[实用新型]一种硅光波导端面耦合器

说明书

本实用新型涉及一种硅光波导端面耦合器，属于半导体光通信技术领域。该硅光波导端面耦合器，包括芯层光波导、模斑压缩光波导、衬底硅、下包层和上包层，芯层光波导包括依次连接的芯层光波导的反向锥形波导和芯层光波导的直波导，模斑压缩光波导包括依次连接的输入直波导、模斑压缩锤形波导和模斑压缩输出波导。本实用新型中的硅光波导端面耦合器解决了现有两种应用中的硅光‑光纤耦合器存在的关键问题，具有全面的优良光纤性能、高可靠性以及易于封装的特性。

技术领域

本实用新型涉及一种硅光波导端面耦合器，属于半导体光通信技术领域。

背景技术

硅光子芯片是近20多年火热的通信研究领域，基于长期的研究和发展，目前部分产品已经逐步得到小量产应用，包括Intel的100G PSM4光收发模块和ACACIA的100G 相干光收发模块，仅此2个模块产品年产值已经到达10亿美金。相比传统分立结构的光收发模块，400G的硅光收发模块更具有巨大优势，几乎所有有能力的国内外光通信领域的公司和研究单位都在致力于开发400G的硅光收发模块。除了硅光收发模块外，硅光子其他结构的芯片也在广泛研发之中。

抑制硅光子芯片广泛应用的关键问题之一的是光纤与硅光子芯片的耦合。与光纤的耦合问题是任何一个硅光子芯片或产品必须解决的问题。目前基于二氧化硅光芯片或者III-V族光芯片的光波导尺寸较大，可以与芯层直径为10微米的光纤进行有效耦合。硅光子芯片中的光波导是纳米线结构，其尺寸在几百纳米，其光波导的模场尺寸与标准光纤的模斑尺寸相差巨大，因模斑失配产生的硅光子-光纤耦合损耗高。针对此问题，目前有两种方案来解决光纤与硅光子光波导的耦合问题。一是基于光栅结构的耦合器，优点是耦合容差大、易于封装，其耦合损耗与硅光子光波导的厚度对应，硅光子光波导厚度越厚，光栅耦合器的损耗越低。在220nm厚的硅光子波导上设计光栅耦合器，其与光纤耦合损耗约3~4dB/facet；在340nm后的硅光子波导上设计，光栅耦合器与光纤耦合损耗约2dB/facet，对于光模块产品其耦合损耗过高。光栅耦合器的性能缺陷严重影响了其应用，尤其是光栅耦合器偏振敏感、窄的波长带宽。另一种硅光耦合器是悬空耦合器，该耦合器是基于常规SOI晶圆开发出来的，为减小耦合器的损耗，该耦合器需要通过刻蚀技术掏空耦合器下方的衬底层，耦合器关键部位处于悬空状态，通过二氧化硅梁来支撑耦合器的核心部分。虽然该耦合器的光学性能优良，比如低的耦合损耗、大的波长带宽、低的偏振敏感性等，但该结构的可靠性不高，在晶圆划片和芯片封装过程中容易折断，使得成本增高、抑制了产量。以上两种耦合器是目前硅光芯片或产品中可以使用的耦合结构，但各自特性限制了其大规模使用，也阻碍了硅光产品的大批量生产与应用。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种硅光波导端面耦合器。本实用新型中的硅光波导端面耦合器解决了现有两种应用中的硅光-光纤耦合器存在的关键问题，具有全面的优良光纤性能、高可靠性以及易于封装的特性。本实用新型通过以下技术方案实现。

一种硅光波导端面耦合器，包括芯层光波导1、模斑压缩光波导2、衬底硅3、下包层4和上包层5，芯层光波导1包括依次连接的芯层光波导的反向锥形波导7和芯层光波导的直波导6，模斑压缩光波导2包括依次连接的输入直波导8、模斑压缩锤形波导9和模斑压缩输出波导10，衬底硅3顶面上设有下包层4，下包层4顶面上设有模斑压缩光波导2，模斑压缩光波导2四周被上包层5完全覆盖，芯层光波导1位于模斑压缩光波导2内部且被斑压缩光波导2完全包裹，下包层4和上包层5材料折射率低于模斑压缩光波导2材料折射率，模斑压缩光波导2材料折射率低于芯层光波导1材料折射率，模斑压缩光波导2中输入直波导8模斑尺寸与光纤输出的光信号光纤模斑尺寸相匹配，模斑压缩光波导2中模斑压缩输出波导10光模场尺寸与芯层光波导1中芯层光波导的反向锥形波导7模场尺寸相匹配。

所述芯层光波导1位于模斑压缩光波导2中心位置。芯层光波导1厚度在微纳米量级；芯层光波导的反向锥形波导7的顶部宽度为纳米量级，如0.1nm~150nm等。