CN214503949U

CN214503949U - 一种模斑变换器

Info

Publication number: CN214503949U
Application number: CN202120542163.8U
Authority: CN
Inventors: 李春生; 周秋桂; 胡云; 石文虎; 张天明
Original assignee: Wuhan Huagong Genuine Optics Tech Co Ltd
Current assignee: Wuhan Huagong Genuine Optics Tech Co Ltd
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2031-03-16

Abstract

本实用新型涉及一种模斑变换器，包括衬底，衬底上从下到上依次设有下包层、覆盖层，下包层的上端从下到上依次设有底层倒锥形波导、第一层波导结构、第二层波导结构，底层倒锥形波导、第一层波导结构、第二层波导结构位于覆盖层内，底层倒锥形波导与第一层波导结构的第一层锥形波导组成第一光场过渡转换结构，第一层波导结构的第一层倒锥形波导与第二层波导结构的第二层锥形波导组成第二光场过渡转换结构，第二层倒锥形波导与覆盖层组成模斑扩大结构。本实用新型采用底层倒锥形波导和两组双锥形波导结构实现光场的上拉效果，减小衬底硅材料对模斑形状的影响，并通过顶部倒锥形波导，实现模斑的放大功能，提升与标准单模光纤的耦合效率。

Description

一种模斑变换器

技术领域

本实用新型属于光通信技术领域，具体涉及一种模斑变换器。

背景技术

近几年，云服务、5G通信以及高清电视等业务的迅速发展对通信速率和容量提出了极大的需求。光通信通过采用将传输信号加载在光载波上，利用光纤作为媒质进行传输的方式，具有高带宽、高速率和低成本的优势，使得通信领域取得了革命性的发展。其中硅光技术作为光通信领域的一项研究热点，由于具有高折射率差的特点，使得光器件的尺寸相比于传统光器件得到了一个甚至几个量级的减小，此外，也由于硅光工艺可以与传统的CMOS工艺相兼容，都给硅光技术带来了成本低和便于量产的优势。正是基于这些优势，硅光技术经过近二十多年的快速发展，已经建立起一套完善的平台进行设计、制造、测试和封装应用于电信级和数据中心领域的光收发器件和光学信号处理器件。

但是，目前硅光技术仍然存在一些需要解决的问题，其中重要的一项就是小尺寸的硅光芯片与光纤之间的有效耦合问题。硅光芯片由于高折射率差的优势可以使得光波导的截面尺寸缩小到几百纳米的量级，因此硅光波导所导引的光场光斑大小就远小于单模光纤约10微米的光斑，二者光斑大小的失配造成了硅光芯片与光纤进行耦合时的巨大能量损耗，从而对整个光通信系统的性能造成影响。为了提升耦合效率，会采取在硅光芯片入光口制作模斑变换器的方式。模斑变换器主要分为两种，一种是基于垂直耦合的光栅耦合器，虽然具有较好的耦合对准容差和方便的晶圆级测试等优点，但同时也具有工作波长范围窄，偏振相关性大等缺点。而另一种是基于边缘耦合的模斑变换器，具有工作波长范围宽、偏振不敏感的优势。目前采用的边缘耦合模式转换器有悬挂式结构和倒锥型结构。悬挂式结构由于需要掏空SiO₂波导底部和周围的材料，工艺复杂度高，且仅靠SiO₂悬挂壁支撑整个波导结构，力学性能和器件可靠性都会是很大的问题；而倒锥型结构，由于BOX隔离层厚度有限，导致光斑较大时，衬底会对光斑造成形变以及产生泄漏损耗，而光斑较小时与光纤光斑的耦合失配又很大，从而导致耦合损耗较大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种模斑变换器，其能够极大提高模斑变换器的力学性能和器件的可靠性。

本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型公开了一种模斑变换器，包括衬底，所述衬底上从下到上依次设有下包层、覆盖层，下包层的上端从下到上依次设有底层倒锥形波导和第一层波导结构，底层倒锥形波导和第一层波导结构位于覆盖层内，所述第一层波导结构包括第一层锥形波导、第一层倒锥形波导，所述第一层锥形波导位于底层倒锥形波导的正上方，底层倒锥形波导与第一层锥形波导组成第一光场过渡转换结构，实现光场的上拉，光场上拉后，光从第一层锥形波导向第一层倒锥形波导传输，通过第一层倒锥形波导，实现模斑放大功能。

进一步地，所述第一层锥形波导、第一层倒锥形波导位于同一平面，所述第一层锥形波导的右表面与第一层倒锥形波导的左表面相连；所述底层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小，第一层锥形波导从左到右宽度逐渐增大，所述第一层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小。

进一步地，所述第一层波导结构还包括第一层直波导，第一层直波导位于第一层锥形波导与第一层倒锥形波导之间，所述第一层锥形波导、第一层直波导、第一层倒锥形波导位于同一平面；所述第一层直波导的左表面与第一层锥形波导的右表面相连，第一层直波导的右表面与第一层倒锥形波导的左表面相连；所述底层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小，第一层锥形波导从左到右宽度逐渐增大，所述第一层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小。

进一步地，本实用新型的模斑变换器还包括位于覆盖层内的第二层波导结构，所述第二层波导结构包括第二层锥形波导、第二层倒锥形波导，所述第二层锥形波导位于第一层倒锥形波导的正上方，第一层倒锥形波导与第二层锥形波导组成第二光场过渡转换结构，实现光场的进一步上拉，光场进一步上拉后，光从第二层锥形波导传输至第二层倒锥形波导；第二层倒锥形波导与覆盖层组成模斑扩大结构；第二层锥形波导的下表面与第一层倒锥形波导的上表面之间设有间距。

进一步地，所述第二层锥形波导、第二层倒锥形波导位于同一平面，所述第二层锥形波导的右表面与第二层倒锥形波导的左表面相连；所述第一层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小，第二层锥形波导从左到右宽度逐渐增大，所述第二层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小。

进一步地，所述第二层波导结构还包括第二层直波导，第二层直波导位于第二层锥形波导与第二层倒锥形波导之间，第二层锥形波导、第二层直波导、第二层倒锥形波导位于同一平面；所述第二层直波导的左表面与第二层锥形波导的右表面相连，第二层直波导的右表面与第二层倒锥形波导的左表面相连；所述第一层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小，第二层锥形波导从左到右宽度逐渐增大，所述第二层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小。

进一步地，所述下包层采用SiO₂材料；覆盖层采用SiO₂材料；所述衬底采用SOI晶圆Si衬底；底层倒锥形波导采用Si材料，第一层波导结构采用SiN材料。

第二层波导结构采用SiN材料。

进一步地，第一层倒锥形波导与覆盖层组成模斑扩大结构；所述底层倒锥形波导的下表面与下包层的上表面相连；所述第一层锥形波导的下表面与底层倒锥形波导的上表面之间设有间距；所述覆盖层的下表面与下包层的上表面相连；下包层的下表面与衬底的上表面相连。

本实用新型至少具有如下有益效果：本实用新型是对目前的悬桥结构模斑转换器的有效改进，本实用新型底层倒锥形波导和双锥形波导结构，实现光场的上拉效果，减小衬底硅材料对模斑形状的影响，同时通过顶部SiN波导的倒锥形结构，实现模斑的放大功能，最终提升与标准单模光纤的耦合效率。本实用新型通过梯度叠层内包层取代悬空结构，能够极大提高模斑转换器的力学性能和器件的可靠性，因此本实用新型不仅具有很好的光学性能，同时具有良好的可靠性。

本实用新型设计的新型的硅基大尺寸模斑变换器中所有的工艺均与目前CMOS工艺完全兼容，能够实现器件的大规模量产，有助于推动硅光子集成器件的广泛应用。本实用新型在光纤通信、军事、医疗、生物等研究领域有着广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例一提供的一种模斑变换器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例一提供的一种模斑变换器的底层倒锥形波导的俯视图；

图3为本实用新型实施例一提供的一种模斑变换器的第一层波导结构的俯视图。

图4为本实用新型实施例二提供的一种模斑变换器的立体图；

图5为本实用新型实施例二提供的一种模斑变换器的结构示意图；

图6为本实用新型实施例二提供的一种模斑变换器的俯视图；

图7为本实用新型实施例二提供的一种模斑变换器的第二层波导结构的俯视图。

附图中，1为衬底，2为下包层，3为底层倒锥形波导，4为第一层波导结构，41为第一层锥形波导，42为第一层直波导，43为第一层倒锥形波导，5为第二层波导结构，51为第二层锥形波导，52为第二层直波导，53为第二层倒锥形波导，6为覆盖层。

具体实施方式

下面对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

参见图1至图3，本实用新型实施例提供一种模斑变换器，包括衬底1，所述衬底1上从下到上依次设有下包层2、覆盖层6，下包层2的上端从下到上依次设有底层倒锥形波导和第一层波导结构4，底层倒锥形波导和第一层波导结构4位于覆盖层6内。覆盖层6的下表面与下包层2的上表面相连，且封闭包围住底层倒锥形波导、第一层波导结构4。所述底层倒锥形波导3从左到右宽度逐渐减小。

本实用新型的第一层波导结构4具有两种不同的方案，根据需要选其一即可。

本实用新型第一层波导结构4的一种方案为：所述第一层波导结构4包括第一层锥形波导41、第一层倒锥形波导43，所述第一层锥形波导41、第一层倒锥形波导43位于同一平面，所述第一层锥形波导41的右表面与第一层倒锥形波导43的左表面相连；所述底层倒锥形波导3从左到右宽度逐渐减小，第一层锥形波导41从左到右宽度逐渐增大，所述第一层倒锥形波导43从左到右宽度逐渐减小。

本实用新型第一层波导结构4的另一种方案为：所述第一层波导结构4包括第一层锥形波导41、第一层直波导42、第一层倒锥形波导43，第一层直波导42位于第一层锥形波导41与第一层倒锥形波导43之间，所述第一层锥形波导41、第一层直波导42、第一层倒锥形波导43位于同一平面；所述第一层直波导42的左表面与第一层锥形波导41的右表面相连，第一层直波导42的右表面与第一层倒锥形波导43的左表面相连；所述底层倒锥形波导3从左到右宽度逐渐减小，第一层锥形波导41从左到右宽度逐渐增大，所述第一层倒锥形波导43从左到右宽度逐渐减小。所述第一层直波导42从左到右宽度不变。

所述第一层锥形波导41位于底层倒锥形波导3的正上方，底层倒锥形波导3与第一层锥形波导41组成第一光场过渡转换结构，实现光场的上拉，光场上拉后，光从第一层锥形波导41向第一层倒锥形波导43传输，通过第一层倒锥形波导43，实现模斑放大功能。

本实施例只设置了底层倒锥形波导和第一层波导结构4，第一层波导结构4的第一层倒锥形波导43与覆盖层6组成模斑扩大结构。

进一步地，所述下包层2采用SiO2BOX层。覆盖层6采用SiO2覆盖层6；所述衬底1采用SOI晶圆Si衬底1；底层倒锥形波导采用Si材料，第一层波导结构采用SiN材料；第二层波导结构采用SiN材料。底层锥形波导采用倒锥形硅波导。第一层锥形波导41采用SiN锥形波导。第一层直波导42采用SiN直波导。第一层倒锥形波导43采用SiN倒锥形波导。

进一步地，所述底层倒锥形波导的下表面与下包层2的上表面相连；所述第一层锥形波导41的下表面与底层倒锥形波导3的上表面之间设有间距，间距根据需要设置；所述覆盖层6的下表面与下包层2的上表面相连；下包层2的下表面与衬底1的上表面相连。

实施例二

参见图2至图7，本实用新型实施例的模斑变换器在实施例一的基础上，还包括位于覆盖层6内的第二层波导结构5。覆盖层6的下表面与下包层2的上表面相连，且封闭包围住底层倒锥形波导、第一层波导结构4、第二层波导结构5。

本实用新型的第二层波导结构5具有两种不同的方案，根据需要选其一即可。

第二层波导结构5的一种方案为：所述第二层波导结构5包括第二层锥形波导51、第二层倒锥形波导53，所述第二层锥形波导51、第二层倒锥形波导53位于同一平面，所述第二层锥形波导51的右表面与第二层倒锥形波导53的左表面相连；所述第一层倒锥形波导43从左到右宽度逐渐减小，第二层锥形波导51从左到右宽度逐渐增大，所述第二层倒锥形波导53从左到右宽度逐渐减小。

第二层波导结构5的另一种方案为：所述第二层波导结构5包括第二层锥形波导51、第二层直波导52、第二层倒锥形波导53，第二层直波导52位于第二层锥形波导51与第二层倒锥形波导53之间，第二层锥形波导51、第二层直波导52、第二层倒锥形波导53位于同一平面；所述第二层直波导52的左表面与第二层锥形波导51的右表面相连，第二层直波导52的右表面与第二层倒锥形波导53的左表面相连；所述第一层倒锥形波导43从左到右宽度逐渐减小，第二层锥形波导51从左到右宽度逐渐增大，所述第二层倒锥形波导53从左到右宽度逐渐减小。所述第二层直波导52从左到右宽度不变。

所述第二层锥形波导51位于第一层倒锥形波导43的正上方，第一层倒锥形波导43与第二层锥形波导51组成第二光场过渡转换结构，实现光场的进一步上拉，光场进一步上拉后，光从第二层锥形波导51传输至第二层倒锥形波导53；第二层倒锥形波导53与覆盖层6组成模斑扩大结构；第二层锥形波导51的下表面与第一层倒锥形波导43的上表面之间设有间距，间距根据需要设置。

本实用新型设置第二层波导结构是让光场进一步上拉，远离硅衬底，根据仿真验证结果看，采用第二层波导结构后性能较好。

进一步地，所述下包层2采用SiO2BOX层。覆盖层6采用SiO2覆盖层6；所述衬底1采用SOI晶圆Si衬底1；所有波导采用SiN材料。底层锥形波导采用倒锥形硅波导。第一层锥形波导41、第二层锥形波导51采用SiN锥形波导。第一层直波导42、第二层直波导52采用SiN直波导。第一层倒锥形波导43、第二层倒锥形波导53采用SiN倒锥形波导。

现列举出一个具体实施例，其中下包层2的厚度为3um，底层倒锥形波导3的厚度为220nm，第一层锥形波导41、第一层直波导42和第一层倒锥形波导43厚度均为400nm，第二层锥形波导51、第二层直波导52和第二层倒锥形波导53厚度均为150nm，覆盖层6厚度为5um，底层倒锥形波导3的上表面与第一层锥形波导41的下表面之间的距离为200nm，第一层倒锥形波导43的上表面与第二层锥形波导51的下表面之间的距离为600nm；底层倒锥形波导3的长度为90um，第一层锥形波导41的长度为90um，第一层直波导42的长度为20um，第一层倒锥形波导43的长度为100um,第二层锥形波导51的长度为100um，第二层直波导52的长度为20um，第二层倒锥形波导53长度为150um。本实用新型不仅仅限于上述实施例。

本实用新型工作原理为：

步骤一：底层倒锥形波导3与第一层锥形波导41组成第一个光场过渡转换结构，信号光首先从底层倒锥形波导3左侧开始从左向右传输，由于底层倒锥形波导3从左到右宽度逐渐减小，导致对光场的限制逐渐减弱，而第一层锥形波导41从左到右宽度逐渐增大，对光场的限制逐渐增强，同时调整二者的宽度变化范围，满足相位匹配条件，这样光场就可以慢慢从底层倒锥形波导3过渡到第一层锥形波导41，实现光场的初步上拉；

步骤二：光场初步上拉完成后，第一层锥形波导41的光经过第一层直波导42传输到达第一层倒锥形波导43左侧，第一层倒锥形波导43与第二层锥形波导51组成第二个光场过渡转换结构，信号光首先从第一层倒锥形波导43左侧开始从左向右传输，由于第一层倒锥形波导43从左到右宽度逐渐减小，导致对光场的限制逐渐减弱，而第二层锥形波导51从左到右宽度逐渐增大，对光场的限制逐渐增强，同时调整二者的宽度变化范围，满足相位匹配条件，这样光场就可以慢慢从第一层倒锥形波导43过渡到第二层锥形波导51，实现光场的进一步上拉，从而实现即使光斑再大的情况下，衬底1也不会对光斑形变及光场泄漏产生较大影响。

步骤三：

光场再次上拉完成后，第二层锥形波导51的光经过第二层直波导52传输到达第二层倒锥形波导53左侧，第二层倒锥形波导53与覆盖层6组成模斑扩大结构，信号光首先从第二层倒锥形波导53左侧开始从左向右传输，由于第二层倒锥形波导53从左到右宽度逐渐减小，对光的限制逐渐减弱，从而使光场慢慢发散进入覆盖层6，由于覆盖层6截面积很大，对光场基本无约束，因此光斑可以扩的很大且中心距离衬底1较远，因此可以提升与SMF28单模光纤大光斑的耦合损耗。

本实用新型的第一、二层波导结构都是采用锥形结构加倒锥形结构，通过倒锥形结构尺寸的逐渐缩小导致光场不能被很好的限制慢慢的漏到周围的包覆层，从而实现光场扩大的效果。本实用新型采用的制造工艺与CMOS工艺相兼容，且工艺复杂度低，不需要做衬底1掏空处理，因此具有好的机械稳定性及可靠性，可以实现较大的光斑尺寸同时光场不受衬底1硅材料的影响，从而降低与光纤的耦合损耗并提升耦合对准容差。本实用新型的硅基大尺寸模斑变换器，属于硅光通信技术领域。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种模斑变换器，包括衬底，其特征在于：所述衬底上从下到上依次设有下包层、覆盖层，下包层的上端从下到上依次设有底层倒锥形波导和第一层波导结构，底层倒锥形波导和第一层波导结构位于覆盖层内，所述第一层波导结构包括第一层锥形波导、第一层倒锥形波导，所述第一层锥形波导位于底层倒锥形波导的正上方，底层倒锥形波导与第一层锥形波导组成第一光场过渡转换结构，实现光场的上拉，光场上拉后，光从第一层锥形波导向第一层倒锥形波导传输，通过第一层倒锥形波导，实现模斑放大功能。

2.如权利要求1所述的模斑变换器，其特征在于：所述第一层锥形波导、第一层倒锥形波导位于同一平面，所述第一层锥形波导的右表面与第一层倒锥形波导的左表面相连；所述底层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小，第一层锥形波导从左到右宽度逐渐增大，所述第一层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小。

3.如权利要求1所述的模斑变换器，其特征在于：所述第一层波导结构还包括第一层直波导，第一层直波导位于第一层锥形波导与第一层倒锥形波导之间，所述第一层锥形波导、第一层直波导、第一层倒锥形波导位于同一平面；所述第一层直波导的左表面与第一层锥形波导的右表面相连，第一层直波导的右表面与第一层倒锥形波导的左表面相连；所述底层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小，第一层锥形波导从左到右宽度逐渐增大，所述第一层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小。

4.如权利要求1所述的模斑变换器，其特征在于：所述下包层采用SiO₂材料；覆盖层采用SiO₂材料；所述衬底采用SOI晶圆Si衬底；底层倒锥形波导采用Si材料，第一层波导结构采用SiN材料。

5.如权利要求1所述的模斑变换器，其特征在于：还包括位于覆盖层内的第二层波导结构，所述第二层波导结构包括第二层锥形波导、第二层倒锥形波导，所述第二层锥形波导位于第一层倒锥形波导的正上方，第一层倒锥形波导与第二层锥形波导组成第二光场过渡转换结构，实现光场的进一步上拉，光场进一步上拉后，光从第二层锥形波导传输至第二层倒锥形波导；第二层倒锥形波导与覆盖层组成模斑扩大结构；第二层锥形波导的下表面与第一层倒锥形波导的上表面之间设有间距。

6.如权利要求5所述的模斑变换器，其特征在于：所述第二层锥形波导、第二层倒锥形波导位于同一平面，所述第二层锥形波导的右表面与第二层倒锥形波导的左表面相连；所述第一层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小，第二层锥形波导从左到右宽度逐渐增大，所述第二层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小。

7.如权利要求5所述的模斑变换器，其特征在于：所述第二层波导结构还包括第二层直波导，第二层直波导位于第二层锥形波导与第二层倒锥形波导之间，第二层锥形波导、第二层直波导、第二层倒锥形波导位于同一平面；所述第二层直波导的左表面与第二层锥形波导的右表面相连，第二层直波导的右表面与第二层倒锥形波导的左表面相连；所述第一层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小，第二层锥形波导从左到右宽度逐渐增大，所述第二层倒锥形波导从左到右宽度逐渐减小。

8.如权利要求5所述的模斑变换器，其特征在于：第二层波导结构采用SiN材料。

9.如权利要求1所述的模斑变换器，其特征在于：第一层倒锥形波导与覆盖层组成模斑扩大结构。

10.如权利要求1所述的模斑变换器，其特征在于：所述底层倒锥形波导的下表面与下包层的上表面相连；所述第一层锥形波导的下表面与底层倒锥形波导的上表面之间设有间距；所述覆盖层的下表面与下包层的上表面相连；下包层的下表面与衬底的上表面相连。