[发明专利]一种波导边缘集成耦合器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种波导边缘集成耦合器及其制备方法。耦合器结构包括PIC器件平台、SOI波导结构和硅微透镜；光线在PIC器件平台经SOI波导结构传输并出射，硅微透镜对光束进行模斑转换，改变光线轨迹并限制光线入射纤芯的角度，然后光线经空间传播后入射单模光纤纤芯。耦合器制备方法分为四个步骤，首先，设计并仿真SOI结构，得到波导出射的模式特性；其次，对透镜参数进行设计；接着，将耦合器与单模光纤进行联合仿真，得到理论耦合效率；最后，根据设计完成耦合结构制作，经实际的有源测试结果完成优化，确定最终参数和耦合方案。相比于分立式耦合，该耦合器的整体结构可在集成光路芯片平台集成，工艺简单，便于封装。

技术领域

本发明涉及硅光子集成技术领域，具体涉及一种耦合器及其制备方法。

背景技术

高速光通信的发展的同时推动着硅基光子学的进步，通信器件追求更高速、更大的带宽容量，也有更高集成度的需求。半导体光子器件尤其是硅光子器件的前景广阔，其中半导体器件中光的输入和输出经常采用硅波导结构完成，但是对外传输则经常需要耦合到光纤中去进行长距离传播，因此实现硅波导和单模光纤的高效耦合是提高器件/系统的集成度需要解决的关键问题。

在光子集成(PIC)器件中经常可见分立式的透镜结构用于半导体器件和光纤的光路耦合，常用的分立式透镜为二氧化硅材料的透镜，难以与硅波导进行集成，且其尺寸较大，通常在远场进行耦合，导致光路系统体积较大，不利于封装，且非阵列化耦合的成本较高，难以满足单元集成的效益需求。

发明内容

本发明目的是提供一种用于实现PIC器件中近场光路从硅波导至单模光纤有效耦合的波导边缘集成耦合器及其制备方法，旨在使用微小尺寸结构和在近场解决波导/纤芯的模斑尺寸失配、高折射率差而带来的耦合损耗问题，从而实现波导和单模光纤的有效耦合。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种波导边缘集成耦合器，该耦合器包括PIC器件平台、SOI(绝缘体上硅)波导结构和硅微透镜；该硅微透镜与该SOI波导结构为同一衬底集成于PIC器件平台；该硅微透镜位于SOI波导结构的出光端面边缘；该SOI波导结构在PIC器件平台中能够作为各种不同结构的硅基波导的光输出端，即SOI波导结构可用于光线的传输，也可仅作为硅基波导的输出端使用。该耦合器的具体耦合过程为：光信号在PIC器件平台经SOI波导传输并出射，硅微透镜对光束进行一定程度的模斑转换，改变光线轨迹并限制光线入射纤芯的角度，然后光线经空间传播后入射纤芯。

进一步的，该SOI结构包括衬底层、氧化埋层、脊波导外脊层、脊波导内脊层；该衬底层、氧化埋层、脊波导外脊层、脊波导内脊层自下而上依次堆叠；该衬底层材料为Si，该氧化埋层材料为SiO₂，该波导外脊层、脊波导内脊层材料为Si；该波导外脊层、脊波导内脊层之上可存在其他材料的覆层。

进一步的，该SOI波导结构采用单模传输方式；脊波导外脊层厚度d、脊波导内脊层厚度h满足单模条件，即d＝γ×h,γ0.5；该SOI波导结构的整体长度大于所设计的SOI结构的稳定单模长度；该SOI结构的稳定单模长度是指光线经过SOI波导结构传输，最终传输并参与耦合的光模式为稳定的单模模式或者基模模式时，此时的SOI波导结构长度。

进一步的，该硅微透镜位于SOI波导结构出光端面边缘，与SOI波导结构紧密贴合但不局限于贴合集成方式，即波导与微透镜后端面可存在短的间隔D₁。该间隔D₁应趋近于0μm以实现硅微透镜与波导结构的紧密贴合，若硅微透镜不与波导紧密贴合，则其波导端面位置应位于透镜物方焦距附近，此时入射光束的束腰直径为w₀，入射光束腰位置与透镜距离为d_in。该硅微透镜与脊型波导的内脊层的对准形式为中心对准，面形为非球，材料为Si。

进一步的，该硅微透镜端面与单模光纤端面均有增透处理，以减小波导出射光束经空气入射纤芯的菲涅尔反射损失，使得该损失不超过1％。