光器件、光发送机和光接收机的制作方法

本文讨论的实施方式涉及光器件、光发送机和光接收机。

背景技术：

1、近年来，随着通信容量的增加，对光纤通信的需求增加，因此使用将电信号转换成光信号的小尺寸光器件。因此，近年来，积极地研究对以硅光子为代表的超小型基板型光波导元件(以下简称为光器件)的开发。在光器件中，使用其中由不同材料制成的两个或更多个波导可以集成地安装在同一芯片上的边缘耦合器。

2、构成光器件的光组件根据例如材料折射率而各自具有不同的特性，从而可以通过针对每个光组件使用由适当材料制成的波导来改善光器件的特性。因此，通过使用由不同材料制成的波导构成的光器件具有其中光在不同波导之间绝热地和光学地转移的结构。

3、图22是示出根据传统例1的光器件100的一个示例的图。图22所示的光器件100是与光纤的芯部光学地联接的基板型光波导元件。光器件100包括包层111和第一波导102，包层111由sio2等制成，并且第一波导102由包层111覆盖并且例如由si3n4(以下简称为氮化硅(sin))等制成。光器件100包括第二波导104和绝热转换单元105，第二波导104由包层111覆盖并且例如由si等制成，在绝热转换单元105中，光在第一波导102和第二波导104之间绝热地和光学地转移。

4、第一波导102包括第一锥形波导102a和与第一锥形波导102a连接的第二锥形波导102b。第一锥形波导102a具有这样的结构，其中随着第一锥形波导102a远离与第二锥形波导102b的接合点，波导宽度向作为第一锥形波导102a的起点的芯片端面d11逐渐变窄。第二锥形波导102b具有这样的结构，其中随着第二锥形波导102b远离与第一锥形波导102a的接合点，波导宽度逐渐变窄。

5、第二波导104包括布置在第二锥形波导102b下方的第三锥形波导104a，以及与第三锥形波导104a连接的直线波导104b。第三锥形波导104a具有这样的结构，其中随着第三锥形波导104a更靠近与直线波导104b的接合点，波导宽度在第二锥形波导102b下方位置处从第二锥形波导102b的起点逐渐变宽。直线波导104b是波导宽度从与第三锥形波导104a的接合点到芯片端面d12恒定的直线波导。

6、图23a是示出沿图22所示的线a-a截取的示意性截面部分的一个示例的图。图23a所示的光器件100包括si基板112和层叠在si基板112上的包层111。图23a所示的沿线a-a截取的示意性截面部分是光器件100的其中布置有第一锥形波导102a的截面部分。此外，光器件100包括在靠近si基板112的一侧形成在si基板112上的第一组件层121a，以及在远离si基板112的一侧形成在si基板112上的第二组件层121b。在第二组件层121b中，布置有第一波导102中所包括的第一锥形波导102a。

7、图23b是示出沿图22所示的线b-b截取的示意性截面部分的一个示例的图。图23b所示的光器件100包括si基板112、包层111、第一组件层121a和第二组件层121b。图23b所示的沿线b-b截取的示意性截面部分是光器件100的其中布置有绝热转换单元105的起点的截面部分。在第一组件层121a中，布置有第二波导104中所包括的第三锥形波导104a。在第二组件层121b中，布置有第一波导102中所包括的第一锥形波导102a和第二锥形波导102b之间的接合点。

8、图23c是示出沿图22所示的线c-c截取的示意性截面部分的一个示例的图。图23c所示的光器件100包括si基板112、包层111、第一组件层121a和第二组件层121b。图23c所示的沿线c-c截取的示意性截面部分是光器件100的其中布置有直线波导104b的截面部分。在第一组件层121a中，布置有第二波导104中所包括的直线波导104b。

9、在图22所示的光器件100中所包括的绝热转换单元105中，第二波导104的波导宽度以锥形方式变化。第一波导102的折射率低于第二波导104的折射率，从而可以增加光的模场，并且因此可以降低与光纤的联接损耗。

10、然而，在图22所示的光器件100中，第二波导104的模场小于光纤的模场，从而发生由模场的失配引起的联接损耗。因此，根据传统例2的减少与光纤的联接损耗的光器件100a是已知的。

11、图24是示出根据传统例2的光器件100a的一个示例的图。图24中所示的光器件100a是与光纤的芯部光学地联接的基板型光波导元件。光器件100a包括第一波导152、第二波导154以及覆盖第一波导152和第二波导154的包层161。此外，光器件100a包括允许光在第一波导152和第二波导154之间光学地转移的绝热转换单元155a，以及两个第三波导153。第一波导152例如由si3n4(以下简称为sin)制成，并且在光波长为1.55μm的情况下，sin的材料折射率为1.99。第二波导154例如由si制成，并且在光波长为1.55μm的情况下，si的材料折射率为3.48。包层161例如由sio2制成，并且在光波长为1.55μm的情况下，sio2的材料折射率为1.44。

12、第一波导152包括三个第一直线波导152a1、152a2和152a3，以及与三个第一直线波导152a1、152a2和152a3连接的第二锥形波导152b。第一直线波导152a1、152a2和152a3中的每一个是波导宽度从与起点x11相对应的芯片端面d11到接合点x12恒定的波导。第二锥形波导152b是具有其中波导宽度从第一直线波导152a1、152a2和152a3中的每一个的接合点x12向终点x13逐渐变窄的锥形结构的波导。作为第二锥形波导152b的起点的接合点x12的波导宽度宽于第二锥形波导152b的终点x13的波导宽度。假设第一直线波导152a1、152a2和152a3中的每一个的厚度与第二锥形波导152b的芯部的厚度相同。假设第一波导152的起点x11从光器件100a的与光纤的芯部光学地联接的芯片端面d11开始。

13、第三波导153包括两个第四锥形波导153a1和153a2。第四锥形波导153a1和153a2中的每一个具有其中波导宽度从作为起点的芯片端面d11开始向第二锥形波导152b逐渐变窄的结构。第四锥形波导153a1布置在第一直线波导152a3上，而第四锥形波导153a2布置在第一直线波导152a3下方。

14、第二波导154包括第三锥形波导154a和与第三锥形波导154a连接的直线波导154b。第三锥形波导154a是具有其中波导宽度从起点y11向与直线波导154b的接合点y12逐渐变宽的锥形结构的波导。直线波导154b是其中波导宽度从第三锥形波导154a向芯片端面d12恒定的波导。直线波导154b的芯部的厚度被设置为与第三锥形波导154a的芯部的厚度相同。

15、绝热转换单元155a被构造成使得第三锥形波导154a以交叠的方式布置在第二锥形波导152b下方，并且在垂直方向上在第二锥形波导152b和第三锥形波导154a之间具有间隔。此外，第二锥形波导152b和第三锥形波导154a之间的间隔被设置为恒定。

16、图25a是示出沿图24所示的线a-a截取的示意性截面部分的一个示例的图。图25a所示的沿线a-a截取的示意性截面部分是光器件100a的其中布置有第一波导152中所包括的三个第一直线波导152a1、152a2和152a3的截面部分。光器件100a包括si基板162、层叠在si基板162上的包层161、第一组件层181a、第二组件层181b和第三组件层181c。

17、第一组件层181a是布置在第二组件层181b和第三组件层181c之间的组件层。第三组件层181c是布置在si基板162和第一组件层181a之间的组件层。

18、在第一组件层181a中，布置有第一波导152中所包括的三个第一直线波导152a1、152a2和152a3中的每一个。在第二组件层181b中，布置有第三波导153中所包括的第四锥形波导153a1。在第三组件层181c中，布置有第三波导153中所包括的第四锥形波导153a2。

19、图25b是示出沿图24所示的线b-b截取的示意性截面部分的一个示例的图。图25b所示的沿线b-b截取的示意性截面部分是光器件100a的其中布置有绝热转换单元155a的截面部分。光器件100a包括si基板162、包层161、第一组件层181a、第二组件层181b和第三组件层181c。

20、在第一组件层181a中，布置有第一波导152中所包括的第二锥形波导152b。在第三组件层181c中，布置有第二波导154中所包括的第三锥形波导154a。

21、图25c是示出沿图24所示的线c-c截取的示意性截面部分的一个示例的图。图25c所示的沿c-c截取的示意性截面部分是光器件100a的其中布置有第二波导154中所包括的直线波导154b的截面部分。光器件100a包括si基板162、包层161、第一组件层181a、第二组件层181b和第三组件层181c。在第三组件层181c中，布置有第二波导154中所包括的直线波导154b。

22、假设该结构被构造成使得在绝热转换单元155a的起点处，第二锥形波导152b的波导宽度较宽而第三锥形波导154a的波导宽度较窄，并且在终点处，第二锥形波导152b的波导宽度较窄而第三锥形波导154a的波导宽度较宽。换句话说，该结构被构造成使得第二锥形波导152b的波导宽度从起点到终点逐渐变窄，并且第三锥形波导154a的波导宽度从起点向终点逐渐变宽。通常，波导的波导宽度越宽，光相对于芯部的限制越强，使得有效折射率由于芯部的材料折射率的影响而增加。

23、在光器件100a中，第一波导152中所包括的三个第一直线波导152a1、152a2和152a3布置在第一组件层181a中，并且第三波导153中所包括的第四锥形波导153a1布置在第二组件层181b中。此外，在光器件100a中，第三波导153中所包括的第四锥形波导153a2布置在第三组件层181c中。结果，与传统使用的光器件100a相比，通过使第一波导152的模场更接近光纤的模场，可以抑制与光纤的联接损耗。

24、第四锥形波导153a1和第四锥形波导153a2以锥形方式变窄，从而允许光转移到第一组件层181a中的第一波导152中所包括的第一直线波导152a3。此外，将相应的第一组件层181a中所包括的三个分开的部分组合成与第二锥形波导152b相对应的一个部分，然后，允许光绝热地和光学地转移到第三锥形波导154a。

25、专利文献1：美国公开no.2018/0067259

26、专利文献2：美国公开no.2019/0369333

27、专利文献3：美国公开no.2017/0371102

28、在光器件100a中，第四锥形波导153a1的末端、第四锥形波导153a2的末端、三个第一直线波导152a1、152a2和152a3的末端连接到绝热转换单元155a中所包括的第二锥形波导152b。然而，与连接的绝热转换单元155a中所包括的第二锥形波导152b的接合部分对应于不连续部分，使得光的模场急剧变化。结果，在到绝热转换单元105的部分中出现光的辐射损耗和反射损耗。

29、因此，本发明的实施方式的一个方面的目的是提供一种光器件等，其能够抑制到绝热转换单元的部分中的辐射损耗和反射损耗，同时降低在芯片端面处与光纤的联接损耗。

技术实现思路

1、根据实施方式的一个方面，一种光器件包括：第一组件层，其在靠近基板的一侧形成在基板上；以及第二组件层，其在远离基板的一侧形成在基板上。该光器件包括：两个第一波导，其以并排方式布置在第一组件层中；两个第二波导，其以并排方式布置在第二组件层中；以及单个第三波导，其布置在第一波导之间和第二波导之间。第一波导中的每一个包括：第一锥形波导；以及第二锥形波导，其连接到第一锥形波导。第三波导包括：第三锥形波导，其与第二锥形波导并行设置；以及第四波导，其在远离第一锥形波导中的每一个的一侧连接到第三锥形波导。第一锥形波导中的每一个具有其中随着第一锥形波导远离与相关联的第二锥形波导的接合点，波导宽度向第一锥形波导的起点逐渐变窄的结构。第二锥形波导中的每一个具有其中随着第二锥形波导远离与相关联的第一锥形波导的接合点，波导宽度逐渐变窄的结构。第三锥形波导具有其中随着第三锥形波导更靠近与第四波导的接合点，波导宽度逐渐变宽的结构。