基于模斑变换与光栅耦合的混合封装装置的制作方法

1.本发明涉及光电子集成技术领域，尤其涉及一种基于模斑变换与光栅耦合的混合封装装置。


背景技术：

2.在骨干网和下一代数据中心中，电子芯片遇到速率瓶颈，而光电子芯片因其低功耗、高带宽特性成为了发展的重点。针对大规模多通道光子集成芯片，硅基光电子芯片具有重大优势，在单片集成以及降低体积方面，使用硅基芯片的成熟工艺是必然趋势。光耦合的效率将直接决定硅基芯片的性能，目前成熟的光耦合方式对准容差较小，耦合效率较低，封装装置尺寸较大。因此寻找到高效的光耦合结构是硅基光电子集成方面的重要发展方向。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本公开提供了一种基于模斑变换与光栅耦合的混合封装装置，以至少部分解决上述耦合方式对准容差较小，耦合效率较低，封装装置尺寸较大的问题。
4.根据本公开的实施例，提供了一种基于模斑变换与光栅耦合的混合封装装置，包括：硅基芯片；模斑变换器，集成于上述硅基芯片上，用于实现光信号的光学模式转变与耦合；光调制器，集成于上述硅基芯片上，并与上述模斑变换器和光栅耦合器相连，用于实现光信号的调制；上述光栅耦合器，集成于上述硅基芯片上，用于实现光信号的耦合以及转变光学方向，其中，上述光栅耦合器包括波导结构和光栅结构，上述锥形波导结构与上述模斑变换器相连。
5.根据本公开的实施例，上述模斑变换器包括台阶型硅基波导。
6.根据本公开的实施例，上述台阶型硅基波导的台阶的层数为2层或2层以上。
7.根据本公开的实施例，上述台阶型硅基波导的生长材料包括硅、碳化硅、氮化硅和有机物其中至少之一。
8.根据本公开的实施例，上述模斑变换器的结构为正向锥形结构或反向锥形结构。
9.根据本公开的实施例，上述模斑变换器的衬底为绝缘体上硅衬底。
10.根据本公开的实施例，上述光调制器的结构包括微环调制器结构和马赫曾德干涉器结构。
11.根据本公开的实施例，上述光栅耦合器的波导结构包括锥形波导结构。
12.根据本公开的实施例，上述装置还包括：激光器，与上述模斑变换器相连，用于提供连续的光信号。
13.根据本公开的实施例，上述激光器通过匹配液或匹配胶与上述硅基芯片直接相连。
14.从上述技术方案可以看出，本公开的实施例至少具有以下有益效果：
15.通过使用模斑变换与光栅耦合混合封装结构，在提高光耦合效率的同时提高了对准容差。且单片集成模斑变换器与光栅耦合器与光调制器，整体尺寸小。
附图说明
16.附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
17.图1示意性示出了基于模斑变换与光栅耦合的混合封装装置的结构。
18.图2示意性示出了模斑变换的器结构。
19.附图标记：
20.1、激光器；2、模斑变换器；3、光调制器；
21.4、光栅耦合器；5、硅基芯片。
具体实施方式
22.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
23.光耦合一般分为两种，分别是直接耦合与间接耦合，其中间接耦合不利于大规模集成。采用直接耦合的方式，较为成熟的是使用模斑变换器与光栅耦合器，模斑变换器虽然耦合效率较高，但是其对准容差较小，同时光栅耦合器对准容差极大，但是耦合效率很低。
24.有鉴于此，本公开的实施例通过设计硅基光电子芯片的光波导结构，将模斑变换器与光栅耦合器的优点结合在一起，通过模斑变换器将激光器输出的光高效耦合进入硅基芯片中，经光调制器调制之后进入光栅耦合器，利用光栅结构转变光耦合的方向，提高对准公差，实现高效高对准容差的光耦合封装结构。
25.图1示意性示出了基于模斑变换与光栅耦合的混合封装装置的结构。
26.如图1所示，一种基于模斑变换与光栅耦合的混合封装装置包括：硅基芯片5；模斑变换器2，集成于硅基芯片5上，用于实现光信号的光学模式转变与耦合；光调制器3，集成于硅基芯片5上，并与模斑变换器2和光栅耦合器4相连，用于实现光信号的调制；光栅耦合器4，集成于硅基芯片5上，用于实现光信号的耦合以及转变光学方向，其中，光栅耦合器4包括波导结构和光栅结构，锥形波导结构与模斑变换器2相连。
27.根据本公开的实施例，混合封装装置还包括：激光器1，与模斑变换器2相连，用于提供连续的光信号。
28.根据本公开的实施例，激光器1通过匹配液或匹配胶与硅基芯片5直接相连。
29.根据本公开的实施例，通过使用模斑变换与光栅耦合混合封装结构，在提高光耦合效率的同时提高了对准容差。且由于单片集成模斑变换器与光栅耦合器与光调制器，所以整体尺寸较小，节约了成本。
30.图2示意性示出了模斑变换器的结构。
31.如图2所示，模斑变换器2包括台阶型硅基波导。
32.根据本公开的实施例，台阶型硅基波导的台阶的层数为2层或2层以上。
33.根据本公开的实施例，模斑变换器2的结构为正向锥形结构或反向锥形结构。
34.根据本公开的实施例，台阶型硅基波导的生长材料包括硅、碳化硅、氮化硅和有机
物其中至少之一。
35.根据本公开的实施例，模斑变换器2的衬底为绝缘体上硅衬底。
36.根据本公开的实施例，模板变换器2为多层台阶型硅基波导结构，最下层硅波导尺寸最大，上层硅波导尺寸逐渐降低。通过使用模斑变换器2，将激光器1出光缩小为硅基波导尺寸，该尺寸约为220nm，使得从激光器出来的光的模斑尺寸可以和硅基波导尺寸更好的兼容。
37.根据本公开的实施例，模斑变换器2第一端面与激光器1相连，第二端面与光栅耦合器4相连。
38.根据本公开的实施例，光调制器3的结构包括微环调制器结构和马赫曾德干涉器结构。
39.根据本公开的实施例，模斑变换器2出光后进入光调制器3，进行光信号调制后进入光栅耦合器4。
40.根据本公开的实施例，光栅耦合器4的波导结构包括锥形波导结构。
41.根据本公开的实施例，光栅耦合器4的光栅结构用于耦合光调制器3出光，改变光的传输方向，将原本横向传输的光改为纵向传输，同时光栅耦合器4具有较高的对准容差，有利于集成硅基芯片5将扩斑后的光与光纤等器件进行耦合。
42.根据本公开的实施例，将光调制器3、模斑变换器2、光栅耦合器4单片集成于硅基芯片5，有助于在实现较高的光耦合效率同时实现高的对准容差，可改变光路方向，有助于大规模光子集成，解决光耦合器件难以兼顾耦合效率与对准容差的问题。
43.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。