偏振无关耦合器

技术领域

本发明涉及硅光子集成电路的技术领域，尤其涉及一种偏振无关耦合器。

背景技术

偏振无关集成是指构成硅光芯片的器件是偏振无关的，其性能不因偏振态的变化而变化。而耦合器作为硅光芯片中的重要器件之一，实现偏振无关处理对实现硅光芯片的偏振无关集成有着重要的意义。

在硅光子集成电路中，不同光器件输出的光波由于器件结构和材料的不同，导致光的模场不匹配。因此研发高性能的光耦合器成为硅光子集成电路中的一项关键技术。模式是指满足一定条件的光，而模式匹配便是入射光的模场大小与光纤的模场大小是匹配的。

耦合器包含两种耦合方式：垂直耦合和端面耦合。垂直耦合可以应用在高密度的光学集成器件中，并且利于晶圆级光学测试；但是由于光学衍射机制，垂直耦合的带宽受限、偏振依赖度高。端面耦合的操作带宽大，耦合效率高，但是测试位置受限、不灵活。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种偏振无关耦合器。

本发明提供了一种偏振无关耦合器，包括：基底；第一包覆层，设于基底上；直波导，设于第一包覆层内且沿第一方向布设，直波导被配置为传输光波；弯曲波导，设于第一包覆层内且沿第二方向布设，第一方向和第二方向相垂直，弯曲波导的第一端与直波导的第二端相连接，弯曲波导被配置为改变光波的传播方向；第二包覆层，设于第一包覆层上；模斑变换波导，设于第二包覆层内，模斑变换波导的第一端与弯曲波导的第二端相连接，模斑变换波导的第二端用于与光纤对接，模斑变换波导被配置为逐步扩大光模场以实现与单模光纤的光模场匹配。

可选地，模斑变换波导靠近弯曲波导一端的横截面积小于远离弯曲波导一端的横截面积。

可选地，模斑变换波导的侧面朝向模斑变换波导中心轴线的一侧弯曲布设。

可选地，模斑变换波导侧面呈抛物线状，且抛物线状满足：

y＝ax

其中，-5×10

可选地，模斑变换波导远离弯曲波导一端的横截面呈正方形，模斑变换波导靠近弯曲波导一端的横截面呈长方形。

可选地，第二包覆层远离基底的一侧开设有供光纤对接的插接槽，模斑变换波导远离弯曲波导的端面与插接槽的内底壁平齐。

可选地，模斑变换波导沿第二方向的长度为1-200μm。

可选地，模斑变换波导沿第二方向的长度为30μm。

可选地，模斑变换波导两端截面的边长为0.1-10μm。

可选地，直波导和弯曲波导的宽度和厚度均相等且制备材料一致。

本发明实施例采用的上述至少一个技术方案至少包括以下有益效果：

通过直波导、弯曲波导和模斑变换波导相配合，能够改变光波的传播方向，使光波的传播方向不止局限于水平方向，还能够在竖直方向进行传播，从而使该耦合器同时保留了端面耦合和垂直耦合的优点，既有利于进行晶圆级光学测试，也能实现操作带宽大、耦合效率高、测试位置灵活的效果；

通过优化模斑变换器的尺寸结构，实现偏振无关的光耦合能力，提高了光耦合效率；

模斑变换波导的侧边采用抛物线的结构，不仅有利于光模场的逐步扩大，减小模斑变换波导的长度，提高耦合效率，同时，还能够提高模斑变换波导的机械强度及结构稳定性。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了本发明实施例提供的偏振无关耦合器的结构示意图；

图2示意性示出了本发明实施例提供的偏振无关耦合器另一角度的结构示意图；

图3示意性示出了本发明实施例提供的偏振无关耦合器中模斑变换波导处的俯视图；

图4示意性示出了本发明实施例提供的模斑变换波导的结构示意图。

【附图标记说明】

1-基底；2-第一包覆层；3-直波导；4-弯曲波导；5-第二包覆层；51-插接槽；6-模斑变换波导；

D1-第一方向；D2-第二方向；D3-第三方向。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例提供了一种偏振无关耦合器。在介绍本发明实施例提供的技术方案之前，先对本发明涉及的相关技术进行说明。

在相关技术中，在硅光子集成电路中，不同光器件输出的光波由于器件结构和材料的不同，导致光的模场不匹配。因此研发高性能的光耦合器成为硅光子集成电路中的一项关键技术。模式是指满足一定条件的光，而模式匹配便是入射光的模场大小与光纤的模场大小是匹配的。简单来讲，光可以由波长，幅度，相位来描述，那么要实现高效率耦合，入射光的幅度和相位，必然要与光纤能够允许传输的光场强度和相位相同。

目前，耦合器包含两种耦合方式：垂直耦合和端面耦合。垂直耦合可以应用在高密度的光学集成器件中，并且利于晶圆级光学测试；但是由于光学衍射机制，垂直耦合的带宽受限、偏振依赖度高。端面耦合的操作带宽大，耦合效率高，但是测试位置受限、不灵活。因此急需研究一种能够将垂直耦合和端面耦合两种耦合方式相结合的耦合器。既能够实现高耦合效率，大的操作带宽，又能够用于灵活测试，对于实现高速高密度的集成和测试具有重要意义。

本发明实施例提供一种偏振无关耦合器，包括：基底；第一包覆层，设于基底上；直波导，设于第一包覆层内且沿第一方向布设，直波导被配置为传输光波；弯曲波导，设于第一包覆层内且沿第二方向布设，第一方向和第二方向相垂直，弯曲波导的第一端与直波导的第二端相连接，弯曲波导被配置为改变光波的传播方向；第二包覆层，设于第一包覆层上；模斑变换波导，设于第二包覆层内，模斑变换波导的第一端与弯曲波导的第二端相连接，模斑变换波导的第二端用于与光纤对接，模斑变换波导被配置为逐步扩大光模场以实现与单模光纤的光模场匹配。通过直波导、弯曲波导和模斑变换波导相配合，能够改变光波的传播方向，使光波的传播方向不止局限于水平方向，还能够在竖直方向进行传播，从而使该耦合器同时保留了端面耦合和垂直耦合的优点，既有利于进行晶圆级光学测试，也能实现操作带宽大、耦合效率高、测试位置灵活的效果。

图1示意性示出了本发明实施例提供的偏振无关耦合器的结构示意图。图2示意性示出了本发明实施例提供的偏振无关耦合器另一角度的结构示意图；图3示意性示出了本发明实施例提供的偏振无关耦合器中模斑变换波导处的俯视图。

参照图1、图2和图3，该偏振无关耦合器例如可以包括：基底1、第一包覆层2、直波导3、弯曲波导4、第二包覆层5和模斑变换波导6。

在一些实施例中，基底1包括衬底和生长于衬底上表面的埋氧层。在埋氧层远离衬底的一侧生长第一包覆层2。直波导3和弯曲波导4均位于第一包覆层2内。直波导3沿第一方向D1布设(即衬底的宽度方向)；弯曲波导4沿第二方向D2布设(即衬底的高度方向)，弯曲波导4的第一端与直波导3的第二端相连接，弯曲波导4朝向直波导3的一侧弯曲，且弯曲波导4第一端的切线方向与弯曲波导4第二端的切线方向相互垂直。第二包覆层5生长于第一包覆层2的上表面。模斑变换波导6位于第一包覆层2内，且模斑变换波导6沿第二方向D2布设，模斑变换波导6的第一端与弯曲波导4的第二端相连接，模斑变换波导6的第二端用于与光纤对接。

具体地，直波导3用于传输光波，光芯片产生1550nm的光波，经直波导3传输至弯曲波导4。弯曲波导4将沿水平方向(即第一方向D1)传播的光波转变为沿竖直方向(即第二方向D2)，然后传输至模斑变换波导6。模斑变换波导6逐步扩大光模场以实现传输光波与单模光纤的光模场匹配，完成光的耦合。

示例性地，直波导3和弯曲波导4的截面均为长方形，直波导3和弯曲波导4的宽度和高度相同，模斑变换波导6第一端的端面与弯曲波导4第二端的端面周侧相平齐，且直波导3、弯曲波导4和模斑变换波导6均采用硅材料制备，且直波导3和垂直弯曲波导4端面的大小(宽*高)为450nm*220nm。例如，在其他实施例中，直波导3、弯曲波导4和模斑变换波导6也可采用氮化硅材料制备。在制备时，弯曲波导4和模斑变换波导6采用离子注入工艺制备得到。

需要说明的是，本发明实施例中，对直波导3和弯曲波导4的长度不做具体的限定，直波导3和弯曲波导4长度可以根据实际耦合器的应用情况进行改变。

在一些实施例中，模斑变换波导6靠近弯曲波导4一端的横截面积小于远离弯曲波导4一端的横截面积，模斑变换波导6第一端的端面与第二端的端面共轴布设。

具体地，模斑变换波导6为倒锥形结构。

在一些实施例中，模斑变换波导6远离弯曲波导4一端的横截面呈正方形，模斑变换波导6靠近弯曲波导4一端的横截面呈长方形。

在一些实施例中，模斑变换波导6两端截面的边长为0.1-10μm。

在一些实施例中，模斑变换波导6沿第二方向D2的长度为1-200μm。

具体地，模斑变换波导6第一端端面的大小为450nm*220nm，模斑变换波导6第二端端面的大小为150nm*150nm，且模斑变换波导6沿第二方向D2的长度为30μm。通过将模斑变换波导6第二端设置为正方形，使光波中的TE(横电波)/TM(横磁波)具有相同的耦合效率，实现偏振无关功能，从而能够更好地与圆形光纤耦合。

例如，在其他实施例中，模斑变换波导6第一端端面的大小还可以为450nm*220nm，模斑变换波导6第二端端面的大小可以为150nm*150nm、100nm*100nm、120nm*120nm、140nm*140nm、170nm*170nm或200nm*200nm，且模斑变换波导6沿第二方向D2的长度可以为20μm、40μm、50μm或60μm。但是，需要保证模斑变换波导6第二端端面的边长小于模斑变换波导6第一端端面的边长。

需要说明的是，本发明实施例中对模斑变换波导6沿第二方向D2的长度、模斑变换波导6第一端端面的大小以及模斑变换波导6第二端端面的大小不做具体的限定，可以根据耦合器的应用需求调整。

图4示意性示出了本发明实施例提供的模斑变换波导的结构示意图。

在一些实施例中，参照图1、图3和图4模斑变换波导6的侧面朝向模斑变换波导6中心轴线的一侧弯曲布设。

在一些实施例中，模斑变换波导6侧面呈抛物线状，且抛物线状满足：

y＝ax

其中，-5×10

具体地，以模斑变换波导6某一侧面为例，以该侧面靠近弯曲波导4一侧边上的某个点为原点构建抛物线y＝ax

可以理解的是，将模斑变换波导6的侧面设置成抛物线形状。一方面，相比于侧面直线的倒锥结构，侧面抛物线结构能够更好地符合光模场变化趋势，能够使光模场逐步扩大，最终实现与单模光纤的光模场匹配，提高的耦合效率。另一方面，相比于几百微米的直线形倒锥结构(侧面不弯曲)，所需长度更短，而且能够有效改善长直立的硅倒锥形结构引起的机械强度差和结构不稳定的缺点。且经过软件仿真模拟，该结构获得的波导转换效率为98％，具有较高的波导转换效率。

需要说明的是，本发明实施例，对a和b的取值不做具体的限定。例如，a可以为-5×10

在一些实施例中，第二包覆层5远离基底1的一侧开设有供光纤对接的插接槽51，模斑变换波导6远离弯曲波导4的端面与插接槽51的内底壁平齐。

具体地，将光纤的端部插入插接槽51，对光纤进行预定位，使光纤与模斑变换波导6第二端更好的对准，提高耦合器的耦合效率。

可以理解的是，采用本发明的结构制备的耦合器，通过计算模斑转换波导与单模光纤的重叠积分，可以得到模斑转换波导输出光模场与单模光纤模场匹配效率可达96％。该耦合器的总耦合效率约为94％。较高的耦合效率能够带来广泛的实际应用。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。

类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

以上的具体实施例，对本发明的技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。