[发明专利]用于光子芯片的具有可控模场的光学边缘耦合器

说明书

提供一种光子集成电路(PIC)边缘(105)处的光耦合器，其用于使所述PIC的波导(130)的模式与外部光纤(140)的模式匹配。所述波导(130)的芯(110)终止于所述边缘(105)之前，并且可以包括用于模式扩大的倒锥体。波导包层包括倒锥体并被较低折射率的外包层材料(125)包围，形成第二波导。包层(115)和外包层配合以引导所述芯和所述边缘(105)之间的光线，同时所述倒锥体有助于模式扩大。选择所述外包层材料(125)具有有利于与光纤(140)的模式匹配的折射率。可以使用光刻提供耦合器。可以通过底切工艺移除波导包层下的材料(127)，并且代替所述材料(127)沉积所述外包层材料(125)。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年12月22日提交的申请号为15/388,861，名称为“用于光子芯片的具有可控模场的光学边缘耦合器”的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本申请。

技术领域

本发明涉及光信号传输领域，尤其涉及以在光子芯片边界处使用的光耦合器，例如用于将光纤耦合到光子芯片。

背景技术

绝缘体上硅(Silicon-on-insulator，SOI)技术对于光子集成电路(photonicintegrated circuit,PIC)的实现是有吸引力的。SOI技术提供高折射率对比度，可以结合纳米级波导(waveguide)，并且可以实现小的器件占地面积(footprint)，从而导致光学和电子器件在小芯片上的密集集成。SOI应用包括许多有源元件(如光调制器、交换机、传感器)和无源器件(如功率分路器、干涉仪、衰减器等)。这种应用通常要求硅芯片连接到外部光纤以发送来自芯片的光信号，或者接收发往芯片的光信号。

边缘耦合是实现光纤到光子芯片耦合的标准方法。该方法工作在宽波长范围，可以实现偏振不敏感耦合(例如，耦合横向电/横向磁(Transverse Electric/TransverseMagnetic，TE/TM)这两种模式)，并与用于较大光子芯片的成熟的封装技术，如硅基二氧化硅技术，兼容。

与典型的片上硅(on-chip silicon)波导相比，当前的商用标准光纤具有相对大的芯，导致与典型硅芯片的硅波导相关的模式相比更大的光模场。例如，在一些典型情况下，光纤模式的直径可以是10微米，而硅波导模式的直径可以是0.5微米。由于这种模式尺寸上的不匹配，光纤和芯片之间的直接连接通常会导致高光信号损失。因此需要模式转换以减少光学耦合损耗。通过紧密匹配光纤和硅波导之间的模式尺寸，可以实现有效的光学耦合。