CN215678846U - 一种端面耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种端面耦合器，涉及光通信技术领域，本实用新型的端面耦合器,包括硅衬底以及层叠设置于硅衬底上的下包层和上包层，下包层和上包层之间设置有同向光传输的第一波导和第二波导，第二波导在第一波导的相对两侧对称设置，第一波导包括沿光传播方向连接的第一锥波导和第一直波导，第一锥波导的锥尾与第一直波导连接，第二波导包括沿光传播方向宽度逐渐增大的双层锥波导、第二直波导和沿光传播方向宽度逐渐减小的第二锥波导，第一锥波导的锥尖与第二锥波导的锥尾平齐，双层锥波导包括第二锥体和层叠设置于第二锥体上的第一锥体。本实用新型提供的端面耦合器，能够降低锥尖宽度对耦合损耗的限制，提高端面耦合器的转换效率。

Description

一种端面耦合器

技术领域

本实用新型涉及光通信技术领域，具体而言，涉及一种端面耦合器。

背景技术

端面耦合器是硅基模斑转换器的一种，它利用模场扩散或模场压缩的原理，使大小不一致的两个模斑相互匹配，耦合效率比较高，波长相关性不高，偏振敏感度相对较小。锥形结构常见于各种端面耦合器，包括二维倒锥形、悬臂式锥形耦合器等。二维倒锥形耦合器对刻蚀精度要求很高，耦合的对准容差非常小；悬臂式锥形耦合器，刻蚀掉衬底硅的过程对工艺有一定要求，也需要考虑悬臂结构的机械稳定性。

以锥形硅波导为主体的端面耦合器，其耦合损耗对锥尖宽度极为敏感，目前我国实现最小工艺线宽为180nm。以二维倒锥形耦合器与单模光纤的耦合为例，耦合损耗与锥尖宽度的关系是锥尖宽度越大，端面耦合的效率越低。相比国外80nm硅光平台的刻蚀工艺，使用国内硅光平台的180nm工艺制造端面耦合器，二维倒锥耦合器与单模光纤的耦合将额外增加约4.7dB的耦合损耗，这使硅基光电器件的链路预算吃紧，无法降低大规模应用的成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种端面耦合器，能够降低锥尖宽度对耦合损耗的限制，提高端面耦合器的转换效率。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种端面耦合器，包括硅衬底以及层叠设置于硅衬底上的下包层和上包层，下包层和上包层之间设置有同向光传输的第一波导和第二波导，第二波导在第一波导的相对两侧对称设置，第一波导包括沿光传播方向连接的第一锥波导和第一直波导，第一锥波导的锥尾与第一直波导连接，第二波导包括沿光传播方向宽度逐渐增大的双层锥波导、第二直波导和沿光传播方向宽度逐渐减小的第二锥波导，第一锥波导的锥尖与第二锥波导的锥尾平齐，双层锥波导包括第二锥体和层叠设置于第二锥体上的第一锥体，第一锥体与第二锥体的锥尾平齐，入射光由双层锥波导入射。

可选的，作为一种可实施的方式，第一锥体的锥尖与第二锥体的锥尖距离在5-50μm之间，第一锥体和第二锥体的锥尾宽度相同。

可选的，作为一种可实施的方式，第二锥体的锥尖宽度在180-350nm之间。

可选的，作为一种可实施的方式，第一锥体的高度与第二锥体的高度之比在1：1-1：2.2之间。

可选的，作为一种可实施的方式，第一锥波导的锥尖与入光端面的距离在50-120μm之间，第一锥波导的锥尖宽度与第一直波导的宽度比在1：2-1：3之间。

可选的，作为一种可实施的方式，第二直波导的宽度在200-350nm之间。

可选的，作为一种可实施的方式，两个第二波导之间的距离在0.9-1.2μm之间。

可选的，作为一种可实施的方式，第一波导、第二直波导和第二锥波导的高度为220nm。

可选的，作为一种可实施的方式，第一直波导的宽度在450-500nm之间。

可选的，作为一种可实施的方式，下包层的厚度在2.8-3.2μm之间，上包层的厚度在2.8-3.2μm之间。

本实用新型实施例的有益效果包括：

本实用新型提供的端面耦合器包括硅衬底以及层叠设置于硅衬底上的下包层和上包层，下包层和上包层之间设置有同向光传输的第一波导和第二波导，第二波导在第一波导的相对两侧对称设置，激光器传来的光传入至端面耦合器内后，光泄露在两个第二波导之间并沿着第二波导进行模场分布，第二波导用于将拟耦合波限定在预定大小的模场内，该预定大小的模场与激光的模场一致，然后光由第一波导进行二次耦合并穿出端面耦合器，第一波导包括沿光传播方向连接的第一锥波导和第一直波导，使得硅基光子芯片与端面耦合器耦合时，硅基光子芯片的模斑与端面耦合器的拟耦合波传出侧的模斑大小接近，从而可以提高硅基光子芯片与端面耦合器之间的耦合效率，第二波导包括沿光传播方向宽度逐渐增大的双层锥波导，第二直波导和沿光传播方向宽度逐渐减小的第二锥波导，第二波导的设置使得激光器与端面耦合器耦合时，激光的模斑与端面耦合器的拟耦合波传入侧的模斑大小接近，从而可以提高激光器与端面耦合器之间的耦合效率，双层锥波导包括第二锥体和层叠设置于第二锥体上的第一锥体，第一锥体和第二锥体的锥尾平齐，入射光由双层锥波导入射，第一锥体与第二锥体宽度容差较大，使得双层锥波导与激光的模斑大小接近，从而可以提高激光器与端面耦合器之间的耦合效率，进而可以提高激光器与硅基光子芯片之间的耦合效率，降低耦合损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本实用新型实施例端面耦合器的示意图；

图2为本实用新型实施例端面耦合器的另一视角示意图。

图标：111-衬底；112-下包层；113-上包层；120-第一波导；121-第一锥波导；122-第一直波导；130-第二波导；131-双层锥波导；132-第二直波导；133-第二锥波导。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。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，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

随着CMOS工艺的快速发展，单位面积可容纳的电子器件数量正在快速增加，SOI在光学上具有很好的特性，而且硅与二氧化硅具有非常大的折射率差，成为了兼容高性能芯片和降低器件功耗的重要选择，SOI材料的硅基光子芯片更被认为在光电通信器件高速化、小型化、低成本方向上有巨大潜力。不过，硅基光电芯片的低损光互连对信道链路预算是一个很大难题，若直接对接耦合，硅光芯片的波导接口与单模光纤的单端插损约18dB,即使与模斑稍小的3μm激光器耦合插损也超过10.4dB。因此，有必要在片上设计特殊耦合结构，让硅基光子芯片端面与外部光接口的模场达到高效匹配。

本实用新型提供了一种端面耦合器，如图1，图2所示，包括硅衬底111以及层叠设置于硅衬底111上的下包层112和上包层113，下包层112和上包层113之间设置有同向光传输的第一波导120和第二波导130，第二波导130在第一波导120的相对两侧对称设置，第一波导120包括沿光传播方向连接的第一锥波导121和第一直波导122，第一锥波导121的锥尾与第一直波导122连接，第二波导130包括沿光传播方向宽度逐渐增大的双层锥波导131、第二直波导132和沿光传播方向宽度逐渐减小的第二锥波导133，第一锥波导121的锥尖与第二锥波导133的锥尾平齐。双层锥波导131包括第二锥体和层叠设置于第二锥体上的第一锥体，第一锥体与第二锥体锥尾平齐，入射光由双层锥波导131入射。

其中，上包层113和下包层112的材料为二氧化硅，第一波导120和第二波导130为硅波导，当入射光波长为1550nm，硅的折射率为3.45，二氧化硅的折射率为1.45，硅和二氧化硅两者的折射率差非常大，硅基波导限制光的能力较强，单模工作的条形硅波导的横截面积一般小于lum。

需要说明的是，图2中A方向为激光的光传播方向，B面为入光端面，C面为出光端面。

本实用新型提供的端面耦合器包括硅衬底111以及层叠设置于硅衬底111上的下包层112和上包层113，下包层112和上包层113之间设置有同向光传输的第一波导120和第二波导130，第二波导130在第一波导120的相对两侧对称设置，激光器传来的光传入至端面耦合器内后，光泄露在两个第二波导130之间并沿着第二波导130进行模场分布，第二波导130用于将拟耦合波限定在预定大小的模场内，该预定大小的模场与激光的模场一致，然后光由第一波导120进行二次耦合并穿出端面耦合器，第一波导120包括沿光传播方向连接的第一锥波导121和第一直波导122，使得硅基光子芯片与端面耦合器耦合时，硅基光子芯片的模斑与端面耦合器的拟耦合波传出侧的模斑大小接近，从而可以提高硅基光子芯片与端面耦合器之间的耦合效率，第二波导130包括沿光传播方向宽度逐渐增大的双层锥波导131，第二直波导132和沿光传播方向宽度逐渐减小的第二锥波导133，第二波导130的设置使得激光器与端面耦合器耦合时，激光的模斑与端面耦合器的入光侧的模斑大小接近，从而可以提高激光器与端面耦合器之间的耦合效率，双层锥波导131包括第二锥体和层叠设置于第二锥体上的第一锥体，第一锥体和第二锥体的锥尾平齐，入射光由双层锥波导131入射，第一锥体与第二锥体宽度容差较大，使得双层锥波导131与激光的模斑大小接近，从而可以提高激光器与端面耦合器之间的耦合效率，进而可以提高激光器与硅基光子芯片之间的耦合效率，降低耦合损耗。

可选的，如图1，图2所示，第一锥体的锥尖与第二锥体的锥尖距离在5-50μm之间，第一锥体和第二锥体的锥尾宽度相同。

第一锥体与第二锥体锥尾平齐且锥尾宽度相同，而二者锥尖的距离在5-50μm之间，使得第一锥体与第二锥体的锥体宽度有一定的容差，且第一锥体叠层设置于第二锥体上，使得第一锥体与第二锥体高度上有一定容差，进而使得双层锥波导131与激光的模斑大小接近，从而可以提高激光器与端面耦合器之间的耦合效率，进而可以提高激光器与硅基光子芯片之间的耦合效率，降低耦合损耗。

第一锥体的锥尾与第二锥体的锥尾的高度之和与第二直波导132的高度相同，且第一锥体与第二锥体的锥尾宽度相同，以使双层锥波导131的锥尾端面与第二直波导132的端面面积相等，当光在第二波导130中传输时，可以顺畅的从双层锥波导131传输至第二直波导132。

本实用新型实施例的一种可实现的方式中，如图1，图2所示，第二锥体的锥尖宽度在180-350nm之间。

本领域技术人员应当知晓，锥体的锥尖宽度越窄，对光场的限制越小，光即可泄露至上包层113和下包层112中，以使光模斑增大，也就是说，第二锥尖的宽度越小，越有利于模斑的增大，而模斑增大会更有利用使得模斑与硅基光子芯片的模斑大小接近，提高耦合效率，对于目前我国的刻蚀工艺，仅能实现180nm线宽的刻蚀，基于目前我国的刻蚀工艺，可以将第二锥尖宽度设置为180nm。而在实际生产中，因不同尺寸入射光斑匹配需求和若干制造误差，所以，刻蚀宽度通常大于180nm，基于目前我国刻蚀工艺的线宽工艺以及对于耦合效率提高要求，设置第二锥体的锥尖宽度在180-350nm之间。

可选的，如图1，图2所示，第一锥体的高度与第二锥体的高度之比在1：1-1：2.2之间。

第一锥体的高度与第二锥体的高度差可以更加匹配激光的模斑，激光的模斑与端面耦合器的入光侧的模斑大小接近，从而可以提高激光器与端面耦合器之间的耦合效率。示例的，本实用新型实施例的第一锥体高度为70nm,第二锥体高度为150nm，双层锥波导131的高度为第一锥体高度与第二锥体高度之和，也就是220nm,与第二直波导132和第二锥波导133的高度相同。

本实用新型实施例的一种可实现的方式中，如图1，图2所示，第一锥波导121的锥尖与上包层113和下包层112的入光端面的距离在50-120μm之间，第一锥波导121锥尖宽度与第一直波导122的宽度比在1：2-1：3之间。

两个第二波导130的双层锥波导131将激光器发出的激光模场限制在其之间的区域并分别向前传播至两个第二直波导132，并在第二直波导132中稳态向前传输至第二锥波导133，因为第二锥波导133的宽度沿光传播方向逐渐减小，被限制在第二波导130中心的激光模场会从硅波导里面泄露出来，进入低折射率的上包层113和下包层112中，模斑的尺寸增大，而第一锥波导121的锥尖与上包层113和下包层112的入光端面的距离为50-120μm，双层锥波导131与第二直波导132的长度也在此范围之内，在第二锥波导133宽度逐渐减小时，第一锥波导121出现且沿光传播方向的宽度逐渐增大，这时，激光模场逐步耦合至第一锥波导121，传输至第一直波导122并从第一直波导122的端部出射，而第一锥波导121的宽度沿光传播方向逐渐增大，直至与第一直波导122相同，使得在上包层113和下包层112之间的光场逐步耦合至第一波导120，提升端面耦合器的转换效率。

可选的，如图1，图2所示，第二直波导132的宽度在200-350nm之间。

当激光从双层锥波导131入射后传输至第二直波导132，并在第二直波导132内稳态向前传输。为了使得激光能够在第二直波导132内稳态传输，将第二直波导132的宽度设置为200-350nm之间。

本实用新型实施例的一种可实现的方式中，如图1，图2所示，两个第二直波导132之间的距离在0.9-1.2μm之间。

两个第二波导130将入射的激光模场限制在其之间，进而向前传播至第一波导120。这里两个第二直波导132之间的距离限定范围在0.9-1.2μm之间，因为两个第二波导130之间的距离小于0.9μm时，容易引起刻蚀误差，或者不符合部分硅光平台的工艺准则；两个第二波导130之间的距离大于1.2μm时，形成的端面模斑是多模的，耦合损耗会快速升高。需要说明的是，这里的第二直波导132之间的距离为两个第二直波导132的几何中心之间的距离。

本实用新型实施例的一种可实现的方式中，第一直波导122的宽度在450-500nm之间。

光由第一波导120进行二次耦合并穿出端面耦合器，第一直波导122的宽度设置为450-500nm之间，目的是让硅基光子芯片其他器件的输入端口与端面耦合器的输出波导端口大小保持一致。如果太宽，端面耦合器输出端对接片上其他器件会有不必要的插损，如果太窄的话，则不利于激光器光场顺利耦合到第一直波导122中去，从而降低耦合效率。

可选的，下包层112的厚度在2.8-3.2μm之间，上包层厚度在2.8-3.2μm之间。

光泄露在两个第二波导130之间并沿着第二波导130进行模场分布，也就是说，光会泄露到下包层112和上包层113中并沿第二波导130进行模场分布，而光会沿着下包层112传输，如果下包层112过薄，光会穿入衬底111层，造成光损失，导致耦合效率低。而如果设置的过厚，就会增加端面耦合器的体积，不利于高集成化的发展。同理，设置上包层113的厚度。

需要说明的是，本实用新型实施例的端面耦合器是对模斑尺寸为2.7μm×1.7μm的激光器的进行模斑转换，经过本实用新型端面耦合器耦合之后的模斑尺寸在0.4μm左右。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种端面耦合器，其特征在于，包括硅衬底以及层叠设置于所述硅衬底上的下包层和上包层，所述下包层和所述上包层之间设置有同向光传输的第一波导和第二波导，所述第二波导在所述第一波导的相对两侧对称设置，所述第一波导包括沿光传播方向连接的第一锥波导和第一直波导，所述第一锥波导的锥尾与所述第一直波导连接，所述第二波导包括沿光传播方向宽度逐渐增大的双层锥波导、第二直波导和沿光传播方向宽度逐渐减小的第二锥波导，所述第一锥波导的锥尖与所述第二锥波导的锥尾平齐，所述双层锥波导包括第二锥体和层叠设置于所述第二锥体上的第一锥体，所述第一锥体与所述第二锥体的锥尾平齐，入射光由双层锥波导入射。

2.根据权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于，所述第一锥体的锥尖与第二锥体的锥尖距离在5-50μm之间，所述第一锥体和所述第二锥体的锥尾宽度相同。

3.根据权利要求2所述的端面耦合器，其特征在于，所述第二锥体的锥尖宽度在180-350nm之间。

4.根据权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于，所述第一锥体的高度为与所述第二锥体的高度比在1：1-1:2.2之间。

5.根据权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于，所述第一锥波导的锥尖与入光端面的距离在50-120μm之间，所述第一锥波导的锥尖宽度与所述第一直波导的宽度比在1：2-1：3之间。

6.根据权利要求5所述的端面耦合器，其特征在于，所述第二直波导的宽度在200-350nm之间。

7.根据权利要求1所述端面耦合器，其特征在于，两个所述第二波导之间的距离在0.9-1.2μm之间。

8.根据权利要求1所述端面耦合器，其特征在于，所述第一波导、所述第二直波导和所述第二锥波导的高度为220nm。

9.根据权利要求1所述端面耦合器，其特征在于，所述第一直波导的宽度在450-500nm之间。

10.根据权利要求1所述端面耦合器，其特征在于，所述下包层的厚度在2.8-3.2μm之间,所述上包层的厚度在2.8-3.2μm之间。

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