一种端面耦合器及其制备方法与流程

本发明属于光波导与集成光学技术领域，尤其涉及一种端面耦合器及其制备方法。

背景技术：

现有激光器或光纤等光源与硅光芯片的耦合主要有光栅耦合和端面耦合两种方式。光栅耦合采用gratingcoupler(光栅耦合器)垂直耦合，其具有模场匹配的特点，光栅耦合具有较大的对准容差以及可实现晶圆级测试的优点，同时也具有偏振敏感性和波长敏感性以及带宽较窄等缺点，光栅耦合方案使用有一定的限制。现有的端面耦合方案可实现偏振不敏感及较大的带宽，但是其对准容差较小，不利于实现晶圆级的封装。以dfb单模激光器为例，激光器输出光场的模斑尺寸约为2-3µm，而相应的1db端面耦合器的对准容差均在微米尺寸以下，因此对封装设备的精度要求较高，但是目前商用flip-chip键合机精度一般为±1µm，这种情况下采用端面耦合的现有方案则极大的增加了封装的难度、成本，也难于保障产品的良率。对准偏差一般指的是损耗增加1db时对应的耦合位置的偏移量，即便采用有源封装方法，在封装固化过程中仍旧会导致较大对准偏差，从而增加了器件的插损。近几年受到产业界广泛关注的硅基光子器件因其低成本、超小型尺寸、低功耗、与精细工艺特性相兼容等独特的特性，其应用也在日益推进中，特别的在激光雷达和激光主动探测领域逐渐受到重视。

因此目前十分需要研究一种端面耦合器及相应的制备方法，便于封装，能够增大光源与硅光芯片的对准容差，且不增加器件的插损，能够保障产品的良率水平。以此进一步推动集成光学技术的深入发展及硅基光子器件广泛应用。

技术实现要素：

本发明是为解决上述现有技术的全部或部分问题，本发明一方面提供了一种端面耦合器。本发明的另外一个方面提供了一种端面耦合器制备方法，可用于制备本发明的端面耦合器。

本发明一方面提供的一种端面耦合器，包括沿光源的输出光场方向依次设置的第一耦合区、相移区和第二耦合区；所述第一耦合区包括分束结构，所述分束结构将光源的输出光场分为至少两个第一光场，并将所述第一光场全部耦入所述相移区；所述相移区内的光场记为第二光场，所述相移区内与所述第二光场一一对应设置有相位调制器；所述相移区输出的光场，记为第三光场；所述第三光场至少有两个，所述第三光场之间的相位差为0；所述第二耦合区包括合束结构，所述合束结构将所述第三光场全部耦入，合为一个终端光场。通过第一耦合区将外部光源耦合至所述相移区中，如果由于对准偏差导致了至少两个所述第二光场之间存在相位差，则能够通过所述相移区进行相位补偿，使得从所述相移区输出的所述第三光场之间没有相位差，再经所述合束结构合为一个终端光场后向器件输出，如此提高了光源与硅光芯片的对准容差，同时也提高了最终的耦合效率。传统的端面耦合器在与光纤或者激光器封装完成后，耦合损耗值就确定了，但是在封装的过程中，不管采用有源封装还是无源封装，光纤或激光器与硅光芯片都不可避免的会存在一些偏差。本发明的端面耦合器设置有所述相位调制器，能够在激光器或光纤与pic封装完成后，通过控制所述相位调制器来进行相位调制，来降低上述偏差带来的耦合损耗，从而达到进一步降低耦合损耗的目的，为封装插损的降低增加了新的自由度。

一般的情况中，所述第一耦合区、所述相移区和所述第二耦合区设置在硅衬底层上。直接在硅光芯片的硅衬底层生成端面耦合器，与cmos工艺兼容性好，更易于制备。

所述相位调制器为热光移相器、电光移相器或pn结型光移相器。所述相位调制器至少有两个，可以选择相同类型的热光移相器、电光移相器或pn结型光移相器中的一种，也可以选用几种不同类型的几种移相器。根据实际应用选择。

所述相位调制器是热光移相器；所述热光移相器包括预设长度的单模波导、与所述单模波导间隔第一间距设置的加热单元、与所述加热单元电连接的外露电极；所述热光相移器间隔的最小距离为第二间距；所述第一间距的取值依据是所述加热单元不影响所述单模波导的传输损耗；所述第二间距的取值依据是将所述热光相移器之间产生的热串扰降低到最小。所述外露电极用于对所述加热单元通电，进行加热调制所述单模波导中的所述第二光场的相位，通过所述外露电极实现通过电功率的调节来改变相位进而控制耦合光强度。所述相位调制器均为热光移相器，所述热光移相器的结构简单便于制备，有利于简化工艺和节约成本。

优选的，所述第一间距的取值范围是0.5μm~2μm。

所述第二间距大于40μm。所述预设长度范围在50μm~500μm。

所述分束结构包括至少两个第一波导结构单元；所述第一波导结构单元之间的中心距为第一预设距离；所述第一波导结构单元包括若干第一波导，所述第一波导沿着光源的输出光场的方向至少一部分逐渐由窄变宽；所述第一波导的输入端设置有第一锥形亚波长光栅。所述第一预设距离决定了本发明的端面耦合器与光源的耦合损耗及对准容差，所述第一预设距离越大，对准容差越大，在无偏移情况下的耦合损耗也会相应增大，在实际应用中能够根据端面耦合器具体的使用情况，通过设定所述第一预设距离同时兼顾到耦合损耗及对准容差，以满足生产中的特定要求。

较好的，所述第一波导结构单元还包括在所述第一波导两侧设置的亚波长光栅波导，所述亚波长光栅波导的输入端设置有第二锥形亚波长光栅；所述第一波导与其两侧的所述亚波长光栅波导成三叉戟结构；所述第一波导与所述亚波长光栅波导为soi(silicon-on-insulator，绝缘体上的硅)波导。采用soi波导组成的三叉戟结构有利于进一步降低耦合损耗，另一方面能与cmos工艺兼容，易于制备波导层结构。

具体的，所述第一波导为单模波导；所述第一波导相互平行设置。

所述若干第一波导为两根独立的相互平行设置的单模波导，所述第一预设距离是指所述两根单模波导之间的中心距。

所述合束结构包括间隔第二预设距离设置的两个第二波导结构单元，以及所述第二波导结构单元之间设置的第三波导；所述第二波导结构单元包括若干第二波导；所述第三光场通过倏逝波耦合进入所述第三波导合为所述终端光场。所述合束结构通过两个第二波导结构单元采用倏逝波耦合的方式在第三波导中实现所述第三光场的合束，有利于实现器件较低的插损和较大的带宽。所述第二预设距离影响所述第二耦合区的耦合长度，在实际应用中能够配合器件的具体设计，通过设定所述第二预设距离调整所述第二耦合区的耦合长度，以满足器件整体结构设计中的特定要求。

所述第二波导是独立的单模波导；所述第二波导相互平行设置。沿背离所述相移区的方向，所述第二波导至少一部分逐渐由宽变窄；所述第三波导相应的至少一部分逐渐由窄变宽。

所述第二波导和所述第三波导为soi(silicon-on-insulator，绝缘体上的硅)波导。

本发明另一方面提供的一种制备方法，能够制备本发明一方面所述的端面耦合器，包括：通过一次刻蚀形成第一耦合区、相移区和第二耦合区的波导层结构。

还包括，在所述相移区的波导层结构的若干波导上间隔预设第一间距对应设置若干加热单元，在所述加热单元上设置外露电极。

与现有技术相比，本发明的主要有益效果：

1、本发明的一种端面耦合器，构造简单，通过第一耦合区将外部光源耦合至所述相移区中，可使光源与硅光芯片在水平方向的对准容差显著增大；无论光源偏向端面耦合器水平方向的哪一侧，都能通过所述相移区补偿由于对准偏差导致的所述第二光场之间的相位差，最终耦合效率更高；通过所述相位调制器的设置在激光器或光纤与pic封装完成后，也能够进行相位调制，来降低上述偏差带来的耦合损耗，从而达到进一步降低耦合损耗的目的，为封装插损的降低增加了新的自由度。所述合束结构通过倏逝波耦合方式进行光场合束，器件能够具有较大的带宽和较低的插损

2、本发明的一种端面耦合器制备方法，能够制备本发明的端面耦合器，步骤简洁，只需一步刻蚀，与cmos工艺兼容性好，不增加额外生产工艺，节约成本，易于企业在现有工艺基础上制备本发明的端面耦合器。

附图说明

图1为本发明实施例一的端面耦合器应用场景示意图。

图2为本发明实施例一的端面耦合器俯视示意图。

图3为本发明实施例一的热光移相器的截面示意图。

图4(a)和图4(b)为本发明实施例一的端面耦合器结构工作原理示意图。

图5为本发明实施例一的端面耦合器在无偏移时的模场分布仿真示意图。

图6为本发明实施例一的加热功率与对准偏移的关系仿真示意图。

图7为本发明实施例一的端面耦合器与现有耦合结构在水平方向的对准偏差的仿真示意图。

图8为本发明实施例二的端面耦合器俯视示意图。

图9为本发明实施例二的端面耦合器制备方法示意图。

具体实施方式

下面将对本发明具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。附图中，相同结构或功能的部分利用相同的附图标记来标记，出于显示清楚的原因必要时并不是所有示出的部分在全部附图中用所属的附图标记来标记。

在下述实施例中采用特定次序描绘了实施例的操作，这些次序的描述是为了更好的理解实施例中的细节以全面了解本发明，但这些次序的描述并不一定与本发明的方法一一对应，也不能以此限定本发明的范围。

需要说明的是，附图中的流程图和框图，图示出按照本发明实施例的方法可能实现的操作过程。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以并不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以穿插的执行，依所涉及的步骤要实现的目的而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与人工操作结合来实现。

实施例一

本发明实施例一中，结合图1和图2所示，端面耦合器c，包括沿光源source的输出光场l0方向依次设置的第一耦合区ⅰ、相移区x和第二耦合区ⅱ；相移区x包括相位调制器，分别是在端面耦合器c的中心轴n两侧对称设置的第一相位调制器t1和第二相位调制器t2；第一耦合区ⅰ包括分束结构p，将光源source的输出光场l0分为至少两个第一光场l1，并将第一光场l1全部耦合进入相移区x；相移区x内的光场记为第二光场l2，本实施例中第二光场l2有两个，第一相位调制器t1和第二相位调制器t2与其一一对应设置。从相移区输出的光场，记为第三光场l3，本实施例中第三光场l3有两个，第三光场l3之间的相位差为0；第二耦合区ⅱ包括合束结构q，第二光场l2全部耦合进入合束结构q，合为一个终端光场lfin。本实施例中，第一耦合区ⅰ、相移区x和第二耦合区ⅱ都设置在硅衬底层上。直接在硅光芯片的硅衬底层生成端面耦合器c，易于制备且与cmos工艺兼容。为了便于理解本发明在实施例的叙述中，对准偏移为0的示例情况是指光源source的输出光场沿着端面耦合器c的中心轴n入射，但不能因此而限定本发明的具体情况。

第一相位调制器t1、第二相位调制器t2可以选择热光移相器、电光移相器或pn结型光移相器等，也可根据实际应用情况第一相位调制器t1、第二相位调制器t2分别采用不同的具体相位调制器，并不限定。本实施例中，第一相位调制器t1和第二相位调制器t2都是一个热光移相器；如图1所示，本实施例中输出光场l0被分为两个第一光场l1，全部耦入相移区x内对应为两个第二光场l2。第一相位调制器t1有一个，第二相位调制器t2有一个，分别对应用于调制一个第二光场l2。即所述热光移相器的数量有2个。第一相位调制器t1、第二相位调制器t2的总数量，即所述相位调制器的数量等于第二光场l2的数量。本实施例中的热光移相器具体包括预设长度的一根单模波导、所述单模波导上方间隔第一间距d1设置的加热单元heater、与加热单元heater电连接的外露电极(未图示)。如图3所示，本实施例中所述单模波导是soi波导，其预设长度范围是在50μm~500μm，具体在本实施例中所述热光移相器的单模波导预设长度都相等，是100μm。第一间距d1的取值依据是加热单元heater不影响所述单模波导的传输损耗。本实施例中加热单元heater具体是金属线，与下方的soi波导有一定距离即第一间距d1，在尽量不影响波导损耗的情况下是所述第一间距越小越好，本实施例中第一间距d1选取的值是1μm。实际应用中第一间距d1较好的取值范围可以是0.5μm-2μm，以保证不影响波导的传输损耗。本实施例以所述热光移相器的结构为例但不限于此结构。本实施例的热光移相器的结构设计是因为该结构简单且能够满足应用需要。而基于其它原理的不同具体结构的热光移相器根据实际应用情况也同样可满足具体要求，并不限定。如图2所示，第一相位调制器t1与第二相位调制器t2间隔第二间距d2，即两个所述热光移相器间隔的最小距离，为了保证所述热光相移器之间产生的热串扰尽可能的小，第二间距d2一般大于40μm，本实施例的一个具体做法是两个所述热光移相器间隔的最小距离是50μm。本实施例中的热光移相器，其单模波导相互平行，加热单元heater也相应的相互平行，两个所述热光移相器间隔的最小距离即两个加热单元heater相对边缘之间的垂直距离。在也有的实施例中所述热光移相器并不一定是同一平面内的平行设置，则两者之间的最小距离应满足预设的第二间距d2，以避免热串扰。所述外露电极用于对加热单元heater通电，进行加热调制所述单模波导中第二光场l2的相位，通过所述外露电极实现通过电功率的调节加热单元heater金属线的温度来分别具体改变两根所述单模波导中的光场相位进而控制耦合光强度。

本实施例中，分束结构p包括中心轴n两侧对称设置的两个第一波导结构单元s1；第一波导结构单元s1之间的中心距为第一预设距离w1；第一波导结构单元s1具体包括一根第一波导1，第一波导1沿着光源source的输出光场l0的方向至少一部分逐渐由窄变宽；第一波导1的输入端设置有第一锥形亚波长光栅11。本实施例中共有两根第一波导1，之间相互平行设置。第一波导1的直波导部分延续到相移区x内，与对应的所述热光相移器的单模波导连续成一体结构。本实施例中第一波导1为单模波导；第一预设距离w1就是两根第一波导1的直波导在第一耦合区ⅰ内的部分之间的中心距，本实施例中第一预设距离w1为2.2μm。本实施例中第一波导结构单元s1还包括在每个第一波导1两侧设置的亚波长光栅波导，所述亚波长光栅波导的输入端设置有第二锥形亚波长光栅12；第一波导1与其两侧的所述亚波长光栅波导成三叉戟结构。本实施例中每个所述第一波导结构单元采用一组三叉戟结构有利于进一步降低耦合损耗。本实施例中第一波导结构单元s1的波导都是soi波导，即第一波导1及其两侧设置的亚波长光栅波导，以及第一锥形亚波长光栅11、第二锥形亚波长光栅12都是绝缘体上的硅(si)波导。

本实施例中，合束结构q包括中心轴n两侧对称设置的两个第二波导结构单元s2、长度方向沿耦合器中心轴的第三波导3；第二波导结构单元s2之间的中心距为第二预设距离(未图示)。第二波导结构单元s2包括第二波导2；第三光场l3分别从第二波导2中通过倏逝波耦合进第三波导3中形成终端光场lfin。合束结构q通过两个第二波导结构单元s2采用倏逝波耦合的方式在第三波导3中实现合束，有利于实现器件较低的插损和较大的带宽。所述第二预设距离能够影响第二耦合区ⅱ的耦合长度，在实际应用中能够配合器件的具体设计，通过设定所述第二预设距离调整第二耦合区ⅱ的耦合长度，以满足器件结构设计中的特定要求。第二波导2是中心轴n两侧中心距为所述第二预设距离对称平行设置的两根独立的单模波导。本实施例中具体是相移区x中的所述热光相移器的单模波导延续进入合束结构q的部分构成第二波导2。沿背离相移区x的方向，第二波导2至少一部分逐渐由宽变窄；第三波导3则相应的至少一部分逐渐由窄变宽。第二波导2和第三波导3为soi(silicon-on-insulator，绝缘体上的硅)波导。本实施例中第一波导1、第二波导2和第三波导3为波导层结构中连续一体的单模波导，是便于直观理解本发明的一个示例，可以有其它弯曲形态，只要能保证第二间距d2满足设计要求即可，并不限定。在其它一些实施情况中，分束结构p、合束结构q也可以采用如y分（合）束器、1×2mmi结构等并不限定。

如图4(a)和图4(b)所示，第一预设距离w1决定了端面耦合器c与光源source的耦合损耗及对准容差，第一预设距离w1越大，对准容差越大，在无偏移情况下的耦合损耗也会相应增大。本实施例的具体工作原理是当光源source与端面耦合器c存在对准偏差时，分别耦合进中心轴n两侧的第一波导结构单元s1的第一光场l1存在强度及相位的差异，中心轴n两侧的两个第一光场l１的复振幅分别以如下两个公式表示：

本实施例中未经第一相位调制器t1或第二相位调制器t2调制相位的第二光场l2即第一光场l1。如图4(a)所示，当对准偏差δx>0时（即偏向中心轴n下侧时），φ1>φ2，此时可通过加热第二相位调制器t2的金属线增加中心轴n下侧的第二光场l2的相位，使得经中心轴n两侧的单模波导输出相移区x的第三光场l3之间的相位差为0。如图4(b)当对准偏差δx<0时（即偏向中心轴n上侧时），φ1<φ2，此时可通过加热第一相位调制器t1的金属线增加中心轴n下侧的第二光场l2的相位，使得经中心轴n两侧的单模波导输出相移区x的第三光场l3之间的相位差为0。当对准偏差δx=0时（即对准中心轴n时），φ1=φ2，此时无需相位的调节，第一相位调制器t1和第二相位调制器t2不工作，第一光场l1、第二光场l2和第三光场l3是相同的光场。在无偏移时的模场分布仿真示意图如图5所示。加热功率与对准偏移的关系仿真示意图如图6所示。端面耦合器c与现有技术中的两种耦合结构(tridentstructure，单三叉戟结构；doubletridentstructure，双三叉戟结构)在水平方向的对准偏差的仿真结果如图7所示。对准偏差一般指的是损耗增加1db时对应的耦合位置的偏移量，如图7所示，本实施例的端面耦合器c，其1db的对准偏差为±1.7μm，而两种现有的亚波长三叉戟结构1db的对准偏差分别为±0.65μm和±0.77μm。由此可见，本实施例的端面耦合器c的对准容差范围更大。

实施例二

如图8所示，实施例二与实施例一的区别主要在于，分束结构p包括中心轴n两侧共4根独立的单模波导。每个第二波导结构单元s2包括两根第二波导2，也是独立的单模波导。第二光场l2有4个，因此对应有2个第一相位调制器t1和2个第二相位调制器t2。

本实施例中端面耦合器制备方法，如图9所示，包括：通过一次刻蚀形成第一耦合区、相移区和第二耦合区的波导层结构；在所述相移区的波导层结构的若干波导上间隔预设第一间距对应设置若干加热单元，在所述加热单元上设置外露电极。根据实际应用中光源的波长及模斑尺寸的具体不同端面耦合器的具体大小及具体结构可以有其它的相应设计，可以适用于多种不同光源的耦合应用中，并不限定。

本发明为了便于叙述清楚而采用的一些常用的英文名词或字母只是用于示例性指代而非限定性解释或特定用法，不应以其可能的中文翻译或具体字母来限定本发明的保护范围。还需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。本文中应用了具体的个例对本发明的结构及工作原理进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。