一种基于双尖端锥形耦合结构的端面耦合器及其制作方法与流程

本发明属于硅光芯片，涉及一种基于双尖端锥形耦合结构的端面耦合器。

背景技术：

1、近年来，采用互补金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor，cmos)兼容制造技术的纳米光子器件已成为下一代高速大容量通信和计算应用的选择。绝缘体上硅(silicon-on-insulator，soi)是用于单片集成光学和电气设备的重要平台，很大程度受益于微电子行业可用的大批量制造技术。soi中硅和二氧化硅之间的高折射率对比允许实现具有亚微米波导尺寸的高度紧凑的集成光学器件。然而，由于光纤与硅波导之间存在较大的模式不匹配，光纤到芯片的耦合一直是硅光子技术中面临的难题之一。

2、由于硅和二氧化硅或者空气具有很大的折射率差，硅基光波导具有很强的限制光场的能力，硅基光波导的尺寸可以制作成非常小的尺寸，其截面尺寸通常小于0.5μm，而普通的单模光纤的芯径尺寸约为8μm～10μm，两者之间尺寸相差很大，造成了严重的模场失配，从而导致很大的耦合损耗。

3、目前应用广泛的光纤-芯片耦合的器件包括光栅耦合器(grating coupler)和端面耦合器(edge coupler)，光栅耦合器的主要优点在于其位置比较灵活，可位于芯片中的任意位置，因而可用于晶圆级的在线测试，另外其耦合的对准容差较大，便于封装。但是其耦合效率不太高，并且带宽较小(1db带宽约30nm～40nm)，且偏振敏感，因此。虽然光栅耦合器已广泛用于具有较大容差的垂直耦合方案，但其固有的带宽缺陷和偏振依赖性限制了它在很多地方的应用。相比之下，基于模斑尺寸转换器的端面耦合器在更大带宽上还能实现更高的耦合效率而受到欢迎。

4、请参阅图1，传统的基于单尖端反锥形耦合结构的端面耦合器的波导主体由耦合接口边缘的尖端波导101和总线波导102的两个部分组成。可通过适当的减小尖端波导101的尺寸，大大增加以匹配光纤的模式尺寸。然而对于这种模板尺寸转换器的端面耦合，其耦合效率对波导尖端的宽度w0很敏感，且很难同时在大的带宽上保持较低的偏振相关损耗和高耦合效率。

5、因此，如何提供一种基于双尖端锥形耦合结构的端面耦合器，以实现解决损耗问题，增大器件带宽以及解决偏振依赖性问题，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

6、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于双尖端锥形耦合结构的端面耦合器，用于解决现有技术中端面耦合器对波导尖端很敏感，并且很难同时在大的带宽水平保持较低的偏振相关损耗和高耦合效率的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于双尖端锥形耦合结构的端面耦合器，包括：

3、衬底，包括埋氧层；

4、波导层，位于所述埋氧层上方，所述波导层包括在第一方向上依次且间隔排列的第一波导组、第二波导组及第三波导组，所述第一波导组往第二方向延伸并包括在第二方向上依次连接的第一波导及第二波导，所述第二波导组往第二方向延伸并包括在第二方向上依次连接的第三波导及第四波导，所述第三波导组往第二方向延伸并包括在第二方向上依次连接的第五波导及第六波导，其中，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第二波导组的输入端与所述第一波导组的输入端在第二方向上错开预设距离，所述第二波导组的输入端与所述第三波导组的输入端在第二方向上错开预设距离，所述第一波导、所述第二波导、所述第三波导、所述第五波导及所述第六波导均为锥形波导，所述第四波导为直波导，所述第一波导、所述第三波导及所述第五波导在第一方向上的宽度在第二方向上逐渐增大，所述第二波导及所述第六波导在第一方向上的宽度在第二方向上逐渐减小；

5、包层，位于所述埋氧层上方，所述包层覆盖所述波导层。

6、可选地，所述第一波导在第二方向上的轴线与所述第二波导在第二方向上的轴线位于一条直线上；所述第三波导在第二方向上的轴线与所述第四波导在第二方向上的轴线位于一条直线上；所述第五波导在第二方向上的轴线与所述第六波导在第二方向上的轴线位于一条直线上。

7、可选地，所述第一波导与所述第二波导的交界面、所述第三波导的输入端、所述第五波导与所述第六波导的交界面位于一条直线上。

8、可选地，所述第一波导的输入端、所述第二波导的输出端、所述第五波导的输入端及所述第六波导的输出端的宽度相等，所述第一波导的输出端、所述第二波导的输入端、所述第五波导的输出端及所述第六波导的输入端的宽度相等，所述第一波导、所述第二波导、所述第五波导及所述第六波导的长度相等。

9、可选地，所述第一波导的输入端的宽度范围是180nm～220nm，所述第一波导的输出端的宽度范围是420nm～480nm，所述第一波导的长度范围是120μm～180μm；所述第二波导的输出端的宽度范围是180nm～220nm，所述第二波导的输入端宽度范围是420nm～480nm，所述第二波导的长度范围是120μm～180μm；所述第五波导的输入端的宽度范围是180nm～220nm，所述第五波导的输出端的宽度范围是420nm～480nm，所述第五波导的长度范围是120μm～180μm；所述第六波导的输出端的宽度范围是180nm～220nm，所述第六波导的输入端的宽度范围是420nm～480nm，所述第六波导的长度范围是120μm～180μm。

10、可选地，所述第三波导的输出端的宽度与所述第四波导的输入端的宽度相等。

11、可选地，所述第三波导的输入端的宽度范围是180nm～220nm，所述第三波导的输出端的宽度范围是1μm～1.5μm，所述第三波导的长度范围是120μm～180μm；所述第四波导的输入端的宽度范围是1μm～1.5μm，所述第四波导的长度范围是30μm～80μm。

12、可选地，所述第一波导的输入端与所述第五波导的输入端在第一方向上位于同一条直线上，所述第一波导的输入端与所述第五波导的输入端之间的距离范围是1.8μm～2.2μm。

13、可选地，所述波导层的高度范围是1μm～1.5μm。

14、本发明还提供一种基于双尖端锥形耦合结构的端面耦合器的制作方法，包括以下步骤：

15、提供一衬底，所述衬底包括埋氧层；

16、形成波导层位于所述埋氧层上方，所述波导层包括在第一方向上依次且间隔排列的第一波导组、第二波导组及第三波导组，所述第一波导组往第二方向延伸并包括在第二方向上依次连接的第一波导及第二波导，所述第二波导组往第二方向延伸并包括在第二方向上依次连接的第三波导及第四波导，所述第三波导组往第二方向延伸并包括在第二方向上依次连接的第五波导及第六波导，其中，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第二波导组的输入端与所述第一波导组的输入端在第二方向上错开预设距离，所述第二波导组的输入端与所述第三波导组的输入端在第二方向上错开预设距离，所述第一波导、所述第二波导、所述第三波导、所述第五波导及所述第六波导均为锥形波导，所述第四波导为直波导，所述第一波导、所述第三波导及所述第五波导在第一方向上的宽度在第二方向上逐渐增大，所述第二波导及所述第六波导在第一方向上的宽度在第二方向上逐渐减小；

17、形成包层于所述埋氧层上，所述包层覆盖所述波导层。

18、如上所述，本发明的基于双尖端锥形耦合结构的端面耦合器，通过五个锥形波导及一个直波导构建波导主体结构，来自输入端的单模光纤经过端面耦合器的耦合、传输并输出，在整个信号传输过程中，对端面耦合器的波导尖端宽度要求略宽松，能够在解决偏振依赖性的基础上，降低器件的插入损耗，提高器件的耦合效率，并且端面耦合器的整体尺寸较小，可应用于各种使用场合。