耦合光路结构和光模块

技术领域

本发明涉及半导体集成技术领域，尤其涉及一种耦合光路结构和光模块。

背景技术

硅光芯片能够有效降低光通信中模块的成本和功耗，是实现光互连的关键技术。典型单模硅波导的尺寸为350nm×155nm，激光器输出的光模场直径在2～4μm，两者之间模场不匹配，直接耦合对准容差较小，损耗较大。所以，为实现两者之间的大对准容差低损耗耦合，需要同时把激光器的光场和硅光芯片与激光器耦合处的光场增大，一般增大到9μm左右，激光器的光场扩大一般利用透镜来实现，硅光芯片耦合处光场扩大通过设计模斑转换器来实现。

常用技术中，激光器与光发射芯片之间的耦合光路结构如图1所示，激光器1输出水平偏振(TE)的光经过透镜21、隔离器22和波片23，光场放大，偏振态仍然为水平，然后耦合进光发射芯片的模斑转换器31，再经硅波导和集成器件输出水平偏振的光。但是由于在实际的应用中，光发射芯片需要输入较大的光功率，而硅波导的模斑转换器和单模硅波导在较大光功率的情况下，传输水平偏振光会产生较大的非线性损耗，非线性损耗引起的热的积累甚至可能会存在烧坏芯片的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耦合光路结构和光模块，以降低光传输引起的非线性损耗。

为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种耦合光路结构，所述耦合光路结构包括激光发射单元、空间耦合单元和光芯片；

所述激光发射单元用于输出第一水平偏振光；

所述空间耦合单元设置于所述激光发射单元和光芯片之间，用于接收所述第一水平偏振光，并改变所述第一水平偏振光的偏振态，输出竖直偏振光；

所述光芯片沿光信号传播方向依次包括：模斑转换单元、偏振旋转单元和光处理单元；

所述模斑转换单元用于接收竖直偏振光，对所述竖直偏振光进行模斑转换，并输出转换后的竖直偏振光；

所述偏振旋转单元用于接收所述转换后的竖直偏振光，改变所述竖直偏振光的偏振态，并输出第二水平偏振光；

光处理单元，用于接收第二水平偏振光，并对所述第二水平偏振光进行处理。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述光处理单元包括光功率监测单元和光调制器，所述光功率监测单元与所述光调制器的输入端均与所述偏振旋转单元的输出端相连。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述光芯片还包括第一分束单元，与所述模斑转换单元输出端相连，用于将所述转换后的竖直偏振光分为至少两路传输至所述偏振旋转单元。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述第一分束单元为3dB耦合器，将所述转换后的竖直偏振光均分为两路传输，每一路上均连接有偏振旋转单元和光处理单元。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述模斑转换单元为双尖端模斑转换器，用于对所述竖直偏振光进行模斑转换，并均分输出两路转换后的竖直偏振光，每一路上均连接有偏振旋转单元和光处理单元。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述模斑转换单元为反向楔形结构。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述模斑转换单元为亚波长结构。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述光处理单元还包括第二分束单元，所述第二分束单元为3dB耦合器，将所述第二水平偏振光均分为两路传输，每一路上均连接有光功率监测单元和光调制器。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述空间耦合单元包括透镜、隔离器以及波片，所述透镜靠所述激光发射单元设置，所述波片靠近所述光芯片设置，用于将所述第一水平偏振光转换为竖直偏振光输出；所述隔离器设置于所述透镜与所述波片之间。

本发明还提供一种光模块，所述光模块具有如上任意一项所述的耦合光路结构。

本发明的有益效果在于：耦合光路结构中光芯片在与激光源输出光作光耦合的一端接收竖直偏振光，在光芯片内设置有偏振旋转单元，将接收的竖直偏振光转换为水平偏振光输出，相比常用技术中光芯片从接收到输出都是水平偏振光的技术方案，光芯片内模斑转换单元和传输光信号的硅波导在具有较大输入光功率的情况下，以竖直偏振光传输比以水平偏振光传输能大大降低光芯片内因光传输引起的非线性损耗，防止由于非线性损耗引起热的积累、烧坏光芯片等问题。

附图说明

图1为常用技术中耦合光路结构示意图。

图2是本发明实施例1中的耦合光路结构示意图。

图3是本发明实施例2中的耦合光路结构示意图。

图4是本发明实施例3中的耦合光路结构示意图。

图5是本发明实施例4中的耦合光路结构示意图。

图6是本发明实施例5中的耦合光路结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施方式及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，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他实施方式，都属于本申请保护的范围。

下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为降低耦合光路中由光传输引起的非线性损耗，本发明提供以下五种实施例进行具体说明。

实施例1

如图2所示，为本发明实施例1中的耦合光路结构示意图，所述耦合光路结构包括激光发射单元1、空间耦合单元2以及光芯片3，所述空间耦合单元2设置于所述激光发射单元1和光芯片3之间。

所述激光发射单元1输出具有高功率的第一水平偏振光。在本实施例中，所述激光发射单元1选用1310nm DFB激光器。当然，在本发明其他实施方式中，所述激光发射单元1还可选用其他能够输出具有高功率水平偏振光的激光器。

所述空间耦合单元2用于接收所述激光发射单元1输出的第一水平偏振光，扩大所述激光发射单元1输出的第一水平偏振光的模场直径，并且改变所述激光发射单元1输出的第一水平偏振光的偏振态，使其转变为竖直偏振光。

具体的，所述空间耦合单元2包括透镜21、隔离器22以及波片23。所述透镜21靠近所述激光发射单元1设置，用于扩大所述激光发射单元1输出的第一水平偏振光的模场直径，此处为球型玻璃透镜。所述波片23靠近所述光芯片3设置，可通过波片23设置相关参数，将所述激光发射单元1输出的第一水平偏振光转换为竖直偏振光输出。所述隔离器22设置于所述透镜21与所述波片23之间。

所述光芯片3与所述空间耦合单元2作光耦合，接收所述空间耦合单元2输出的竖直偏振光，具体的，所述光芯片3沿光信号传播方向依次包括：模斑转换单元31、偏振旋转单元32和光处理单元33。

所述模斑转换单元31用于接收所述空间耦合单元2输出的竖直偏振光，对所述竖直偏振光进行模斑转换，并输出转换后的竖直偏振光。由于光芯片3在耦合进高功率光束的情况下，该高功率光束为竖直偏振光，相比水平偏振光，同样光功率情况下，竖直偏振光的能量密度较小，特别是在硅波导高度较低时，例如小于200nm时，从而能够大大降低光在模斑转换单元31和硅波导上传输引起的非线性损耗。

在本发明一实施方式中，所述模斑转换单元31为反向楔形结构的模斑转换器，该结构为将光波导与输入光作耦合的一端波导宽度逐渐减小，使原本被限制在波导中的模场泄露到包层中从而扩大模场，实现与空间耦合单元2输出光的模场之间的匹配，减小耦合损耗。

在本发明的另一实施方式中，所述模斑转换单元31为亚波长光栅型结构的模斑转换器，同样的，该结构用于扩大与芯片外部输出光作光耦合一端的模场直径，实现与空间耦合单元2输出光的模场之间的匹配，减小耦合损耗。与反向楔形结构的模斑转换器相比，亚波长光栅型结构的模斑转换器可以使模场扩得更大，同时其工艺要求高、制备难度大。

所述偏振旋转单元32用于接收所述转换后的竖直偏振光，改变所述竖直偏振光的偏振态，并输出第二水平偏振光。

所述光处理单元33用于接收第二水平偏振光，并对所述第二水平偏振光进行处理输出。具体的，在本实施例中，所述光处理单元33包括光功率监测单元331和光调制器332，所述光功率监测单元331与所述光调制器332的输入端均连接至所述偏振旋转单元32，所述光功率监测单元331用于监测光传输路径上的光功率大小，所述光调制器332接收所述第二水平偏振光，并对所述第二水平偏振光进行调制输出。

实施例2

如图3所示，为本发明实施例2中的耦合光路结构示意图。与实施例1不同的是，本实施方式中，光芯片3还包括第一分束单元34。所述第一分束单元34的输入端与模斑转换单元31输出端相连，用于将所述模斑转换单元31转换后的竖直偏振光分为至少两路至所述偏振旋转单元32。

具体的，所述第一分束单元34为3dB耦合器，将所述转换后的竖直偏振光均分为两路传输，每一传输路径上均连接有偏振旋转单元32和光处理单元33，所述偏振旋转单元32接收3dB耦合器分束的50％光功率的竖直偏振光，用于改变该50％光功率的竖直偏振光的偏振态，输出该50％光功率的水平偏振光。所述光处理单元33与所述偏振旋转单元32的输出端相连，具体包括光功率监测单元331和光调制器332，所述光功率监测单元331与所述光调制器332的输入端均连接至所述偏振旋转单元32，所述光调制器332接收该50％光功率的水平偏振光，并对所述50％光功率的水平偏振光进行光信号调制输出。

当然，所述第一分束单元34也可以设计为多路分束器结构，只需保证每一路传输的光功率满足后续硅基光器件的传输需求即可。

进一步的，在此实施方式中，也可以将光功率监测单元331的输入端与第一分束单元34的一个输出端相连，光功率监测单元331的输出端与偏振旋转单元32的输入端相连，光调制器332的输入端与偏振旋转单元32的输出端相连，在此实施方式中先监测光传输路上的光功率大小，再改变光的偏振态输出。所述偏振旋转单元32改变所述第一分束单元34分束的50％竖直偏振光的偏振态，输出50％水平偏振光，所述光调制器332接收所述50％水平偏振光，对所述50％水平偏振光调制输出。

更进一步的，在本实施例中的光调制器332输出端之后也可以再设计合波器将两路光传输路径合为一路输出，具体可根据实际需求设计。

实施例3

如图4所示，为本发明实施例3中的耦合光路结构示意图，与实施例2不同的是，所述光处理单元33还包括第二分束单元333，所述第二分束单元333与所述偏振旋转单元32输出端连接，接收所述偏振旋转单元32输出的50％光功率的水平偏振光，用于将50％光功率的水平偏振光分为至少两路传输，进一步降低每一路光传输路径上的光功率。

具体的，所述第二分束单元333为3dB耦合器，将接收到的50％光功率的水平偏振光均分为两路传输，同样的，每一条光传输路径上均连接有光功率监测单元331和光调制器332，所述光调制器332接收第二分束单元333分束的25％光功率的水平偏振光，并对该25％光功率的水平偏振光进行光信号调制输出。

当然，所述第二分束单元333也可以设计为多路分束器结构，只需保证每一路传输的光功率满足后续硅基光器件的传输需求即可。

进一步的，在本实施例中的光调制器332输出端之后也可以再设计合波器将两路光传输路径合为一路输出，具体可根据实际需求设计。

实施例4

如图5所示，为本发明实施例4中的耦合光路结构示意图，与实施例1不同的是，所述模斑转换单元31为双尖端模斑转换器结构，接收空间耦合结构2输出的竖直偏振光，对所述竖直偏振光进行模斑转换，可大大减少光经过模斑转换单元31引起的非线性损耗，同时所述双尖端模斑转换器可均分输出两路转换后的竖直偏振光，更进一步降低光在硅波导上传输引起的非线性损耗。

具体的，每一条光传输路径上均连接有偏振旋转单元32和光处理单元33，所述偏振旋转单元32接收双尖端模斑转换器分束的50％光功率的竖直偏振光，用于改变该50％光功率的竖直偏振光的偏振态，输出该50％光功率的水平偏振光。所述光处理单元33与所述偏振旋转单元32的输出端相连，具体包括光功率监测单元331和光调制器332，同样的，所述光功率监测单元331与所述光调制器332的输入端均连接至所述偏振旋转单元32，所述光功率监测单元331用于监测光传输路径上的光功率大小，所述光调制器332接收该水平偏振光，并对该水平偏振光进行光信号调制输出。

进一步的，在此实施方式中，也可以将光功率监测单元331的输入端与模斑转换单元31的一个输出端相连，光功率监测单元331的输出端与偏振旋转单元32的输入端相连，光调制器332的输入端与偏振旋转单元32的输出端相连，在此实施方式中先监测光传输路上的光功率大小，再改变光的偏振态输出。光功率监测单元331接收模斑转换单元31分束的竖直偏振光，所述偏振旋转单元32改变所述模斑转换单元31分束的竖直偏振光的偏振态，输出水平偏振光，所述光调制器332接收所述水平偏振光，对所述水平偏振光调制输出。

更进一步的，在本实施例中的光调制器332输出端之后也可以再设计合波器将两路光传输路径合为一路输出，具体可根据实际需求设计。

实施例4与实施例2相比，可减少光芯片上集成器件的数量以及简化光传输路径，能够更进一步减少光功率的传输损耗和光传输引起的非线性损耗。

实施例5

如图6所示，为本发明实施例5中的耦合光路结构示意图，与实施例4不同的是，所述光处理单元33还包括第二分束单元333，所述第二分束单元333与所述偏振旋转单元32输出端连接，接收所述偏振旋转单元32输出的50％光功率的水平偏振光，用于将50％光功率的水平偏振光分为至少两路传输，进一步降低每一路光传输路径上的光功率，减小光在硅波导上传输所引起的非线性损耗。具体的，所述第二分束单元333为3dB耦合器，将接收到的50％光功率的水平偏振光均分为两路传输。

当然，所述第二分束单元333也可以设计为多路分束器结构，只需保证每一路传输的光功率满足后续硅基光器件的传输需求即可。

进一步的，在本实施例中的光调制器332输出端之后也可以再设计合波器将两路光传输路径合为一路输出，具体可根据实际需求设计。

本发明还提供一种光模块，所述光模块具有如上任意一种实施方式中所述的耦合光路结构。

综上所述，本发明提出的耦合光路中光芯片在与激光源输出光作光耦合的一端接收竖直偏振光，在光芯片内设置有偏振旋转单元，将接收的竖直偏振光转换为水平偏振光输出，相比常用技术中光芯片从接收到输出都是水平偏振光的技术方案，光芯片内模斑转换单元和传输光信号的硅波导在具有较大的输入光功率情况下，以竖直偏振光传输比以水平偏振光传输能大大降低光芯片内因光传输引起的非线性损耗；同时通过设置第一分束单元和第二分束单元将输入光均分为至少两路传输，降低每一条光传输路径上的光功率，以进一步减小光在硅波导上传输引起的非线性损耗，防止由于非线性损耗引起热的积累、烧坏光芯片等问题。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。