[發明專利]一種用于硅光芯片的模斑轉換器

有效

• 申請號: 202011114622.9
• 申請日: 2020-10-19
• 公開（公告）號: CN112014925B
• 公開（公告）日: 2021-01-08
• 發明（設計）人: 汪軍平;金夢溪;陳操;盧德海;胡朝陽
• 申請（專利權）人: 蘇州海光芯創光電科技有限公司
• 主分類號: G02B6/14
• 分類號: G02B6/14
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 任曉婷

本發明公開了一種用于硅光芯片的模斑轉換器，包括下包層和上包層，下包層和上包層之間具有波導層，波導層包括波導基體和設置在波導層上的波導體，波導體一端與輸入光波導對接，另一端與輸出光波導對接，波導體與輸入光波導對接一端的尺寸大于輸出波導體與光波導對接一端的尺寸，且波導體與輸出光波導對接一端至波導體與光波導之間具有尺寸線性縮減的區段，使得兩種光波導的模斑尺寸逐漸匹配，從而實現兩種模斑間的高效耦合。所述用于硅光芯片的模斑轉換器的波導體具有三維錐形結構，其尺寸在垂直和水平方向上線性縮減，實現與輸入光波導的尺寸和形狀逐漸匹配，能夠提高兩種模式間的耦合效率。

技術領域

本發明涉及硅光芯片相關技術領域，更準確的說涉及一種用于硅光芯片的模斑轉換器。

背景技術

光子集成，即光子集成電路，其以介質波導為中心集成光器件的光波導型集成回路，即將若干光器件集成在一片基片上，構成一個整體，器件之間以半導體光波導連接，使其具有某些功能的光路。在未來的高速率、大容量信息網絡體系中，光子集成技術將成為主體技術。由于硅材料具備高帶寬、低插損，且易于實現光互連所需的分路器、調制器、探測器等光學元件，因此目前硅光芯片是光子集成的主要實現手段，本專利也主要針對硅光芯片來展開的。在光集成中的一個關鍵技術是實現光波導和其他部件（如光纖、透鏡、激光器等）的有效耦合，有效耦合的前提是光波導和其他部件的模斑尺寸相匹配。以單模光纖為例，其模斑直徑約為9微米，而光波導的模斑直徑為0.2-4 微米。二者間直接耦合效率極低，這除了二者間折射率差異的原因外，更重要的是模斑尺寸差異導致的模斑失配。因為二者間模式尺寸和形狀的不匹配大大降低了光纖到波導間的耦合效率，增大了光信號的傳播損耗。目前，光集成芯片的耦合方法主要有端面耦合和光柵耦合兩種方式，其中端面耦合可以有效的減小光波導與其他部件的耦合損耗。端面耦合是在硅基光子集成芯片的邊緣設置模斑轉換器，模斑轉換器中的模斑與外部的光波導的模場進行耦合，實現光路上的對接。

現有技術中通常采用錐形模斑轉換器進行波導間的耦合。錐形模斑轉換器可以分為側面錐形和垂直錐形兩種，其波導結構又有脊型、掩埋型、單芯和雙芯之別。比較成熟的錐形模斑轉換器為側面錐形，它在二維尺寸上（水平方向上）線性或非線性地漸變。這種模斑轉換器由于受到垂直方向尺寸的限制，傳播模式為扁平狀的高斯基模，大大降低了波導到波導的耦合效率，導致模斑轉換器的耦合效率較低。

發明內容

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種用于硅光芯片的模斑轉換器，包括下包層和上包層，下包層和上包層之間具有波導層，波導層包括波導基體和設置在波導層上的波導體，波導體一端與輸入光波導對接，另一端與輸出光波導對接，波導體與輸入光波導對接一端的尺寸大于波導體與輸出光波導對接一端的尺寸，且波導體與輸入光波導對接一端至波導體與輸出光波導之間具有尺寸線性縮減的區段，實現與輸入光波導模式的尺寸逐漸匹配，從而實現兩種模式間的高效耦合。

為了達到上述目的，本發明提供一種用于硅光芯片的模斑轉換器，包括下包層、上包層以及波導層，所述波導層位于所述下包層和所述上包層之間，所述波導層包括波導基體和波導體，所述波導基體設置在所述下包層上，所述波導體設置在所述波導基體上，所述波導體上具有尺寸線性縮減的漸變區段，且所述漸變區段的寬度及高度均線性縮減；所述波導體兩端中尺寸較大的一端為輸入端，所述波導體遠離所述輸入端的一端為輸出端；所述波導基體具有依次排列的第一段、第二段以及第三段，所述第一段及所述第三段頂面均為平面，且所述第一段的高度小于所述第三段的高度，所述第二段頂部為斜面，所述斜面的底端及頂端分別與所述第一段及所述第三段的頂面對接。

優選地，所述波導體具有所述漸變區段和光波導對接區段，所述漸變區段位于所述第一段、所述第二段及所述第三段頂部，所述光波導對接區段位于所述第三段頂部。

優選地，所述漸變區段從所述輸入端至所述輸出端方向依次具有第一對接段、過渡段、第二對接段，所述第一對接段位于所述第一段頂部，所述過渡段位于所述第二段頂部，所述第二對接段位于所述第三段頂部，所述第二對接段與所述光波導對接區段對接。