阅读说明：本技术 一种边缘耦合器 (Edge coupler ) 是由 郑俊守 周奇 黄小伟 王宗旺 夏晓亮 于 2021-01-22 设计创作，主要内容包括：本发明设计一款边缘耦合器,可以直接与激光器耦合,也可以迁移应用到各种需要模斑变换的光路耦合场景。该边缘耦合器在垂直方向上设计了两层波导阵列结构,在波导阵列光输出端设计聚光波导结构,该聚光波导将两层波导阵列结构的光聚合,并输出耦合后的光束。该聚光波导可以通过光刻工艺直接与两层波导阵列物理连接,可以利用古斯-汉欣线移原理耦接。当聚光波导采用古斯-汉欣线移原理耦接光路时,将聚光波导设计在两层波导阵列结构之间,其光输入端与波导阵列光输出端部分重叠且具有间隙。采用本发明设计的边缘耦合器,将能实现光路的直接耦合,省掉了模斑转换透镜,使封装工艺更简单,封装尺寸更小。(The invention designs an edge coupler which can be directly coupled with a laser and can also be transferred and applied to various light path coupling scenes needing spot size conversion. The edge coupler is provided with a two-layer waveguide array structure in the vertical direction, a light-gathering waveguide structure is arranged at the light output end of the waveguide array, and the light-gathering waveguide is used for photopolymerizing the two-layer waveguide array structure and outputting coupled light beams. The condensing waveguide can be directly physically connected with the two layers of waveguide arrays through a photoetching process, and can be coupled by utilizing the goos-Hanchen line shift principle. When the light-gathering waveguide is coupled with the light path by adopting the goos-Hanchen line shift principle, the light-gathering waveguide is designed between the two layers of waveguide array structures, and the light input end of the light-gathering waveguide is partially overlapped with the light output end of the waveguide array structure and has a gap. The edge coupler designed by the invention can realize direct coupling of the light path, and omits a spot-size conversion lens, so that the packaging process is simpler, and the packaging size is smaller.)

一种边缘耦合器

技术领域

本发明涉及光耦合半导体器件，具体涉及一种用于耦合激光器或光纤光束的边缘耦合器。

背景技术

随着信息技术的发展，高度集成化小型化逐步成为各类半导体器件发展的主流方向。光通信领域，由于光束耦合的特殊需求，光器件封装工艺复杂、组件繁多，封装尺寸较大，减小光器件对光模块尺寸优化具有重要意义。

目前业内光电芯片与激光器、光纤之间的耦合大多采用多透镜方案，例如激光器出光端，采用透镜先将激光器的出射光（发射高斯光束）准直、聚焦到光波导，过程中会使用两组透镜阵列，增加了激光器耦合的工艺复杂度，同时增大了封装后半导体器件的尺寸。

公司已开发了平面多波导阵列边缘耦合器，用于匹配激光器或光纤的大光模斑尺寸，在光束传播慢轴方向的耦合效率得到了一定改善。但是，在激光器出光端口，其快轴方向的偏移角度较慢轴方向更大，现有的平面多波导阵列设置于慢轴平面，无法将边缘耦合器的模斑尺寸与光束快轴方向的偏移角度匹配，快轴方向的光泄露，严重制约了耦合效率的提高。

发明内容

本发明提供一种边缘耦合器，在能够直接与激光器或光纤直接耦合的基础上，进一步改善光束快轴方向的光耦合效率。

半导体激光器的有源层出光截面形状为一个狭长的矩形，厚度异常小，宽度远远大于其厚度，从而导致其光束远场呈现椭圆形分布。光束的远场发散角是用于衡量激光器光束发散程度的物理量，远场发散角度越大，其发散程度越大。如图1所示，快轴方向由于较薄的有源层的影响，产生较强的衍射作用，经简化分析后，其发散角度较大，一般在25°～40°。激光器慢轴方向上的有源层宽度较大，衍射作用较小，因此出射光束的发射角较小，一般为8°～10°。

边缘耦合器在慢轴方向上设置波导阵列，其光模斑尺寸经设计可以很好地匹配激光器光束模斑慢轴方向的尺寸，在快轴方向同样可以设置波导阵列，从而实现激光器快轴方向的模斑尺寸匹配。设计边缘耦合器波导结构时，主要考虑其快轴与慢轴方向的光束模斑综合尺寸匹配，以及快轴方向波导阵列中每个波导的光束聚合方案。

本发明提出了一种边缘耦合器，其光输入端波导在快轴方向设置两层条形波导阵列，波导阵列被外部包覆层限制其中，并在条形波导阵列的光输出端设置一聚光波导，该波导用于将两层条形波导阵列中的所有条形波导传输的光聚集，和/或实现聚集后光模斑转换，并将集束后的光输出。

由于目前加工工艺的限制，边缘耦合器的集束结构设计方案必须一并考虑波导的材质。目前多数的光波导均采用绝缘体上硅（SOI）制造，但是由于商用的绝缘体上硅晶圆上硅层的厚度以及硅的加工工艺限制，为了简化加工工艺及工业应用推广，考虑较为简单的集束方案。本发明将聚光波导设计为薄片形，聚光波导上下表面均与条形波导阵列上下表面平行设置，聚光波导光输入端的一部分置于上层条形波导阵列之下、下层条形波导阵列之上，且部分重叠。在聚光波导与上层条形波导阵列之间设置间隙，聚光波导与下层条形波导阵列之间设置间隙。

光在光波导中传输时，传播路径如图2所示。从图2中可以看出光在光波导中传播时，其入射点与反射点不在同一点，反射点相对入射点发生了位移，该位移称为古斯-汉欣线移，是理想反射点和实际反射点之间的距离。同时，在图2中可以看出，在光波导与外层介质交界面处，存在一个穿透深度。

图2中光传播时，在n₁、n₃介质表面，Z₁₃=tanθ_i/q,X₁₃=1/q；在n₁、n₂介质表面同理，Z₁₂=tanθ_i/p,X₁₂=1/p。θ_i为入射角, 2Z₁₃与2Z₁₂称为古斯-汉欣线移，与入射角成正比。由于X₁₃、X₁₂的存在，波导层以外存在电磁场，即入射波在波导层不仅有反射还有透射。当X₁₃ 、X₁₂足够小，小于传输光波的一个波长时，可以完全将透射波限制在介质n₂、n₃中，光束不再反射到n₁介质内，并经n₂、n₃介质传输到n₂介质的另一侧、n₃介质的另一侧。

本发明利用光传播的上述特性，设计薄片型聚光波导，光在上下两层条形波导中传播，当传播到条形波导与聚光波导耦合面处，光波导透射进入聚光波导，并被限制在聚光波导中，后续光束将在聚光波导中传输。

在某些应用场景，为了与后续器件的模斑匹配，聚光波导进一步设计为倒锥形，在聚光波导中实现光束模斑的转化。

本发明还提供了另外一种边缘耦合器方案，该方案中，条形光波导、聚光波导材质选择全硅，上包覆层、下包覆层以及基板为二氧化硅材质。首先利用刻蚀工艺，在绝缘体上硅层制造聚光波导、下层条形波导阵列。其次，在下层条形波导阵列表层沉积二氧化硅层，作为下包覆层。最后，在下包覆层上外延生长硅晶体层，在该硅晶体层刻蚀上层条形波导阵列，并在最上层沉积二氧化硅上包覆层。同样地，根据应用场景，聚光波导形状可以设计为倒锥形，以实现光模斑转换，或者设计为方形。

附图说明

图1为激光器快轴慢轴发散角示意图

图2为古斯-汉欣线移示意图

图3为本发明的一个实施例中边缘耦合器剖面示意图

图4为本发明的一个实施例中边缘耦合器光输入端示意图

图5为本发明的一个实施例中边缘耦合器俯视剖面示意图

图6为本发明的另一个实施例中边缘耦合器剖面示意图

图7为本发明的另一个实施例中边缘耦合器俯视示意图

图8为本发明的又一个实施例中边缘耦合器俯视示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

图3中可以看出，本实施例提供了一种可直接与激光器、光纤等光源或传输介质耦合的边缘耦合器100，该边缘耦合器的光波导层材质为氮化硅，包覆层与基板为二氧化硅。上包覆层102与下包覆层104中间设置一层条形波导101阵列，下包覆层104与基板105之间设置一层条形波导101阵列，上层的条形波导101下表面一部分与下包覆层104接触，下层的条形波导101上表面一部分与下包覆层104接触。

在边缘耦合器的光输出端设置聚光波导103，用于将上层的条形波导101与下层的条形波导101传输的光束聚束。聚光波导103的光输入端上表面与上层的条形波导101光输出端下表面设置有间隙106，聚光波导103的光输入端下表面与下层的条形波导101光输出端上表面同样设置有间隙106。

设计时，该间隙106沿图中竖直方向上的高度设计为小于传输光波的一个波长。例如，在一个实施例中，传输的波长为1550nm，该间隙106沿图中竖直方向上的高度设计为小于1550nm。

从图4中可以看出，条形波导101阵列对称分布于上包覆层102、下包覆层104、基板105之间，光束的传输被限制在条形波导101中。从图4中所看到的上层设置3个条形波导101，对应地下层同样设置3个条形波导。

图5为图3中边缘耦合器100的剖面俯视示意图，将上包覆层102剖去之后，条形波导101设置于下包覆层104之上，聚光波导103由于设置于包覆层104之中，无法从图5中示出。

图6中所示为根据本发明的构思所提出的边缘耦合器600，上包层602与下包层604之间设置一层长条形波导601阵列，从图中看去，为上层波导阵列。下包层604与基板605之间设置一层长条形波导601阵列，图中示意为下层波导阵列。两层波导阵列均耦合入聚光波导603。由上包层602、下包层604、基板605将光限制在光通路中。

长条形波导601与聚光波导603均采用硅材质，包覆层与基板采用二氧化硅材料。

图7中可以直观看到，长条形波导601耦合到聚光波导603中，长条形波导601阵列与聚光波导603形成了光通路，光从长条形波导601耦合入边缘耦合器，经聚光波导603集束，再输出到后续光路中。

图8中是基于边缘耦合器600延伸的一个实施例，在某些应用场景，在光集束后需要对光模斑进行转换，以匹配后续光路。因此，设计了倒锥形聚光波导803，长条形波导801将光束耦合到聚光波导803后，聚光波导803对集束后的光束进行模斑转换。

上述实施例仅列举了较佳的具体技术方案及技术手段，不排除在本发明权利要求范围内，有其他可以解决该技术问题的等换技术手段的替换形式，也应当理解为本发明要求保护的内容。