[實用新型]一種硅光波導端面耦合器

有效

• 申請號: 201821844696.6
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN209117912U
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發明（設計）人: 方青;張志群
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G02B6/26
• 分類號: G02B6/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本實用新型涉及一種硅光波導端面耦合器，屬于半導體光通信技術領域。該硅光波導端面耦合器，包括芯層光波導、模斑壓縮光波導、襯底硅、下包層和上包層，芯層光波導包括依次連接的芯層光波導的反向錐形波導和芯層光波導的直波導，模斑壓縮光波導包括依次連接的輸入直波導、模斑壓縮錘形波導和模斑壓縮輸出波導。本實用新型中的硅光波導端面耦合器解決了現有兩種應用中的硅光?光纖耦合器存在的關鍵問題，具有全面的優良光纖性能、高可靠性以及易于封裝的特性。

技術領域

本實用新型涉及一種硅光波導端面耦合器，屬于半導體光通信技術領域。

背景技術

硅光子芯片是近20多年火熱的通信研究領域，基于長期的研究和發展，目前部分產品已經逐步得到小量產應用，包括Intel的100G PSM4光收發模塊和ACACIA的100G 相干光收發模塊，僅此2個模塊產品年產值已經到達10億美金。相比傳統分立結構的光收發模塊，400G的硅光收發模塊更具有巨大優勢，幾乎所有有能力的國內外光通信領域的公司和研究單位都在致力于開發400G的硅光收發模塊。除了硅光收發模塊外，硅光子其他結構的芯片也在廣泛研發之中。

抑制硅光子芯片廣泛應用的關鍵問題之一的是光纖與硅光子芯片的耦合。與光纖的耦合問題是任何一個硅光子芯片或產品必須解決的問題。目前基于二氧化硅光芯片或者III-V族光芯片的光波導尺寸較大，可以與芯層直徑為10微米的光纖進行有效耦合。硅光子芯片中的光波導是納米線結構，其尺寸在幾百納米，其光波導的模場尺寸與標準光纖的模斑尺寸相差巨大，因模斑失配產生的硅光子-光纖耦合損耗高。針對此問題，目前有兩種方案來解決光纖與硅光子光波導的耦合問題。一是基于光柵結構的耦合器，優點是耦合容差大、易于封裝，其耦合損耗與硅光子光波導的厚度對應，硅光子光波導厚度越厚，光柵耦合器的損耗越低。在220nm厚的硅光子波導上設計光柵耦合器，其與光纖耦合損耗約3~4dB/facet；在340nm后的硅光子波導上設計，光柵耦合器與光纖耦合損耗約2dB/facet，對于光模塊產品其耦合損耗過高。光柵耦合器的性能缺陷嚴重影響了其應用，尤其是光柵耦合器偏振敏感、窄的波長帶寬。另一種硅光耦合器是懸空耦合器，該耦合器是基于常規SOI晶圓開發出來的，為減小耦合器的損耗，該耦合器需要通過刻蝕技術掏空耦合器下方的襯底層，耦合器關鍵部位處于懸空狀態，通過二氧化硅梁來支撐耦合器的核心部分。雖然該耦合器的光學性能優良，比如低的耦合損耗、大的波長帶寬、低的偏振敏感性等，但該結構的可靠性不高，在晶圓劃片和芯片封裝過程中容易折斷，使得成本增高、抑制了產量。以上兩種耦合器是目前硅光芯片或產品中可以使用的耦合結構，但各自特性限制了其大規模使用，也阻礙了硅光產品的大批量生產與應用。

發明內容

針對上述現有技術存在的問題及不足，本實用新型提供一種硅光波導端面耦合器。本實用新型中的硅光波導端面耦合器解決了現有兩種應用中的硅光-光纖耦合器存在的關鍵問題，具有全面的優良光纖性能、高可靠性以及易于封裝的特性。本實用新型通過以下技術方案實現。

一種硅光波導端面耦合器，包括芯層光波導1、模斑壓縮光波導2、襯底硅3、下包層4和上包層5，芯層光波導1包括依次連接的芯層光波導的反向錐形波導7和芯層光波導的直波導6，模斑壓縮光波導2包括依次連接的輸入直波導8、模斑壓縮錘形波導9和模斑壓縮輸出波導10，襯底硅3頂面上設有下包層4，下包層4頂面上設有模斑壓縮光波導2，模斑壓縮光波導2四周被上包層5完全覆蓋，芯層光波導1位于模斑壓縮光波導2內部且被斑壓縮光波導2完全包裹，下包層4和上包層5材料折射率低于模斑壓縮光波導2材料折射率，模斑壓縮光波導2材料折射率低于芯層光波導1材料折射率，模斑壓縮光波導2中輸入直波導8模斑尺寸與光纖輸出的光信號光纖模斑尺寸相匹配，模斑壓縮光波導2中模斑壓縮輸出波導10光模場尺寸與芯層光波導1中芯層光波導的反向錐形波導7模場尺寸相匹配。

所述芯層光波導1位于模斑壓縮光波導2中心位置。芯層光波導1厚度在微納米量級；芯層光波導的反向錐形波導7的頂部寬度為納米量級，如0.1nm~150nm等。