[发明专利]一种模斑变换器及硅光集成芯片

说明书

本申请公开了一种模斑变换器及硅光集成芯片，该模斑变换器具有与外部光纤光耦合的第一端面和与外部光器件光耦合的第二端面，包括第一光波导和第二光波导；其中第一光波导包括第一楔形结构和第二楔形结构，第一楔形结构和第二楔形结构朝向相背的方向；第二光波导包括第三楔形结构，第三楔形结构的尖端朝向第一楔形结构，且与第二楔形结构至少部分重叠。本申请通过设计特殊的波导耦合结构提高模斑变换器与外部光纤的模式匹配度，减小模斑变换器内两个光波导之间的偏振相关损耗，提高硅光集成芯片内光波导的热稳定性，从而降低硅光集成芯片内的光传输损耗。

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种模斑变换器及硅光集成芯片。

背景技术

硅光芯片是实现光互连的关键技术，能够有效降低光通信中模块的成本。但是在光纤与硅光芯片的耦合处，典型单模硅波导的尺寸为420nm×220nm，而单模光纤的尺寸在9μm左右，二者直接耦合的耦合效率太低，需要有特殊的器件实现两者之间的高效耦合。目前通用的耦合方案有光栅耦合器的垂直耦合方式和模斑变换器(Spot Size Converter，SSC)的水平耦合方式。光栅耦合器是通过在硅波导上制作光栅结构，当光从光纤入射到光栅耦合器表面时，通过布拉格衍射效应实现与芯片上方摆放的光纤进行有效的耦合。这种方式可以提高光纤与耦合器的对准容差，但耦合效率较低且对波长敏感，不利于封装，多被用来测试芯片。所以在产品中多采用模斑变换器进行水平耦合，耦合效率高。

为了提高模斑变换器与单模光纤的模式匹配度，已有文献提出了多种不同结构的模斑变换器，其中与单模光纤具有较好模式匹配的结构，如图1所示的双层阶梯结构的模斑变换器，包括不同厚度的两个芯层：第一芯层10’和第二芯层20’，第一芯层10’包括第一楔形结构11’和第一线性结构12’，第二芯层20’包括第二楔形结构21’和第二线性结构22’，第二楔形结构21’与第一线性结构12’形成阶梯楔形结构。第一芯层10’的厚度比较薄，其第一楔形结构11’的尖端与外部光纤耦合，在第一楔形结构11’的尖端处的光场分布与光纤中的光场分布具有更好的重合度、更高的耦合效率。第一楔形结构11’横向展宽到第一线性结构12’处，第二芯层20’的厚度需要与外部硅光器件的顶层硅的厚度一致，比第一芯层10’厚，通过第二楔形结构21’与第一线性结构12’耦合实现光模式从第一芯层10’到第二芯层20’的变换。但是楔形结构的尖端受半导体加工工艺的限制，尺寸很难做到无限小，容易引入偏振相关损耗，即光从较薄厚度的波导向正常厚度波导渐变过程中，水平偏振模式(TE模)光损耗较小，垂直偏振的模式(TM模)光损耗较大，整体的模斑变换器具有较大的偏振相关损耗。上述模斑变换器的第一楔形结构和第二楔形结构的尖端横截面宽度都为100nm时，从第一芯层耦合到第二芯层时的偏振相关损耗如图2所示，对于TE模，该楔形结构的损耗较小，但是对于TM模，楔形结构的损耗较大，引入了较大的偏振相关损耗。

发明内容

本申请的目的在于提供一种模斑变换器及硅光集成芯片，具有极小的偏振相关损耗、更高的耦合效率和更好的热稳定性。

为了实现上述目的之一，本申请提供了一种模斑变换器，具有与外部光纤光耦合的第一端面和与外部光器件光耦合的第二端面，其特征在于，所述模斑变换器包括：

第一光波导，包括第一楔形结构和第二楔形结构，所述第一楔形结构的尖端临近所述第一端面，所述第二楔形结构的尖端朝向与所述第一楔形结构的尖端相背的方向；

第二光波导，包括第三楔形结构，所述第三楔形结构与所述第二楔形结构至少部分重叠以将所述第二楔形结构中的光模式绝热地耦合到所述第三楔形结构中；所述第三楔形结构的尖端朝向所述第一楔形结构。

作为实施方式的进一步改进，所述模斑变换器还包括衬底和设于所述衬底上的下包层，所述第一光波导和第二光波导设于所述下包层上。

作为实施方式的进一步改进，所述第一光波导和第二光波导之间还设有中间包层，所述中间包层的折射率小于所述第一光波导和第二光波导的折射率。