[发明专利]一种端面耦合器及其制备方法

说明书

本发明提供一种端面耦合器，包括沿光源的输出光场方向依次设置的第一耦合区、相移区和第二耦合区；所述第一耦合区包括分束结构，将光源的输出光场分为至少两个第一光场，并全部耦入所述相移区；所述相移区内的光场记为第二光场，与所述第二光场一一对应设置有相位调制器；所述相移区输出的光场，记为第三光场，所述第三光场之间的相位差为0；所述第二耦合区包括合束结构，将所述第三光场全部耦入，合为一个终端光场。耦合效率高，进一步提高了对准容差，为封装插损的降低增加了新的自由度。本发明还提供的一种制备方法因能制备本发明的端面耦合器而具有相应优势，与CMOS工艺兼容性好，且仅需一次刻蚀，有利于工艺优化和生产改进。

技术领域

本发明属于光波导与集成光学技术领域，尤其涉及一种端面耦合器及其制备方法。

背景技术

现有激光器或光纤等光源与硅光芯片的耦合主要有光栅耦合和端面耦合两种方式。光栅耦合采用Grating coupler(光栅耦合器)垂直耦合，其具有模场匹配的特点，光栅耦合具有较大的对准容差以及可实现晶圆级测试的优点，同时也具有偏振敏感性和波长敏感性以及带宽较窄等缺点，光栅耦合方案使用有一定的限制。现有的端面耦合方案可实现偏振不敏感及较大的带宽，但是其对准容差较小，不利于实现晶圆级的封装。以DFB单模激光器为例，激光器输出光场的模斑尺寸约为2-3µm，而相应的1dB端面耦合器的对准容差均在微米尺寸以下，因此对封装设备的精度要求较高，但是目前商用flip-chip键合机精度一般为±1µm，这种情况下采用端面耦合的现有方案则极大的增加了封装的难度、成本，也难于保障产品的良率。对准偏差一般指的是损耗增加1dB时对应的耦合位置的偏移量，即便采用有源封装方法，在封装固化过程中仍旧会导致较大对准偏差，从而增加了器件的插损。近几年受到产业界广泛关注的硅基光子器件因其低成本、超小型尺寸、低功耗、与精细工艺特性相兼容等独特的特性，其应用也在日益推进中，特别的在激光雷达和激光主动探测领域逐渐受到重视。

因此目前十分需要研究一种端面耦合器及相应的制备方法，便于封装，能够增大光源与硅光芯片的对准容差，且不增加器件的插损，能够保障产品的良率水平。以此进一步推动集成光学技术的深入发展及硅基光子器件广泛应用。

发明内容

本发明是为解决上述现有技术的全部或部分问题，本发明一方面提供了一种端面耦合器。本发明的另外一个方面提供了一种端面耦合器制备方法，可用于制备本发明的端面耦合器。

本发明一方面提供的一种端面耦合器，包括沿光源的输出光场方向依次设置的第一耦合区、相移区和第二耦合区；所述第一耦合区包括分束结构，所述分束结构将光源的输出光场分为至少两个第一光场，并将所述第一光场全部耦入所述相移区；所述相移区内的光场记为第二光场，所述相移区内与所述第二光场一一对应设置有相位调制器；所述相移区输出的光场，记为第三光场；所述第三光场至少有两个，所述第三光场之间的相位差为0；所述第二耦合区包括合束结构，所述合束结构将所述第三光场全部耦入，合为一个终端光场。通过第一耦合区将外部光源耦合至所述相移区中，如果由于对准偏差导致了至少两个所述第二光场之间存在相位差，则能够通过所述相移区进行相位补偿，使得从所述相移区输出的所述第三光场之间没有相位差，再经所述合束结构合为一个终端光场后向器件输出，如此提高了光源与硅光芯片的对准容差，同时也提高了最终的耦合效率。传统的端面耦合器在与光纤或者激光器封装完成后，耦合损耗值就确定了，但是在封装的过程中，不管采用有源封装还是无源封装，光纤或激光器与硅光芯片都不可避免的会存在一些偏差。本发明的端面耦合器设置有所述相位调制器，能够在激光器或光纤与PIC封装完成后，通过控制所述相位调制器来进行相位调制，来降低上述偏差带来的耦合损耗，从而达到进一步降低耦合损耗的目的，为封装插损的降低增加了新的自由度。

一般的情况中，所述第一耦合区、所述相移区和所述第二耦合区设置在硅衬底层上。直接在硅光芯片的硅衬底层生成端面耦合器，与CMOS工艺兼容性好，更易于制备。