一种用于光纤与芯片间光信号传输的水平耦合器的制作方法

本发明应用于通讯技术领域，更具体地，涉及一种用于光纤与芯片间光信号传输的水平耦合器。

背景技术：

光纤通信技术由于其超大通信容量、超大带宽、高速率、低损耗以及低成本等优点，已经成为当今通信网络中不可缺少的核心技术。为了最大程度上满足“大数据”时代日常生活所需的数据吞吐量和传输速度，基于对五个物理维度(时间、频率、空间、偏振态、正交性)数据加载能力的充分利用，各种复用技术和高级调制格式已被广泛应用于光纤通信系统中。在现有光纤通信领域朝着更长距离、更高速率、更大容量的目标发展的同时，“绿色通信”的理念带来了器件的集成化趋势，使之成为未来低功耗、小尺寸发展目标的必由之路。

随着硅基集成器件在光纤通信系统中的广泛应用，基于硅基芯片的收发模块和基于光纤的传输链路间如何实现低损耗连接成为了一个值得关注的问题：首先，由于芯片和光纤截面的尺寸差异太大，直接连接将会因模场尺寸、分布的严重失配而导致大于27dB的损耗；此外，随着通信容量需求的提升，基于空分复用技术的各类新型光纤(如少模光纤、多模光纤、多芯光纤等)也应运而生。因此，如何设计和优化高性能的耦合器件，以满足各类新型光纤与芯片间模场的匹配从而实现高效耦合，也成为了随之而来的重要课题。

基于对上述问题的思考，人们设计和提出了各类耦合方案，其中应用最为广泛的两类是光栅耦合器和倒锥形波导耦合器。光栅耦合器基于光纤与芯片的垂直耦合设计，即在芯片上硅层刻蚀周期性折射率分布结构使光纤中光场在芯片上表面发生衍射，使其改变传播方向并耦合进片上波导。由于该方案能提供较高的耦合自由度，且不需要对芯片端面进行预处理，因此能有效降低工艺和封装成本，同时还可以作为与多芯光纤阵列耦合的优良备选；然而该结构具有较强的波长和偏振选择性，这使其在多维复用系统中的应用受到了限制。另一类倒锥形波导耦合器则基于光纤与芯片的水平耦合设计，通过倒锥形波导的尖端，将从端面水平耦合进芯片的光场进行引导和收集，利用缓增的波导结构将上包层中能量绝热地耦合进入片上波导中传输。为了进一步提高工艺容忍度和耦合效率，一些新型结构如多级倒锥波导、悬臂梁、双端波导、三叉戟型波导等相继被提出。然而，目前报道的各种方案主要针对光纤与片上波导中的基模耦合，鲜有高阶模式耦合的相关报道。

技术实现要素：

针对上述缺陷，本发明提供了一种用于光纤与芯片间光信号传输的水平耦合器，旨在解决传统水平耦合器主要因为端面截面小难以实现高阶模式耦合的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种用于光纤和芯片间光信号传输的水平耦合器，包括

第一采集模块，与在光纤中传输的第一模斑对准，用于采集光纤中传输的一阶线偏振模式(LP11模式)的第一模斑；

第二采集模块，与在光纤中传输的第二模斑对准，用于采集光纤中传输的LP11模式的第二模斑；以及

耦合模块，其包括第一传输通道、第二传输通道和主传输通道，所述第一传输通道的一端与主传输通道的第一端连接，第一传输通道的另一端连接第一采集模块，用于接收并传输第一模斑；所述第二传输通道的一端与主传输通道的第一端连接，所述第二传输通道的另一端连接第二采集模块，用于接收并传输第二模斑；所述主传输通道的第二端用于连接与芯片上其它功能器件相连的输出波导，用于将第一模斑和第二模斑耦合为一阶横电模(TE1模式)输出；

所述第一采集模块与所述第二采集模块对称排列，且第一传输通道与第二传输通道对称排列。

由于本发明中采用第一采集模块采集第一模斑，第二采集模块采集第二模斑，实现对光纤中LP11模式的全部采集，同时由于第一采集模块与第二采集模块对称排列，且第一传输通道与第二传输通道对称排列，使得第一模斑所经历的光程和第二模斑所经历的光程相同，使得第一模斑相位与第二模斑相位仍然保持为π，通过耦合模块实现芯片上TE1模式的输出，从而达到光纤中LP11模式到芯片中TE1模式的的高效率耦合。

进一步地，所述第一采集模块为第一倒锥形波导，第一倒锥形波导窄端面与光纤中第一模斑对准，用于接收并传输第一模斑；

所述第二采集模块为第二倒锥形波导，第二倒锥形波导窄端面与光纤中第二模斑对准，用于接收并传输第二模斑；

所述耦合模块为Y分支型波导，Y分支型波导设有第一分支波导、第二分支波导和主波导，第一分支波导一端连接主波导第一端，第一分支波导另一端与第一倒锥波导宽端面连接，用于接收并传输第一模斑，第二分支波导一端连接主波导第一端，第二分支波导另一端与第二倒锥波导宽端面连接，用于接收并传输第二模斑，主波导第二端连接与芯片上其它功能器件相连的输出波导，用于将第一模斑和第二模斑耦合并输出LP11模式；

第一倒锥形波导和第二倒锥形波导对称排列，第一分支波导和第二分支波导对称排列。

进一步地，所述第一采集模块为第一双端波导，设有第一端至第四端，第一双端波导的第一端与第二端均与光纤中第一模斑对准，用于接收并传输第一模斑；

所述第二采集模块为第二双端波导，设有第第一端至第四端，第二双端波导第一端与第四端均与光纤中第二模斑对准，用于接收并传输第二模斑；

级联Y分支型波导包括左第一级波导、右第一级波导和第二级波导，

所述左第一级波导为Y分支型波导，Y分支型波导设有第一分支波导、第二分支波导和主波导，第一分支波导与第一双端波导的第三端连接，用于收集与传输第一模斑，所述左第一级波导的第二分支波导与第一双端波导的第四端连接，用于收集与传输第一模斑，左第一级波导的主波导与第二级波导的第一支连接，用于耦合左第一级波导的第一分支波导传输的第一模斑和第二分支波导传输的第一模斑，输出的第一模斑，

所述右第一级波导为Y分支型波导，Y分支型波导设有第一分支波导、第二分支波导和主波导，第一分支波导与第二双端波导的第三端连接用于收集与传输第二模斑，第二分支波导与第二双端波导的第四端连接，用于收集与传输第二模斑，右第一级波导的主波导与第二级波导的第二支连接，用于耦合右第一级波导的第一分支波导传输的第二模斑和第二分支波导传输的第二模斑，输出的第二模斑，

所述第二级波导为Y分支型波导，Y分支型波导设有第一分支波导、第二分支波导和主波导，第一分支波导一端与左第一级波导的主波导连接，另一端与第二级波导的主波导第一端连接，用于收集与传输的第二模斑，第二分支波导与右第一级波导的主波导连接，另一端与第二级波导的主波导第一端连接，用于收集与传输的第二模斑，第二级波导的主波导第二端与芯片上其它功能器件相连的输出波导，用于耦合由左第一级波导的主波导输出的第二模斑和右第一级波导的主波导输出的第二模斑，输出TE1模式；

所述第一双端波导和第二双端波导均为双端波导，双端波导包括两个对称分布倒锥形波导，一倒锥形波导的窄端面为第一端，其宽端面为第三端，另一倒锥形波导的窄端面为第二端，其宽端面为第四端。

进一步的，双倒锥形波导中两对称倒锥形波导宽截面处间隔6-11μm，以保证双倒锥形波导与上包层中一阶模场两个模斑的有效对准，从而提高上包层中光场耦合进入双倒锥型波导效率。

进一步地，还包括上包层，第一端与光纤对准，第二端面中传输的第一模斑与第一采集模块对准，第二端面中传输的第二模斑与第二采集模块对准，用于接收并传输光纤中LP11模式。

进一步的，上包层在端面宽度为12-24μm，以保证光场被较好地限制在上包层中传输，增大模场重叠积分。

进一步的，倒锥形波导的窄端面距离芯片边缘的距离为1-3μm，实现以在现有工艺条件下提高上包层中模场耦合进入倒锥形波导的效率。

进一步的，Y分支型波导的第一分支波导和第二分支波导的宽度之和应小于或等于主波导的宽度，以减少模场在第一分支波导和第二分支波导中传输时可能产生的泄漏或损耗。

进一步的，Y分支型波导的第一分支波导和第二分支波导贝塞尔线形弯曲特性，以实现更为平滑的过渡减小传输过程中的损耗。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下

有益效果：

1、第一采集模块对准光纤中传输的LP11模式的第一模斑并采集第一模斑，第二采集模块对准光纤中传输的LP11模式的第二模斑并采集第二模斑，实现对LP11模式中相位相差π的第一模斑和第二模斑采集，第一模斑进入耦合模块中第一传输通道，第二模斑进入耦合模块中第二传输通道，通过模场在空间中的叠加实现第一模斑和第二模斑的耦合，由耦合模块的主传输通道输出，由于第一传输通道与第二传输通道对称分布，该过程可以看作是主传输通道中模式到第一传输通道和第二传输通道产生超模的逆过程，根据线性系统的互易性，在第一传输通道传输的第一模斑和第二传输通道传输的第二模斑相位仍相差π的。第一模斑和第二模斑耦合进入主传输波导过程中相位差保持恒定，最终在支持多模的主传输通道的输出端得到TE1模式，实现光纤中LP11模式到芯片中TE1模式的的高效率耦合。

2、本发明能够实现光纤中LP11模式到芯片中TE1模式的的高效率耦合，对于基模LP01到TE0或TM0均有较高的耦合效率，当光纤中传输基模时，由第一采集模块和第二采集模块同时采集基模的模斑，第一采集模块的采集的基模的模斑在耦合前经历的光程与第二采集模块采集的基模的模斑在耦合前经历的相同的光程相同，使得两个基模的模斑进过耦合模块耦合后仍为基模。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步具体说明。

图1本发明具体实施方式三维结构图，图中，1、第一双端波导，2第二双端波导，3、左第一级波导，4、右第一级波导，5、第二级波导；

图2本发明具体实施方式俯视结构图，图中，1、第一双端波导，2第二双端波导，3、左第一级波导，4、右第一级波导，5、第二级波导，6、上包层(为达到最清晰的表征效果，该结构在图1中被省略)；

图3(a)为本发明提供的实施例中第一级波导中基模场的耦合过程示意图；

图3(b)为本发明提供的实施例中第二级波导中一阶模场的耦合过程示意图；

图4本发明具体实施方式的波导横截面模场分布图，其中：(a)上包层模场分布图；(b)左第一级波导中主波导截面模场分布图；(c)第二级波导第一分支波导和第二分支波导的截面模场分布图；(d)第二级波导的主波导截面模场分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出用于光纤和芯片间光信号传输的水平耦合器，包括第一采集模块、第二采集模块以及耦合模块，第一采集模块与在光纤中传输LP11模式的第一模斑对准，第二采集模块与在光纤中传输LP11模式的第二模斑对准，第一采集模块采集并传输第一模斑，第二采集模块采集并传输第二模斑，实现对光纤中LP11模式的全部采集，第一模斑与第二模斑在相位上相差π，由于第一采集模块与第二采集模块对称排列，使得经过第一采集模块传输后第一模斑与经过第二采集模块传输后第二模斑相位差仍为π。

耦合模块包括第一传输通道、第二传输通道以及主传输通道，第一传输通道一端与主传输通道的第一端连接，其另一端连接第一采集模块，用于接收由第一采集模斑输出的第一模斑并将第一模斑传输至主传输通道，第二传输通道一端与主传输通道的第一端连接，其另一端连接第二采集模块，用于接收由于第二采集模斑输出的第二模斑并将第二模斑传输至主传输通道，由于第一传输通道与第二传输通道对称排列，使得第一模斑在耦合模块中所经历的光程和第二模斑在耦合模块中所经历的光程相同，使得第一模斑与第二模斑在进入主传输通道的第一端前的相位差仍然为π，主传输通道的第二端连接芯片接收模块，通过第一模斑和第二模斑在主传输通道中的叠加，实现将第一模斑和第二模斑耦合为LP11模式输出，实现将光纤中LP11模式转为芯片中的TE1模式。

作为本发明的另一部分，本发明中提供的水平耦合器对于基模LP01到TE0或TM0均有较高的耦合效率，当光纤中传输基模时，由第一采集模块和第二采集模块同时采集基模模斑，第一采集模块的采集的基模模斑在耦合前经历的光程与第二采集模块采集的基模模斑在耦合前经历的相同的光程相同，使得两个基模模斑进过耦合模块耦合后仍为基模。

本发明提供的第一实施例中，第一采集模块为第一倒锥形波导，第一倒锥形波导窄端面与光纤中第一模斑对准，用于接收并传输第一模斑，其作用是将弥散的光场进行引导和收集，通过倒锥形波导绝热地耦合，增大能量收集范围，提高耦合的效率；第二采集模块为第二倒锥形波导，第二倒锥形波导窄端面与光纤中第二模斑对准，用于接收并传输第二模斑；第一倒锥形波导和第二倒锥形波导对称排列，使得第一模斑在第一倒锥形波导中传输后与第二模斑在第二倒锥形波导中传输后相位差仍为π，耦合模块为Y分支型波导，Y分支型波导设有第一分支波导、第二分支波导和主波导，第一分支波导一端连接主波导第一端，其另一端与第一倒锥波导宽端面连接，用于接收并传输第一模斑，第二分支波导一端连接主波导第一端，其另一端与第二倒锥波导宽端面连接，用于接收并传输第二模斑，第一分支波导和第二分支波导对称排列，使得第一模斑在第一分支波导传输后和第二模斑在第二分支波导传输后的相位仍相差π，通过模场在空间叠加实现第一模斑和第二模斑在主波导中的耦合，由主波导输出TE1模式，主波导第二端用于连接与芯片上其它功能器件相连的输出波导。另外，第一实施例中提供的水平耦合器对于基模LP01到TE0或TM0均有较高的耦合效率。本发明提供的实施例中将倒锥形波导的模场引导能力和Y分支型波导的光场叠加特性相结合，首次提出了光纤与芯片之间LP11模式的水平耦合方案，同时也保证了基模的透明耦合，二者均能达到较高的耦合效率。

本发明提供的第二实施例中，包括上包层、第一倒锥波导、第二倒锥波导和Y分支型波导，上包层，用于接收并传输光纤中LP11模式，上包层第一端对准光纤，第二端面中传输的第一模斑与第一采集模块对准，第二端面中传输的第二模斑与第二采集模块对准，采用包层对光纤中的LP11模式的传输，可以有效的保护第一倒锥形波导和第二倒锥形波导的损坏，第一倒锥波导接收上包层输出LP11模式中第一模斑，第二倒锥波导接收上包层输出LP11模式中第二模斑，第一倒锥形波导和第二倒锥形波导对称排列，使得第一模斑在第一倒锥形波导中传输后与第二模斑在第二倒锥形波导中传输后相位差仍为π，耦合模块为Y分支型波导，Y分支型波导设有第一分支波导、第二分支波导和主波导，第一分支波导一端连接主波导第一端，其另一端与第一倒锥波导宽端面连接，用于接收并传输第一模斑，第二分支波导一端连接主波导第一端，其另一端与第二倒锥波导宽端面连接，用于接收并传输第二模斑，第一分支波导和第二分支波导对称排列，使得第一模斑在第一分支波导传输后和第二模斑在第二分支波导传输后的相位仍相差π，通过模场在空间叠加实现第一模斑和第二模斑在主波导中的耦合，由主波导输出TE1模式，主波导第二端用于连接与芯片上其它功能器件相连的输出波导，实现将光纤中LP11模式转为芯片中的TE1模式。

如图1所示，为本发明提供的第三实施例，第一采集模块为第一双端波导1，双端波导包括两个对称分布倒锥形波导，一倒锥形波导的窄端面为第一端，其宽端面为第三端，另一倒锥形波导的窄端面为第二端，其宽端面为第四端，第一双端波导1的第一端与第二端均与上包层第二端面输出的LP11模式的第一模斑对准，用于接收并传输第一模斑，两个对称分布的倒锥形波导实现更好的引导和收集第一模斑。

第二采集模块为第二双端波导2，双端波导包括两个对称分布倒锥形波导，一倒锥形波导的窄端面为第一端，其宽端面为第三端，另一倒锥形波导的窄端面为第二端，其宽端面为第四端，第二双端波导2第一端与第四端均与上包层第二端面输出的LP11模式第二模斑对准，用于接收并传输第二模斑。

级联Y分支型波导包括左第一级波导3、右第一级波导4和第二级波导5，左第一级波导3、右第一级波导4和第二级波导5为Y分支型波导，Y分支型波导设有第一分支波导、第二分支波导和主波导。

左第一级波导3的第一分支波导与第一双端波导1的第三端连接，用于收集与传输第一模斑，左第一级波导3的第二分支波导与第一双端波导1的第四端连接，用于收集与传输第一模斑，左第一级波导3的主波导与第二级波导5的第一支连接，用于耦合左第一级波导3的第一分支波导传输的第一模斑和第二分支波导传输的第一模斑，输出第一模斑。

右第一级波导4第一分支波导与第二双端波导2的第三端连接用于收集与传输第二模斑，第二分支波导与第二双端波导2的第四端连接，用于收集与传输第二模斑，右第一级波导4的主波导与第二级波导5的第二支连接，用于耦合右第一级波导的第一分支波导传输的第二模斑和第二分支波导传输的第二模斑，输出第二模斑。

第二级波导5为Y分支型波导，Y分支型波导设有第一分支波导、第二分支波导和主波导，第一分支波导一端与左第一级波导3的主波导连接，另一端与第二级波导的主波导第一端连接，用于收集与传输的第二模斑，第二分支波导与右第一级波导4的主波导连接，另一端与第二级波导的主波导第一端连接，用于收集与传输的第二模斑，第二级波导5的主波导第二端用于与芯片上其它功能器件相连的输出波导，用于耦合由左第一级波导的主波导输出的第二模斑和右第一级波导的主波导输出的第二模斑，输出TE1模式，实现将光纤中LP11模式转为芯片中的TE1模式。

本发明中提供的实施例将双端倒锥形波导的模场引导能力和Y分支型波导的光场叠加特性相结合，首次提出了光纤与芯片之间高阶模式的水平耦合方案，同时也保证了基模的透明耦合，使得二者均能达到较高的耦合效率，实现光纤与芯片之间低损耗、大带宽、大容量信号传输。

图2为本发明提供的第三实施例的俯视图，第三实施例中第一采集模块、第二采集模块以及级联Y分支型波导均为在芯片上硅层进行完全刻蚀得到的条波导结构，同时为保证光场的良好限制，在芯片上沉积了一层有限宽度的二氧化硅上包层6。需要说明的是，为了使图1的耦合器结构表征更加明晰，二氧化硅上上包层在图1中被略去。

当光纤中的LP11模式通过水平耦合进入上包层后，光场转化为二氧化硅上包层中的TE1模式继续传输。为使光场更好地被限制在有限区域，对二氧化硅上包层采用深沟槽刻蚀，即在双端波导的两侧，从芯片边缘到片上的长方形区域，将二氧化硅上上包层全部刻蚀，得到有限的上包层宽度从而限制光场的横向弥散。两组双端倒锥形波导经过精确优化间距，分别对二氧化硅上包层中TE1模式两个相位相差π的模斑能量进行引导和收集，如图3(a)所示，第一模斑由双端波导采集，通过并通过左第一级波导的第一分支波导和第二分支波导耦合进入主波导中，该过程可以看作是第一级波导的主波导中模式到第一分支波导和第二分支波导中产生超模的逆过程，第二模斑由双端波导采集，通过并通过右第一级波导的第一分支波导和第二分支波导耦合进入主波导中，根据线性系统的互易性，在左第一级波导和右第一级波导的主干波导输出端仍将分别得到两相位相差π的模斑，如图3(b)所示，两模斑通过分别进入第二级波导的第一分支波导和第二分支波导，由于两模斑在对称结构中经历的光程相同，耦合进入第二级主波导过程中相位差保持恒定，最终在支持多模的主波导输出端得到片上的TE1模式，从而实现LP11模式到TE1模式的高效耦合与转化。

考虑到实际制作的工艺要求和损耗特性，本具体实施方式选择Y分支型波导的第一分支波导和第二分支波导为贝塞尔线形弯曲波导来代替传统直波导，以实现更为平滑的过渡减小传输过程中的损耗，倒锥形波导和Y分支型波导的截面为方形，以更好地支持电场沿芯片高度方向垂直振动的TM模式，Y分支型波导的第一分支波导和第二分支波导的宽度之和应小于或等于主波导的宽度，以减少模场在第一分支波导和第二分支波导中传输时可能产生的泄漏或损耗。上包层的端面宽度为12-24μm，以保证光场被较好地限制在上包层中传输，增大模场重叠积分。上包层的端面宽度小于12μm时，上包层过窄将无法对器件进行有效覆盖，可能导致部分光场外泄；上包层的端面宽度大于24μm时，上包层过宽使得对光场的限制作用减弱，重叠积分迅速减小。双倒锥形波导中两对称倒锥形波导宽截面处间隔6-11μm，以保证两臂倒锥形波导与上包层中一阶模场两模斑的有效对准，从而提高上包层中光场耦合进倒锥形波导中的效率；当超出此范围后，耦合效率将由于对准产生的偏差而迅速减小。倒锥形波导的窄端面距离芯片边缘的距离为1-3μm，实现以在现有工艺条件下提高上包层中模场耦合进倒锥形波导中的效率；小于1μm时，可能因芯片边缘深刻蚀或抛光工艺的精度误差对倒锥形耦合器的端面造成损坏，大于3μm时，光场在上包层中弥散太快，不利于倒锥形耦合器的有效引导和收集。当二氧化硅上包层的端面宽度为16μm，双端波导的窄端面与二氧化硅上包层第一端面的距离为1μm，窄端面的宽度为0.2μm，第一级波导的第一分支波导和第二分支波导的间隔为1μm，第一级波导主波导的宽度为0.8μm；第二级波导的第一分支波导和第二分支波导间隔为9μm，第二级波导的主波导的宽度为1.6μm时，水平耦合器在将光纤中的LP11模式耦合入芯片中接收模块时具有最优的耦合效率。

通过上述结构的设计，仿真得到如图4所示的器件各处波导横截面的模场分布图，其中图4(a)分别展示了上包层截面的模场分布图，图4(b)展示了左第一级波导的主波导截面的模场分布图，图4(c)展示了第二级波导的第一分支波导和第二分支波导截面的模场分布图，图4(d)第二级波导主波导截面的模场分布图，从而更加清晰地展示了模场的传输与变化过程。

最后需要说明的是，以上实施示例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。