硅光子芯片光耦合结构及其设计方法与流程

1.本技术涉及光电集成技术领域，尤其涉及一种硅光子芯片光耦合结构及其设计方法。


背景技术：

2.硅光子芯片光耦合技术对推动高速、低功耗数据交换等应用的发展至关重要。其中，光栅耦合具有容差大、方便晶圆级测试、安放位置自由等优点，是硅光子芯片光耦合技术中具有潜力的技术之一。
3.然而，目前基于光栅耦合的硅光子芯片光耦合技术的耦合损耗较大。


技术实现要素：

4.本技术提供一种硅光子芯片光耦合结构及其设计方法，可以降低光耦合结构的耦合损耗。
5.本技术的一个方面提供一种硅光子芯片光耦合结构，包括：第一光栅耦合器，包括在第一方向上依次设置的第一包层、第一波导层、第一埋氧层和第一反射层，所述第一波导层包括第一光栅；第二光栅耦合器，和所述第一光栅耦合器在所述第一方向上相对设置，所述第二光栅耦合器包括在所述第一方向上依次设置的第二包层、第二波导层、第二埋氧层和第二反射层，所述第二包层和所述第一包层连接；所述第一波导层用于接收沿第二方向输入的入射光，并将所述入射光传输至所述第一光栅，所述第一光栅用于将所述入射光进行衍射；所述第一反射层用于反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第一反射层的方向衍射的光线；所述第二反射层用于反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第二反射层的方向衍射的光线；所述第二光栅用于将所述第一光栅衍射的光线及所述第一反射层和所述第二反射层反射的光线进行衍射，形成衍射光，以使至少部分所述衍射光耦合至所述第二波导层；其中，所述第一方向和所述第一波导层的延伸方向垂直，所述第二方向和所述第一方向垂直。
6.本技术提供的硅光子芯片光耦合结构通过设置第一反射层和第二反射层，使光耦合结构中衍射的光被限制在第一反射层和第二反射层之间的区域内并沿光栅的长度方向传播，最大程度地减少光泄露，从而实现较高的耦合效率并提升对准容差，且构造简单，易于优化及加工。
7.进一步地，所述第一反射层在所述第二方向上延伸的长度大于或等于所述第一光栅在所述第二方向上的栅区长度；和/或所述第二反射层在所述第二方向上延伸的长度大于或等于所述第二光栅在所述第二方向上的栅区长度。
8.进一步地，所述第一反射层和所述第二反射层平行设置，且所述第一光栅和所述
第二光栅平行设置。
9.进一步地，所述第一反射层的材料包括金属；和/或所述第二反射层的材料包括金属。
10.进一步地，所述第一埋氧层和所述第二埋氧层的厚度、所述第一光栅和所述第二光栅的栅区周期及占空比通过硅光子芯片光耦合结构的耦合模型确定，所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型是通过时域有限差分的方法在仿真环境中建立的。
11.进一步地，所述第一波导层的材料包括硅、氮化硅和铌酸锂中的至少一种；和/或所述第二波导层的材料包括硅、氮化硅和铌酸锂中的至少一种。
12.进一步地，所述第一光栅耦合器还包括第一衬底层，所述第一衬底层在所述第一方向上和所述第一反射层连接，所述第一衬底层的材料包括硅；和/或所述第二光栅耦合器还包括第二衬底层，所述第二衬底层在所述第一方向上和所述第二反射层连接，所述第二衬底层的材料包括硅。
13.本技术的另一方面提供一种硅光子芯片光耦合结构的设计方法，包括：确定硅光子芯片光耦合结构的特征参数，其中，所述硅光子芯片光耦合结构包括第一光栅耦合器和第二光栅耦合器，所述第一光栅耦合器在第一方向上依次包括第一包层、第一波导层、第一埋氧层和第一反射层，所述第一波导层包括第一光栅，所述第二光栅耦合器和所述第一光栅耦合器在所述第一方向上相对设置，所述第二光栅耦合器在所述第一方向上依次包括第二包层、第二波导层、第二埋氧层和第二反射层，所述第二包层和所述第一包层连接；所述第一波导层用于接收沿第二方向输入的入射光，并将所述入射光传输至所述第一光栅，所述第一光栅用于将所述入射光进行衍射；所述第一反射层用于反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第一反射层的方向衍射的光线；所述第二反射层用于反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第二反射层的方向衍射的光线；所述第二光栅用于将所述第一光栅衍射的光线及所述第一反射层和所述第二反射层反射的光线进行衍射，形成衍射光，以使至少部分所述衍射光耦合至所述第二波导层；其中，所述第一方向和所述第一波导层的延伸方向垂直，所述第二方向和所述第一方向垂直；根据所述硅光子芯片光耦合结构的特征参数，形成所述硅光子芯片光耦合结构。
14.进一步地，所述确定硅光子芯片光耦合结构的特征参数，包括：建立所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型；将入射光沿所述第二方向输入至所述耦合模型中的所述第一光栅耦合器，通过所述第一波导层接收所述入射光并传输至所述第一光栅，通过所述第一光栅将所述入射光进行衍射，通过所述第一反射层反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第一反射层的方向衍射的光线，通过所述第二反射层反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第二反射层的方向衍射的光线，通过所述第二光栅将所述第一光栅衍射的光线及所述第一反射层和所述第二反射层反射的光线进行衍射，形成衍射光，以使至少部分所述衍射光耦合至所述第二波导层；优化所述第一埋氧层、所述第二埋氧层、所述第一光栅和所述第二光栅的特征参数。
15.进一步地，所述建立所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型，包括：在仿真环境中，利用时域有限差分法建立硅光子芯片光耦合结构的耦合模型；
在所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型中，确定所述第一包层和所述第二包层的材料及厚度、所述第一波导层和所述第二波导层的材料及厚度、所述第一埋氧层和所述第二埋氧层的材料、所述第一反射层和所述第二反射层的材料及厚度、所述第一光栅和所述第二光栅的栅区刻蚀深度及栅区长度。
16.进一步地，所述优化所述第一埋氧层、第二埋氧层、第一光栅和第二光栅的特征参数，包括：监测所述第二波导层中的光功率；根据所述第二波导层中的光功率，确定所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型的耦合效率；根据所述耦合效率，确定所述第一埋氧层和所述第二埋氧层的厚度、所述第一光栅和所述第二光栅的栅区周期及占空比。
17.进一步地，所述根据所述硅光子芯片光耦合结构的特征参数，形成所述硅光子芯片光耦合结构，包括：根据优化后的所述第一埋氧层、所述第二埋氧层、所述第一光栅和所述第二光栅的特征参数，形成所述硅光子芯片光耦合结构。
附图说明
18.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
19.图1所示为本技术硅光子芯片光耦合结构一实施例的结构示意图；图2所示为本技术硅光子芯片光耦合结构的设计方法一实施例的流程示意图；图3所示为图2所示的硅光子芯片光耦合结构的设计方法的步骤s100一实施例的流程示意图；图4所示为图3所示的硅光子芯片光耦合结构的设计方法的步骤s110一实施例的流程示意图；图5所示为图3所示的硅光子芯片光耦合结构的设计方法的步骤s130一实施例的流程示意图；图6所示为图1所示的硅光子芯片光耦合结构一实施例优化设计后耦合损耗随入射光波长的变化曲线示意图；图7所示为图1所示的硅光子芯片光耦合结构一实施例优化设计后耦合损耗随x方向相对位移的变化曲线示意图。
具体实施方式
20.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
21.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。除非另作定义，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技
能的人士所理解的通常意义。本技术说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示至少两个。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
22.在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
23.本技术提供的硅光子芯片光耦合结构包括第一光栅耦合器和第二光栅耦合器。第一光栅耦合器包括在第一方向上依次设置的第一包层、第一波导层、第一埋氧层和第一反射层，第一波导层包括第一光栅。第二光栅耦合器和第一光栅耦合器在第一方向上相对设置，第二光栅耦合器包括在第一方向上依次设置的第二包层、第二波导层、第二埋氧层和第二反射层，第二包层和第一包层连接。第一波导层用于接收沿第二方向输入的入射光，并将入射光传输至第一光栅，第一光栅用于将入射光进行衍射；第一反射层用于反射第一光栅和第二光栅向第一反射层的方向衍射的光线；第二反射层用于反射第一光栅和第二光栅向第二反射层的方向衍射的光线；第二光栅用于将第一光栅衍射的光线及第一反射层和第二反射层反射的光线进行衍射，形成衍射光，以使至少部分衍射光耦合至第二波导层；其中，第一方向和第一波导层的延伸方向垂直，第二方向和第一方向垂直。
24.本技术提供的硅光子芯片光耦合结构通过设置第一反射层和第二反射层，使光耦合结构中衍射的光被限制在第一反射层和第二反射层之间的区域内并沿光栅的长度方向传播，最大程度地减少光泄露，从而实现较高的耦合效率并提升对准容差，且构造简单，易于优化及加工。
25.下面结合附图，对本技术的硅光子芯片光耦合结构及其设计方法进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
26.图1所示为本技术硅光子芯片光耦合结构10一实施例的结构示意图。如图1所示，本技术实施例的硅光子芯片光耦合结构10包括第一光栅耦合器100和第二光栅耦合器200。第一光栅耦合器100包括在第一方向上依次设置的第一包层110、第一波导层120、第一埋氧层130和第一反射层140，第一波导层120包括第一光栅121。第二光栅耦合器200和第一光栅耦合器100在第一方向上相对设置，第二光栅耦合器200包括在第一方向上依次设置的第二包层210、第二波导层220、第二埋氧层230和第二反射层240，第二包层210和第一包层110连接。第一波导层120用于接收沿第二方向输入的入射光，并将入射光传输至第一光栅121，第一光栅121用于将入射光进行衍射；第一反射层140用于反射第一光栅121和第二光栅221向第一反射层140的方向衍射的光线；第二反射层240用于反射第一光栅121和第二光栅221向第二反射层240的方向衍射的光线；第二光栅221用于将第一光栅121衍射的光线及第一反射层140和第二反射层240反射的光线进行衍射，形成衍射光，以使至少部分衍射光耦合至第二波导层220；其中，第一方向和第一波导层120的延伸方向垂直，第二方向和第一方向垂
直。
27.本技术实施例的硅光子芯片光耦合结构10通过设置第一反射层140和第二反射层240，使光耦合结构中衍射的光被限制在第一反射层140和第二反射层240之间的区域内并沿光栅的长度方向传播，最大程度地减少光泄露，从而实现较高的耦合效率，且构造简单，易于优化及加工。
28.需要说明的，第一方向为图1所示的y方向，第二方向为图1所示的x方向。如图1所示，第一光栅耦合器100和第二光栅耦合器200沿x方向排列，且两者在y方向上紧贴设置，第二包层210在y方向上设于第一包层110的上方，以便于垂直耦合优化。图1中的箭头方向为光传播方向。
29.可以理解的，图1所示的硅光子芯片光耦合结构10的第一光栅耦合器100在y方向上设于第二光栅耦合器200的下方。在另一些实施例中，第一光栅耦合器100在y方向上设于第二光栅耦合器200的上方，第一光栅耦合器100和第二光栅耦合器200在y方向上的位置关系不应当构成对本技术的限制。
30.在一些实施例中，第一光栅耦合器100和第二光栅耦合器200的结构完全相同，便于优化和加工。在另一些实施例中，第一光栅耦合器100和第二光栅耦合器200的结构不同，举例来说，可以是第一波导层120的材料和第二波导层220的材料不同，也可以是第一包层110的厚度和第二包层210的厚度不同。
31.如图1所示，在一些实施例中，第一反射层140和第二反射层240平行设置，且第一光栅121和第二光栅221平行设置，即第一光栅耦合器100和第二光栅耦合器200平行设置。相互平行的第一反射层140和第二反射层240之间形成导波区域300，如图1所示，入射光经第一光栅121的衍射作用后，部分衍射光沿y轴的正方向传播至第二光栅221，部分衍射光朝向第一反射层140和/或第二反射层240的方向传播，基于第一反射层140和第二反射层240的光反射作用，衍射光可以在导波区域300内来回反射并沿x轴的正方向传播，即沿第一光栅121和第二光栅221的长度方向传播。如此，光线可以最大程度上限制在导波区域300内，减少光泄露，从而实现较高的耦合效率。
32.在一些实施例中，第一反射层140在第二方向上延伸的长度大于或等于第一光栅121在第二方向上的栅区长度。可以理解为，在x方向上，第一反射层140完全覆盖第一光栅121的栅区。在一些实施例中，第二反射层240在第二方向上延伸的长度大于或等于第二光栅221在第二方向上的栅区长度。可以理解为，在x方向上，第二反射层240完全覆盖第二光栅221的栅区。可以进一步限制经第一光栅121和第二光栅221衍射的光线限制在第一波导层120和第二波导层220之间形成的导波区域300内，以进一步降低耦合损耗。
33.在上述实施例的基础上，基于第一反射层140和第二反射层240之间形成的导波区域300，第一光栅121和第二光栅221在x方向上的投影可以至少部分重合，也可以完全不重合。在第一光栅121和第二光栅221在x方向上的投影完全不重合的实施例中，即第一光栅121和第二光栅221在x方向上错开一定距离，此时，可以通过优化设计同样实现较大的耦合效率，使得第一光栅121和第二光栅221可以具有较大的x方向上的对准容差。
34.在一些实施例中，第一反射层140的材料包括金属。在一些实施例中，第二反射层240的材料包括金属。可选地，第一反射层140和第二反射层240的材料可以是金，也可以是银或其他具有光反射能力的金属，可以有效地反射第一光栅121和第二光栅221衍射的光
线。
35.在一些实施例中，第一光栅121和第二光栅221相对设置，即第一光栅121的开口方向和第二光栅221的开口方向在y方向上相反。如图1所示，第一光栅121的开口方向为y轴的正方向，第二光栅221的开口方向为y轴的负方向，可以提高本技术实施例的硅光子芯片光耦合结构10的耦合效率，且便于加工和优化。
36.在一些实施例中，第一埋氧层130和第二埋氧层230的厚度、第一光栅121和第二光栅221的栅区周期及占空比通过硅光子芯片光耦合结构10的耦合模型确定，硅光子芯片光耦合结构10的耦合模型是通过时域有限差分的方法在仿真环境中建立的。需要说明的，服务器可以通过时域有限差分的方法（finite difference time domain method，fdtd）在仿真环境中建立硅光子芯片光耦合结构10的耦合模型。在本实施例中，第一埋氧层130和第二埋氧层230的厚度、第一光栅121和第二光栅221的栅区周期及占空比可以在硅光子芯片光耦合结构10的耦合模型中利用优化算法进行优化，以达到在不同应用中硅光子芯片光耦合结构10的目标耦合效率。
37.如图1所示，在一些实施例中，第一包层110覆盖在第一波导层120上方。可选地，第一包层110的材料可以包括二氧化硅，以保护第一波导层120，由第一光栅121衍射出的光线可以透过第一包层110向y轴的正方向传播至第二光栅耦合器200。在一些实施例中，第二包层210设于第二波导层220的下方。可选地，第二包层210的材料可以包括二氧化硅，以保护第二波导层220，由第一光栅121衍射出的光线可以透过第二包层210向y轴的正方向传播至第二光栅221。
38.在一些实施例中，第一波导层120的材料包括硅、氮化硅和铌酸锂中的至少一种。在一些实施例中，第二波导层220的材料包括硅、氮化硅和铌酸锂中的至少一种。当然，第一波导层120和第二波导层220的材料还可以包括其他半导体材料，不再赘述。
39.在一些实施例中，第一光栅耦合器100还包括第一衬底层150，第一衬底层150在第一方向上和第一反射层140连接。如图1所示，第一衬底层150在y方向上设于第一反射层140的下方。可选地，第一衬底层150的材料包括硅。在一些实施例中，第二光栅耦合器200还包括第二衬底层250，第二衬底层250在第一方向上和第二反射层240连接。如图1所示，第二衬底层250在y方向上设于第二反射层240的下方。可选地，第二衬底层250的材料包括硅。
40.图2所示为本技术硅光子芯片光耦合结构的设计方法一实施例的流程示意图。本技术实施例的硅光子芯片光耦合结构的设计方法包括步骤s100至s200：在步骤s100中，确定硅光子芯片光耦合结构的特征参数。
41.在步骤s200中，根据硅光子芯片光耦合结构的特征参数，形成硅光子芯片光耦合结构。
42.其中，硅光子芯片光耦合结构包括第一光栅耦合器和第二光栅耦合器，第一光栅耦合器在第一方向上依次包括第一包层、第一波导层、第一埋氧层和第一反射层，第一波导层包括第一光栅，第二光栅耦合器和第一光栅耦合器在第一方向上相对设置，第二光栅耦合器在第一方向上依次包括第二包层、第二波导层、第二埋氧层和第二反射层，第二包层和第一包层连接；第一波导层用于接收沿第二方向输入的入射光，并将入射光传输至第一光栅，第一光栅用于将入射光进行衍射；第一反射层用于反射第一光栅和第二光栅向第一反射层的方向衍射的光线；第二反射层用于反射第一光栅和第二光栅向第二反射层的方向衍
射的光线；第二光栅用于将第一光栅衍射的光线及第一反射层和第二反射层反射的光线进行衍射，形成衍射光，以使至少部分衍射光耦合至第二波导层；其中，第一方向和第一波导层的延伸方向垂直，第二方向和第一方向垂直。
43.需要说明的，如图1所示，第一方向为y方向，第二方向为x方向，不再赘述。
44.图3所示为图2所示的硅光子芯片光耦合结构的设计方法的步骤s100一实施例的流程示意图。在一些实施例中，步骤s100可以包括步骤s110至步骤s130：在步骤s110中，建立硅光子芯片光耦合结构的耦合模型。
45.在步骤s120中，将入射光沿第二方向输入至耦合模型中的第一光栅耦合器，通过第一波导层接收入射光并传输至第一光栅，通过第一光栅将入射光进行衍射，通过第一反射层反射第一光栅和第二光栅向第一反射层的方向衍射的光线，通过第二反射层反射第一光栅和第二光栅向第二反射层的方向衍射的光线，通过第二光栅将第一光栅衍射的光线及第一反射层和第二反射层反射的光线进行衍射，形成衍射光，以使至少部分衍射光耦合至第二波导层。
46.在步骤s130中，优化第一埋氧层、第二埋氧层、第一光栅和第二光栅的特征参数。
47.在一些实施例中，可以在第一波导层中设置基模模式光源向第一光栅发出入射光。如图1所示，基模模式光源可以设于第一光栅121的左侧。
48.在一些实施例中，根据优化后的第一埋氧层、第二埋氧层、第一光栅和第二光栅的特征参数，形成硅光子芯片光耦合结构。
49.图4所示为图3所示的硅光子芯片光耦合结构的设计方法的步骤s110一实施例的流程示意图。如图4所示，在一些实施例中，步骤s110可以包括步骤s111至步骤s112：在步骤s111中，在仿真环境中，利用时域有限差分法建立硅光子芯片光耦合结构的耦合模型。
50.在步骤s112中，在硅光子芯片光耦合结构的耦合模型中，确定第一包层和第二包层的材料及厚度、第一波导层和第二波导层的材料及厚度、第一埋氧层和第二埋氧层的材料、第一反射层和第二反射层的材料及厚度、第一光栅和第二光栅的栅区刻蚀深度及栅区长度。
51.需要说明的，服务器可以通过时域有限差分的方法（finite difference time domain method，fdtd）在仿真环境中建立硅光子芯片光耦合结构的耦合模型。
52.图5所示为图3所示的硅光子芯片光耦合结构的设计方法的步骤s130一实施例的流程示意图。如图5所示，在一些实施例中，步骤s130可以包括步骤s131至步骤s133：在步骤s131中，监测第二波导层中的光功率。
53.在步骤s132中，根据第二波导层中的光功率，确定硅光子芯片光耦合结构的耦合模型的耦合效率。
54.在步骤s133中，根据耦合效率，确定第一埋氧层和第二埋氧层的厚度、第一光栅和第二光栅的栅区周期及占空比。
55.在本实施例中，可以在仿真环境中，通过优化第一埋氧层和第二埋氧层的厚度、第一光栅和第二光栅的栅区周期及占空比以得到目标耦合效率，形成目标硅光子芯片光耦合结构。
56.在一些实施例中，通过设置在第二波导层中的功率监视器以探测第二波导层中的
光功率，并计算得到耦合效率。如图1所示，功率监视器可以设于第二光栅221的右侧。
57.在一个具体实施例中，硅光子芯片光耦合结构10的耦合模型包括结构相同的第一光栅耦合器100和第二光栅耦合器200。其中，第一包层110和第二包层210的材料为二氧化硅，厚度为2μm；第一波导层120和第二波导层220的材料为硅，厚度为220nm；第一光栅121和第二光栅221的栅区刻蚀深度为70nm，栅区长度为15μm；第一埋氧层130和第二埋氧层230的材料为二氧化硅；第一反射层140和第二反射层240的材料为金，厚度为100nm。在第一波导层120中设置基模模式光源向第一光栅121发出入射光，在第二光栅耦合器200中设置功率监视器以探测第二波导层220中的光功率并计算得到耦合效率。利用优化算法，可以包括粒子群算法，对第一埋氧层130和第二埋氧层230的厚度、第一光栅121和第二光栅221的栅区周期及占空比进行优化，以达到目标耦合效率。在不同的应用场景中，硅光子芯片光耦合结构10的目标耦合效率不同，且在同一应用场景中，硅光子芯片光耦合结构10的目标耦合效率可以是耦合效率的最大值，也可以是其他较大的耦合效率值，本技术不作限制。在本实施例中，经过优化设计，第一埋氧层130和第二埋氧层230的厚度为3.07um，第一光栅121和第二光栅221的栅区周期为534nm，占空比为0.81。图6所示为图1所示的硅光子芯片光耦合结构10一实施例优化设计后耦合损耗随入射光波长的变化曲线示意图。如图6所示，优化设计后的耦合效率最大值为91.2%（-0.4db）。通过上述设计方法，可以得到很高的耦合效率，最大程度地避免光泄露。
58.图7所示为图1所示的硅光子芯片光耦合结构10一实施例优化设计后耦合损耗随x方向相对位移的变化曲线示意图。如图7所示，在本实施例中，由于第一光栅耦合器100和第二光栅耦合器200之间形成的导波区域300，耦合损耗对第一光栅121和第二光栅221在x方向上大于13μm的相对位移逐渐不敏感；当第一光栅121和第二光栅221在x方向的相对位移超过15μm时，第一光栅121和第二光栅221在x方向上完全交错，即第一光栅121和第二光栅221在x方向上的投影完全不重叠，但由于来自第一光栅121的衍射光最终会传输至第二光栅221，可以实现较大的耦合效率；当耦合损耗为3db时容差达到23μm，耦合损耗为3.5db时容差超过35μm，相比于未设置第一反射层140和第二反射层240的方案相比，本技术实施例的硅光子芯片光耦合结构10可以在实现较大的耦合效率的同时，具有较大的对准容差，有较好的光互连应用价值，在高速数据通信和光计算等领域具有良好的应用前景。
59.对于方法实施例而言，由于其基本对应于装置实施例，所以相关之处参见装置实施例的部分说明即可。方法实施例和装置实施例互为补充。
60.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。

技术特征：
1.一种硅光子芯片光耦合结构，其特征在于，包括：第一光栅耦合器，包括在第一方向上依次设置的第一包层、第一波导层、第一埋氧层和第一反射层，所述第一波导层包括第一光栅；第二光栅耦合器，和所述第一光栅耦合器在所述第一方向上相对设置，所述第二光栅耦合器包括在所述第一方向上依次设置的第二包层、第二波导层、第二埋氧层和第二反射层，所述第二包层和所述第一包层连接；所述第一波导层用于接收沿第二方向输入的入射光，并将所述入射光传输至所述第一光栅，所述第一光栅用于将所述入射光进行衍射；所述第一反射层用于反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第一反射层的方向衍射的光线；所述第二反射层用于反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第二反射层的方向衍射的光线；所述第二光栅用于将所述第一光栅衍射的光线及所述第一反射层和所述第二反射层反射的光线进行衍射，形成衍射光，以使至少部分所述衍射光耦合至所述第二波导层；其中，所述第一方向和所述第一波导层的延伸方向垂直，所述第二方向和所述第一方向垂直。2.根据权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于，所述第一反射层在所述第二方向上延伸的长度大于或等于所述第一光栅在所述第二方向上的栅区长度；和/或所述第二反射层在所述第二方向上延伸的长度大于或等于所述第二光栅在所述第二方向上的栅区长度。3.根据权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于，所述第一反射层和所述第二反射层平行设置，且所述第一光栅和所述第二光栅平行设置。4.根据权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于，所述第一反射层的材料包括金属；和/或所述第二反射层的材料包括金属。5.根据权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于，所述第一埋氧层和所述第二埋氧层的厚度、所述第一光栅和所述第二光栅的栅区周期及占空比通过硅光子芯片光耦合结构的耦合模型确定，所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型是通过时域有限差分的方法在仿真环境中建立的。6.根据权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于，所述第一波导层的材料包括硅、氮化硅和铌酸锂中的至少一种；和/或所述第二波导层的材料包括硅、氮化硅和铌酸锂中的至少一种。7.根据权利要求1所述的硅光子芯片光耦合结构，其特征在于，所述第一光栅耦合器还包括第一衬底层，所述第一衬底层在所述第一方向上和所述第一反射层连接，所述第一衬底层的材料包括硅；和/或所述第二光栅耦合器还包括第二衬底层，所述第二衬底层在所述第一方向上和所述第二反射层连接，所述第二衬底层的材料包括硅。8.一种硅光子芯片光耦合结构的设计方法，其特征在于，包括：确定硅光子芯片光耦合结构的特征参数，其中，所述硅光子芯片光耦合结构包括第一光栅耦合器和第二光栅耦合器，所述第一光栅耦合器在第一方向上依次包括第一包层、第一波导层、第一埋氧层和第一反射层，所述第一波导层包括第一光栅，所述第二光栅耦合器
和所述第一光栅耦合器在所述第一方向上相对设置，所述第二光栅耦合器在所述第一方向上依次包括第二包层、第二波导层、第二埋氧层和第二反射层，所述第二包层和所述第一包层连接；所述第一波导层用于接收沿第二方向输入的入射光，并将所述入射光传输至所述第一光栅，所述第一光栅用于将所述入射光进行衍射；所述第一反射层用于反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第一反射层的方向衍射的光线；所述第二反射层用于反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第二反射层的方向衍射的光线；所述第二光栅用于将所述第一光栅衍射的光线及所述第一反射层和所述第二反射层反射的光线进行衍射，形成衍射光，以使至少部分所述衍射光耦合至所述第二波导层；其中，所述第一方向和所述第一波导层的延伸方向垂直，所述第二方向和所述第一方向垂直；根据所述硅光子芯片光耦合结构的特征参数，形成所述硅光子芯片光耦合结构。9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，所述确定硅光子芯片光耦合结构的特征参数，包括：建立所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型；将入射光沿所述第二方向输入至所述耦合模型中的所述第一光栅耦合器，通过所述第一波导层接收所述入射光并传输至所述第一光栅，通过所述第一光栅将所述入射光进行衍射，通过所述第一反射层反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第一反射层的方向衍射的光线，通过所述第二反射层反射所述第一光栅和所述第二光栅向所述第二反射层的方向衍射的光线，通过所述第二光栅将所述第一光栅衍射的光线及所述第一反射层和所述第二反射层反射的光线进行衍射，形成衍射光，以使至少部分所述衍射光耦合至所述第二波导层；优化所述第一埋氧层、所述第二埋氧层、所述第一光栅和所述第二光栅的特征参数。10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，所述建立所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型，包括：在仿真环境中，利用时域有限差分法建立硅光子芯片光耦合结构的耦合模型；在所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型中，确定所述第一包层和所述第二包层的材料及厚度、所述第一波导层和所述第二波导层的材料及厚度、所述第一埋氧层和所述第二埋氧层的材料、所述第一反射层和所述第二反射层的材料及厚度、所述第一光栅和所述第二光栅的栅区刻蚀深度及栅区长度。11.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，所述优化所述第一埋氧层、第二埋氧层、第一光栅和第二光栅的特征参数，包括：监测所述第二波导层中的光功率；根据所述第二波导层中的光功率，确定所述硅光子芯片光耦合结构的耦合模型的耦合效率；根据所述耦合效率，确定所述第一埋氧层和所述第二埋氧层的厚度、所述第一光栅和所述第二光栅的栅区周期及占空比。12.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，所述根据所述硅光子芯片光耦合结构的特征参数，形成所述硅光子芯片光耦合结构，包括：根据优化后的所述第一埋氧层、所述第二埋氧层、所述第一光栅和所述第二光栅的特征参数，形成所述硅光子芯片光耦合结构。

技术总结
本申请提供一种硅光子芯片光耦合结构及其设计方法。硅光子芯片光耦合结构包括第一光栅耦合器和第二光栅耦合器。第一光栅耦合器包括在第一方向上依次设置的第一包层、第一波导层、第一埋氧层和第一反射层，第一波导层包括第一光栅。第二光栅耦合器和第一光栅耦合器在第一方向上相对设置，包括在第一方向上依次设置的第二包层、第二波导层、第二埋氧层和第二反射层，第二包层和第一包层连接。本申请提供的硅光子芯片光耦合结构通过设置第一反射层和第二反射层，使光耦合结构中衍射的光被限制在第一反射层和第二反射层之间并沿光栅的长度方向传播，最大程度地减少光泄露，从而实现较高的耦合效率并提升对准容差，且构造简单，易于优化及加工。易于优化及加工。易于优化及加工。


技术研发人员：王敬好 王震 胡辰 张欢 李佳 王海涛 尹坤 吉晨
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：2023.09.01
技术公布日：2023/10/8