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。端面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.现有的端面耦合器，一般是包括硅衬底、埋氧层以及二氧化硅包层，其中埋氧层位于硅衬底上，而二氧化硅包层位于埋氧层的远离硅衬底的一侧；另外，二氧化硅包层内设有硅波导。而由于波导的模斑尺寸与光纤的模斑不一定完全匹配，这就使得光纤与波导之间存在较大的模场匹配损耗，进而导致端面耦合器难以保证较高的耦合效率。另外目前普遍采用的该端面耦合器soi(绝缘层上硅，英文全称为silicon on insulator)技术兼容性差、扩展性差，难以与光电探测器以及调制器等器件集成。因而，如何提高端面耦合器的耦合效率、soi技术兼容性以及扩展性是亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种端面耦合器，以提高端面耦合器的耦合效率、soi技术兼容性以及扩展性。
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磷化铟衬底、设置在磷化铟衬底上的导波层和位于所述导波层的远离所述磷化铟衬底的一侧的条形硅波导；
6.所述导波层包括在所述磷化铟衬底的厚度方向层叠排布的多个三五族化合物单元，各所述三五族化合物单元自所述端面耦合器的第一端朝向第二端延伸，所述端面耦合器的第一端为光纤接入端，所述三五族化合物单元包括第一三五族化合物层和位于所述第一三五族化合物层上的第二三五族化合物层，所述第一三五族化合物层和第二三五族化合物层为不同的化合物层，且所述第一三五族化合物层和第二三五族化合物层的至少一部分的宽度沿远离光纤接入端的方向逐渐增大，所述第一三五族化合物层和第二三五族化合物层的宽度方向与所述磷化铟衬底的厚度方向及三五族化合物单元的延伸方向均互相垂直；
7.所述条形硅波导自所述端面耦合器的光纤接入端朝向第二端延伸，且所述条形硅波导的远离所述光纤接入端的端面面积大于靠近所述光纤接入端的端面面积。
8.在本发明一些实施例中，所述第一三五族化合物层的材料为铟镓砷磷化合物或铝镓砷化合物，所述第二三五族化合物层的材料为铟磷化合物或砷镓化合物。
9.在本发明一些实施例中，所述三五族化合物单元的数量范围为4～7。
10.在本发明一些实施例中，所述第一三五族化合物层和第二三五族化合物层的宽度自所述端面耦合器的第一端至第二端逐渐增大，所述条形硅波导的横截面面积自所述端面
耦合器的第一端至第二端逐渐增大；其中，所述条形硅波导的横截面为与所述条形硅波导的延伸方向垂直的平面。
11.在本发明一些实施例中，所述磷化铟衬底具有第一对称面，所述第一三五族化合物层与第二三五族化合物层分别相对于第一对称面呈对称设置。
12.在本发明一些实施例中，所述条形硅波导的横截面形状为矩形，且所述条形硅波导为锥形波导。
13.在本发明一些实施例中，在垂直于所述三五族化合物单元的延伸方向的任一平面上，所述三五族化合物单元的宽度尺寸小于所述磷化铟衬底的宽度尺寸，且所述三五族化合物单元的宽度尺寸大于所述条形硅波导的宽度尺寸。
14.在本发明一些实施例中，所述条形硅波导的第一端端面位于所述端面耦合器的第一端端面内侧，且所述条形硅波导的第一端端面与所述端面耦合器的第一端端面之间间隔2μm～3μm。
15.在本发明一些实施例中，所述第一三五族化合物层与第二三五族化合物层的第一端端面的宽度尺寸范围为5μm～8μm，第二端端面的宽度尺寸范围为8μm～10μm；所述第一三五族化合物层的厚度尺寸范围为40nm～60nm，所述第二三五族化合物层的厚度尺寸范围为0.45μm～0.65μm。
16.在本发明一些实施例中，所述磷化铟衬底的宽度范围为10μm～15μm，厚度范围为3μm～7μm，所述磷化铟衬底的长度范围为300μm～700μm；所述条形硅波导的第一端的宽度范围为0.1μm～0.3μm，高度范围为0.15μm～0.3μm；所述条形硅波导的第二端的宽度范围为0.8μm～1μm，高度范围为0.15μm～0.3μm。
17.本发明实施例中的端面耦合器，在三五族材料上集成条形硅波导，导波层的存在使得端面耦合器可以大面积的捕捉光场，并且将捕捉的光转移给上层的硅波导中，其耦合效率高达70％左右，因而相比于现有技术中普遍采用端面耦合器，大大提高了耦合效果；另外，由于三五族半导体材料具有很高的载流子迁移率，所以本端面耦合器具备良好的扩展性，便于在其尾端集成光电探测器、调制器等器件；并且该端面耦合器能够较好的与soi技术兼容。
18.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。
19.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
20.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：
21.图1为本发明一实施例的端面耦合器的结构示意图。
22.图2为本发明一实施例的端面耦合器的正视图。
23.图3为本发明一实施例的端面耦合器的侧视图。
24.图4为本发明一实施例的端面耦合器的俯视图。
25.图5为本发明一实施例的端面耦合器的光纤接入端端面的光场分布仿真图。
26.图6为本发明一实施例的端面耦合器的第一横截面的光场分布仿真图。
27.图7为本发明一实施例的端面耦合器的第二横截面的光场分布仿真图。
28.图8为本发明一实施例的端面耦合器的第三横截面的光场分布仿真图。
29.图9为本发明一实施例的端面耦合器的芯片接入端端面的光场分布仿真图。
30.图10为本发明一实施例的端面耦合器沿光传播方向上的光场分布仿真图。
具体实施方式
31.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。
32.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。
33.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。
34.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。
35.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。
36.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，该端面耦合器包括磷化铟(inp)衬底、导波层以及条形硅波导300。导波层设置在磷化铟衬底100上，而条形硅波导300位于导波层的远离磷化铟衬底100的一侧。换句话说，也即该端面耦合器的磷化铟衬底100、导波层以及条形硅波导300从下至上依次设置。导波层包括在磷化铟衬底100的厚度方向上层叠排布的多个三五族化合物单元，各三五族化合物单元自所述端面耦合器的第一端朝向第二端延伸。磷化铟衬底100的厚度方向是指图2、图3和图4中所示的端面耦合器的竖直方向；其中，端面耦合器的第一端是指光纤接入端，即图2中所示的端面耦合器的左端；而端面耦合器的第二端可看作为芯片波导接入端，也即图2所示的端面耦合器的右端。该端面耦合器用于将光纤内的光耦合至芯片波导中。
37.各三五族化合物单元包括第一三五族化合物层211和位于第一三五族化合物层211上的第二三五族化合物层212，其中第一三五族化合物层211和第二三五族化合物层212为不同的化合物层，且所述第一三五族化合物层211和第二三五族化合物层212的至少一部分的宽度沿远离光纤接入端的方向逐渐增大；第一三五族化合物层211和第二三五族化合物层212的宽度方向是指图3中的横向方向，具体的，第一三五族化合物层211和第二三五族
化合物层212的宽度方向与所述磷化铟衬底100的厚度方向及三五族化合物单元的延伸方向均互相垂直，三五族化合物单元的延伸方向为端面耦合器在图1中的横向方向。
38.条形硅波导300位于三五族化合物单元的上方，其与三五族化合物单元类似的，也自端面耦合器的光纤接入端朝向端面耦合器的第二端延伸。另外，为了保证光模场平稳的传输以及防止减轻耦合过程中的模场泄露，条形硅波导300远离所述光纤接入端的端面面积大于靠近所述光纤接入端的端面面积，也即，条形硅波导300的右端的端面面积大于其左端的端面面积。
39.该端面耦合器在三五族化合物单元上集成条形硅波导300，导波层的存在使得端面耦合器可以大面积的捕捉光场，并且将捕捉的光转移给位于三五族化合物单元上方的条形硅波导300中，通过仿真实验发现，该结构的端面耦合器的耦合效率可达到70％～80％，因而其相比于目前普遍采用的端面耦合器，极大的提高了耦合效率。另外，由于三五族半导体材料具有很高的载流子迁移率，所以该端面耦合器具备良好的扩展性，并可在其尾端集成光电探测器、调制器等器件。
40.示例性的，各三五族化合物单元中的第一三五族化合物层211的材料为铟镓砷磷(ingaasp)化合物，第二三五族化合物层212的材料为铟磷(inp)化合物。在该端面耦合器中，多个第一三五族化合物层211和多个第二三五族化合物层212交叉沉积，形成导波层。另，当第一三五族化合物层211的材料为铟镓砷磷化合物，而第二三五族化合物层212的材料为铟磷化合物时，导波层的最下方的三五族化合物单元的第一三五族化合物层211位于磷化铟衬底100的上方，而第二三五族化合物层212位于第一三五族化合物层211的上方；此设置的目的是为了通过铟镓砷磷化合物将铟磷化合物材料的第二三五族化合物层212与磷化铟衬底100分隔开。对于该端面耦合器，铟镓砷磷化合物的折射率约为3.32，而铟磷化合物的折射率约为3.17；位于导波层上方的条形硅波导的折射率为3.48。在光的传输过程中，低折射率材料内的光能量会向高折射率的材料传播，因而随着远离光纤接入段距离的增大，导波层内的光能量会逐步被转移到端面耦合器最上层的条形硅波导内。
41.应当理解的是，该实施例中所列举的各三五族化合物层的材料仅是多种实施例中的一种，例如，对于该端面耦合器中的各三五族化合物单元，其第一三五族化合物层211的材料可为铝镓砷(algaas)化合物，而对应的第二三五族化合物层212的材料可为砷镓(gaas)化合物。对于该端面耦合器，通过多个三五族化合物单元进行层叠排布而形成的导波层，即实现与光纤的对接，也进一步的将接收到光能量传输至位于导波层上方的条形硅波导300中；进一步的条形硅波导300将导波层传输的光吸收并耦合至输出端，以此即完成了光纤与芯片波导之间的光传输过程。
42.另外，对于具有多组三五族化合物单元的导波层，其相邻的两个三五族化合物单元中的第一三五族化合物层211的材料可相同也可不同。例如，在第一三五族化合物单元和第二三五族化合物单元中，第一三五族化合物单元的第一三五族化合物层211的材料可为铟镓砷磷化合物，而第二三五族化合物单元的第一三五族化合物层211的材料可为铝镓砷化合物；相对应的，第一三五族化合物单元的第二三五族化合物层212的材料可为铟磷化合物，而第二三五族化合物单元的第二三五族化合物层212的材料则可为砷镓化合物。
43.在本发明一实施例中，三五族化合物单元的数量范围为4至7。且各三五族化合物单元中的第一三五族化合物层211的材料可以均相同或均不同，类似的，各三五族化合物单
元中的第二三五族化合物层212的材料也可均相同或均不同。对于导波层中的三五族化合物单元的具体数量可根据实际应用场景进行相应设置，如图1所示，在该端面耦合器中，导波层的三五族化合物单元的具体数量可设为五个，该五个三五族化合物单元自磷化铟衬底100从下至上层叠排布；其中，将三五族化合物单元的具体数量设为五是诸多实施方式中的其中一种，其具体数量还可为四个、六个等。另外应当注意的是，为了确保载流子的迁移性，相邻的两个三五族化合物层的材料应不同。
44.进一步的，第一三五族化合物层211和第二三五族化合物层212的宽度自端面耦合器的第一端至第二端逐渐增大，也即第一三五族化合物层211以及第二三五族化合物层212各自的宽度沿延伸方向逐渐增大。具体的，在端面耦合器的各个横截面上，第一三五族化合物层211的宽度与第二三五族化合物层212的宽度可相等，此时也即各三五族化合物单元中的第一三五族化合物层211与第二三五族化合物层212的形状一致；其中，端面耦合器的横截面是指垂直于三五族化合物单元的延伸方向的平面。类似的，条形硅波导300的横截面面积自所述端面耦合器的第一端至第二端逐渐增大，也即该条形硅波导300的各横截面面积沿延伸方向逐渐增大，类似的，条形硅波导300的横截面也为与条形硅波导300的延伸方向垂直的平面。
45.在上述实施例中，第一三五族化合物层211和第二三五族化合物层212的整体形状可为梯形或楔形，而条形硅波导300的整体形状也可为梯形及楔形；对于上述的第一三五族化合物层211、第二三五族化合物层212以及条形硅波导300的形状是指俯视方向上的形状，如图4中的俯视图所示。另外，第一三五族化合物层211、第二三五族化合物层212以及条形硅波导300的宽度除了自端面耦合器的第一端开始逐渐增大之外，也可自端面耦合器的中部横截面开始逐渐增大；示例性的，端面耦合器的第一三五族化合物层211、第二三五族化合物层212以及条形硅波导300均包括两部分，即矩形段及梯形段。其中矩形段示例性的位于端面耦合器的第一端与中部横截面之间，该段内的第一三五族化合物层211、第二三五族化合物层212以及条形硅波导300在俯视方向上的视图均为矩形；而梯形段位于中部横截面与端面耦合器的第二端之间，该段内的第一三五族化合物层211、第二三五族化合物层212以及条形硅波导300在俯视方向上的视图均为梯形，且该段内的第一三五族化合物层211、第二三五族化合物层212以及条形硅波导300的宽度自中部横截面至端面耦合器的第二端逐渐增大。
46.进一步的，磷化铟衬底100具有第一对称面。示例性的，磷化铟衬底100的整体结构呈长方体形状，如图4所示，该磷化铟衬底100在俯视方向上的投影视图为矩形，此时第一对称面则为该磷化铟衬底100的中心对称面。其中，第一三五族化合物层211与第二三五族化合物层212分别相对于第一对称面呈对称设置，第一对称面为平行与第一三五族化合物层211或第二三五族化合物层212延伸方向的平面。另，当磷化铟衬底100的结构形状为长方体时，此时在磷化铟衬底100的宽度方向上，第一三五族化合物层211或第二三五族化合物层212均位于磷化铟衬底100的中间部位。类似的，条形硅波导300也可相对于磷化铟衬底100的第一对称面呈对称设置，且在磷化铟衬底100的宽度方向上，该条形硅波导300同样的位于该磷化铟衬底100的中间部位。另外，条形硅波导300的横截面形状示例性的为矩形，且条形硅波导300为锥形波导。条形硅波导300的横截面是指与条形硅波导300的延伸方向垂直的平面。
47.在本发明一实施例中，在垂直于所述三五族化合物单元的延伸方向的任一平面上，所述三五族化合物单元的宽度尺寸小于所述磷化铟衬底100的宽度尺寸，且所述三五族化合物单元的宽度尺寸大于所述条形硅波导300的宽度尺寸。从图4中的端面耦合器的俯视图中可以看出，各三五族化合物单元在俯视方向上的投影形状一致，且各三五族化合物单元的前侧面距磷化铟衬底100的前侧面之间间隔一定距离，各三五族化合物单元的后侧面距磷化铟衬底100的后侧面之间间隔一定距离，换句话说，磷化铟衬底100的宽度尺寸大于三五族化合物单元的宽度尺寸。
48.另，从图4中的端面耦合器的俯视图中还可以看出，条形硅波导300的形状与三五族化合物单元的形状相似，且条形硅波导300的前侧面距三五族化合物单元的前侧面之间间隔一定距离，条形硅波导300的后侧面距三五族化合物单元的后侧面之间也间隔一定距离，也即三五族化合物单元的宽度尺寸大于条形硅波导300的宽度尺寸。
49.为了使光纤内的模场与端面耦合器输入端的光场更好的匹配，端面耦合器的第一端端面与条形硅波导300的第一端端面之间还预留有间距，也即条形硅波导300的第一端端面位于端面耦合器的第一端端面内侧。具体的，对于条形硅波导300的第一端端面与端面耦合器的第一端端面之间的间距，具体数值可为2μm～3μm，示例性的如2μm、2.5μm或3μm等；并且另外，在条形硅波导300的第一端与端面耦合器的第一端之间设置间距，进一步的还起到了保护条形硅波导300的作用。
50.在本发明另一实施例中，该端面耦合器的各三五族化合物单元结构尺寸均相同，且各三五族化合物单元内的第一三五族化合物层211与第二三五族化合物层212的结构形状也均一致。第一三五族化合物层211与第二三五族化合物层212的第一端端面的宽度尺寸范围可为5μm～8μm，第二端端面的宽度尺寸范围可为8μm～10μm，而第一三五族化合物层211的厚度尺寸范围可为40nm～60nm，第二三五族化合物层212的厚度尺寸范围可为0.45μm～0.65μm。磷化铟衬底100的宽度范围可为10μm～15μm，厚度范围可为3μm～7μm，且磷化铟衬底100的长度范围为300μm～700μm；在该端面耦合器中，导波层的长度与磷化铟衬底100的长度相同，则导波层的长度范围也可为300μm～700μm；对于条形硅波导300，当其第一端端面与端面耦合器的第一端端面之间预留一定间距的情况下，该条形硅波导300的长度略小于磷化铟衬底100的长度。另外，条形硅波导300的第一端的宽度范围为0.1μm～0.3μm，高度范围为0.15μm～0.3μm；条形硅波导300的第二端的宽度范围为0.8μm～1μm，高度范围为0.15μm～0.3μm。
51.示例性的，该端面耦合器的磷化铟衬底100为长方体状，其长度为400μm，宽度为12μm，厚度为5μm。导波层的三五族化合物单元的数量为五，该五个三五族化合物单元在磷化铟衬底100的厚度方向上周期性的层叠排布。各三五族化合物单元的第一三五族化合物层211的厚度为50nm，而第二三五族化合物层212的厚度为0.55μm。各三五族化合物单元的第一端宽度为6μm，第二端宽度为9μm，长度为400μm；其中，第一端是指光纤接入端，而第二端是指芯片波导接入端。位于最上层的条形硅波导300的第一端端面宽度0.2μm，厚度为0.22μm；第二端端面宽度为0.9μm，厚度为0.22μm。
52.本发明实施例所公开的端面耦合器，在三五族材料上集成了硅波导，其导波层首端(第一端)面积较大，可以较好的与光纤进行对准，且对准公差较大，可以大面积的捕获光场；另外，该端面耦合器扩展性较好，这是由于三五族材料的载流子迁移率高；因而可以在
该端面耦合器结构尾部集成探测器，调制器，从而提高器件的集成度。并且在三五族材料上集成硅波导，可以较好的与soi技术兼容；另外在光的传输过程中，通过调控导波层内的三五族化合物单元的折射率使得光能量转移到条形硅波导300内，从而使条形硅波导300较佳的限制光场在其内部传输。在该端面耦合器的仿真试验过程中，将单模光纤作为该端面耦合器的输入光源，经模场重叠积分计算方式得出，该端面耦合器与单模光纤的重叠效率可达到70％左右，且在实验过程中测得光纤模场与端面耦合器的模场匹配效率为70％左右。
53.为了进一步的展示光在端面耦合器内传输过程，图5至图10示出了该端面耦合器的各个方向上的光场分布仿真图。图5为端面耦合器的光纤接入端端面的光场分布仿真图，图6为端面耦合器的第一横截面的光场分布仿真图，图7和图8分别为端面耦合器的第二横截面和第三横截面的光场分布仿真图。其中，第一横截面、第二横截面和第三横截面从左至右间隔设置，另外，图9为端面耦合器的芯片接入端端面的光场分布仿真图，图10为端面耦合器沿光传播方向上的光场分布仿真图。从图5至图10可以看出，随着距离光纤接入段距离的增大，导波层内的光能量被逐步的传输至条形硅波导300中。
54.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。
55.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。