悬臂梁式端面耦合器

1.本发明涉及光电器件技术领域，尤其涉及一种悬臂梁式端面耦合器。


背景技术：

2.硅基光子器件具有与cmos(互补金属氧化物半导体，英文全称complementary metal oxide semiconductor)工艺兼容、大带宽、低延迟、低能耗、低串扰等显著的优点，可以实现高性能、低成本、小尺寸、高集成的片上光互联。硅和二氧化硅或者空气具有较大的折射率差，这使得以硅为材料的波导对光场具有很强的限制能力，可以实现高度集成。光纤通信的飞速发展极大推动了光电器件的发展，在光网络中光的传输是通过低损耗光纤完成，而光信号的处理则由光器件完成，各种光器件必须插入到光网络中才能实现相应功能，因此光耦合器在整个光电集成电路中起到了桥梁式关键作用，其负责将光从光纤传输到集成芯片的波导中。
3.由于端面耦合器的埋氧层厚度一般为2μm或3μm，因而会导致光场被泄漏到埋氧层下方的硅衬底中，从而造成较大的能量损失。为此提出了一种悬臂梁型耦合器，该悬臂梁型耦合器的硅衬底通过特定的工艺刻蚀掉，使光不再泄露到硅中。现有的悬臂梁型耦合器虽然在一定程度上解决了由于光场泄露造成的能量损失的问题，但其结构尺寸较大；并且由于光纤模场的直径与波导直径相差较大，使得光纤和波导之间存在较大的模场匹配损耗，进而导致现有的悬臂梁型耦合器耦合效率较低。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种悬臂梁式端面耦合器，以解决现有技术中存在的一个或多个问题。
5.根据本发明的一个方面，本发明公开了一种端面耦合器，所述端面耦合器包括硅衬底、设置在硅衬底上的埋氧层和位于所述埋氧层的远离所述硅衬底的一侧的二氧化硅包层；
6.所述硅衬底上开设有沿第一方向延伸的凹槽，所述凹槽在所述第一方向上的第一端开口，且其在所述第一方向上的第二端封闭；
7.所述埋氧层包括位于所述凹槽的第二端的端壁上的第一条形部、自所述第一条形部的第一端沿所述第一方向的反方向并顺应所述凹槽的第一侧壁顶部延伸的第二条形部、自所述第一条形部的第二端沿所述第一方向的反方向并顺应所述凹槽的第二侧壁顶部延伸的第三条形部、以及自所述第一条形部的中部沿所述第一方向的反方向并悬空于所述凹槽槽口延伸的第一悬臂部，其中，所述凹槽的第一侧壁和第二侧壁相对设置；
8.所述二氧化硅包层包括顺应与所述第一条形部设置的第四条形部、自所述第四条形部的第一端沿所述第一方向的反方向并顺应所述第二条形部的顶部延伸的第五条形部、自所述第四条形部的第二端沿所述第一方向的反方向并顺应所述第三条形部的顶部延伸的第六条形部、以及自所述第四条形部的中部沿所述第一方向的反方向并顺应所述第一悬
臂部的顶部延伸的第二悬臂部；
9.其中，所述凹槽的第一端为光纤接入端，所述第二悬臂部内设有：
10.输入段波导，所述输入段波导包括至少两条自所述端面耦合器的第一端朝向所述端面耦合器的第二端延伸的条形波导，所述条形波导的第一端端面与所述第二悬臂部的第一端端面之间间隔第一距离，且所述条形波导的第一端端面位于所述第二悬臂部的第一端端面内侧，各所述条形波导的几何中心线位于同一平面；
11.合束波导，其自所述输入段波导的第二端朝向所述第四条形部延伸，所述合束波导与各所述条形波导的第二端均相接，以使所述输入段波导与所述合束波导之间可进行光耦合；
12.输出段波导，其自合束波导的远离所述输入段波导的一端朝向于所述端面耦合器的第二端延伸，且所述输出段波导的端部与所述合束波导的端部相接，以使所述合束波导与所述输出段波导之间可进行光耦合，所述输出段波导的远离所述合束波导的一端的端面与所述端面耦合器的第二端端面平齐。
13.在本发明一些实施例中，所述条形波导的数量为两条，各条形波导的几何中心线均与所述第一方向平行。
14.在本发明一些实施例中，各所述条形波导的垂直于其几何中心线的横截面面积随着远离所述光纤接入端的距离的增大而逐渐增大，所述输出段波导的横截面面积随着远离所述光纤接入端的距离的增大而逐渐减小。
15.在本发明一些实施例中，所述条形波导与输出段波导均为锥形波导或棱台形波导。
16.在本发明一些实施例中，在输入段波导与合束波导相对接的端面上，合束波导的宽度尺寸大于或等于所述输入段波导的宽度尺寸，所述合束波导的高度尺寸大于或等于所述输入段波导的高度尺寸。
17.在本发明一些实施例中，所述凹槽的在垂直于其延伸方向上的截面形状为u形、v形或半圆形。
18.在本发明一些实施例中，所述输入段波导在延伸方向上的长度尺寸与所述输出段波导在延伸方向上的长度尺寸的比值范围为15：1～30：1。
19.在本发明一些实施例中，所述第一距离范围为1.5μm～3.5μm，各条形波导的第一端端面的宽度尺寸范围为0.1μm～0.2μm，各条形波导的第二端端面的宽度尺寸范围为0.3μm～0.55μm，所述输出段波导的第一端端面的宽度尺寸为0.75μm～1.2μm，所述输出段波导的第二端端面的宽度尺寸为0.35μm～0.55μm，所述输入段波导、合束波导和输出段波导的高度尺寸范围均为0.15μm～0.25μm。
20.在本发明一些实施例中，所述第一悬臂部和第二悬臂部的宽度尺寸范围为6μm～8μm。
21.在本发明一些实施例中，所述合束波导的第一端端面与所述输入段波导的第二端端面完全对接，所述输出段波导的第一端端面与所述合束波导的第二端端面完全对接。
22.本发明实施例中的端面耦合器在第二悬臂部内设有输入段波导、合束波导以及输出段波导，且输入段波导至少包括两条条形波导，且条形波导的第一端端面与第二悬臂部的第一端端面之间间隔第一距离；由于上述特殊结构的存在，不仅防止了光被泄露到硅中，
还有效的减小了端面耦合器的结构尺寸，提高了集成度，并且还进一步的提高了光纤模场与端面耦合器输入端模场的匹配度，从而减小了模场匹配损耗，提高了耦合效率。
23.本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
24.本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
25.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
26.图1为本发明一实施例的端面耦合器的结构示意图。
27.图2为本发明一实施例的端面耦合器的正视图。
28.图3为本发明一实施例的端面耦合器的侧视图。
29.图4为本发明一实施例的端面耦合器的俯视图。
30.图5为本发明另一实施例的端面耦合器的结构示意图。
31.图6为本发明一实施例的波导的结构示意图。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
33.在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
34.应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
35.在此，还需要说明的是，本说明书内容中所出现的方位名词是相对于附图所示的位置方向；如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。直接连接为两个零部件之间不借助中间部件进行连接，间接连接为两个零部件之间借助其他零部件进行连接。
36.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件。
37.图1为本发明一实施例的端面耦合器的结构示意图，如图1所示，该端面耦合器包括硅衬底100、设置在硅衬底100上的埋氧层和位于埋氧层的远离硅衬底100的一侧的二氧化硅包层。
38.硅衬底100上上开设有沿第一方向延伸的凹槽，第一方向是指端面耦合器的长度方向，也即图2中所示的端面耦合器的前视图中的横向方向。该凹槽在第一方向上的第一端开口，且在第一方向上的第二端封闭。第一端是指图2中所述的端面耦合器的最左侧一端，而第二端是凹槽的与第一端相对的一端。在硅衬底100上开设凹槽，有效防止了光被泄漏至硅衬底100中。
39.埋氧层包括第一条形部211、第二条形部212、第三条形部213以及第一悬臂部214。第一条形部211位于凹槽的第二端的端壁上，且顺应与凹槽的第二端端壁的顶部放置；而第二条形部212自第一条形部211的第一端沿第一方向的反方向并顺应凹槽的第一侧壁111顶部延伸以形成，第三条形部213自第一条形部211的第二端沿第一方向的反方向并顺应凹槽的第二侧壁112顶部延伸以形成，第一悬臂部214自第一条形部211的中部沿第一方向的反方向并悬空于凹槽槽口延伸以形成。其中，顺应凹槽的第一侧壁111是指第二条形部212设置在凹槽的第一侧壁111上方，且第二条形部212与硅衬底100的位于凹槽第一侧壁111的顶部的位置处直接接触；类似的，第三条形部213设置在凹槽的第二侧壁112上方，且第三条形部213与硅衬底100的位于凹槽第二侧壁112的顶部的位置直接接触。另外，第一方向的反方向也可理解为自凹槽的第二端朝向与凹槽的第一端的方向。并且上述的凹槽的第一侧壁111与第二侧壁112相对设置，对于图3中所示的端面耦合器的侧视图来说，凹槽的第一侧壁111和第二侧壁112分别指凹槽的左右侧壁。
40.二氧化硅包层包括第四条形部311、第五条形部312、第六条形部313以及第二悬臂部314。第四条形部311位于第一条形部211的上方，且顺应与第一条形部211设置；第五条形部312自第四条形部311的第一端沿第一方向的反方向并顺应第二条形部212的顶部延伸以形成，第六条形部313自第四条形部311的第二端沿第一方向的反方向并顺应第三条形部213的顶部延伸以形成，第二悬臂部314自第四条形部311的中部沿第一方向的反方向并顺应第一悬臂部214的顶部延伸以形成。其中，顺应第二条形部212的顶部是指位于第二条形部212的上方，即第五条形部312的底面与第二条形部212的顶面直接接触；顺应第三条形部213的顶部是指位于第三条形部213的上方，即第六条形部313的底面与第三条形部213的顶面直接接触；顺应第一悬臂部214的顶部是指位于第一悬臂部214的上方，即第二悬臂部314的底面与第一悬臂部214的顶面直接接触。另外，第一悬臂部214和第二悬臂部314在硅衬底100的宽度方向上至少具有部分重合，且其中硅衬底100的宽度方向即为图3中的横向方向。
41.另外，凹槽的第一端为光纤接入端，且凹槽的第一端可理解为端面耦合器的第一端，而凹槽的第二端所在的一端为端面耦合器的第二端，第二端具体的可作为元器件的接入端。为了使光纤的光场通过端面耦合器稳定的传输至元器件中，二氧化硅包层的第二悬臂部314内还设有依次连接的输入段波导、合束波导322及输出段波导323。
42.如图6所示，输出段波导323包括至少两条自所述端面耦合器的第一端朝向所述端面耦合器的第二端延伸的条形波导321，条形波导321的第一端端面与所述第二悬臂部314的第一端端面之间间隔第一距离。条形波导321的第一端端面与所述第二悬臂部314的第一端端面之间设置第一距离，是为了使输入段波导的第一端与光纤输出的光模场可较优的进行匹配，从而进一步的提高光的耦合效率；另外，输入段波导的端部位于第二悬臂部的内部，进一步的也起到了保护输入段波导的作用。但值得注意的是，在本实施例中，输入段波导整体均位于第二悬臂部314的内部，也即输入段波导的第一端端面位于第二悬臂部314的
第一端端面的内侧，从图2或图4中所示的端面耦合器的前视图或俯视图来说，条形波导321的第一端端面也即位于第二悬臂部314的第一端端面右侧。另外，输入段波导的至少两条条形波导321的几何中心线位于同一平面内；示例性的，两条条形波导321的几何中心线可平行设置，也可为呈对称且不平行设置。
43.以光的传输方向作为参考方向，合束波导322可看作为位于输入段波导的后方，即合束波导322自输入段波导的第二端朝向二氧化硅包层的第四条形部311延伸，朝向与第四条形部311延伸即为朝向与端面耦合器的第二端延伸。为了防止输入段波导内的光泄漏，合束波导322还与输入段波导的各个条形波导321的第二端端面均相接，从而使输入段波导与合束波导322之间可进行光耦合。
44.另外，输出段波导323位于合束波导322的后方，即输出段波导323自合束波导322的远离所述输入段波导的一端朝向与所述端面耦合器的第二端延伸，朝向与端面耦合器的第二端延伸也可以理解为朝向与第四条形部311的右侧面延伸。为了使合束波导322与输出段波导323之间可进行光耦合，输出段波导323的端部还与合束波导322的端部相接，而另外，输出段波导323的远离所述合束波导322的一端的端面与所述端面耦合器的第二端端面平齐。从图2或图4中可以看出，输出段波导323的最右侧端面与第四条形部311的最右侧端面平齐。
45.示例性的，输入段波导中的条形波导321的数量可为两条。该两条条形波导321的几何中心线均与凹槽的延伸方向平行，且两条条形波导321的几何中心线也可互相平行设置。其中，凹槽的延伸方向即为第一方向。另外，如图6所示，两条条形波导321的几何中心线也可对称设置，此时两条条形波导的几何中心线相对于其对称中线呈“八”字状态，即两条几何中心线中的其中一端呈逐渐靠近的状态。应当理解是，输入段波导采用至少两条条形波导321相对于仅具有一条中心波导的悬臂梁式端面耦合器，在有效避免光泄露至硅衬底100的前提下，还减小了端面耦合器的结构尺寸。并且，条形波导321的数量除了为两条之外，也可以为其他数量。
46.进一步的，条形波导321的垂直于其几何中心线的横截面面积随着远离所述光纤接入端的距离的增大而逐渐增大。从图6中可以看出，各条形波导321自第一端端面至与合束波导322相对接的第二端端面，横截面的面积逐渐增大，且与合束波导322相对接的第二端端面的横截面的尺寸与合束波导322的端面尺寸大致相等。类似的，输出段波导323的垂直于其延伸方向的横截面面积随着远离所述光纤接入端的距离的增大逐渐减小；而在输出段波导323的与合束波导322相对接的端面上，输出段波导323的第一端端面尺寸可小于或等于合束波导322的第二端端面尺寸。
47.具体的，各条形波导321和输出段波导323均可为锥形波导或棱台形波导。图6中所示的双叉型波导中的条形波导321均为棱台形波导，该条形波导321的与其几何中心线垂直的各个横截面形状均为长方形。两个条形波导321的结构、尺寸均相同，且两个条形波导321的两个第一端端面、两个第二端端面、两个上侧面或两个下侧面分别互相平行且位于同一平面内；由于条形波导321的横截面尺寸随着远离光纤接入端的距离的增大而增大，因而条形波导321的第二端端面尺寸必定大于该条形波导321的第一端端面尺寸。另外，该两条条形波导321的两个第一端端面之间、两个第二端端面之间分别间隔开一定间距，从而防止两个条形波导321相交。该实例中的条形波导321虽然整体呈棱台形，除此之外，也可以为锥
形。锥形条形波导321与棱台形条形波导321类似的是，锥形条形波导321的与其几何中心线垂直的横截面尺寸，从第一端端面至第二端端面逐渐增大。
48.另外，输出段波导323与输入段波导也类似的，其可以是棱台形波导或锥形波导。棱台形的输出端波导自合束波导322的远离输入段波导的一端至端面耦合器的第二端，横截面尺寸逐渐减小；并且输出段波导323的各个横截面形状可为长方形。位于输入段波导和输出段波导323之间的合束波导322，形状也可为长方体形；此时合束波导322的在垂直于其延伸方向上的截面形状也均为长方形。并且棱台形或锥形的输出段波导323的与合束波导322相对接的端面尺寸可小于合束波导322的端面尺寸。
49.为了防止输入段波导内的光被泄露，在输入段波导与合束波导322相对接的端面上，合束波导322的宽度大于或等于所述输入段波导的宽度，合束波导322的高度大于或等于所述输入段波导的高度。合束波导322以及输入段波导的宽度也可理解为，合束波导322和输入段波导在图3中的左右横向方向，而合束波导322以及输入段波导的高度尺寸也可理解为，图3中的上下高度方向。
50.对于位于硅衬底100上的凹槽，其主要作用是为了避免光被泄漏至硅衬底100中，因此其具体结构以及具体尺寸不做限制。但为了便于加工，凹槽的在垂直于其延伸方向的截面形状可为矩形，如图5所示。除此之外，凹槽的在垂直于其延伸方向的截面形状还可为u形、v形、半圆形等。并且当凹槽的横截面形状为u形时，凹槽的第一侧壁111和第二侧壁112互相平行且均与硅衬底100的顶面垂直设置，硅衬底100的顶面也即与埋氧层的第二条形部212、第三条形部213的底面接触的平面。而当凹槽的截面形状为v形时，此时凹槽的第一侧壁111和第二侧壁112相对于第二条形部212、第三条形部213均呈倾斜状态。
51.在本发明的一些实施例中，输入段波导在延伸方向上的长度尺寸与所述输出段波导323在延伸方向上的长度尺寸的比值范围为15：1～30：1。对于输入段波导，其多条条形波导321的长度一般相等，因此条形波导321的长度尺寸与输出段波导323的长度尺寸的比值范围为15：1～30：1。示例性的，当条形波导321的长度尺寸为35μm时，输出段波导323的长度尺寸可为1.5μm、2μm、2.5μm等。
52.在本发明一实施例中，端面耦合器的硅衬底100、埋氧层以及二氧化硅包层均可通过刻蚀等工艺制备而成。而位于二氧化硅包层内的双叉型波导包括：由两条条形波导321形成的输入段波导、与两条条形波导321的末端均相接的合束波导322以及与合束波导322的末端相接的输出段波导323；为了进一步的提高端面耦合器的耦合效率，输入段波导的第二端端面与合束波导322的第一端端面完全对接，合束波导322的第二端端面与输出段波导323的第一端端面完全对接；具体的即合束波导322的第一端端面尺寸大于或等于输入段波导的第二端端面尺寸，而合束波导322的第二端端面尺寸大于或等于输出段波导323的第一端端面尺寸。其中，硅衬底100的厚度可大于7μm，宽度可设为30μm～50μm；埋氧层的厚度可为3μm，且埋氧层的宽度与硅衬底100的宽度一致，也可为30μm～50μm；二氧化硅包层的厚度可为3μm，且二氧化硅包层的宽度与硅衬底100也一致，具体的为30μm～50μm。另外，整个端面耦合器的长度可设为50μm～80μm，则硅衬底100、埋氧层、二氧化硅包层的长度均可为50μm～80μm。
53.在该实施例中，第一悬臂部214和第二悬臂部314的宽度范围均可为6μm～8μm，而其厚度分别与埋氧层及二氧化硅包层的厚度相等。即当埋氧层和二氧化硅包层的厚度均为
3μm时，第一悬臂部214和第二悬臂部314的厚度则分别为3μm。另外输入段波导的第一端端面与第二悬臂部314的第一端端面之间的第一距离范围为1.5μm～3.5μm；输入段波导、合束波导322以及输出段波导323的高度尺寸可均相等，且具体的可为0.15μm～0.25μm，示例性的如0.22μm。输入段波导的各条形波导321均为棱台形波导，则各条形波导321的第一端端面的宽度尺寸范围为0.1μm～0.2μm，各条形波导321的第二端端面的宽度尺寸范围为0.3μm～0.55μm；具体的，各条形波导321的第一端端面的宽度可为0.1μm，此时两条条形波导321的几何中心线的第一端之间的距离为0.14μm；条形波导321的第二端端面的宽度可为0.45μm，则此时两条条形波导321的几何中心线的第二端之间的距离为0.5μm。且两条条形波导321的长度可为30μm～40μm。
54.对于合束波导322，其宽度可为1μm～2μm，长度可为1.5μm～2μm。示例性的，当各条形波导321的第二端端面的宽度均为0.45μm时，合束波导322的宽度可为1.5μm，且长度为2μm。并且此时输出段波导323的第一端端面的宽度尺寸为0.75μm～1.2μm，第二端端面的宽度尺寸为0.35μm～0.55μm，且输出段波导323的长度范围为1.5μm～2.5μm。具体的，输出段波导323的第二端端面的宽度尺寸为0.45μm。
55.在上述实施例中，端面耦合器采用悬臂梁型结构，有效的防止了端面耦合器中的光模场被泄漏至硅衬底中；且第二悬臂部中内设有依次连接的输入段波导、合束波导以及输出段波导，而输入段波导至少包括两条条形波导，各条形波导的第一端端面与第二悬臂部的第一端端面之间间隔第一距离，不仅提高了光纤模场与端面耦合器输入端模场的匹配度，还使得端面耦合器各个部件的尺寸减小，大大减小了耦合器的整体尺寸，提高了集成度，降低了功耗和生产成本，并且还具有偏振不敏感的特性。
56.本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
57.上述所列实施例，显示和描述了本发明的基本原理与主要特征，但本发明不受上述实施例的限制，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下对本发明做出的修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。