[實用新型]一種硅光光模斑模式轉換器

有效

• 申請號: 201921996296.1
• 申請日: 2019-11-19
• 公開（公告）號: CN210666088U
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 朱云鵬;田斌;黃小偉;夏曉亮
• 申請（專利權）人: 杭州芯耘光電科技有限公司
• 主分類號: G02B6/14
• 分類號: G02B6/14;G02B6/122;G02B6/136;G02B6/13
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本實用新型提供一種硅光光模斑模式轉換器，包括二氧化硅懸臂、過渡波導、主波導、硅襯底、第一包層、第二包層、第三包層，所述第一包層置于所述硅襯底上方，所述主波導置于第一包層上方，所述主波導與過渡波導中間為第二包層，所述過渡波導上設置第三包層；所述二氧化硅懸臂接于過渡波導外側，所述二氧化硅懸臂光路中心與所述過渡波導光路中心在同一縱向截面；所述二氧化硅懸臂寬度和厚度沿輸入光路方向逐漸減小?？梢越鉀Q硅基光電子芯片與光纖或激光器的光模斑不匹配，導致的耦合效率低的問題，能有效提高硅光芯片與外界光源/光纖的耦合效率。

技術領域

本實用新型涉及一種硅光光模斑模式轉換器，主要是一種利用片上集成型微透鏡實現的硅光光模斑模式轉換器，應用于硅光子集成領域。

背景技術

隨著近些年技術的進步，尺寸小、高集成度的光芯片成為未來發展趨勢，綜合成本與制造工藝成熟度，硅基光電子越來越可能成為未來主流的商用光子集成平臺。傳統的低折射率差光子集成平臺，例如二氧化硅、磷化銦平臺，由于其利用的光波導為弱限制光波導，其波導截面一般較大，且波導的彎曲半徑也比較大（通常為幾百微米至毫米量級），難以在單個晶圓上集成多個光學功能器件。硅基光電子技術，利用SOI（Silicon-on-insulator）晶圓工藝。該平臺利用硅材料的高折射率，限制光波在硅波導材料中傳輸，由于硅波導的芯層和包層的折射率差很大，不僅實現了納米尺度的強限制光波導，而且使得在該平臺上的波導能夠實現超小的彎曲半徑（約5 μm）。但是，硅波導的尺寸一般在亞微米量級，一般的單模光纖直徑通常在8 μm左右，如何實現硅波導與外置光源以及光纖的低損耦合慢慢成為了技術的難點和關鍵。

為了實現硅波導和外置光源和光纖的耦合，一般使用兩大類方法。一類方法是采用SOI片上刻蝕二階光柵作為耦合結構，這類方法需要精準控制耦合光的角度，并且其帶寬受限，對工藝要求比較敏感，大規模應用有一定困難。另外一類方法是利用波導結構對硅波導中的光模式進行擴束，使其能夠匹配激光器或者光纖模式。但是由于硅波導的光模斑一般在亞微米量級，而光纖或者激光器的光模斑通常在幾個微米量級，需要比較長的結構用于實現低損耗的擴束。

發明內容

本實用新型提供一種硅光光模斑模式轉換器，包括二氧化硅懸臂、過渡波導、主波導、硅襯底、第一包層、第二包層、第三包層，所述第一包層置于所述硅襯底上方，所述主波導置于第一包層上方，所述主波導與過渡波導中間為第二包層，所述過渡波導上設置第三包層；所述二氧化硅懸臂接于過渡波導外側，所述二氧化硅懸臂光路中心與所述過渡波導光路中心在同一縱向截面；所述二氧化硅懸臂寬度和厚度沿輸入光路方向逐漸減小?？梢越鉀Q硅基光電子芯片與光纖或激光器的光模斑不匹配，導致的耦合效率低的問題。

本實用新型設計一種二氧化硅微透鏡結構，將光模斑轉換器集成到單個芯片中，可以實現高集成度情景下高效率的光匯聚收束效果，提高硅基光電子芯片與光纖或激光器之間的耦合效率，降低傳統方案中漸變波導的長度。

進一步，所述二氧化硅懸臂在其寬度方向設置為臺階狀，可以實現寬度方向的高效率光匯聚收束效果。

進一步，所述二氧化硅懸臂在其高度方向設置為臺階狀，可以實現高度方向的高效率光匯聚收束效果。

進一步，所述過渡波導兩端橫截面為倒錐形，所述主波導接近過渡波導的一端橫截面為倒錐形，可以實現芯片內部高效率光耦合。

進一步，所述主波導為硅波導，所述過渡波導折射率范圍在1.445 - 3.42之間，一般選用氮化硅材質，根據需求可以選用氮氧化硅。過渡波導的折射率在二氧化硅和硅之間，由于光傾向于耦合進折射率更高的材料，選取這段過渡波導可以提高光從二氧化硅懸臂到硅波導之間的耦合效率。

進一步，所述過渡波導為氮化硅或氮氧化硅。

進一步，所述二氧化硅懸臂設置在模斑模式轉換器前段，所述第一包層、第二包層、第三包層為二氧化硅層。