[发明专利]一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构

说明书

本发明提供一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，能够在硅基光芯片上实现高光功率输入，并多路输出，包括：端面耦合单元、第一连接单元、功率分束单元、第二连接单元、转换单元、第三连接单元。相比硅基端面耦合器，本发明能够承受更高的输入光功率；与现有的硅基半导体制作工艺兼容，易于低成本的制作和大规模生产；降低光纤与硅基光波导间的损耗；转换单元能够实现与硅基器件的耦合，且耦合损耗非常低，易于实现与硅光芯片大规模集成。

技术领域

本发明属于半导体集成技术领域，尤其涉及一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构。

背景技术

对于硅光子集成的商业化应用，其中关键的挑战之一是实现光纤与硅光芯片的低损耗光耦合，特别是标准单模光纤，即SMF-28与硅光芯片的光耦合。目前为止，基于硅基的各种端面耦合器被提出，单个端面的耦合损耗能做到2～3dB，但与单模光纤耦合时，其仍旧面临吸收损耗较大的问题。

除此之外，硅材料具有较强的二阶非线性吸收系数，包括双光子吸收(TPA，Two-photonabsorption)和TPA导致的自由载流子吸收(FCA，free-carrier absorption)。当耦合的光功率较大时，硅波导会产生较大的非线性损耗，导致透过率下降；进一步增大耦合光功率，甚至导致硅波导不可逆的损坏。一般来说，硅基端面耦合器可承受的光功率较低，一般可承受光功率19dbm，80mW，对于需要高输入光功率的硅基集成芯片的应用场景，譬如激光雷达，以往基于硅基端面耦合器的端面耦合方案就不再适用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明采用如下技术方案：

在一些可选的实施例中，提供一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，包括：端面耦合单元，用于接收自光纤输出的高光功率，并进行模斑转换；功率分束单元，用于将自身接收的光分束为若干份；转换单元，用于将光信号从氮化硅波导转换到硅波导；且所述端面耦合单元与所述功率分束单元的波导由氮化硅形成。

进一步的，所述端面耦合单元的波导形状为倒锥形、三叉戟型或者亚波长光栅型。

进一步的，所述转换单元包括：氮化硅波导和硅波导，且结构采用基于垂直结构的耦合方式，所述氮化硅波导和所述硅波导均为锥形结构波导，且在垂直方向上有一定的间隔，随着所述氮化硅波导锥形结构逐渐变窄的同时，所述硅波导锥形结构逐渐变宽。

进一步的，所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，还包括：第一连接单元，用于将所述端面耦合单元耦合的光信号传输至所述功率分束单元。

进一步的，所述第一连接单元的波导由氮化硅形成。

进一步的，所述功率分束单元将所述第一连接单元传输的光分成N份，其中1≤N≤50。

进一步的，所述功率分束单元的波导结构为多模干涉结构、定向耦合结构或者Y分支结构。

进一步的，所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，还包括：第二连接单元，用于将光信号从所述功率分束单元传输至所述转换单元。

进一步的，所述第二连接单元的波导由氮化硅形成。

进一步的，所述的一种耐高输入光功率的硅光芯片端面耦合结构，还包括：第三连接单元，用于将自所述转换单元输出的光信号传输至后续的硅基光器件，所述第三连接单元的波导由硅形成。

本发明所带来的有益效果：