CN117369047A - 一种硅波导端面耦合器和半导体器件 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种硅波导端面耦合器，包括：衬底；倒锥结构，设置于衬底的上表面的一端，倒锥结构的侧壁为抛物线形；两个侧锥结构，设置于衬底的上表面，两个侧锥结构关于倒锥结构的对称轴对称分布；矩形波导结构，设置于衬底的上表面，且与倒锥结构靠近衬底的中心的一端相连接；上包层，覆盖衬底、倒锥结构、侧锥结构和矩形波导结构。本公开还提供了一种半导体器件。

Description

一种硅波导端面耦合器和半导体器件

技术领域

本公开涉及光通信、光传感和光计算技术领域，尤其涉及一种硅波导端面耦合器和半导体器件。

背景技术

随着硅基光电子芯片集成技术的迅速发展，硅光子学的研究和商业化得到了加强，其中将硅应用于光子学的关键因素在于硅波导具有尺寸紧凑、均匀性优异和损耗低的优点。然而，硅基SOI(silicon on insulator)波导的横截面尺寸通常为450×220nm，单模光纤的光模斑尺寸约为8-10μm，当光从光纤传入硅波导时传输损耗很大导致耦合效率较低。为提高光互连过程中的耦合效率，目前主要通过光栅耦合器，模斑转换器(Spot SizeConverter，SSC)以及在光纤与波导中插入透镜或棱镜的耦合方案。光栅耦合器采用底金属反射器、底布拉格反射器和非均匀光栅来提高光栅的耦合性能，但其对波长敏感并对偏振态具有选择性。而透镜或棱镜的方式导致了大尺寸的局限性，不利于高集成度发展趋势。基于模斑转换的端面耦合器，具有较高的耦合效率且具有较低的偏振敏感性。

目前模斑转换器通常使用锥形结构或倒锥结构实现波导器件与光纤的连接，克服单模光纤和波导在有效折射率、芯径尺寸等方面的差异，将光纤中的模式尺寸逐渐演化成纳米波导的模式尺寸，从而实现高效耦合。但这种锥形转换器锥度的急剧变化会产生较大的散射损耗，其长度通常在几百个微米，这对于光子器件来说尺寸较大。

发明内容

鉴于上述问题，本公开提供了一种硅波导端面耦合器和半导体器件。

根据本公开的第一个方面，提供了一种硅波导端面耦合器，包括：

衬底；

倒锥结构，设置于上述衬底的上表面的一端，上述倒锥结构的侧壁为抛物线形；

两个侧锥结构，设置于上述衬底的上表面，两个上述侧锥结构关于上述倒锥结构的对称轴对称分布；

矩形波导结构，设置于上述衬底的上表面，且与上述倒锥结构靠近上述衬底的中心的一端相连接；

上包层，覆盖上述衬底、上述倒锥结构、上述侧锥结构和上述矩形波导结构。

可选地，上述倒锥结构远离上述矩形波导结构的一端的端点为上述倒锥结构的侧壁所对应的抛物线的顶点。

可选地，上述倒锥结构的高度与上述矩形波导结构的高度相同；

上述倒锥结构与上述矩形波导结构相连接的一端的宽度与上述矩形波导结构的宽度相同。

可选地，上述侧锥结构与上述倒锥结构之间的距离大于0μm且小于5μm。

可选地，上述侧锥结构的高度与上述倒锥结构的高度相同，上述侧锥结构的长度小于或等于上述倒锥结构的长度；

上述侧锥结构的形状包括长方体。

可选地，上述倒锥结构的长度大于或等于40μm。

可选地，上述倒锥结构远离上述矩形波导结构的一端的宽度大于或等于0.09μm。

可选地，上述倒锥结构远离上述矩形波导结构的一端和上述衬底、上述侧锥结构对齐。

可选地，上述倒锥结构远离上述矩形波导结构的一侧与光纤或激光器对接。

根据本公开的第二个方面，提供了一种半导体器件，包括如上所述的硅波导端面耦合器。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对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公开中的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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他附图。

图1示意性示出了本公开一实施例提供的一种硅波导端面耦合器的结构示意图；

图2示意性示出了本公开一实施例提供的一种硅波导端面耦合器的俯视图；

图3示意性示出了本公开一实施例提供的一种硅波导端面耦合器的左视图；以及

图4示意性示出了本公开一实施例提供的一种硅波导端面耦合器的主视图。

附图标记说明：

1衬底；2倒锥结构；3侧锥结构；4矩形波导结构；5上包层。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。本领域技术人员还应理解，实质上任意表示两个或更多可选项目的转折连词和/或短语，无论是在说明书、权利要求书还是附图中，都应被理解为给出了包括这些项目之一、这些项目任一方、或两个项目的可能性。例如，短语“A或B”应当被理解为包括“A”或“B”、或“A和B”的可能性。

本公开提供了一种硅波导端面耦合器和半导体器件，该硅波导端面耦合器包括：衬底；倒锥结构，设置于衬底的上表面的一端，倒锥结构的侧壁为抛物线形；侧锥结构，设置于衬底的上表面，且关于倒锥结构的对称轴对称分布；矩形波导结构，设置于衬底的上表面，且与倒锥结构靠近衬底的中心的一端相连接；上包层，覆盖衬底、倒锥结构、侧锥结构和矩形波导结构。本公开提供的硅波导端面耦合器倒锥结构的两侧壁为抛物线形，改善了器件尺寸过大的问题。同时两侧锥结构降低了光耦合损耗，提高了光耦合效率和对准容差。

以下将通过图1～图4对公开实施例的一种硅波导端面耦合器进行详细描述。便于本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案。

图1示意性示出了本公开一实施例提供的一种硅波导端面耦合器的结构示意图。图2示意性示出了本公开一实施例提供的一种硅波导端面耦合器的俯视图。图3示意性示出了本公开一实施例提供的一种硅波导端面耦合器的左视图。图4示意性示出了本公开一实施例提供的一种硅波导端面耦合器的主视图。

如图1所示，在本公开一实施例中，上述硅波导端面耦合器包括：衬底1；倒锥结构2，设置于上述衬底1的上表面的一端，上述倒锥结构2的侧壁为抛物线形；两个侧锥结构3，设置于上述衬底1的上表面，两个上述侧锥结构3关于上述倒锥结构2的对称轴对称分布；矩形波导结构4，设置于上述衬底1的上表面，且与上述倒锥结构2靠近上述衬底1的中心的一端相连接；上包层5，覆盖上述衬底1、上述倒锥结构2、上述侧锥结构3和上述矩形波导结构4。

参考图1～图4，在本实施例中，衬底1的上表面设置有倒锥结构2、两个侧锥结构3和矩形波导结构4，其中，倒锥结构2设置于衬底1的上表面的一端，且倒锥结构2的侧壁为抛物线形。两个侧锥结构3关于倒锥结构2对称分布，本实施例中的侧锥结构3与倒锥结构2之间的距离可以设置为大于0μm且小于5μm。本实施例中还可以将倒锥结构2的高度与矩形波导结构4的高度设置为相同。矩形波导结构4和倒锥结构2相连接，且矩形波导结构4靠近衬底1的中心，本实施例中可以设置倒锥结构2与矩形波导结构4相连接的一端的宽度与矩形波导结构4的宽度相同。硅波导端面耦合器还包括上包层5，上包层5覆盖衬底1、倒锥结构2、两个侧锥结构3和矩形波导结构4。本公开提供的硅波导端面耦合器倒锥结构的两侧壁为抛物线形，改善了器件尺寸过大的问题。同时两个侧锥结构降低了光耦合损耗，提高了光耦合效率和对准容差。

在本公开一实施例中，上述倒锥结构2远离上述矩形波导结构4的一端的端点为上述倒锥结构2的侧壁所对应的抛物线的顶点。

倒锥结构2的侧壁为抛物线形，在本实施例中，为了进一步减小器件的尺寸，本实施例中的倒锥结构2远离矩形波导结构4的一端(即图2中靠近衬底1的左侧边的一端)的端点为倒锥结构2的侧壁所对应的抛物线的顶点。

在本公开一实施例中，上述侧锥结构3的高度与上述倒锥结构2的高度相同，上述侧锥结构3的长度小于或等于上述倒锥结构2的长度；上述侧锥结构3的形状包括长方体。

在本实施例中，侧锥结构3的形状可以选择长方体，侧锥结构3和倒锥结构2的高度相同，侧锥结构3的长度小于倒锥结构2的长度(如图2所示)，也可以将侧锥结构3的长度设置为小于倒锥结构2的长度。

在本公开一实施例中，上述倒锥结构2的长度大于或等于40μm。

在本公开一实施例中，上述倒锥结构2远离上述矩形波导结构4的一端的宽度大于或等于0.09μm。

在本公开一实施例中，上述倒锥结构2远离上述矩形波导结构4的一端和上述衬底1、上述侧锥结构3对齐。

在本实施例中，倒锥结构2远离矩形波导结构4的一端、两个侧锥结构3和衬底1对齐，例如如图2所示，倒锥结构2、两个侧锥结构3和衬底1的左侧对齐，便于与外部器件连接。

在本公开一实施例中，上述倒锥结构2远离上述矩形波导结构4的一侧与光纤或激光器对接。

在本实施例中，倒锥结构2远离矩形波导结构4的一端(参考图2，即图2中的倒锥结构2的左端)与光纤或激光器对接。

基于上述硅波导端面耦合器，本公开还提供了一种半导体器件，该半导体器件包括上述的硅波导端面耦合器。

需要说明的是，上述对于硅波导端面耦合器中各部件尺寸、材料等等的说明仅是示例性的，以便于本领域技术人员理解本公开的方案，并非意在限定本公开的保护范围。在其他一些实施例中，上述硅波导端面耦合器中各部件尺寸、材料等等可以根据实际情况选择，在此不做限定。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种硅波导端面耦合器，其特征在于，包括：

衬底(1)；

倒锥结构(2)，设置于所述衬底(1)的上表面的一端，所述倒锥结构(2)的侧壁为抛物线形；

两个侧锥结构(3)，设置于所述衬底(1)的上表面，两个所述侧锥结构(3)关于所述倒锥结构(2)的对称轴对称分布；

矩形波导结构(4)，设置于所述衬底(1)的上表面，且与所述倒锥结构(2)靠近所述衬底(1)的中心的一端相连接；

上包层(5)，覆盖所述衬底(1)、所述倒锥结构(2)、所述侧锥结构(3)和所述矩形波导结构(4)。

2.根据权利要求1所述的硅波导端面耦合器，其特征在于，所述倒锥结构(2)远离所述矩形波导结构(4)的一端的端点为所述倒锥结构(2)的侧壁所对应的抛物线的顶点。

3.根据权利要求1所述的硅波导端面耦合器，其特征在于，所述倒锥结构(2)的高度与所述矩形波导结构(4)的高度相同；

所述倒锥结构(2)与所述矩形波导结构(4)相连接的一端的宽度与所述矩形波导结构(4)的宽度相同。

4.根据权利要求1所述的硅波导端面耦合器，其特征在于，所述侧锥结构(3)与所述倒锥结构(2)之间的距离大于0μm且小于5μm。

5.根据权利要求1所述的硅波导端面耦合器，其特征在于，所述侧锥结构(3)的高度与所述倒锥结构(2)的高度相同，所述侧锥结构(3)的长度小于或等于所述倒锥结构(2)的长度；

所述侧锥结构(3)的形状包括长方体。

6.根据权利要求1所述的硅波导端面耦合器，其特征在于，所述倒锥结构(2)的长度大于或等于40μm。

7.根据权利要求1所述的硅波导端面耦合器，其特征在于，所述倒锥结构(2)远离所述矩形波导结构(4)的一端的宽度大于或等于0.09μm。

8.根据权利要求1所述的硅波导端面耦合器，其特征在于，所述倒锥结构(2)远离所述矩形波导结构(4)的一端和所述衬底(1)、所述侧锥结构(3)对齐。

9.根据权利要求2所述的硅波导端面耦合器，其特征在于，所述倒锥结构(2)远离所述矩形波导结构(4)的一侧与光纤或激光器对接。

10.一种半导体器件，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的硅波导端面耦合器。