CN116661060B - 端面耦合器及光模块 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种端面耦合器及光模块，该端面耦合器包括衬底和形成于衬底上的波导结构，波导结构包括多层氮化硅层和包裹各层氮化硅层的包层，每层氮化硅层至少包括一个波导单元，所有波导单元分为过渡波导单元、耦合波导单元和终传输波导单元；波导结构划分为信号过渡区、信号转换区、信号耦合区、信号集中区和信号传输区，信号过渡区模拟信号传输器件的信号传输模式，信号转换区将传输来的信号转换为沿各波导单元传输的信号，信号耦合区将过渡波导单元中的信号耦合至耦合波导单元中，信号集中区将耦合波导单元中的信号耦合至终传输波导单元中，信号传输区将传输来的信号传输出。该端面耦合器与信号传输器件有较高的耦合效率。

Description

端面耦合器及光模块
技术领域
本申请实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种端面耦合器及光模块。
背景技术
硅光集成技术是实现高集成度、大带宽的光模块的关键技术，采用大规模集成电路工艺将调制器阵列、探测器阵列、无源器件等集成在同一个芯片上，利用片上集成代替传统的分立器件封装方案，能够大幅度降低封装的难度，提升光模块整体的带宽，并且能够有效降低成本。
硅光集成模块的光引擎由激光器、硅光芯片和光纤等部分组成，为了使得激光器与硅光芯片，以及光纤与硅光芯片的低损耗耦合，在激光器与硅光芯片之间，以及光纤与硅光芯片之间均设置有端面耦合器，以降低激光器与硅光芯片的耦合损耗，以及降低光纤与硅光芯片的耦合损耗。在相关技术中，端面耦合器主要包括光栅耦合器和倒锥型耦合器两大类，其中，光栅耦合器为在波导的端头设计光栅结构实现光栅耦合，利用光纤与光栅的垂直耦合将光输入到硅光芯片；倒锥型耦合器为将硅光芯片端面一侧的波导的端头做成尖锥形，减小光波导的物理尺寸，使得端头的光模场变大。
然而，光栅耦合器的耦合效率不高，而倒锥型耦合器对加工工艺要求很高，加工难度较大。
发明内容
本申请实施例提供一种端面耦合器及光模块，用以解决光栅耦合器的耦合效率不高，而倒锥型耦合器对加工工艺要求很高，加工难度较大的技术问题。
本申请实施例为解决上述技术问题提供如下技术方案：
本申请实施例提供了一种端面耦合器，该端面耦合器连接于信号传输器件，所述端面耦合器包括衬底以及波导结构；
所述波导结构包括在所述衬底上沿第一方向依次形成的多层氮化硅层，以及包裹各层所述氮化硅层的包层，所述波导结构沿第二方向依次划分为信号过渡区、信号转换区、信号耦合区、信号集中区和信号传输区，所述第一方向垂直于所述衬底，所述第二方向垂直于所述第一方向；
每层所述氮化硅层至少包括一个在所述第二方向上延伸的波导单元，所有所述波导单元分为过渡波导单元、耦合波导单元和终传输波导单元；
所述波导结构配置为所述信号过渡区的信号传输模式模拟所述信号传输器件的信号传输模式，所述信号转换区将所述信号过渡区传输来的信号转换为沿各所述波导单元传输的信号，所述信号耦合区将在所述过渡波导单元中传输的信号耦合至所述耦合波导单元中，所述信号集中区将在所述耦合波导单元中传输的信号耦合至所述终传输波导单元中，所述信号传输区将在所述终传输波导单元中传输的信号传输出。
本申请实施例的有益效果：本申请实施例提供的端面耦合器包括衬底以及形成于衬底上的波导结构，波导结构分为五个区域，第一个区域为信号过渡区，该区域设置为模拟信号传输器件的信号传输模式，以使得在信号传输器件中传输的信号绝大部分均能够被耦合到端面耦合器内，进而实现信号传输器件的信号低损耗的信号耦合，波导结构的第二个区域为信号转换区，耦合到信号过渡区的信号经信号转换区转换为沿各波导单元传输的信号，即其传输模式不再与信号传输器件中的信号传输模式类似，波导结构的第二个区域为信号耦合区，用于传输信号的各波导单元划分为三类，分别为过渡波导单元、耦合波导单元和终传输波导单元，在信号过渡区，过渡波导单元、耦合波导单元和终传输波导单元相互配合，以使得端面耦合器在信号过渡区模拟信号传输器件的信号传输模式，在信号转换区，过渡波导单元、耦合波导单元和终传输波导单元分别将信号转换为沿各波导单元传输的信号，在信号耦合区，在过渡波导单元中传输的信号耦合至耦合波导单元中，在信号集中区，在耦合波导单元中传输的信号耦合至终传输波导单元中，在信号传输区，耦合至终传输波导单元中的信号经终传输波导单元传输出，也就是说，该端面耦合器在信号过渡区模拟信号传输器件中的信号传输模式，以使得端面耦合器高效的耦合信号传输器件中传输的信号，然后耦合入端面耦合器的信号经信号转换区转换信号，信号耦合区耦合部分信号，信号集中区集中信号于一条波导单元上，然后经该波导单元在信号传输区将信号传输出，该端面耦合器与信号传输器件有较高的耦合效率，进而能够提供更多的链路损耗预算。
在一种可能的实施方式中，所述包层为二氧化硅包层。
在一种可能的实施方式中，所述衬底为绝缘体上硅晶圆。
在一种可能的实施方式中，每个所述波导单元均包括多个间隔排布的氮化硅条，以及第一氮化硅传输结构；
在每个所述波导单元中，多个间隔排布的氮化硅条组成亚波长光栅结构，所述亚波长光栅结构布置于所述信号过渡区和所述信号转换区，所述亚波长光栅结构配置为模拟所述信号传输器件的信号传输模式；
所述第一氮化硅传输结构为梯形结构，所述第一氮化硅传输结构位于所述信号转换区，在每个所述波导单元中，所述第一氮化硅传输结构的尖端与位于所述信号过渡区末端的所述氮化硅条连接，所述第一氮化硅传输结构的底端覆盖位于所述信号转换区末端的所述氮化硅条。
在一种可能的实施方式中，所述梯形氮化硅结构的尖端在第三方向上的宽度小于150nm，所述第三方向与所述第一方向垂直，且与所述第二方向垂直。
在一种可能的实施方式中，每个所述波导单元还均包括第二氮化硅传输结构，所述第二氮化硅传输结构位于所述信号耦合区；
在每个所述过渡波导单元中，所述第二氮化硅传输结构在第三方向上的宽度沿所述第二方向逐步减小，所述第三方向与所述第一方向垂直，且与所述第二方向垂直；
在每个所述耦合波导单元和每个所述终传输波导单元中，所述第二氮化硅传输结构在所述第三方向上的宽度沿所述第二方向逐步增大。
在一种可能的实施方式中，在每个所述过渡波导单元中，所述第二氮化硅传输结构为梯形结构，且所述第二氮化硅传输结构靠近所述信号转换区一侧的端面，与所述第一氮化硅传输结构靠近所述信号耦合区一侧的端面重合；
在每个所述耦合波导单元中，所述第二氮化硅传输结构为梯形结构，且所述第二氮化硅传输结构与第一氮化硅传输结构形成的整体也为梯形结构。
在一种可能的实施方式中，所述耦合波导单元和所述终传输波导单元还均包括第三氮化硅传输结构，所述第三氮化硅传输结构位于所述信号集中区；
在每个所述耦合波导单元中，所述第三氮化硅传输结构在第三方向上的宽度沿所述第二方向逐步减小；
在每个所述终传输波导单元中，所述第三氮化硅传输结构在所述第三方向上的宽度沿所述第二方向逐步增大。
在一种可能的实施方式中，所述终传输波导单元还包括第四氮化硅传输结构，所述第四氮化硅传输结构位于所述信号传输区；
在每个所述终传输波导单元中，所述第四氮化硅传输结构靠近所述信号集中区一侧的端面，与所述第三氮化硅传输结构靠近所述信号传输区一侧的端面重合。
在一种可能的实施方式中，在每个所述耦合波导单元中，所述第三氮化硅传输结构为梯形结构，且所述第三氮化硅传输结构靠近所述信号耦合区一侧的端面，与所述第二氮化硅传输结构靠近所述信号集中区一侧的端面重合；
在每个所述终传输波导单元中，所述第三氮化硅传输结构与第二氮化硅传输结构形成的整体也为梯形结构，所述第二氮化硅传输结构靠近所述信号转换区一侧的端面，与所述第一氮化硅传输结构靠近所述信号耦合区一侧的端面重合。
在一种可能的实施方式中，所述氮化硅层的数量为三层，三层所述氮化硅层沿所述第一方向依次为第一层氮化硅层、第二层氮化硅层和第三层氮化硅层；
所述第一层氮化硅层包括一个所述波导单元，该波导单元为所述终传输波导单元；
所述第二层氮化硅层包括三个所述波导单元，三个所述波导单元沿第三方向间隔排布，在三个所述波导单元中，位于中间的所述波导单元为所述耦合波导单元，位于两侧的所述波导单元为所述过渡波导单元，所述第三方向与所述第一方向垂直，且与所述第二方向垂直；
所述第三层氮化硅层包括一个所述波导单元，该波导单元为所述过渡波导单元。
在一种可能的实施方式中，所述耦合波导单元的亚波长光栅结构的周期小于各所述过渡波导单元的亚波长光栅结构的周期；
各所述过渡波导单元的亚波长光栅结构的周期相等，且所述终传输波导单元的亚波长光栅结构的周期等于各所述过渡波导单元的亚波长光栅结构的周期。
本申请实施例还提供了一种光模块，该光模块包括硅光芯片和光纤，所述光纤通过端面耦合器连接于所述硅光芯片，所述端面耦合器为上述任一方案所述的端面耦合器，所述光纤与所述端面耦合器的信号过渡区连接。
本申请实施例提供的光模块的有益效果与上述端面耦合器的有益效果相同，在此不再赘述。
除了上面所描述的本申请解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本申请提供的端面耦合器及光模块所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作出进一步详细的说明。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或现有技术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部分实施例，这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例端面耦合器的结构示意图；
图2为第一层氮化硅层的剖视图；
图3为第二层氮化硅层的剖视图；
图4为第三层氮化硅层的剖视图；
图5为本申请实施例端面耦合器的信号过渡区的信号耦合模拟图；
图6为本申请实施例端面耦合器信号耦合的仿真耦合效率图。
附图标记说明：
100、衬底；
110、衬底硅层；120、二氧化硅掩埋层；
200、波导结构；
210、第一层氮化硅层；220、第二层氮化硅层；230、第三层氮化硅层；240、包层；
211、终传输波导单元；
221、过渡波导单元；222、耦合波导单元；
251、氮化硅条；252、第一氮化硅传输结构；253、第二氮化硅传输结构；254、第三氮化硅传输结构；255、第四氮化硅传输结构；
300、信号传输器。
具体实施方式
硅光集成模块的光引擎由激光器、硅光芯片和光纤等部分组成，由于硅光芯片的波导通常为220纳米的厚度，400纳米-500纳米的宽度，而单模光纤的纤芯尺寸为8~10微米直径，用于硅光模块的激光器出光的光模场直径一般在3微米左右，因此外部输入或者输出的光场与硅光芯片的波导的尺寸的巨大差异引起光模场的严重失配，导致激光器输入到硅光芯片以及硅光芯片输出到光纤时，都会引起额外的较大的损耗，从而可能导致整体的光链路预算不足，光模块的传输距离和性能都会受到较大的影响。
为了使得激光器与硅光芯片，以及光纤与硅光芯片的低损耗耦合，在激光器与硅光芯片之间，以及光纤与硅光芯片之间均设置有端面耦合器，以降低激光器与硅光芯片的耦合损耗，以及降低光纤与硅光芯片的耦合损耗。在相关技术中，端面耦合器主要包括光栅耦合器和倒锥型耦合器两大类，其中，光栅耦合器为在波导的端头设计光栅结构实现光栅耦合，利用光纤与光栅的垂直耦合将光输入到硅光芯片，然而，光栅耦合器通过光栅的衍射作用，使得光波从光纤耦合进入波导，光栅耦合器具有空间自由度大，制作工艺简单，方便进行晶圆级测试等优点，但是光栅耦合器的性能会受到达到光栅表面的光的偏振态影响，且工作的波长范围较窄，不适合在波分复用等需要宽谱的光模块中使用。另外，光栅耦合器的耦合损耗一般较大。倒锥型耦合器为将硅光芯片端面一侧的波导的端头做成尖锥形，减小光波导的物理尺寸，使得端头的光模场变大。然而，倒锥型耦合器通常需要将锥形的尖端做到极小来实现低的耦合损耗，导致其对加工工艺要求很高，加工难度较大。
有鉴于此，本申请实施例通过采用多层氮化硅层增大端面耦合器的光场模式，通过在端面耦合器的信号输入端模拟信号传输器件的信号传输模式，提升端面耦合器与信号传输器件的耦合效率，通过将耦合入端面耦合器的信号耦合至一个波导单元中传输出，实现端面耦合器的信号传输。
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，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例
图1为本申请实施例端面耦合器的结构示意图，图2为第一层氮化硅层的剖视图，图3为第二层氮化硅层的剖视图，图4为第三层氮化硅层的剖视图，图5为本申请实施例端面耦合器的信号过渡区的信号耦合模拟图，图6为本申请实施例端面耦合器信号耦合的仿真耦合效率图。
如图1、图2、图3和图4所示，本申请实施例提供的端面耦合器连接于信号传输器300件，端面耦合器包括衬底100以及形成于衬底100上的波导结构200。波导结构200包括在衬底100上沿第一方向（例如图1中z方向）依次形成的多层氮化硅层，以及包裹各层氮化硅层的包层240（图1中的包层未示出），每层氮化硅层至少包括一个在第二方向(例如图1中x方向)上延伸的波导单元，其中，第一方向垂直于衬底100，第二方向垂直于第一方向。所有波导单元分为过渡波导单元221、耦合波导单元222和终传输波导单元211，也就是说，在所有的波导单元中，波导单元有三类，分别为过渡波导单元221、耦合波导单元222和终传输波导单元211。
在本申请实施例中，波导结构200沿第二方向依次划分为信号过渡区、信号转换区、信号耦合区、信号集中区和信号传输区。波导结构200配置为信号过渡区的信号传输模式模拟信号传输器300件的信号传输模式，信号转换区将信号过渡区传输来的信号转换为沿各波导单元传输的信号，信号耦合区将在过渡波导单元221中传输的信号耦合至耦合波导单元222中，信号集中区将在耦合波导单元222中传输的信号耦合至终传输波导单元211中，信号传输区将在终传输波导单元211中传输的信号传输出。
也就是说，波导结构200分为五个区域，第一个区域为信号过渡区，该区域设置为模拟信号传输器300件的信号传输模式，以使得在信号传输器300件中传输的信号绝大部分均能够被耦合到端面耦合器内，进而实现信号传输器300件的信号低损耗的信号耦合，波导结构200的第二个区域为信号转换区，耦合到信号过渡区的信号经信号转换区转换为沿各波导单元传输的信号，即其传输模式不再与信号传输器300件中的信号传输模式类似，波导结构200的第二个区域为信号耦合区，用于传输信号的各波导单元划分为三类，分别为过渡波导单元221、耦合波导单元222和终传输波导单元211，在信号过渡区，过渡波导单元221、耦合波导单元222和终传输波导单元211相互配合，以使得端面耦合器在信号过渡区模拟信号传输器300件的信号传输模式，在信号转换区，过渡波导单元221、耦合波导单元222和终传输波导单元211分别将信号转换为沿各波导单元传输的信号，在信号耦合区，在过渡波导单元221中传输的信号耦合至耦合波导单元222中，在信号集中区，在耦合波导单元222中传输的信号耦合至终传输波导单元211中，在信号传输区，耦合至终传输波导单元211中的信号经终传输波导单元211传输出，也就是说，该端面耦合器在信号过渡区模拟信号传输器300件中的信号传输模式，以使得端面耦合器高效的耦合信号传输器300件中传输的信号，然后耦合入端面耦合器的信号经信号转换区转换信号，信号耦合区耦合部分信号，信号集中区集中信号于一条波导单元上，然后经该波导单元在信号传输区将信号传输出，该端面耦合器与信号传输器300件有较高的耦合效率，进而能够提供更多的链路损耗预算。
在本申请实施例中，衬底100为绝缘体上硅晶圆，其包括衬底硅层110、形成于衬底硅层110上的二氧化硅掩埋层120，形成于二氧化硅掩埋层120上的顶层硅层（图中未示出）。
在本申请实施例中，包层240为二氧化硅包层240。
如图1、图2、图3和图4所示，每个波导单元均包括多个间隔排布的氮化硅条251，以及第一氮化硅传输结构252。在每个波导单元中，多个间隔排布的氮化硅条251组成亚波长光栅结构，亚波长光栅结构布置于信号过渡区和信号转换区，亚波长光栅结构配置为模拟信号传输器300件的信号传输模式，示例性的，在信号传输器300件为光纤时，光纤传输信号的模式为高斯模式，通过调节亚波长光栅结构的周长和占空比，以使得亚波长光栅结构传输信号的模式模拟高斯模式，进而使得增大端面耦合器与光纤的耦合效率。
在本申请实施例中，如图2、图3和图4所示，第一氮化硅传输结构252为梯形结构，第一氮化硅传输结构252位于信号转换区，在每个波导单元中，第一氮化硅传输结构的尖端与位于信号过渡区末端的氮化硅条251连接，第一氮化硅传输结构的底端覆盖位于信号转换区末端的氮化硅条251。第一氮化硅传输结构252将在亚波长光栅结构内传输的信号转换至第一氮化硅传输结构252中。
在本申请的一些实施例中，梯形氮化硅结构的尖端在第三方向（例如图1中y方向）上的宽度小于150nm，其中，第三方向与第一方向垂直，且与第二方向垂直。可选的，梯形氮化硅结构的尖端在第三方向上的宽度为100nm-150nm，梯形氮化硅结构的尖端在第三方向上的宽度过大会降低信号转换率，过小则不易制备。
请继续参阅图2、图3和图4，每个波导单元还均包括第二氮化硅传输结构253，第二氮化硅传输结构253位于信号耦合区。如图2和图3所示，在每个过渡波导单元221中，第二氮化硅传输结构253在第三方向上的宽度沿第二方向逐步减小，第三方向与第一方向垂直，且与第二方向垂直。如图3和图4所示，在每个耦合波导单元222和每个终传输波导单元211中，第二氮化硅传输结构253在第三方向上的宽度沿第二方向逐步增大。本申请实施例利用倏逝波耦合的方式将在过渡波导单元221中传输的信号在信号耦合区耦合至耦合波导单元222中，同时为了避免在终传输波导单元211中传输的信号耦合至耦合波导单元222中，每个终传输波导单元211的第二氮化硅传输结构253在第三方向上的宽度沿第二方向逐步增大。
可选的，在每个过渡波导单元221中，第二氮化硅传输结构253为梯形结构，且第二氮化硅传输结构253靠近信号转换区一侧的端面，与第一氮化硅传输结构252靠近信号耦合区一侧的端面重合，过渡波导单元221中的第二氮化硅传输结构253为梯形结构的设置便于第二氮化硅传输结构253的形成，第二氮化硅传输结构253靠近信号转换区一侧的端面，与第一氮化硅传输结构252靠近信号耦合区一侧的端面重合的设置能够减少信号的损失。
在每个耦合波导单元222中，第二氮化硅传输结构253为梯形结构，且第二氮化硅传输结构253与第一氮化硅传输结构252形成的整体也为梯形结构。此设置便于耦合波导单元222中的第二氮化硅传输结构253的加工。
请继续参阅图3和图4，耦合波导单元222和终传输波导单元211还均包括第三氮化硅传输结构254，第三氮化硅传输结构254位于信号集中区。在每个耦合波导单元222中，第三氮化硅传输结构254在第三方向上的宽度沿第二方向逐步减小，在每个终传输波导单元211中，第三氮化硅传输结构254在第三方向上的宽度沿第二方向逐步增大。本申请实施例利用倏逝波耦合的方式将在耦合波导单元222中传输的信号在信号集中区耦合至终传输波导单元211中。
请继续参阅图4，终传输波导单元211还包括第四氮化硅传输结构255，第四氮化硅传输结构255位于信号传输区。在每个终传输波导单元211中，第四氮化硅传输结构255靠近信号集中区一侧的端面，与第三氮化硅传输结构254靠近信号传输区一侧的端面重合，此设置能够减少第三氮化硅传输结构254传输至第四氮化硅结构时的信号损失。
请继续参阅图4，在本申请的一些实施例中，在每个耦合波导单元222中，第三氮化硅传输结构254为梯形结构，且第三氮化硅传输结构254靠近信号耦合区一侧的端面，与第二氮化硅传输结构253靠近信号集中区一侧的端面重合，此设置能够减少第二氮化硅传输结构253传输至第三氮化硅结构时的信号损失。
在每个终传输波导单元211中，第三氮化硅传输结构254与第二氮化硅传输结构253形成的整体也为梯形结构，此设置便于终传输波导单元211的制备。第二氮化硅传输结构253靠近信号转换区一侧的端面，与第一氮化硅传输结构252靠近信号耦合区一侧的端面重合，此设置能够减少第一氮化硅传输结构252传输至第二氮化硅结构时的信号损失。
在本申请的一些实施例中，如图1、图2、图3和图4所示，氮化硅层的数量为三层，三层氮化硅层沿第一方向依次为第一层氮化硅层210、第二层氮化硅层220和第三层氮化硅层230。其中，第一层氮化硅层210包括一个波导单元，该波导单元为终传输波导单元211，第二层氮化硅层220包括三个波导单元，三个波导单元沿第三方向间隔排布，在三个波导单元中，位于中间的波导单元为耦合波导单元222，位于两侧的波导单元为过渡波导单元221，第三层氮化硅层230包括一个波导单元，该波导单元为过渡波导单元221。示例性的，在信号传输器300件为光纤时，光纤传输信号的模式为高斯模式，如图5所示，图5为本申请实施例端面耦合器信号耦合的侧视模拟图，图5中展示的圆的内部为光场模式，其显示为中心强，周边弱的光场模式，符合光纤内信号的传输模式。
如图2、图3和图4所示，耦合波导单元222的亚波长光栅结构的周期小于各过渡波导单元221的亚波长光栅结构的周期，各过渡波导单元221的亚波长光栅结构的周期相等，且终传输波导单元211的亚波长光栅结构的周期等于各过渡波导单元221的亚波长光栅结构的周期。
本申请实施例通过采用多层氮化硅层增大端面耦合器的光场模式，每一层氮化硅采用亚波长光栅结构，通过调控亚波长光栅结构的折射率，使得整个端面耦合器在端面处的模式接近高斯模式，提升端面耦合器与光纤的耦合效率，耦合进端面耦合器的光通过倏逝波耦合的方式最终耦合进其中一个波导单元中。即，本申请实施例提供的端面耦合器通过调控端面耦合器的信号传输的模式，使其接近光纤中的信号传输模式（高斯模式），由此实现端面耦合器中信号传输的模式与光纤中信号传输的模式相似，从而实现极高的耦合效率。
本申请实施例还提供了一种光模块，该光模块包括硅光芯片和光纤，所述光纤通过端面耦合器连接于所述硅光芯片，所述端面耦合器为上述任一方案所述的端面耦合器，所述光纤与所述端面耦合器的信号过渡区连接。实施例二
本申请实施例提供了一种端面耦合器，如图1、图2、图3和图4所示，该端面耦合器如实施例一提供的端面耦合器，衬底100选为绝缘体上硅晶圆，衬底100中的二氧化硅掩埋层的厚度为2μm，顶层硅层（图中未示出）的厚度为220nm，第一层氮化硅层210、第二层氮化硅层220和第三层氮化硅层230在第一方向上的厚度均为0.4μm，氮化硅条251在第三方向上的宽度为0.6μm，亚波长光栅结构的周期为300nm，亚波长光栅结构的占空比为0.5，第一层氮化硅层210在第二方向上的中心线至第二层氮化硅层220在第二方向上的中心线的垂直距离为1.2μm，第二层氮化硅层220在第二方向上的中心线至第三层氮化硅层230在第二方向上的中心线的垂直距离为1.2μm。
对上述端面耦合器进行信号耦合的仿真实验，结果如图6所示，由图6可以看出，本申请实施例提供的端面耦合器在O波段的耦合效率均大于90%，在O波段的耦合损耗小于1dB。
其中，“上”、“下”等的用语，是用于描述各个结构在附图中的相对位置关系，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本申请可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本申请可实施的范畴。
需要说明的是：在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
此外，在本申请中，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申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种端面耦合器，其特征在于，连接于信号传输器件，所述端面耦合器包括衬底以及波导结构；
所述波导结构包括在所述衬底上沿第一方向依次形成的多层氮化硅层，以及包裹各层所述氮化硅层的包层，所述波导结构沿第二方向依次划分为信号过渡区、信号转换区、信号耦合区、信号集中区和信号传输区，所述第一方向垂直于所述衬底，所述第二方向垂直于所述第一方向；
每层所述氮化硅层至少包括一个在所述第二方向上延伸的波导单元，所有所述波导单元分为过渡波导单元、耦合波导单元和终传输波导单元；
所述波导结构配置为所述信号过渡区的信号传输模式模拟所述信号传输器件的信号传输模式，所述信号转换区将所述信号过渡区传输来的信号转换为沿各所述波导单元传输的信号，所述信号耦合区将在所述过渡波导单元中传输的信号耦合至所述耦合波导单元中，所述信号集中区将在所述耦合波导单元中传输的信号耦合至所述终传输波导单元中，所述信号传输区将在所述终传输波导单元中传输的信号传输出；
每个所述波导单元均包括多个间隔排布的氮化硅条，以及第一氮化硅传输结构；
在每个所述波导单元中，多个间隔排布的氮化硅条组成亚波长光栅结构，所述亚波长光栅结构布置于所述信号过渡区和所述信号转换区，所述亚波长光栅结构配置为模拟所述信号传输器件的信号传输模式；
所述第一氮化硅传输结构为梯形结构，所述第一氮化硅传输结构位于所述信号转换区，在每个所述波导单元中，所述第一氮化硅传输结构的尖端与位于所述信号过渡区末端的所述氮化硅条连接，所述第一氮化硅传输结构的底端覆盖位于所述信号转换区末端的所述氮化硅条。
2.根据权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于，每个所述波导单元还均包括第二氮化硅传输结构，所述第二氮化硅传输结构位于所述信号耦合区；
在每个所述过渡波导单元中，所述第二氮化硅传输结构在第三方向上的宽度沿所述第二方向逐步减小，所述第三方向与所述第一方向垂直，且与所述第二方向垂直；
在每个所述耦合波导单元和每个所述终传输波导单元中，所述第二氮化硅传输结构在所述第三方向上的宽度沿所述第二方向逐步增大。
3.根据权利要求2所述的端面耦合器，其特征在于，在每个所述过渡波导单元中，所述第二氮化硅传输结构为梯形结构，且所述第二氮化硅传输结构靠近所述信号转换区一侧的端面，与所述第一氮化硅传输结构靠近所述信号耦合区一侧的端面重合；
在每个所述耦合波导单元中，所述第二氮化硅传输结构为梯形结构，且所述第二氮化硅传输结构与第一氮化硅传输结构形成的整体也为梯形结构。
4.根据权利要求2所述的端面耦合器，其特征在于，所述耦合波导单元和所述终传输波导单元还均包括第三氮化硅传输结构，所述第三氮化硅传输结构位于所述信号集中区；
在每个所述耦合波导单元中，所述第三氮化硅传输结构在第三方向上的宽度沿所述第二方向逐步减小；
在每个所述终传输波导单元中，所述第三氮化硅传输结构在所述第三方向上的宽度沿所述第二方向逐步增大。
5.根据权利要求4所述的端面耦合器，其特征在于，所述终传输波导单元还包括第四氮化硅传输结构，所述第四氮化硅传输结构位于所述信号传输区；
在每个所述终传输波导单元中，所述第四氮化硅传输结构靠近所述信号集中区一侧的端面，与所述第三氮化硅传输结构靠近所述信号传输区一侧的端面重合。
6.根据权利要求4所述的端面耦合器，其特征在于，在每个所述耦合波导单元中，所述第三氮化硅传输结构为梯形结构，且所述第三氮化硅传输结构靠近所述信号耦合区一侧的端面，与所述第二氮化硅传输结构靠近所述信号集中区一侧的端面重合；
在每个所述终传输波导单元中，所述第三氮化硅传输结构与第二氮化硅传输结构形成的整体也为梯形结构，所述第二氮化硅传输结构靠近所述信号转换区一侧的端面，与所述第一氮化硅传输结构靠近所述信号耦合区一侧的端面重合。
7.根据权利要求1-6任一项所述的端面耦合器，其特征在于，所述氮化硅层的数量为三层，三层所述氮化硅层沿所述第一方向依次为第一层氮化硅层、第二层氮化硅层和第三层氮化硅层；
所述第一层氮化硅层包括一个所述波导单元，该波导单元为所述终传输波导单元；
所述第二层氮化硅层包括三个所述波导单元，三个所述波导单元沿第三方向间隔排布，在三个所述波导单元中，位于中间的所述波导单元为所述耦合波导单元，位于两侧的所述波导单元为所述过渡波导单元，所述第三方向与所述第一方向垂直，且与所述第二方向垂直；
所述第三层氮化硅层包括一个所述波导单元，该波导单元为所述过渡波导单元。
8.根据权利要求7所述的端面耦合器，其特征在于，所述耦合波导单元的亚波长光栅结构的周期小于各所述过渡波导单元的亚波长光栅结构的周期；
各所述过渡波导单元的亚波长光栅结构的周期相等，且所述终传输波导单元的亚波长光栅结构的周期等于各所述过渡波导单元的亚波长光栅结构的周期。
9.一种光模块，其特征在于，包括硅光芯片和光纤，所述光纤通过端面耦合器连接于所述硅光芯片，所述端面耦合器为权利要求1-8任一项所述的端面耦合器，所述光纤与所述端面耦合器的信号过渡区连接。
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