视图；

图2A是根据本公开一些示例性实施例在图1中A-A处的截面示意图；

图2B是根据本公开一些示例性实施例在图1中B-B处的截面示意图；

图2C是根据本公开一些示例性实施例在图1中C-C处的截面示意图；

图2D是根据本公开一些示例性实施例在图1中D-D处的截面示意图；

图2E是根据本公开一些示例性实施例在图1中E-E处的截面示意图；

图3是根据本公开另一些示例性实施例的模斑转换结构的俯视图；以及

图4是根据本公开一些示例性实施例的光子器件的结构框图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

尽管已有的模斑转换器能够在功能上实现集成光波导与光纤的耦合，但由于集成光波导与光纤的模斑差异较大，所以两者的耦合效率并不高，光能损失较大。例如，集成光波导的模斑通常在百纳米级别，而光纤、比如平头光纤的模斑却在十微米级别，损耗的光能量会导致耦合端面发热严重，从而影响到器件的可靠性和使用寿命。其中，耦合效率可以理解为，集成光波导发出的光功率与光纤接收的光功率的比值，或者，光纤发出的光功率与集成光波导接收的光功率的比值。

本公开实施例提供了一种模斑转换结构和光子器件，以提高集成光波导与光纤之间的耦合效率，减少模斑转换的光损耗。

如图1、图2A至图2E所示，本公开一些实施例提供的模斑转换结构100，包括依次设置的衬底101、隔离层102和波导层103。波导层103包括沿远离衬底101的方向依次排列的N个(例如图中所示的4个)分别呈凸起形状的子波导层1030，N为自然数且N≥3，其中：模斑转换结构100具有配置为与集成光波导耦合的第一端面100a，以及与第一端面100a相背并且配置为与光纤耦合的第二端面100b；沿远离衬底101的方向，第n+1个子波导层1030在衬底101上的正投影落入第n个子波导层1030在衬底101上的正投影内，n为自然数且1≤n≤N-1；沿远离第一端面100a的方向，每个子波导层1030在衬底101上的正投影的宽度呈现收窄趋势；每个子波导层1030的宽端延伸至第一端面100a，第1个子波导层1030的窄端延伸至第二端面100b或者与第二端面100b之间具有间距，第n+1个子波导层1030的窄端与第n个子波导层1030的窄端之间具有间距。

沿远离衬底101的方向，N个子波导层1030分别为第1个子波导层、第2个子波导层、第3个子波导层，……，第N-1个子波导层、第N个子波导层。如图1所示的实施例，N＝4，如图3所示的实施例，N＝3。此外，N还可以为其它数目，例如N＝5或者N＝6等。

在本公开实施例中，定义长度方向为光在波导层103中的传输方向，定义宽度方向平行于衬底101且正交于光在波导层103中的传输方向。第一端面100a和第二端面100b大致沿光在波导层103中的传输方向设置。除第一端面100a和第二端面100b外，模斑转换结构100还包括与第一端面100a和第二端面100b相交的第一侧面100c和第二侧面100d。在一个实施例中，第一端面100a和第二端面100b相平行，第一侧面100c和第二侧面100d相平行。

如图2A至图2E所示，在本公开的一些实施例中，模斑转换结构100还包括位于波导层103的远离衬底101的一侧的覆盖层104。波导层103的折射率n1、覆盖层104的折射率n2、隔离层102的折射率n3和衬底101的折射率n4，满足：n1＞n2，n1＞n3。隔离层102和覆盖层104的折射率小于波导层103的折射率，从而可以将光主要限制在波导层103中传输。在波导层103收窄至完全消失后，隔离层102和覆盖层104的靠近第二端面100b的部分形成的波导结构用于光的传输。在本公开的另一些实施例中，模斑转换结构100也可以不包括覆盖层104。

模斑转换结构100的第一端面100a可以作为模斑转换结构100的光输入侧端面，第二端面100b作为模斑转换结构100的光输出侧端面，具体的，光从N个子波导层1030的宽端进入模斑转换结构100，从模斑转换结构100的第二端面100b输出。模斑转换结构100的第一端面100a还可以作为模斑转换结构100的光输出侧端面，第二端面100b作为模斑转换结构100的光输入侧端面，具体的，光从模斑转换结构100的第二端面100b进入模斑转换结构100，从N个子波导层1030的宽端输出。由于隔离层102和覆盖层104的靠近第二端面100b的部分所形成的波导结构的模斑尺寸与光纤的模斑尺寸基本匹配，因此模斑转换结构100能够在第二端面100b与光纤较好的耦合。

相关技术中的一些模斑转换结构，其波导层包括两个子波导层，分别为呈平板状的平板层和凸出于平板层上的脊凸层。虽然沿远离第一端面的方向，两个子波导层在衬底上的正投影的宽度也可以是呈现收窄趋势，但受一侧端面所需耦合集成光波导的尺寸的限制，两个子波导层的厚度，尤其是平板层的厚度无法设计的较小，例如，平板层的厚度通常是在300纳米左右。平板层的厚度较大时，受制作工艺的限制，平板层的窄端宽度很难进一步做窄。

在本公开实施例中，波导层103在形状设计上自由度更高，可以设计的更加平滑(例如图中第1个子波导层可以通过更多数量的波导段呈现更为缓和的宽度收窄)，从而使得从第一端面到第二端面或者从第二端面到第一端面的模斑转换也更加平滑；另一方面，在满足第一端面100a耦合尺寸设计需求的前提下(第N个和第N-1个子波导层的厚度便可以满足第一端面100a耦合尺寸的设计需求)，第1个至第N-2个子波导层的厚度可以根据需求设计的尽量小，第1个至第N-2个子波导层的窄端宽度也可以摆脱制作工艺的限制，可以根据需求设计的尽量窄，从而迫使光更多的从波导层103溢出并继而从第二端面100b输出(第一端面100a为光输入侧端面，第二端面100b为光输出侧端面)或者迫使光更多的进入到波导层103(第二端面100b为光输入侧端面，第一端面100a为光输出侧端面)。

因此，本公开实施例方案，可以提高一些子波导层在厚度和窄端尺寸设计上的自由度，进而也是提高波导层在厚度和窄端尺寸设计上的自由度，从而尽量减少光传输损失，提高模斑转换结构的耦合效率。

在本公开一些实施例中，基于上述改进，除第N个和第N-1个子波导层外，其余至少一个子波导层的厚度c满足：c≤200纳米。以波导层包含4个子波导层为例，第1个子波导层和第2个子波导层中至少一个的厚度可以设计为小于或等于200纳米。以波导层包含3个子波导层为例，则第1个子波导层的厚度可以设计为小于或等于200纳米。

本公开实施例中，每个子波导层可以包括一个或多个波导段，其中，应至少包括宽度减小波导段。宽度减小波导段是指在衬底上的正投影的宽度沿远离第一端面的方向渐变减小的波导段。本公开对各子波导层所包含波导段的数量、结构形状不做具体限定。例如，当子波导层包含多个波导段时，该子波导层的最靠近第二端面的波导段既可以为等宽波导段也可以为宽度减小波导段。等宽波导段是指在衬底上的正投影的宽度处处相等的波导段。以下仅为一些示例性实施例。

在本公开的一些实施例中，每个子波导层包括多个波导段，多个波导段包括宽度减小波导段和等宽波导段，其中，宽度减小波导段在衬底101上的正投影的宽度沿远离第一端面100a的方向渐变减小，例如呈线性或非线性渐变减小，等宽波导段在衬底101上的正投影的宽度处处相等；第N个子波导层的延伸至第一端面100a的波导段为等宽波导段；每个子波导层的最靠近第二端面100b的波导段为等宽波导段。如图1所示的实施例，第3个子波导层包括：沿远离第一端面100a的方向依次设置的第一等宽波导段301、第一宽度减小波导段302和第二等宽波导段303；第1个子波导层和第2个子波导层均包括：沿远离第一端面100a的方向依次设置的第三等宽波导段304、第二宽度减小波导段305、第四等宽波导段306、第三宽度减小波导段307和第五等宽波导段308。当然，各子波导层的波导段的数量可以相同，也可以不同。

在本公开的另一些实施例中，每个子波导层包括多个波导段，多个波导段包括宽度减小波导段，宽度减小波导段在衬底上的正投影的宽度沿远离第一端面的方向呈线性或非线性渐变减小；第N个子波导层的多个波导段还包括延伸至第一端面的等宽波导段，等宽波导段在衬底上的正投影的宽度处处相等。在这些实施例中，除第N个子波导层外，其余子波导层可以只包括宽度减小波导段，也可以同时包括等宽波导段。

本公开实施例中每个子波导层包括至少一个宽度减小波导段，以实现子波导层的宽度收窄，此外，还需要第N个子波导层的延伸至第一端面的波导段为等宽波导段。根据设计需要，至少一个子波导层的最靠近第二端面100b的波导段也可以为等宽波导段或者为宽度减小波导段。

每个子波导层的最靠近第二端面100b的波导段为横截面呈三角形或梯形的等宽波导段，例如，横截面呈等腰三角形或等腰梯形。该设计可以使光更容易在子波导层之间传输，比如经过上层子波导层的靠近第二端面100b的等宽波导段进入到下层子波导层，比如经过第1个子波导层的靠近第二端面100b的等宽波导段进入到隔离层102，从而提高光传输的效率，进一步提高集成光波导与光纤之间的耦合效率。

如图1或图3所示，除第N个子波导层外，每个子波导层(也可以是更靠近衬底的一个或一些子波导层)的延伸至第一端面100a的波导段为同时延伸至第一端面100a、第一侧面100c和第二侧面100d的等宽波导段。这样，可以使模斑转换结构100适配更大模斑的集成光波导，提高模斑转换结构100的适用性。

如图1或图3所示，N个子波导层1030在衬底101上的正投影相对于同一轴线(图中未示出)分别呈轴对称结构。本公开实施例不限于将N个子波导层设计为轴对称结构，其还可以呈现非对称结构，例如，可以仅在单侧呈现宽度收窄的趋势。

在一些实施例中，如图2A至图2E所示，模斑转换结构100还包括位于波导层103的远离衬底101的一侧的覆盖层104，模斑转换结构100具有自覆盖层104的表面朝向衬底101延伸并且曝露出衬底101的多个槽105，以及设于衬底101并将多个槽105连通的连通结构106，其中，多个槽105在衬底101上的正投影分布在波导层103在衬底101上的正投影的两侧。此外，至少一个槽105曝露于第二端面100b。在一些实施例中，模斑转换结构也可以不包含覆盖层，多个槽自隔离层的表面朝向衬底延伸并且曝露出衬底。由于光主要在介质中传输，这样设计对从第二端面100b输入或输出的光具有限制作用，可以防止光经过扩散到衬底101，从而减少光传输损失，实现与光纤更好的耦合，进一步提高集成光波导与光纤之间的耦合效率。

如图4所示，本公开实施例还提供一种光子器件1，包括前述任一实施例的模斑转换结构100。光子器件1的具体产品类型不限，例如可以为电光调制器、分路器(Splitter)、星形耦合器(Star coupler)、可调光衰减器(Variable Optical Attenuator,VOA)、光开关(Optical switch)、光梳(frequency comb)和阵列波导光栅(Array Waveguide Grating,AWG)等。

模斑转换结构100集成设置在光子器件1中，由于模斑转换结构100的耦合效率较高，因此，光子器件1的光损耗较小，性能得到提升。

应当理解的是，在本说明书中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系或尺寸为基于附图所示的方位或位置关系或尺寸，使用这些术语仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，并且因此不能理解为对本公开的保护范围的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本说明书提供了能够用于实现本公开的许多不同的实施方式或例子。应当理解的是，这些不同的实施方式或例子完全是示例性的，并且不用于以任何方式限制本公开的保护范围。本领域技术人员在本公开的说明书的公开内容的基础上，能够想到各种变化或替换，这些都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所附权利要求所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种模斑转换结构，包括：依次设置的衬底、隔离层和波导层，波导层包括沿远离衬底的方向依次排列的N个分别呈凸起形状的子波导层，N为自然数且N≥3，其中：

模斑转换结构具有配置为与集成光波导耦合的第一端面，以及与第一端面相背并且配置为与光纤耦合的第二端面；

沿远离衬底的方向，第n+1个子波导层在衬底上的正投影落入第n个子波导层在衬底上的正投影内，n为自然数且1≤n≤N-1；

沿远离第一端面的方向，每个子波导层在衬底上的正投影的宽度呈现收窄趋势；

每个子波导层的宽端延伸至第一端面，第1个子波导层的窄端延伸至第二端面或者与第二端面之间具有间距，第n+1个子波导层的窄端与第n个子波导层的窄端之间具有间距。

2.根据权利要求1所述的模斑转换结构，其中，

除第N个和第N-1个子波导层外，其余至少一个子波导层的厚度c满足：c≤200纳米。

3.根据权利要求1所述的模斑转换结构，其中，

每个子波导层包括多个波导段，多个波导段包括宽度减小波导段，宽度减小波导段在衬底上的正投影的宽度沿远离第一端面的方向渐变减小；

第N个子波导层的多个波导段还包括延伸至第一端面的等宽波导段，等宽波导段在衬底上的正投影的宽度处处相等。

4.根据权利要求1所述的模斑转换结构，其中，

每个子波导层包括多个波导段，多个波导段包括宽度减小波导段和等宽波导段，其中，宽度减小波导段在衬底上的正投影的宽度沿远离第一端面的方向渐变减小，等宽波导段在衬底上的正投影的宽度处处相等；

第N个子波导层的延伸至第一端面的波导段为等宽波导段；

每个子波导层的最靠近第二端面的波导段为等宽波导段。

5.根据权利要求4所述的模斑转换结构，其中，

每个子波导层的最靠近第二端面的波导段为横截面呈三角形或梯形的等宽波导段。

6.根据权利要求4所述的模斑转换结构，其中，

模斑转换结构还包括：与第一端面和第二端面相交的第一侧面和第二侧面；

除第N个子波导层外，其余至少一个子波导层的延伸至第一端面的波导段还延伸至第一侧面和/或第二侧面。

7.根据权利要求1所述的模斑转换结构，其中，

N个子波导层在衬底上的正投影相对于同一轴线分别呈轴对称结构。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的模斑转换结构，其中，

模斑转换结构具有朝向衬底延伸并且曝露出衬底的多个槽，以及设于衬底并将多个槽连通的连通结构，其中，多个槽在衬底上的正投影分布在波导层在衬底上的正投影的两侧。

9.根据权利要求8所述的模斑转换结构，其中，至少一个槽曝露于第二端面。

10.一种光子器件，包括根据权利要求1至9中任一项所述的模斑转换结构。

Images