[实用新型]一种波导面耦合模斑转换器

说明书

本实用新型公开了一种波导面耦合模斑转换器。所述绝缘体层置于所述衬底上；所述第一光波导为锥形结构置于所述绝缘体层上，并且尖端朝向衬底中部；所述第二光波导为一端矩形结构、另一端锥形结构，置于所述绝缘体层上，其锥形结构部分同矩形结构位于第三光波导矩形的内部；所述第三光波导为渐变结构置于所述第二光波导上，并包裹所述第二光波导及第一光波导，三个光波导形成多层光波导结构；所述第二光波导、第三光波导的锥形结构相向设置；所述第一光波导与所述第二光波导的锥形结构相对设置；所述第二支撑体覆盖在第一支撑体上，为斜坡式结构，两端为平台，中段为高度渐变的坡度且，其长度与衬底的宽度相同。本实用新型具耦合效率高的优点。

技术领域

本实用新型涉及光通信与光互连技术领域，具体为一种波导面耦合模斑转换器。

背景技术

信息时代数据流量爆发式增长，这对数据的传输、储存、处理提出了更高的要求，诸如超高清视频、大型游戏、云服务等业务，需要高性能、低成本的器件提强有力的物理层支持。传统的电互连方案随着数据量的增加和长程传输而遇到了高信号衰减、色散、串扰等瓶颈，光互连技术由于低信号衰减、大带宽、抗电磁干扰等特点代替电互连成为现代信息通信的最佳解决方案。同时，光互连技术允许集成分立的光器件在单个材料衬底上，实现高集成度的集成光路。普遍认为以硅材料为基底的硅基光子器件与集成技术具有低功耗、高速率、结构紧凑等突出优势，将成为解决信息网络所面临的功耗、速率、体积等方面瓶颈的关键技术。首先，光以其特有的速度、带宽和低功耗优势在网络传输中已经居于主导，并且开始应用于近距离的机柜间、芯片间、甚至芯片内的互联。

然而对于硅基光子芯片来说一个亟需解决问题是如何低损耗地实现小尺寸芯片内光信号与芯片外大尺寸的器件中光信号的耦合。硅基光波导的截面尺寸通常是亚微米级别，而普通单模光纤是基于低折射率差的二氧化硅材料，其模场大小约为8-10微米，两者如此大的尺寸差别造成了严重的模场失配，从而引起很大的耦合损耗，单模光纤和硅基波导直接耦合时其损耗高达 25dB。因此需要设计出高性能的耦合器件实现光信息在光纤与芯片间进行高效互连。

本实用新型介绍的一种新型光波导模斑转换器采用的是端面耦合的方式，端面耦合是一种耦合效率高、偏振相关损耗小且易于封装的耦合技术。端面耦合可以通过合理设计光波导的截面，使其模场与单模光纤的模场相匹配，实现光场高效地从硅基芯片上耦合进入外部单模光纤，从而实现与外部器件的互连。本项目制作光模斑转换器的材料选择的是SU-8光刻胶，SU-8光刻胶是一种环氧型的、近紫外光负光刻胶，目前已经商业化的SU-8光刻胶有美国的 Microlithography Chemical公司生产的SU-8光刻胶。SU-8光刻胶可以做出高深宽比的结构，目前报道的已经可以做到高宽比为15： 1。此光刻胶在近紫外范围内光吸收率低，这使得它在整个光刻胶厚度上都有较好的曝光均匀性，可以得到很好的垂直侧壁和高深宽比的结构。采用SU-8光刻胶来制备高深宽比的光波导模斑转换器是一种灵活而且成本相对较低的方案。

现有的技术中曾采用引入低折射率的中介直波导的方法，其折射率低于硅，其模场与光纤的模场更加匹配，使得光场可以相对高效地从光纤中耦合进中介波导。之后，再通过引入倒锥型的硅波导，其宽度在光场进入的界面较窄，对光限制作用较弱，使得光场模斑尺寸和中介波导中的模场尺寸更接近，降低二者的耦合损耗，随着硅波导的逐渐加宽，从而使光场逐渐无损地耦合进入硅波导中，进而实现光从中介波导中低损耗地耦合到硅波导中。中介波导的材料选用SU-8聚合物，SU-8具有良好的光敏性、抗化学腐蚀性和热稳定性等优点，且已广泛应用于各种光电芯片产品中。此外，采用 SU-8作为波导材料可以简化工艺，仅需要曝光显影等工艺即可实现波导的制作，避免薄膜沉积、刻蚀等复杂繁琐的微加工工艺。