一种用于硅光耦合的平面光波导-光纤阵列装置

1.本实用新型涉及半导体硅光芯片技术领域，尤其是涉及一种用于硅光耦合的平面光波导-光纤阵列装置。


背景技术：

2.随着全球信息化进程的不断加速，云计算、移动互联网、数据中心等在大力建设，数据化时代的来临使得全球市场对带宽和宽带网络具有迫切需求。硅基光子集成芯片以其低成本、大带宽、高速以及大容量的优势，在集成光通信系统中起着重要作用。然而硅基光子集成芯片的模斑尺寸较小，与单模光纤耦合面临着耦合插损大、对准精度要求高等问题，是限制硅光产业化发展的主要瓶颈之一。为了实现硅基芯片与光纤间光信号的高性能传输，需要利用耦合器件以搭建起光信号在两种介质中的传输桥梁。
3.而传统的光纤直接耦合方式，硅基光子集成芯片的波导阵列最小间距127μm，难以充分利用硅波导的高密度集成特性。为了解决问题，将平面光波导芯片与硅光芯片进行耦合封装，使系统的尺寸和成本基本保持不变。二氧化硅平面光波导器件以低损耗、高工艺容差，以及与cmos工艺兼容和与单模光纤模场匹配良好等优点，在光通信系统、光互连网络以及微波光子信号处理系统等方面得到了广泛的应用。目前，现有的技术采用模斑转换芯片是一种可行的方案。模斑转换芯片是一种模斑过渡技术，可以将较小模斑尺寸的硅波导与较大模斑尺寸的单模光纤进行过渡连接，以实现减少耦合损耗的目的。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于硅光耦合的平面光波导-光纤阵列装置。
5.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种用于硅光耦合的平面光波导-光纤阵列装置，包括光纤阵列、平面光波导芯片和硅光芯片，所述平面光波导芯片包括基底、波导层和包覆层，所述波导层内设有多个光波导，在平面光波导芯片的两端所述光波导分别记为第一波导阵列和第二波导阵列，平面光波导芯片的第一端与光纤阵列具有互补形状，光纤阵列中的光纤与第一波导阵列光耦合对准，平面光波导芯片的第二端与硅光芯片具有互补形状，硅光芯片中的波导与第二波导阵列平面倏逝波耦合对准。
7.优选的，在所述平面光波导芯片的第一端，波导层和包覆层对齐，基底上设有导向结构以及耦合对准结构，所述光纤阵列包括光纤固定结构和多根光纤，所述多根光纤由光纤固定结构固定，光纤固定结构与导向结构相配合，光纤与耦合对准结构相配合。
8.优选的，所述光纤固定结构包括光纤底座和光纤压板，所述光纤底座上设有多个对准槽，所述光纤压板上设有多个压紧槽，所述对准槽和压紧槽相互对应，光纤固定在对准槽和压紧槽之间，所述导向结构为设置在基底末端的卡槽，光纤底座与卡槽适配并置于卡槽中。
9.优选的，所述光纤底座的两侧设有第一固定孔，用于将光纤底座与平面光波导芯片固定在一起。
10.优选的，所述第一固定孔用于填入光路胶水以固定光纤底座和平面光波导芯片。
11.优选的，所述耦合对准结构设置在所述导向结构与波导层的端面之间，包括设置在基底上的波导对准槽和阵列耦合槽，波导对准槽的数量和位置与第一波导阵列相配合，光纤压入波导对准槽后伸入阵列耦合槽，光纤的纤芯与第一波导阵列中的光波导对准并耦合封装。
12.优选的，在所述平面光波导芯片的第二端，波导层中的第二波导阵列裸露，基底、波导层和包覆层形成第一引导结构，所述硅光芯片包括芯片基底、芯片波导层和芯片包覆层，所述芯片波导层内设有多个光波导，芯片波导层中的光波导组成第三波导阵列，芯片波导层中的第三波导阵列裸露，芯片基底、芯片波导层和芯片包覆层形成第二引导结构，第一引导结构和第二引导结构相互配合。
13.优选的，基底、波导层和包覆层形成阶梯状结构，所述芯片波导层与芯片基底对齐并与芯片包覆层形成阶梯状结构，芯片波导层与波导层相配合，第二波导阵列和第三波导阵列相贴装并实现平面倏逝波耦合。
14.优选的，所述基底和波导层的两侧设有第二固定孔，用于将硅光芯片与平面光波导芯片固定在一起。
15.优选的，所述第二固定孔用于填入光路胶水以固定硅光芯片和平面光波导芯片。
16.优选的，所述硅光芯片采用半导体sio2、sin、sion半导体化合物材料等制成。
17.优选的，所述平面光波导芯片采用半导体材料或者聚合物材料等制成。
18.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
19.(1)耦合容差大：平面光波导芯片与硅光芯片的耦合方式为平面倏逝波耦合，只需将平面光波导芯片与硅光芯片的包覆层进行刻蚀，令硅光芯片上的波导结构能与平面光波导芯片产生倏逝波耦合进行光信号的传输即可，此种方式比断面耦合方式以及光栅耦合方式操作简便，不需要精确控制角度与断面对准。
20.(2)易于封装：平面光波导芯片由窄距离间隔的输入波导转移为宽距离的输出波导，两端分别耦合光纤阵列和硅光芯片，能够将硅光芯片的光信号通过光纤进行通信传输，从而可以实现硅光芯片与光纤阵列实现模斑匹配的光信号传输。
21.(3)稳定性好：硅光芯片与平面光波导芯片的耦合方式为倏逝波耦合，操作简单，仅需要将平面光波导芯片直接贴紧在硅光芯片的波导表面即可，接触面积大，而不增加整体系统的尺寸，性能可靠稳定，更能实现硅光技术产业化发展。
附图说明
22.图1为光纤阵列-平面光波导-硅光芯片耦合结构的结构示意图；
23.图2为平面光波导芯片的结构示意图；
24.图3为平面光波导芯片第一端的结构示意图；
25.图4为光纤阵列的结构示意图；
26.图5为光纤阵列与平面光波导芯片的耦合示意图；
27.图6为平面光波导芯片第二端的结构示意图；
28.图7为硅光芯片的结构示意图；
29.图8为光纤阵列-平面光波导-硅光芯片耦合结构的侧视图；
30.图9为硅光芯片与平面光波导芯片的平面倏逝波耦合光场分配图；
31.图10硅光芯片与平面光波导芯片的平面倏逝波耦合仿真结果；
32.附图标记：100、平面光波导芯片，200、光纤阵列，300、硅光芯片；
33.1a、基底，1b、波导层，1c、包覆层，101、导向结构，102a～d、波导对准槽，103、阵列耦合槽，104a～d、第一波导阵列，105a～d、第二波导阵列，106、第二固定孔；
34.201、光纤压板，202、光纤底座，203a～d、光纤，204a～d、压紧槽，205a～d、对准槽，206、第一固定孔；
35.3a、芯片基底，3b、芯片波导层，3c、芯片包覆层，301a～d、第三波导阵列。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
37.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。
38.实施例1：
39.一种用于硅光耦合的平面光波导-光纤阵列装置，如图1所示，包括光纤阵列200、平面光波导芯片100和硅光芯片300。平面光波导芯片100包括基底1a、波导层1b和包覆层3c，波导层1b内设有多个光波导，硅光芯片300包括芯片基底3a、芯片波导层3b和芯片包覆层3c，芯片波导层3b内设有多个光波导。
40.平面光波导芯片(planar lightwave circuit，简称plc)的结构如图2所示，在平面光波导芯片100的两端光波导分别记为第一波导阵列104和第二波导阵列105，平面光波导芯片100的第一端为阵列光纤光耦合区域，与光纤阵列200具有互补形状，光纤阵列200中的光纤203与第一波导阵列104光耦合对准，平面光波导芯片100的第二端为平面倏逝波耦合区域，与硅光芯片300具有互补形状，硅光芯片300中的波导与第二波导阵列105平面倏逝波耦合对准。
41.(1)首先是平面光波导芯片100与光纤阵列200的耦合，如下：
42.如图3所示，在平面光波导芯片100的第一端，波导层1b和包覆层3c对齐，基底1a上设有导向结构101以及耦合对准结构，导向结构101为设置在基底1a末端的卡槽，卡槽的宽度为l1，耦合对准结构设置在导向结构101与波导层1b的端面之间，包括设置在基底1a上的波导对准槽102和阵列耦合槽103，波导对准槽102的数量和位置与第一波导阵列104相配合。
43.如图4所示，光纤阵列200包括光纤固定结构和多根光纤203，多根光纤203由光纤固定结构固定，光纤固定结构与导向结构101相配合，光纤203与耦合对准结构相配合，具体的，光纤固定结构包括光纤底座202和光纤压板201，光纤底座202上设有多个对准槽205，光纤压板201上设有多个压紧槽204，对准槽205和压紧槽204相互对应，光纤203固定在对准槽
205和压紧槽204之间。
44.光纤底座202的宽度为s2，与卡槽的尺寸适配，在将平面光波导芯片100与光纤阵列200进行耦合时，光纤底座202与卡槽适配并置于卡槽中，光纤203压入波导对准槽102后伸入阵列耦合槽103，光纤203的纤芯与第一波导阵列104中的光波导对准，实现高功率耦合效果。在光纤底座202的两侧设有第一固定孔206，第一固定孔206用于填入光路胶水以固定光纤底座202和平面光波导芯片100，光纤阵列200与平面光波导芯片100耦合后如图5所示。
45.(2)平面光波导芯片100与光纤阵列200耦合后，再与硅光芯片300进行耦合，如下：
46.如图6所示，在平面光波导芯片100的第二端，波导层1b中的第二波导阵列105裸露，基底1a、波导层1b和包覆层3c形成第一引导结构，如图7所示，芯片波导层3b中的光波导组成第三波导阵列301，芯片波导层3b中的第三波导阵列301裸露，芯片基底3a、芯片波导层3b和芯片包覆层3c形成第二引导结构，第一引导结构和第二引导结构相互配合。
47.在将平面光波导芯片100与硅光芯片300进行耦合时，在二者对应平面倏逝波耦合区域的包覆层上进行研磨或刻蚀整体减薄包覆层厚度，使包覆层的预留厚度能够满足倏逝波耦合的条件，然后在预留的包覆层上继续刻蚀，使芯片内部的波导结构裸露出来，两个芯片上的波导结构能产生倏逝波耦合，同时，刻蚀过程中在硅光芯片300和平面光波导芯片100的波导结构上方的包覆层区域分别加工出具有互补形状的对准导向结构。
48.本实施例中，对准导向结构即第一引导结构和第二引导结构，基底1a、波导层1b和包覆层3c形成阶梯状结构，作为第一引导结构，芯片波导层3b与芯片基底3a对齐并与芯片包覆层3c形成阶梯状结构，作为第二引导结构，芯片波导层3b与波导层1b相配合，第二波导阵列105和第三波导阵列301相贴装并实现平面倏逝波耦合。在基底1a和波导层1b的两侧设有第二固定孔106，第二固定孔106用于填入光路胶水以固定硅光芯片300和平面光波导芯片100。在其他实施方式中，引导结构还可以设置为导向槽和导向条的结构，可以为矩形、梯形，并不局限为任何形状。
49.本实施例中，以四波导结构为例进行描述，但硅光芯片300中的波导、平面光波导芯片100中的光波导、光纤阵列200中的光纤203数量不局限于四波导结构，可以是任意的数量。需要说明的是，硅光芯片300上的波导间隔为百纳米量级，而光纤阵列200中的光纤间隔可以最小为127μm，通过平面光波导芯片100，第一波导阵列104的光波导间隔与光纤阵列200的光纤间隔配合，第二波导阵列105的光波导间隔与硅光芯片300的波导间隔配合，从而可以实现硅光芯片300与光纤阵列200实现模斑匹配的光信号传输。
50.硅光芯片300采用半导体sio2、sin、sion半导体化合物材料等制成，平面光波导芯片100采用半导体材料或者聚合物材料等制成。
51.本实施例中，光纤阵列-平面光波导-硅光芯片结构的耦合如下：
52.(1)分别制备平面光波导芯片100、硅光芯片300和光纤阵列200；
53.其中，光纤阵列200中的光纤分别为203a、203b、203c和203d，光纤压板201上的压紧槽为204a、204b、204c和204d，光纤底座202上的对准槽为205a、205b、205c和205d，光纤放置在光纤底座202上的对准槽中，压紧光纤压板201，从而固定光纤203，压紧槽204和对准槽205的形状不做限制，可以为矩形、梯形等各种形状；
54.硅光芯片300中的波导依次为301a、301b、301c和301d，即第三波导阵列301，输出波导的宽度标准220nm；
55.平面光波导芯片100中光波导的宽和高分别为7μm和7μm，第一端的输出波导分别为104a、104b、104c和104d，即第一波导阵列104，输出波导可为最小间隔127μm的阵列，与光纤阵列200中的光纤203对应；第二端的输入波导分别为105a、105b、105c和105d，即第二波导阵列105，输入波导与硅光芯片300的四个输出波导对应且间隔一致，采用倏逝波耦合。
56.(2)将平面光波导芯片100和硅光芯片300的平面倏逝波耦合区上面的包覆层进行刻蚀，将芯片上的波导结构能产生倏逝波耦合；另外，刻蚀过程中在平面光波导和芯片硅光芯片300的波导结构上方的包覆层区域分别加工对准导向结构；
57.(3)平面光波导芯片100和光纤阵列200为光耦合，将光纤阵列200与平面光波导芯片100上的波导对准槽102对准，实现高功率耦合效果，此外再利用胶水将光纤阵列200与平面光波导芯片100固定；
58.当光纤底座202定位置入卡槽后，光纤对准槽205的宽度和高度与波导对准槽102一致，对准槽205a、205b、205c和205d与波导对准槽102a、102b、102c和102d对齐，光纤203a、203b、203c和203d分别压入波导对准槽102a、102b、102c和102d，光纤203a、203b、203c和203d的中心与第一波导阵列104a、104b、104c和104d的中心光学对准，实现光耦合输出，通过第一固定孔206进行固定。
59.(4)将平面光波导芯片100与硅光芯片300上的对准导向结构进行相贴装耦合并用胶水固定，实现倏逝波耦合。
60.硅光芯片300和平面光波导芯片100的倏逝波耦合仅仅需要端面贴合就能进行封装，硅光芯片300耦合区域设有长度为w2和高度为h2的波导层；第二波导阵列105倏逝波耦合，平面光波导芯片100耦合区域设有长度为w1和高度为h1的波导层1b，芯片波导层3b与波导层1b相配合，第二波导阵列105a、105b、105c和105d与第三波导阵列301a、301b、301c和301d贴合，实现倏逝波耦合后通过第二固定孔106进行芯片固定。
61.从而，整个系统实现了硅光芯片300与光纤203的通信连接和光传输，整个系统具有易于封装、对准容差大、稳定性好和易于实现等特点。
62.如图8所示，平面光波导芯片100与光纤阵列200对应集成，再耦合硅光芯片300，平面光波导芯片200由窄距离间隔的输入波导转移为宽距离的输出波导，实现硅光芯片300与光纤阵列200的转换输出。
63.在本实用新型公开的一个具体实施例中，硅光芯片300与平面光波导芯片100的平面倏逝波耦合光场图如图9所示，硅光芯片300中的波导能量能很好的耦合到平面光波导芯片100中的波导。图10为硅光芯片300与平面光波导芯片100的平面倏逝波耦合仿真结果，当在横电(te)模式和横磁(tm)模式下向或从硅光芯片300传输光学信号时，平面倏逝波的耦合损耗。如图10所示，随着x轴中的偏移增加，耦合损耗增加。
64.以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。