硅光芯片的边耦合器件及硅光芯片的制作方法

1.本发明涉及硅光芯片技术领域，特别是涉及一种硅光芯片的边耦合结构及硅光芯片。


背景技术：

2.硅光芯片与其它光器件，比如单模光纤的光耦合是硅光技术的一大痛点，导致耦合效率较低。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种硅光芯片的边耦合器件及硅光芯片，该边耦合器件能够避免中间悬臂樑损坏，并且，与光纤耦合后，不会形成很大的散射，避免耦合效率降低，从而更加适于实用。
4.为了达到上述第一个目的，本发明提供的硅光芯片的边耦合器件的技术方案如下：
5.本发明提供的硅光芯片的边耦合器件包括第一樑、第二樑、中间悬臂樑和增强结构，
6.所述第一樑、中间悬臂樑、第二樑均为双层结构，包括底层sio2和覆盖在所述底层sio2之上的覆盖层sio2；
7.所述第一樑、中间悬臂樑、第二樑分别具有一连接端，所述第一樑、第二樑分别对称地设置于所述中间悬臂樑的两侧，使得所述第一樑、中间悬臂樑、第二樑平行设置，所述连接端位于所述第一樑、中间悬臂樑、第二樑的出光端口；
8.所述第一樑的连接端、中间悬臂樑的连接端和第二樑的连接端均连接于所述增强结构，使得所述第一樑、中间悬臂樑、第二樑的另一端形成自由端；
9.所述中间悬臂樑内设有埋入式对比度波导，所述埋入式对比度波导的材料折射率的取值范围为2-3.6。
10.本发明提供的硅光芯片的边耦合器件还可采用以下技术措施进一步实现。
11.作为优选，所述增强结构包括底层sio2和覆盖在所述底层sio2之上的覆盖层sio2，
12.所述增强结构的底层sio2分别与所述第一樑、中间悬臂樑、第二樑的底层sio2连接，
13.所述增强结构的覆盖层sio2分别与所述第一樑、中间悬臂樑、第二樑的覆盖层sio2连接。
14.作为优选，令所述中间悬臂樑的宽度为w，单位为μm，则所述增强结构的宽度l的取值范围为1μm≤l≤w。
15.作为优选，所述第一樑、中间悬臂樑、增强结构合围所得的第一截面形状包括多种，所述增强结构、中间悬臂樑、第二樑合围所得的第二截面形状包括多种，使得所述第一截面、第二截面对称地分布在所述中间悬臂樑的两侧。
16.作为优选，
17.所述第一截面向所述增强结构的右侧边缘靠近的最低点最窄，而靠近所述第一樑的内侧根部、靠近所述中间悬臂樑与所述第一樑相对应的内侧根部逐渐加宽的形状；
18.所述第二截面向所述增强结构的右侧边缘靠近的最低点最窄，而靠近所述第二樑的内侧根部、靠近所述中间悬臂樑与所述第二樑相对应的内侧根部逐渐加宽的形状。
19.作为优选，
20.所述第一截面呈现在所述第一樑的内侧根部最窄，向与所述第一樑的内侧相对应的中间悬臂樑的根部逐渐加宽的形状；
21.所述第二截面呈现在所述第二樑的内侧根部最窄，向与所述第二樑的内侧相对应的中间悬臂樑的根部逐渐加宽的形状。
22.作为优选，
23.所述第一截面呈现在所述第一樑的内侧根部最宽，向与所述第一樑的内侧相对应的中间悬臂樑的根部逐渐收窄的形状；
24.所述第二截面呈现在所述第二樑的内侧根部最宽，向与所述第二樑的内侧相对应的中间悬臂樑的根部逐渐收窄的形状。
25.为了达到上述第二个目的，本发明提供的硅光芯片的技术方案如下：
26.本发明提供的硅光芯片包括硅衬底、光纤、匹配胶、光纤和本发明提供的硅光芯片的边耦合器件，
27.所述硅衬底包括底座、第一凸起部和第二凸起部，
28.所述硅光芯片的边耦合器件的第一樑设置于所述第一凸起部顶端上方，所述硅光芯片的边耦合器件的第二樑设置于所述第二凸起部顶端上方，使得所述中间悬臂樑相对于所述底座悬空设置；
29.所述光纤利用所述匹配胶设置于所述硅光芯片的边耦合器件的增强结构的外侧。
30.本发明提供的硅光芯片还可采用以下技术措施进一步实现。
31.作为优选，所述匹配胶的折射率接近但小于sio2的折射率。
32.作为优选，所述第一凸起部固定连接于所述底座的一侧，所述第二凸起部固定连接于所述底座的另一侧，
33.所述第一凸起部、第二凸起部的高度相同，
34.所述第一凸起部的顶端宽度等于所述第一樑的宽度，所述第二凸起部的顶端宽度等于所述第二樑的宽度，
35.令所述第一凸起部内侧、第二凸起部内侧之间的间距等于d1，所述第一樑内侧、第二樑内侧的间距等于d2，则d1＝d2。
36.本发明提供的硅光芯片的边耦合器件在第一樑、第二樑、中间悬臂樑的连接端均连接增强结构，利用该增强结构自身的机械强度，能够增强该中间悬臂樑的连接机械强度，因此，在后段工艺，比如划片、减薄、挑片方面，或者在测试、封装的各种步骤，能够避免损坏。
附图说明
37.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通
技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
38.附图1为本发明实施例提供的硅光芯片的边耦合结构与硅衬底配合后的结构示意图；
39.附图2为本发明实施提供的第一种硅光芯片的边耦合结构与单模光纤耦合后结构示意图；
40.附图3为本发明实施提供的第二种硅光芯片的边耦合结构示意图；
41.附图4为本发明实施提供的第三种硅光芯片的边耦合结构示意图；
42.附图5为本发明实施提供的第四种硅光芯片的边耦合结构示意图；
43.附图6为本发明实施例提供的硅光芯片的边耦合结构o波段的波导光模场te仿真结果(其中，仿真曲线以最右端为观察基础，自下而上波长依次为0μm、2μm、4μm、6μm、8μm)；
44.附图7为本发明实施例提供的硅光芯片的边耦合结构o波段的波导光模场tm仿真结果(其中，仿真曲线以最右端为观察基础，自下而上波长依次为0μm、2μm、4μm、6μm、8μm)；
45.附图标记说明：
46.1-第一樑，2-第二樑，3-中间悬臂樑，4-增强结构，5-底层sio2，6-覆盖层sio2，7-底座，8-第一凸起部，9-第二凸起部，10-光纤，11-埋入式高折射率对比度波导。
具体实施方式
47.有鉴于此，本发明提供了一种硅光芯片的边耦合器件及硅光芯片，该边耦合器件能够避免中间悬臂樑损坏，并且，与光纤耦合后，不会形成很大的散射，避免耦合效率降低，从而更加适于实用。
48.发明人经过艰苦卓绝的努力，发现，硅光芯片与其它光器件，比如单模光纤的光耦合效率较低的原因是彼此的光膜斑的不匹配，导致耦合效率低。硅光芯片的硅波导模斑，一般最大可达3μm左右，而传统单模光纤的尺寸，一般在10μm左右，形成了极大的不匹配。在硅光芯片耦合，耦合方式分为边耦合以及表面光栅耦合，其中，边耦合相对波长与偏振不敏感。在众多提高耦合效率的边耦合器件设计中，以硅光悬臂樑模斑转换器的耦合效率最高。
49.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种硅光芯片的边耦合器件及硅光芯片，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
50.本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，具体的理解为：可以同时包含有a与b，可以单独存在a，也可以单独存在b，能够具备上述三种任一种情况。
51.硅光芯片的边耦合器件
52.参见附图1-附图5，本发明实施例提供的硅光芯片的边耦合器件包括第一樑1、第二樑2、中间悬臂樑3和增强结构4。第一樑1、中间悬臂樑3、第二樑2均为双层结构，包括底层sio25和覆盖在底层sio25之上的覆盖层sio26；第一樑1、中间悬臂樑3、第二樑2分别具有一连接端，第一樑1、第二樑2分别对称地设置于中间悬臂樑3的两侧，使得第一樑1、中间悬臂
樑3、第二樑2平行设置，连接端位于第一樑1、中间悬臂樑3、第二樑2的出光端口；第一樑1的连接端、中间悬臂樑3的连接端和第二樑2的连接端均连接于增强结构4，使得第一樑1、中间悬臂樑3、第二樑2的另一端形成自由端；中间悬臂樑3内设有埋入式对比度波导11，埋入式对比度波导11的材料折射率的取值范围为2-3.6。
53.本发明实施例提供的硅光芯片的边耦合器件在第一樑1、第二樑2、中间悬臂樑3的连接端均连接同一增强结构4，利用该增强结构4自身的机械强度，能够增强该中间悬臂樑3的连接机械强度，因此，在后段工艺，比如划片、减薄、挑片方面，或者在测试、封装的各种步骤，能够避免损坏。
54.其中，增强结构4包括底层sio25和覆盖在底层sio25之上的覆盖层sio26。增强结构4的底层sio25分别与第一樑1、中间悬臂樑3、第二樑2的底层sio25连接，增强结构4的覆盖层sio26分别与第一樑1、中间悬臂樑3、第二樑2的覆盖层sio26连接。
55.其中，令中间悬臂樑3的宽度为w，单位为μm，则增强结构4的宽度l的取值范围为1μm≤l≤w。在这种情况下，能够保持中间悬臂樑3结构稳定。
56.其中，第一樑1、中间悬臂樑3、增强结构4合围所得的第一截面形状包括多种，增强结构4、中间悬臂樑3、第二樑2合围所得的第二截面形状包括多种，使得第一截面、第二截面对称地分布在中间悬臂樑3的两侧：
57.参见附图3，第一截面向增强结构4的右侧边缘靠近的最低点最窄，而靠近第一樑1的内侧根部、靠近中间悬臂樑3与第一樑1相对应的内侧根部逐渐加宽的形状；第二截面向增强结构4的右侧边缘靠近的最低点最窄，而靠近第二樑2的内侧根部、靠近中间悬臂樑3与第二樑2相对应的内侧根部逐渐加宽的形状。
58.参见附图4，第一截面呈现在第一樑1的内侧根部最窄，向与第一樑1的内侧相对应的中间悬臂樑3的根部逐渐加宽的形状；第二截面呈现在第二樑2的内侧根部最窄，向与第二樑2的内侧相对应的中间悬臂樑3的根部逐渐加宽的形状。
59.参见附图5，第一截面呈现在第一樑1的内侧根部最宽，向与第一樑1的内侧相对应的中间悬臂樑3的根部逐渐收窄的形状；第二截面呈现在第二樑2的内侧根部最宽，向与第二樑2的内侧相对应的中间悬臂樑3的根部逐渐收窄的形状。
60.硅光芯片
61.参见附图1，本发明实施例提供的硅光芯片包括硅衬底、光纤10、匹配胶、光纤10和本发明提供的硅光芯片的边耦合器件。硅衬底包括底座7、第一凸起部8和第二凸起部9，硅光芯片的边耦合器件的第一樑1设置于第一凸起部8顶端上方，硅光芯片的边耦合器件的第二樑2设置于第二凸起部9顶端上方，使得中间悬臂樑3相对于底座7悬空设置；光纤10利用匹配胶设置于硅光芯片的边耦合器件的增强结构4的外侧。在这种情况下，底座7、第一凸起部8、第二凸起部9形成的衬底能够为硅光芯片的边耦合结构提供的支撑效果较好。
62.其中，匹配胶的折射率接近但小于sio2的折射率。在这种情况下，波导模斑在经过增强结构4时，模斑不会形成很大散射，避免降低耦合效率。然而，一般的认知方面，都认为该增强结构4会导致模斑散射，附图6和附图7的仿真显示，在本发明实施例提供的具有硅光芯片的边耦合结构的硅光芯片条件下，耦合效率并未受到明显的影响。此仿真为o波段的波导光模场的主要两种偏振态：te与tm的代表案例。
63.其中，第一凸起部8固定连接于底座7的一侧，第二凸起部9固定连接于底座7的另
一侧。第一凸起部8、第二凸起部9的高度相同，第一凸起部8的顶端宽度等于第一樑1的宽度，第二凸起部9的顶端宽度等于第二樑2的宽度，令第一凸起部8内侧、第二凸起部9内侧之间的间距等于d1，第一樑1内侧、第二樑2内侧的间距等于d2，则d1＝d2。在这种情况下，底座7、第一凸起部8、第二凸起部9形成的衬底能够为硅光芯片的边耦合结构提供的支撑效果更好。
64.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
65.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种硅光芯片的边耦合器件，其特征在于，包括第一樑、第二樑、中间悬臂樑和增强结构，所述第一樑、中间悬臂樑、第二樑均为双层结构，包括底层sio2和覆盖在所述底层sio2之上的覆盖层sio2；所述第一樑、中间悬臂樑、第二樑分别具有一连接端，所述第一樑、第二樑分别对称地设置于所述中间悬臂樑的两侧，使得所述第一樑、中间悬臂樑、第二樑平行设置，所述连接端位于所述第一樑、中间悬臂樑、第二樑的出光端口；所述第一樑的连接端、中间悬臂樑的连接端和第二樑的连接端均连接于所述增强结构，使得所述第一樑、中间悬臂樑、第二樑的另一端形成自由端；所述中间悬臂樑内设有埋入式对比度波导，所述埋入式对比度波导的材料折射率的取值范围为2-3.6。2.根据权利要求1所述的硅光芯片的边耦合器件，其特征在于，所述增强结构包括底层sio2和覆盖在所述底层sio2之上的覆盖层sio2，所述增强结构的底层sio2分别与所述第一樑、中间悬臂樑、第二樑的底层sio2连接，所述增强结构的覆盖层sio2分别与所述第一樑、中间悬臂樑、第二樑的覆盖层sio2连接。3.根据权利要求1所述的硅光芯片的边耦合器件，其特征在于，令所述中间悬臂樑的宽度为w，单位为μm，则所述增强结构的宽度l的取值范围为1μm≤l≤w。4.根据权利要求1所述的硅光芯片的边耦合器件，其特征在于，所述第一樑、中间悬臂樑、增强结构合围所得的第一截面形状包括多种，所述增强结构、中间悬臂樑、第二樑合围所得的第二截面形状包括多种，使得所述第一截面、第二截面对称地分布在所述中间悬臂樑的两侧。5.根据权利要求4所述的硅光芯片的边耦合器件，其特征在于，所述第一截面向所述增强结构的右侧边缘靠近的最低点最窄，而靠近所述第一樑的内侧根部、靠近所述中间悬臂樑与所述第一樑相对应的内侧根部逐渐加宽的形状；所述第二截面向所述增强结构的右侧边缘靠近的最低点最窄，而靠近所述第二樑的内侧根部、靠近所述中间悬臂樑与所述第二樑相对应的内侧根部逐渐加宽的形状。6.根据权利要求4所述的硅光芯片的边耦合器件，其特征在于，所述第一截面呈现在所述第一樑的内侧根部最窄，向与所述第一樑的内侧相对应的中间悬臂樑的根部逐渐加宽的形状；所述第二截面呈现在所述第二樑的内侧根部最窄，向与所述第二樑的内侧相对应的中间悬臂樑的根部逐渐加宽的形状。7.根据权利要求4所述的硅光芯片的边耦合器件，其特征在于，所述第一截面呈现在所述第一樑的内侧根部最宽，向与所述第一樑的内侧相对应的中间悬臂樑的根部逐渐收窄的形状；所述第二截面呈现在所述第二樑的内侧根部最宽，向与所述第二樑的内侧相对应的中间悬臂樑的根部逐渐收窄的形状。8.一种硅光芯片，其特征在于，包括硅衬底、光纤、匹配胶、光纤和权利要求1-7中任一所述的硅光芯片的边耦合器件，
所述硅衬底包括底座、第一凸起部和第二凸起部，所述硅光芯片的边耦合器件的第一樑设置于所述第一凸起部顶端上方，所述硅光芯片的边耦合器件的第二樑设置于所述第二凸起部顶端上方，使得所述中间悬臂樑相对于所述底座悬空设置；所述光纤利用所述匹配胶设置于所述硅光芯片的边耦合器件的增强结构的外侧。9.根据权利要求8所述的硅光芯片，其特征在于，所述匹配胶的折射率接近但小于sio2的折射率。10.根据权利要求8所述的硅光芯片，其特征在于，所述第一凸起部固定连接于所述底座的一侧，所述第二凸起部固定连接于所述底座的另一侧，所述第一凸起部、第二凸起部的高度相同，所述第一凸起部的顶端宽度等于所述第一樑的宽度，所述第二凸起部的顶端宽度等于所述第二樑的宽度，令所述第一凸起部内侧、第二凸起部内侧之间的间距等于d1，所述第一樑内侧、第二樑内侧的间距等于d2，则d1＝d2。

技术总结
本发明公开了一种硅光芯片的边耦合器件及硅光芯片，属于硅光芯片技术领域。该边耦合器件中，第一樑、中间悬臂樑、第二樑均为双层结构，包括底层SiO2和覆盖在底层SiO2之上的覆盖层SiO2；第一樑、中间悬臂樑、第二樑分别具有一连接端，连接端位于第一樑、中间悬臂樑、第二樑的出光端口；第一樑的连接端、中间悬臂樑的连接端和第二樑的连接端均连接于增强结构，使得第一樑、中间悬臂樑、第二樑的另一端形成自由端；中间悬臂樑内设有埋入式高折射率对比度波导。该硅光芯片包括硅衬底、光纤、匹配胶、光纤和该边耦合器件。该边耦合器件能够避免中间悬臂樑损坏，并且，与光纤耦合后，不会形成很大的散射，避免耦合效率降低。避免耦合效率降低。避免耦合效率降低。


技术研发人员：李志伟 袁晓君
受保护的技术使用者：北京弘光向尚科技有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/28