耦合器和应用该耦合器的光波导芯片的制作方法

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及耦合器和应用该耦合器的光波导芯片。

背景技术：

近年来，随着各种互联网和多媒体应用的迅速发展，通讯网络中的流量正迅速增长。无论是接入网、城域网、还是骨干传输网，对设备升级的需求越来越强，以满足不断增长的网络流量需求。光收发模块是光网络中的核心单元。小型化、低能耗、多通道、低成本的光收发模块将成为发展趋势。作为光收发模块的核心器件，光发射组件和光接收组件也必须向小型化和多通道的特点发展。集成式封装技术可以实现多通道光组件的小型化，即把多路激光器芯片或探测器芯片封装在同一个管壳内。在光组件内部，除了激光器芯片和探测器芯片外，还需要一些无源器件来实现光信号的无源处理功能，比如把光功率分成多路信号、波分复用/解复用、偏振态合并与分离等，这样才能构成完整的光发射组件或光接收组件功能。无源器件可分为两类，一类是基于自由空间光学，即光束在空气或其他均匀介质中传播；另一类是基于导波光学，即光束在光波导中传播。这两类无源器件各有优缺点，对于4通道以上的小型化光组件来说，基于平面光波导芯片的无源器件更有优势。

对于尾纤型的光发射组件和光接收组件，单模光纤与无源器件的耦合是关键技术之一。如果无源器件采用平面光波导芯片，如何降低单模光纤与输入/输出光波导间的插入损耗是众多开发者面临的难点。因为，单模光纤的芯区直径为9微米，而单模光波导的芯层尺寸要小得多，比如4微米×4微米。二者在模斑尺寸上的差别会导致插入损耗非常大，比如达到2dB。这样的插入损耗无论是对光发射组件还是光接收组件都是无法接受的。

为降低光纤至波导的插入损耗，现有技术提供一种方案：采用线性逐渐变窄(或宽)的实体耦合器来减少光纤至波导的插入损耗。由于这种耦合器的制作工艺都是平面化的，因此其优点是设计简单，缺 点是只能沿横向(水平方向)调整光斑尺寸，无法沿垂直方向调整光斑尺寸。所以，还无法使单模光波导的光斑尺寸接近于单模光纤的光斑尺寸。这种耦合器对于低折射率差的光波导尚有一定作用，但对于高折射率差的光波导作用并不明显。因此不能有效降低耦合器两侧的光波导信号耦合时的插入损耗。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种耦合器和应用该耦合器的光波导芯片，能够有效降低耦合器两侧的光波导信号耦合时的插入损耗。

一方面，提供一种耦合器，所述耦合器用于第一光波导和第二光波导的连接，包括实体区域和第一波导光栅；

所述实体区域的第一端与第一光波导耦合；

所述实体区域的第二端与所述第一波导光栅的第二端耦合；

所述第一波导光栅的第一端与第二光波导耦合；

其中，所述实体区域的第一端的尺寸与所述第一光波导的端面尺寸匹配，所述实体区域的第二端与所述第一波导光栅的第二端的端面尺寸匹配，所述第一波导光栅的第一端的尺寸与第二光波导的端面尺寸匹配；

所述实体区域的宽度自所述实体区域的第一端向所述实体区域的第二端线性渐变。

另一方面，提供一种光波导芯片，包括耦合器、和与所述耦合器耦合的第一光波导，所述耦合器为上述的耦合器。

本发明的实施例提供的耦合器，其中耦合器将第一光波导和第二光波导连接在一起，并且实体区域的第一端的尺寸与第一光波导的端面尺寸匹配，实体区域的第二端与第一波导光栅的第二端的端面尺寸匹配，第一波导光栅的第一端的尺寸与第二光波导的端面尺寸匹配；由于实体区域的宽度自实体区域的第一端向实体区域的第二端线性渐变；因此，耦合器的实体区域能够调整第一光波导输出的光斑尺寸沿水平方向向第二光波导的光斑尺寸靠近，第一波导光栅的有芯层区的芯层和包层的折射率差会对光的传输产生约束，但第一波导光栅的间隙区由于是均匀介质光线可以呈发散的趋势传播，即在水平和垂直两个方向调整第一光波导输出的光斑尺寸向第二光波导的光斑尺寸靠近，因此可以有效降低耦合器两侧的光波导信号耦合时的插入损 耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例提供的一种光波导芯片的结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的一种耦合器的结构示意图；

图3为本发明的实施例提供的一种如图所示的耦合器的第一波导光栅的结构示意图；

图4a-g为本发明的实施例提供的光场分布仿真图；

图5为本发明的实施例提供的一种耦合器内的光场传播示意仿真图；

图6为本发明的另一实施例提供的一种耦合器的结构示意图；

图7为本发明的又一实施例提供的一种耦合器的结构示意图。

附图标记：

耦合器-1；

光波导-2；

光纤-3；

实体区域-11；

实体区域的第一端-111；

实体区域的第二端-112；

第一波导光栅-12；

第一波导光栅的第一端-121；

第一波导光栅的第二端-122；

第二波导光栅13。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，此外，本发明的实施例中输入端和输出端均是按照信号在的方向进行定义，即按照信号方向，定义信号输入的一端为输入端，定义信号输出的一端为输出端，当然也可以按照原则定义其他名称，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的实施例提供一种光波导芯片，包括耦合器1、和与耦合器1耦合的第一光波导2，参照图1所示，耦合器1的一端与光波导芯片上的第一光波导2耦合，耦合器1的另一端与第二光波导3耦合。其中，光波导芯片通常为网络末端的信号处理单元，主要用于对第一光波导2接收到的光信号进行进一步解码、光电转换等处理，或者将电信号通过编码、电光转换为光信号后通过第一光波导2发送，而光信号在光介质中传播时主要基于模式进行区分，由于在光网络末端的基本信号处理单元，主要是基于单模光信号进行处理，因此，本方案主要应用于光波导芯片通过单模光波导对单模光信号进行传输，在本申请中光波导芯片通常为平面光波导芯片，用于信号传输的第一光波导2和第二光波导3为单模光波导，其中，耦合器1和第一光波导2位于光波导芯片上时通常可以在具有一定厚度的同一平面光波导介质上制作成型，这样如图1和2所示，第一光波导2的俯视截面通常为具有一定宽度的长条形，耦合器1的俯视截面通常为梯形；第二光波导3用于向耦合器1输入光信号或者接收耦合器1向外输出的光信号，因此第二光波导3通常为光纤，以下实施例均基于此进行说明。

参照图2所示，本发明的实施例提供一种耦合器1，应用于上述 的光波导芯片，耦合器1用于第一光波导2和第二光波导3的连接包括实体区域11和第一波导光栅12；

实体区域11的第一端111与第一光波导2耦合；

实体区域11的第二端与112第一波导光栅12的第二端122耦合；

第一波导光栅12的第一端121与第二光波导3耦合；

其中，实体区域11的第一端111的尺寸与光波导2的端面尺寸匹配，实体区域11的第二端112与第一波导光栅12的第二端122的端面尺寸匹配，第一波导光栅12的第一端121的宽度与光纤3的直径匹配；

实体区域11的宽度自实体区域11的第一端111向实体区域11的第二端112线性渐变。

上述实施例中实体区域11的第一端111的尺寸与第一光波导2的端面尺寸匹配是指：实体区域11的第一端111的尺寸与第一光波导2的端面尺寸完全相同以便实体区域11的第一端111与第一光波导2的端面能够完全耦合，或者实体区域11的第一端111的尺寸与第一光波导2的端面尺寸的误差在预设范围内以便尽量降低实体区域11的第一端111与第一光波导2的端面耦合时带来的插入损耗；类似的实体区域11的第二端112与第一波导光栅12的第二端122的端面尺寸匹配，是指：实体区域11的第二端112与第一波导光栅12的第二端122的端面尺寸完全相同以便实体区域11的第二端112与第一波导光栅12的第二端122的端面能够完全耦合，或者实体区域11的第二端112与第一波导光栅12的第二端122的端面尺寸的误差在预设范围内以便尽量降低实体区域11的第二端112与第一波导光栅12的第二端122的端面耦合时带来的插入损耗；第一波导光栅12的第一端121的尺寸与第二光波导3的端面尺寸匹配是指：第一波导光栅12的第一端121的尺寸与第二光波导3的端面尺寸完全相同，当然，第二光波导3为圆形光纤时，第一波导光栅12的第一端121的宽度与第二光波导3的直径相同，或误差在预设范围内以便尽量降低第一波导光栅12的第一端121与第二光波导3耦合时带来的插入损耗。

其中，第一波导光栅12至少包含一个光栅周期，其中每个光栅周期由一个有芯区和一个间隙区组成，如图3所示，光栅周期T包括区域A和B，区域A为有芯区，区域B为间隙区，其中区域A与光 栅周期T的长度比为光栅周期T的占空比；其中，区域A的结构与实体区域11类似，包括芯层和芯层外的包层，其中芯层和包层之间形成的折射率差约束区域A传导的光场，区域B为均匀光介质对光场无约束，光场在区域B为各向同性的发散传播。

本发明的实施例提供的耦合器，其中耦合器将第一光波导和第二光波导连接在一起，并且实体区域的第一端的尺寸与第一光波导的端面尺寸匹配，实体区域的第二端与第一波导光栅的第二端的端面尺寸匹配，第一波导光栅的第一端的尺寸与第二光波导的端面尺寸匹配；由于实体区域的宽度自实体区域的第一端向实体区域的第二端线性渐变；因此，耦合器的实体区域能够调整第一光波导输出的光斑尺寸沿水平方向向第二光波导的光斑尺寸靠近，第一波导光栅的有芯层区的芯层和包层的折射率差会对光的传输产生约束，但第一波导光栅的间隙区由于是均匀介质光线可以呈发散的趋势传播，即在水平和垂直两个方向调整第一光波导输出的光斑尺寸向第二光波导的光斑尺寸靠近，因此可以有效降低耦合器两侧的光波导信号耦合时的插入损耗。

同时，由于实体区域11的宽度自实体区域11的第一端111向实体区域11的第二端112线性渐变；如图2所示，以第一光波导2为单模光波导，第二光波导为光纤进行说明，由于实体区域11的最右端与单模光波导相连，当光场从单模光波导进入此实体区域11后，由于实体区域11的宽度逐渐变大，光场在水平方向受到的约束会逐渐变弱，光斑的尺寸沿水平方向也逐渐变大，而实体区域11与第一光波导2的厚度相同，光斑的尺寸沿垂直方向不发生变化。因此，实体区域11的作用是把单模光波导的光斑沿水平方向扩展，向光纤的光斑尺寸靠近，如图2所示，由于通常情况下，光波导芯片中的单模光波导截面尺寸通常小于光纤的截面尺寸，这里不能仅仅理解为单模光波导截面面积小于光纤的截面面积，还可以理解为单模光波导截面形状大小位于光纤的圆形截面形状内，因此提供一种示例实体区域11的宽度自实体区域11的第一端111向实体区域111的第二端112方向线性减小，图示中SW＜NW。

此外，可以理解的是第一波导光栅至少包括一个光栅周期，但是由于一个光栅周期对光斑尺寸的调整能力有限，因此提供一种优选方 式为：第一波导光栅12包括预设数量的光栅周期，各个光栅周期的有芯层和间隙区平行排列，如图2所示，第一波导光栅12上各个光栅周期中有芯区的长度与间隙区的长度之比(即第一波导光栅的占空比)自第一波导光栅12的第一端121向第一波导光栅12的第二端122线性渐变，其中光栅周期的占空比指在一个光栅周期中有芯层的长度在所在光栅周期中占据的比例。以上对第一波导光栅12中的各个光栅周期的长度不做限制，但是由于制作光栅通常是通过光刻蚀工艺制作，由于制作不同周期的光栅在曝光工艺中需要设计不同周期的掩膜板，因此会增加设计复杂度，为了降低设计复杂度，一种优选的方案是：第一波导光栅12上各个光栅周期的长度相等。

提供一种示例，第一波导光栅12的最左端与第二光波导3相连，第一波导光栅12的最右端与耦合器的实体区域11相连。第一波导光栅12由若干个光栅周期组成，第一波导光栅12上各个光栅周期中有芯区的长度与间隙区的长度之比自第一波导光栅的第一端向第一波导光栅的第二端线性增大，比如，在图3中有15个光栅周期。在整个第一波导光栅12内，每个光栅周期的宽度为一致，宽度均为SW。每个光栅周期的长度也一致，周期长度均为T。每个光栅周期的占空比是不一致的，即A/T的值是不一致的。提供一种示例是：第一波导光栅12的最右端的那个周期其占空比最大，第一波导光栅12的最左端的那个周期其占空比最小。每个周期的占空比从右至左线性逐渐变小。在耦合器的第一波导光栅12，光场在有芯层的传播区(即如图3所示，每个周期内的A区)传播时，由于波导有芯层的存在，光场既有水平方向的约束，也有垂直方向的约束。在无芯层的传播区(即每个周期的间隙区)传播时，光场实际上是在没有任何约束的均匀介质中传播，在有芯层的传播区，其光场分布可以近似为高斯分布，而高斯分布场在均匀介质中传播时，是逐渐发散的，也就是说，光场的光斑在水平方向和垂直方向都是逐渐变大的。在设计优化中，通过控制每个光栅周期占空比的变化来控制光斑在垂直方向上的扩展与收缩。在耦合器的整个第一波导光栅12，光场的传播经历了周期性的有约束区域和无约束区域。间歇性的无约束使光斑在垂直方向和水平方向上均得以扩展。一种示例是：第一波导光栅12上各个光栅周期的占空比自第一波导光栅12的第一端121向第一波导光栅12的第二端线性122增大，其中第一波导光栅12上各个光栅周期的长度相等， 由于占空比是从大到小的变化，光斑在垂直方向上的扩展幅度是从小到大的变化，越靠近第二光波导3，扩展幅度越大。而在整个耦合器中水平方向上对光斑尺寸的扩展幅度包括实体区域11对光斑尺寸在水平方向上的扩展幅度以及整个第一波导光栅12无约束区域对光斑尺寸在水平方向上的扩展幅度。

图4a-g为本发明的实施例提供的光场分布仿真图。其中，图4a显示了单模光波导的光场分布图，图4g显示了经过光纤至波导耦合器后在光纤的光场分布图。图4b、4c显示了耦合器内部实体区域11中两个采样传播距离处的光场分布图，相对于图4a明显通过实体区域11后对光斑尺寸沿水平方向进行了扩展。图4d、4e和4f显示了耦合器内部第一波导光栅12中三个采样传播距离处的光场分布图，相对于图4a、4b和4c明显通过第一波导光栅12后光斑尺寸在垂直方向上的扩展幅度是从小到大的变化，此外光斑尺寸沿水平方向也有小幅扩展。此外结合图4a-g，由于实体区域11仅对光斑尺寸沿水平方向进行了扩展，因此单模光波导输出的光束在通过实体区域11后，光斑为类椭圆形，在垂直方向上光斑直径小于在水平方向上的光斑直径，因此光束在垂直方向上的发散角大于在水平方向上的发散角，所以光束在进入第一波导光栅12后，光斑在垂直方向上的发散速度要大于在水平方向上的发散速度，因此光束在通过第一波导光栅12后，光斑将由类椭圆形逐渐变化成类圆形，当然由于光束在通过第一波导光栅12时，垂直方向的光斑直径逐渐变大，光束在垂直方向上的发散角逐渐变小，因此光束在垂直方向上的发散速度也逐渐变慢，光束在垂直方向和水平方向上的发散角及发散速度趋于相同，光斑尺寸逐渐接近光纤模场的光斑尺寸。而在通过第一波导光栅12后，如果光束的光斑尺寸越接近光纤模场的光斑尺寸，则光波导与光纤耦合时的插入损耗越低。

图5显示了在整个光纤至光波导的耦合器内的光场传播仿真图。图片最右侧为连接单模光波导，图片最左侧为连接光纤。由光场传播图5可以看出，在实体区域11光场一直以单模形式传播，在第一波导光栅12，由于间隙区的存在，光场呈现周期性的有约束和无约束形式传播。

具体的，在上述实施例中光纤与单模光波导之间的插入损耗主要是由二者的芯层和包层的折射率差的不同所造成的，光线在光波导介 质中传播时芯层和包层的折射率差降低会使得光模场的光斑尺寸增大。而单模光波导的折射率差远大于光纤的折射率差，因此只要能减小二者的差别，就能减小二者之间的插入损耗。耦合器的第一波导光栅12恰好起到了这个作用。具体来说，在第一波导光栅12的每一个光栅周期内，有芯层区的有效折射率等同于实体区域11的有效折射率，而间隙区的有效折射率就是单模光波导包层的折射率，一个光栅周期的有效折射率是二者的加权平均值，其结果是介于实体区域11的有效折射率和光纤的有效折射率之间的。光栅周期的占空比越小，该光栅周期的有效折射率就越接近于光纤的有效折射率。本发明正是把光栅区内每个光栅周期的占空比由大到小地变化，使整个耦合器第一波导光栅12的有效折射率接近于光纤的有效折射率，进而减小了插入损耗。体现在光斑尺寸上，光在光栅的有芯层区传播时由于芯层与包层折射率差的存在，光能较好地被约束在芯区传播；而光在间隙区传播时，由于是在均匀介质区传播，光束将呈发散的趋势传播。在光栅区的一个周期内，周期的占空比越小，该周期对光传播的约束作用就越小，这样，光斑就越倾向于发散式传播，即，光斑的大小就越接近于光纤本征模式的光斑大小。通过优化第一波导光栅12的光栅周期个数、周期长度、占空比的起始与终止值，可以使整个光纤至波导耦合器的插入损耗大幅降低。本发明的设计中耦合器采用平面工艺，对平面光波导的制作工艺并没提出新的要求，因此，更具有实用价值。

进一步的，参照图6所示，本发明的耦合器还包括：第二波导光栅13，第二波导光栅13设置于第一波导光栅12第一端121与第二光波导3之间；

其中，第二波导光栅13上各个光栅周期的长度相等且占空比相等。可选的，第二波导光栅13的长度大于或等于光栅研磨工艺精度的最大误差范围。

平面光波导芯片是从晶圆上通过切割和研磨这两道工序得到的。顺序是先切割后研磨。经过研磨后，得到满足设计尺寸的平面光波导及与平面光波导耦合的耦合器。实际操作中，由于研磨有精度限制，不可能得到与设计尺寸完全一样的平面光波导芯片。光纤与耦合器的连接恰好位于平面光波导芯片的输入和输出端口，研磨的误差会影响光纤至耦合器的性能。比如，如果研磨过度，耦合器的第一波导光栅 区12的若干个周期光栅将会被研磨掉，这将会影响耦合器的插入损耗；如果研磨不到位，将导致耦合器的第一波导光栅区12无法直接与光纤相连，这将严重影响光纤至耦合器的耦合效率。

为解决上述问题，参照图6所示，提供一种对研磨精度不敏感的耦合器设计结构示意图。耦合器还包括设置于第一波导光栅12第一端121与光纤3之间的第二波导光栅13。第二波导光栅13由若干个光栅周期组成，每一个光栅周期的长度一致、占空比一致、波导宽度一致。第二波导光栅13的总长度由研磨误差决定。在设计平面光波导芯片时，将整个芯片的左边界(如图所示的左边界)置于第二波导光栅13的中央位置。基于这样的设计理念，第二波导光栅13的总长度等于研磨误差的范围绝对值。比如，研磨误差是+/-100微米，那么，均匀光栅区的总长度为200微米。在设计上应保证第二波导光栅13的长度大于或等于光栅研磨工艺精度的最大误差范围。

第二波导光栅13的波导宽度第一波导光栅12的宽度一致，即SW。第二波导光栅13的光栅周期和占空比，可以使研磨误差对光纤至耦合器插入损耗带来的影响降至最低。第二波导光栅13的最佳设计是，经过研磨后，不管剩下的均匀光栅周期个数是多还是少，通过剩下的均匀光栅周期个数后光纤至耦合器的插入损耗应基本不变。具体包括以下三种情况，1)研磨为零误差，即经过研磨后，平面光波导芯片的左边界恰好为设计值，此时第二波导光栅13有一半的长度被研磨掉；2)研磨过度并达到研磨精度的最大值，即经过研磨后，平面光波导芯片的左边界恰好位于第二波导光栅13与第一波导光栅12的第一端121，此时第二波导光栅13全部被研磨掉；3)研磨不到位并达到研磨精度的最大值，即经过研磨后，平面光波导芯片的左边界恰好均匀第二波导光栅13的最左端，此时第二波导光栅13被全部保留。以上三种情况无论是哪种，整个光纤至波导耦合器的插入损耗变化都不大。此外可选的，如图7所示，耦合器各处的厚度h与光波导的厚度H相等。限于光波导芯片的制作工艺，耦合器的制作与光波导在同一晶圆上采用平面工艺形成，耦合器的厚度与光波导匹配即可，由于耦合器的厚度与光波导不同时均会引入新的插入损耗，因此无需做出特殊处理。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。