CN214225478U - 一种光子集成芯片及其耦合结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光子集成芯片及其耦合结构，该光子集成芯片包括基板、设于基板上的波导层和覆盖层；其耦合结构包括基板、设于基板上的波导层、覆盖层和偏转棱镜，该波导层设有模斑变换区和耦合区，偏转棱镜设于耦合区上方；该偏转棱镜包括临近耦合区的底面，以及与该底面相对倾斜设置的倾斜面；偏转棱镜的折射率大于耦合区的有效折射率，以使光信号在耦合区与偏转棱镜的底面之间折射，从耦合区折射到偏转棱镜内，或者从偏转棱镜折射到耦合区内。本申请采用高折射率棱镜在芯片上波导与芯片外元件之间进行折射耦合，具有带宽高、插损小等优点，还可减小偏振相关损耗，特别适用于芯片与光纤之间的耦合。

Description

一种光子集成芯片及其耦合结构

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光子集成芯片及其耦合结构。

背景技术

在光子集成芯片(Photonic Integrated Chip，PIC)的应用中，光纤与波导之间的光耦合是芯片上和芯片外光学通信系统连接的不可缺少的一部分。光子集成芯片上波导的尺寸与单模光纤之间存在差异，在二者耦合的时候存在较大的耦合损耗，二者之间耦合的效率一直是制约光子集成芯片应用的问题，耦合损耗在整体损耗中占有非常大的比重。

目前常用的耦合方式包括垂直耦合和端面耦合，其中，垂直耦合中，光纤和芯片平面相互垂直(或有一个较小的夹角)，具有损耗低、便于晶圆级测试，但是偏振敏感等特点，在光子集成链路中被广泛使用。垂直耦合常用的耦合结构有光栅耦合器，光栅耦合器以光子集成芯片的顶面或底面为入射面，通过衍射的方式将外部的光信号输入光子集成芯片内部，或者将光子集成芯片内部的光信号输出至芯片外部。

光栅耦合器是利用光的衍射，将波导内的光线偏折后直接耦合到光纤内，或者将光纤输出的光纤偏折到波导内。所以光栅耦合器对光栅周期要求比较严格，需要满足特定波长的衍射条件，因此光栅耦合器的带宽也较小，耦合损耗较大。

发明内容

本申请的目的在于提供一种光子集成芯片及其耦合结构，具有较高的带宽和较小的插损，同时，偏振相关损耗极小。

为了实现上述目的之一，本申请提供了一种光子集成芯片的耦合结构，所述耦合结构包括基板、设于基板上的波导层和覆盖层，所述波导层设有模斑变换区和耦合区，所述耦合结构还包括设于所述耦合区上方的偏转棱镜；

所述偏转棱镜包括临近所述耦合区的底面，以及与所述底面相对倾斜设置的倾斜面；所述偏转棱镜的折射率大于所述耦合区的有效折射率，以使光信号在所述耦合区与所述偏转棱镜之间折射传输。

作为实施方式的进一步改进，所述耦合区包括二维光子晶体结构或者三维光子晶体结构。

作为实施方式的进一步改进，所述二维光子晶体结构或三维光子晶体结构的周期和占空比配置为使得所述耦合区内传输的光信号的TM模式和TE模式具有相同的有效折射率。

作为实施方式的进一步改进，所述二维光子晶体结构的周期小于λ/(n₁+n₂)，其中λ为所述耦合区内传输的光信号的波长，n₁为所述耦合区的有效折射率，n₂为所述覆盖层的折射率。

作为实施方式的进一步改进，所述偏转棱镜与所述覆盖层键合固定在一起；或者，所述偏转棱镜通过胶水与所述覆盖层粘结固定在一起。

作为实施方式的进一步改进，所述偏转棱镜包括硅棱镜。

作为实施方式的进一步改进，所述模斑变换区包括一楔形结构，所述楔形结构相对较宽的一端连接所述耦合区，相对较窄的一端连接所述光子集成芯片的波导。

作为实施方式的进一步改进，所述楔形结构为楔形亚波长光栅。

作为实施方式的进一步改进，所述耦合区的表面的尺寸在3-130微米范围内。

作为实施方式的进一步改进，所述偏转棱镜的所述底面与所述耦合区的表面平行，或者所述偏转棱镜的所述底面与所述耦合区的表面相对倾斜设置。

作为实施方式的进一步改进，所述底面与所述耦合区的表面相对倾斜的角度小于或等于8°。

作为实施方式的进一步改进，所述偏转棱镜的所述倾斜面与所述底面之间的夹角θ满足n₃×sinθ＝n₁×sin(π/2)，其中n₃为所述偏转棱镜的折射率，n₁为所述耦合区的有效折射率。

本申请还提供了一种光子集成芯片，包括上述任一实施例所述的光子集成芯片的耦合结构，所述耦合结构用于所述光子集成芯片与外部元件之间的光耦合；所述光子集成芯片还设有光波导，所述耦合结构的模斑变换区分别连接所述光波导和所述耦合结构的耦合区。

本申请的有益效果：本申请采用高折射率棱镜在芯片上波导与芯片外元件之间进行折射耦合，具有带宽高、插损小等优点，还可减小偏振相关损耗，特别适用于芯片与光纤之间的耦合。

附图说明

图1为本申请实施例1的光子集成芯片的耦合结构示意图；

图2为实施例1中耦合结构的波导层结构示意图；

图3为实施例1中耦合结构的一种变形结构；

图4为本申请实施例2的光子集成芯片的耦合结构示意图；

图5为实施例2中耦合结构的波导层结构示意图；

图6为TE0模式和TM0模式的等效有效折射率曲线变化示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。

在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。

另外，本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。当元件或层被称为在另一部件或层“上”、与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。

如图1所示，本申请提供的光子集成芯片10，包括基板、设于基板上的波导层103和覆盖层104。波导层103设有光波导11和/或其它光学元件，以及用于与外部光耦合的耦合结构100。该实施例中，以硅光芯片为例进行解释，当然该结构也适用于其它材料的光子集成芯片，如铌酸锂芯片等。在硅光芯片中，上述基板通常包括硅衬底101和二氧化硅埋氧层102，波导层103由设于埋氧层102上的顶层硅蚀刻而成，波导层103上的覆盖层104通常为低折射率的包层材料，如二氧化硅等。在波导层103中，除了光波导11，还可以设有波分复用器、耦合器、分光器等无源器件，或者光调制器、光探测器等有源器件。本申请中，光子集成芯片10上还设有用于与外部光耦合的耦合结构100，下面以光子集成芯片10与光纤30之间的光耦合为例进行说明，在其它实施例中，该耦合结构也可以用于光子集成芯片与其它元器件之间的光耦合。上述光波导可以是脊波导、条波导或平板波导等。

实施例1

如图1和2所示，该实施例提供了一种光子集成芯片10的耦合结构100，该耦合结构100包括基板、设于基板上的波导层103、覆盖层104和偏转棱镜20，即该耦合结构100包括光子集成芯片10的一部分。该耦合结构100的波导层103设有模斑变换区12和耦合区13，偏转棱镜20设于耦合区13上方，模斑变换区12一端连接耦合区13，另一端连接光子集成芯片10的光波导11，实现光波导11到耦合区13的模斑转换。其中，偏转棱镜20包括临近耦合区13的底面21，以及与该底面21相对倾斜设置的倾斜面22，偏转棱镜20例如可以是三棱镜等。偏转棱镜20的折射率大于耦合区13的有效折射率，以使光信号在耦合区13与偏转棱镜20的底面21之间产生折射，从而使光路发生偏折，从耦合区13折射到偏转棱镜20内，或者从偏转棱镜20折射到耦合区13内。该实施例中，偏转棱镜20与覆盖层104键合(bonding)固定在一起。例如，在偏转棱镜20的底面21镀一层与覆盖层104相同材料的膜，如二氧化硅，然后将偏转棱镜20的底面与覆盖层104通过键合工艺固定在一起。在其它实施例中，偏转棱镜也可以通过胶水与覆盖层粘结固定在一起，如紫外胶等，胶水的折射率与覆盖层折射率一致。

当光子集成芯片10与光纤30耦合时，该耦合结构100的耦合区13的表面131的尺寸在3-130微米范围内，具体取值可根据耦合的光纤30的类型设计，以使耦合区13内的光模式与光纤30的光模式相匹配。例如，与单模光纤耦合时，耦合区13的尺寸可设为10微米左右，与多模光纤耦合时，耦合区13的尺寸可设为125微米左右，与单模透镜光纤耦合时，耦合区13的尺寸可设为3-5微米。这里，耦合区13的尺寸指的是耦合区13表面131的长度和宽度、或者直径等尺寸。

该实施例中，模斑变换区12包括一楔形结构，该楔形结构相对较宽的一端122连接耦合区13，相对较窄的一端121连接光子集成芯片10的波导11。在其它实施例中，模斑变换区12也可以采用其它模斑变换结构，只要保证具有较小的模场匹配损耗和散射损耗。

以光从光子集成芯片10耦合到光纤30内为例，光信号从光波导11进入模斑变换区12，经模斑变换后到达耦合区13，光信号在耦合区13遇到高折射率的偏转棱镜20时，在光子集成芯片10与偏转棱镜20的底面21之间发生折射，进入偏转棱镜20内。光信号在光子集成芯片10与偏转棱镜20之间的折射符合条件n₃×sinα＝n₁×sin(π/2)，其中n₁为耦合区13的有效折射率，n₃为偏转棱镜20的折射率，n₃大于n₁，α为光信号偏转到偏转棱镜20内的折射角。该实施例中，偏转棱镜20的倾斜面22与底面21之间的夹角θ也满足条件n₃×sinθ＝n₁×sin(π/2)，即偏转棱镜20的倾斜面22与底面21之间的夹角θ与光信号进入偏转棱镜20时的折射角α相等，从而使得光信号折射进入偏转棱镜20之后，垂直偏转棱镜20的倾斜面22出射。如此，外部光纤30的耦合端面31只要与偏转棱镜20的倾斜面22平行设置即可，便于与外部光纤30耦合。当然，该结构也适合于光从光纤30到光子集成芯片10内的耦合，上述光路是可逆的，光从光纤30耦合到光子集成芯片10内的传输顺序与上述光路相反，不再赘述。

在硅光芯片中，硅波导的有效折射率n₁通常小于体硅折射率，所以偏转棱镜可以采用硅棱镜，也可以采用折射率更高的材料制作，如部分三五族材料等。在其它实施例中，也可以在耦合区采用较低折射率的材料，偏转棱镜采用硅棱镜，模斑变换区采用折射率渐变的材料，使折射率从光波导处往耦合区逐渐变小，使耦合区与偏转棱镜之间具有较大的折射率差。

该耦合结构100采用高折射率的偏转棱镜20在光子集成芯片10上的光波导与芯片外元件之间进行折射耦合，具有带宽高、插损小等优点，特别适用于芯片与光纤之间的耦合。该实施例中，偏转棱镜20的倾斜面22还设有增透膜(抗反射膜)23，以减少损耗，提高耦合效率。

如图1所示，该实施例的耦合结构100中，偏转棱镜20的底面21与耦合区13的表面131平行。在其它实施例中，如图3所示的耦合结构100’，偏转棱镜20的底面21也可与耦合区13的表面131相对倾斜设置。通常，该底面21与耦合区13的表面131相对倾斜的角度β小于或等于8°，小于或等于6°更好，以便于与外部光纤20耦合，减少回波损耗，进一步提高耦合效率。偏转棱镜20与光子集成芯片10可以是直接贴合的，也可以在偏转棱镜20与光子集成芯片10中间填充其他材料，填充材料的厚度可以变化。偏转棱镜20与光子集成芯片10之间设置夹角或填充材料，可以起到调制耦合系数的效果，以更好地与光纤模场的模式进行匹配。

实施例2

如图4和5所示，该实施例的光子集成芯片10的耦合结构100”同样包括设于波导层103的模斑变换区12和耦合区13，以及设于耦合区13上方的偏转棱镜20。不同的是，该实施例中，耦合区13包括二维光子晶体结构，通过二维光子晶体结构减小耦合区13的有效折射率，使耦合区13与偏转棱镜20之间具有更大的折射率差。在其它实施例中，耦合区也可以采用三维光子晶体结构，用以减小耦合区的有效折射率。耦合区13的有效折射率与偏转棱镜20的折射率的差值越大，光信号从耦合区13折射到偏转棱镜20时的折射角越小，则光信号出射时与芯片表面法线之间的夹角就越小，越接近垂直出射，便于与外部光纤耦合。

该实施例中，耦合区13的二维光子晶体结构配置为使其内传输的光信号的TM模式和TE模式在该二维光子晶体结构中具有相同的有效折射率，从而使得光信号的两个模式在折射到偏转棱镜20时，具有相同的折射角，以实现偏振无关的耦合。该实施例中，二维光子晶体结构的周期小于λ/(n₁+n₂)，避免光信号在耦合区13产生衍射而增加额外的光损耗，其中λ为耦合区13内传输的光信号的波长，n₁为耦合区13的有效折射率，n₂为覆盖层104的折射率。该实施例以均匀的周期和占空比为例进行说明，在其它实施例中，二维光子晶体结构可以有均匀的周期和/或均匀的占空比，也可以有非均匀的周期和/或非均匀的占空比，或者是渐变的周期和/或渐变的占空比，只要在需要的带宽范围内不发生衍射即可。

以耦合区13的二维光子晶体结构均匀的周期和占空比为例，如图4和5所示，光子集成芯片10的表面与坐标系的xoy平面平行，耦合结构100”沿x轴延伸，厚度方向为z轴方向。在硅光芯片中，耦合区13设于绝缘体上硅(SOI)的顶层硅中，顶层硅位于硅衬底101和埋氧层102上，在顶层硅上蚀刻出二维光子晶体结构作为耦合区13。假设二维光子晶体结构两个方向的周期分别为P_x和P_y，未被刻蚀部分的宽度分别为R_x和R_y，定义两个方向的占空比分别为f_x＝R_x/P_x和f_y＝R_y/P_y。通过模式仿真计算可以得到TE0模式和TM0模式分别在二维光子晶体结构的蚀刻区(如图5中虚线b所在位置)和未蚀刻区(如图5中虚线a所在位置)中传输的有效折射率n_etch和n_slad。再根据理论公式

计算分别获得TE0模式和TM0模式的等效有效折射率。以顶层硅的厚度为270nm为例，设定y方向的占空比f_y＝0.5时，TE0模式和TM0模式的等效有效折射率随着x方向的占空比f_x的变化曲线如图6所示，当占空比选取合适的时候，TE0模式和TM0模式可以获得相等的有效折射率，此时两个偏振模式的光在折射进入偏转棱镜时具有相同的折射条件，从而可以以相同的折射角度耦合进入偏转棱镜中，实现偏振无关的耦合效果，减少了偏振相关损耗。

图5中，二维光子晶体结构为矩形单元的矩形排列，在其它实施例中，光子晶体的单元也可以是其他多边形、椭圆或者不规则形状，排列方式可以是各种形式的晶体排列或者不规则排列。目的是通过调节二维光子晶体结构的尺寸和分布实现TE模式和TM模式两个偏振态的有效折射率的匹配，所以对光子晶体的单元形状及排列方式不做限定。同样，晶体的刻蚀深度可以是全刻蚀也可以是部分刻蚀。

该实施例中，模斑变换区12的楔形结构采用的是楔形亚波长光栅，该楔形亚波长光栅设置为有效折射率从连接光波导11的一端121向连接耦合区13的一端122逐渐变小，使耦合结构100”的有效折射率从光波导11到耦合区13逐渐过渡，避免折射率突变引起额外的光损耗。该实施例中，楔形亚波长光栅同样采用二维结构，即采用二维亚波长光栅，其周期和占空比设置为使模斑变换区12内传输的光信号的TE模式和TM模式的有效折射率相等或相近，实现偏振不敏感的模斑转换。在其它实施例中，模斑变换器件也可以采用其它具有低损耗、偏振不敏感的模斑变换结构。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种光子集成芯片的耦合结构，所述耦合结构包括基板、设于基板上的波导层和覆盖层，其特征在于：所述波导层设有模斑变换区和耦合区，所述耦合结构还包括设于所述耦合区上方的偏转棱镜；

所述偏转棱镜包括临近所述耦合区的底面，以及与所述底面相对倾斜设置的倾斜面；所述偏转棱镜的折射率大于所述耦合区的有效折射率，以使光信号在所述耦合区与所述偏转棱镜之间折射传输。

2.根据权利要求1所述的耦合结构，其特征在于：所述耦合区包括二维光子晶体结构或者三维光子晶体结构。

3.根据权利要求2所述的耦合结构，其特征在于：所述二维光子晶体结构或三维光子晶体结构的周期和占空比配置为使得所述耦合区内传输的光信号的TM模式和TE模式具有相同的有效折射率。

4.根据权利要求2所述的耦合结构，其特征在于：所述二维光子晶体结构的周期小于λ/(n₁+n₂)，其中λ为所述耦合区内传输的光信号的波长，n₁为所述耦合区的有效折射率，n₂为所述覆盖层的折射率。

5.根据权利要求1所述的耦合结构，其特征在于：所述偏转棱镜与所述覆盖层键合固定在一起；或者，所述偏转棱镜通过胶水与所述覆盖层粘结固定在一起。

6.根据权利要求1所述的耦合结构，其特征在于：所述偏转棱镜包括硅棱镜。

7.根据权利要求1所述的耦合结构，其特征在于：所述模斑变换区包括一楔形结构，所述楔形结构相对较宽的一端连接所述耦合区，相对较窄的一端连接所述光子集成芯片的波导。

8.根据权利要求7所述的耦合结构，其特征在于：所述楔形结构为楔形亚波长光栅。

9.根据权利要求1-8任一项所述的耦合结构，其特征在于：所述耦合区的表面的尺寸在3-130微米范围内。

10.根据权利要求1-8任一项所述的耦合结构，其特征在于：所述偏转棱镜的所述底面与所述耦合区的表面平行，或者所述偏转棱镜的所述底面与所述耦合区的表面相对倾斜设置。

11.根据权利要求10所述的耦合结构，其特征在于：所述底面与所述耦合区的表面相对倾斜的角度小于或等于8°。

12.根据权利要求1-8任一项所述的耦合结构，其特征在于：所述偏转棱镜的所述倾斜面与所述底面之间的夹角θ满足n₃×sinθ＝n₁×sin(π/2)，其中n₃为所述偏转棱镜的折射率，n₁为所述耦合区的有效折射率。

13.一种光子集成芯片，其特征在于：包括权利要求1-12任一项所述的光子集成芯片的耦合结构，所述耦合结构用于所述光子集成芯片与外部元件之间的光耦合；

所述光子集成芯片还设有光波导，所述耦合结构的模斑变换区分别连接所述光波导和所述耦合结构的耦合区。

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