专利名称：包括两级接续器的模尺寸转换器的制作方法
发明
背景技术：
领域本发明一般地涉及光学装置，并且更具体地，本发明涉及光波导接续器(taper)。
背景信息随着国际互联网数据业务增长率正在超过语音业务，推动了对光通信的需求，对快速且高效的基于光学的技术的需求正日益增加。在密集波分复用(DWDM)系统以及吉比特(GB)以太网系统中，多个光学信道在同一光纤上的传输提供了使用由光纤光学装置提供的史无前例的容量(信号带宽)的简单方法。在系统中一般使用的光学元件包括波分复用(WDM)发射器和接收器、例如衍射光栅的光学滤波器、薄膜滤波器、光纤布拉格(Bragg)光栅、阵列波导光栅、光学分插复用器、激光器，以及光学开关。
这些构建块光学元件中的很多可以在半导体器件中实现。这样，这些器件通常被连接到光纤，因此，在光纤和包含光学元件的半导体器件之间获得高效的光耦合很重要。光通常通过光纤和半导体器件中的光波导以单模传播。为了实现单模光纤和单模半导体波导器件之间的高效光耦合，三维的锥形波导或模(mode)尺寸转换器很重要，因为和光纤模尺寸相比，半导体波导器件通常具有更小的模尺寸。这通常是因为半导体波导系统大的折射率差异(index contrast)和针对器件性能所需的较小波导尺寸，所述器件性能例如硅基光子器件(photonic device)中的高速度。
先前在三维锥形波导或模尺寸转换器上的尝试包括各种锥形化方案以及例如基于要求复杂的蚀刻工艺的灰度(gray scale)光刻技术的制造方法。其他的尝试包括很难与电气上活跃的光子器件工艺结合的锥形方法，所述工艺一般涉及很多后端工艺步骤。
附图简要说明在附图中通过实施例而非限制来说明本发明。
图1是根据本发明教导的锥形波导的一个实施方案的图示，所述锥形波导包括具有倒置的锥形内核(inner core)的第一光波导和被锥形化的第二光波导。
图2是根据本发明教导的锥形波导的一个实施方案的侧视图，示出通过具有倒置的锥形内核的第一光波导和锥形化的第二光波导传播的光束的模。
图3是根据本发明教导的锥形波导器件的倒置锥形内核的较小端或尖端端面(tip end)的一个实施方案的剖视图。
图4是示出光耦合损耗和根据本发明教导的锥形波导器件的倒置锥形内核的较小端的一个实施方案的尖端宽度(tip width)之间的关系的图。
图5是根据本发明教导的锥形波导器件的倒置锥形内核的较大端的一个实施方案的剖视图。
图6是根据本发明教导的被锥形化的第二光波导的较大端的一个实施方案的剖视图。
图7是根据本发明教导的被锥形化的第二光波导或第三光波导的较小端的一个实施方案的剖视图，示出在光束的光学模已经收缩之后的所述光束。
图8是根据本发明实施方案的系统的一个实施方案的框示，所述系统包括半导体器件的一个实施方案，所述半导体器件包括锥形波导器件和光子器件。
详细描述公开了利用锥形波导器件减小或者收缩光束的模尺寸的方法和装置，所述锥形波导器件包括具有倒置的锥形内核的第一光波导和被锥形化的第二光波导。在下面的描述中，给出了很多具体细节，以提供对本发明透彻的理解。但是，对于本领域普通技术人员将很清楚，实践本发明无需采用这些具体细节。此外，为了避免模糊本发明，没有详细描述公知的材料或者方法。
在整篇说明书中提及“一个实施方案”或“实施方案”表示结合该实施方案描述的特定特征、结构或者特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”在本说明书中各处，的出现不一定全都指同一个实施方案。而且，所述特定特征、结构或者特性可以在一个或更多个实施方案中以任何适当的方式组合。此外要理解，这里提供的附图是用于向本领域普通技术人员解释的目的，并且这些图不一定按比例绘制。此外，还要理解，这里所示出的具体尺寸、折射率值、材料等等是为了解释的目的而提供，并且，根据本发明的教导，也可以使用其他适合的尺寸、折射率值、材料等等。
在本发明的一个实施方案中，公开了一种新颖的锥形波导器件，所述器件包括具有倒置的锥形内核的第一光波导和被锥形化的第二光波导。所公开的锥形波导器件的实施方案具有低光耦合损耗，并且可以与基于半导体的小型化单模波导一起应用，使与基于半导体的光子器件的高速工作能进行，所述光子器件例如硅基光学调制器、微环谐振器(micro-ring resonator)、光子带隙器件，等等。
在本发明的一个实施方案中，锥形波导器件包括氮氧化硅(SiON)波导接续器，所述接续器与锥形硅脊形波导(tapered silicon rib waveguide)一起单片集成在半导体层中，以收缩光束的模尺寸。为了说明，图1示出根据本发明教导被置于半导体材料中的锥形波导器件101的一个实施方案。如所绘出的实施方案中所示，锥形波导器件101被置于半导体层中，并且包括第一光波导103和第二光波导109。
在一个实施方案中，第一光波导包括被置于未锥形化外核(outer core)105中的倒置锥形内核107。在所示出的实施方案中，倒置的锥形内核107是带状波导(strip waveguide)，并且包括尖端或较小端119以及较大端121。在一个实施方案中，倒置的锥形内核107和未锥形化外核105由例如SiON的第一半导体材料制成。具体来说，在一个实施方案中，倒置的锥形内核107包括具有例如n≈1.8的折射率的SiON，并且未锥形化外核105包括具有例如n≈1.46的折射率的SiON。在一个实施方案中，第一光波导103的倒置的锥形内核107和未锥形化外核105被具有例如n≈1.44的折射率的氧化物覆盖。
继续在图1中描绘的实施方案，第二光波导109是具有较大端123和较小端125的锥形光波导。在一个实施方案中，第二光波导是脊形波导，并且第二光波导109的较大端123被放置为靠近倒置锥形内核107的较大端121。在一个实施方案中，第二光波导的较小端125被放置为靠近置于同一半导体层中的第三光波导111。在一个实施方案中，第三光波导111是脊形波导。在一个实施方案中，第二和第三光波导109和111均由第二半导体材料制成，所述第二半导体材料例如硅(Si)，具有例如n≈3.48的折射率。
在工作中，图1的示例性实施方案示出，光纤113在靠近倒置的锥形内核107的较小端119处将光束115导入锥形波导器件101的第一光波导103。在一个实施方案中，较小端119的尖端宽度足够小，以便当光束115被导入第一光波导103时，基本上光束115的全部被导入未锥形化外核105。
如将要讨论的那样，根据本发明的教导，倒置的锥形内核107的较小端119相对小的尖端宽度导致展现出足够小的光耦合损耗的锥形波导器件101。在一个实施方案中，在SiON被包括在第一光波导103的倒置的锥形内核107和未锥形化外核105中的情况下，倒置的锥形核107的较小端119的尖端宽度约等于0.08μm，并且较小端119的尖端高度约等于1μm。要理解，在各种实施方案中，根据本发明的教导，倒置的锥形内核107可以被线性地、非线性地或分段线性地锥形化。
继续所描述的实施例，当光束115沿着第一光波导103从较小端119向着较大端121传播时，基本上光束115的全部从未锥形化外核105被导入倒置的锥形内核107中，因为倒置的锥形内核107具有比未锥形化外核105的折射率高的折射率，并且随着尖端宽度增加，内核107的尺寸变得足够大以支持导模(guided mode)。这样，根据本发明的教导，光束115的光学模被收缩或减小。
进一步继续所描述的实施例，根据本发明的教导，随后光束115从第一光波导103被导入第二光波导109，以进一步减小光束115的光学模的尺寸。在一个实施方案中，由于第一光波导103的倒置锥形内核107包括具有例如n≈1.8的折射率的SiON并且第二光波导包括具有例如n≈3.48的折射率的Si，所以抗反射区117被置于半导体层中的第一和第二光波导103和109之间，以减少光束115在第一和第二光波导103和109之间传播时的任何反射。在一个实施方案中，抗反射区117包括例如氮化硅(Si3N4)，并且具有例如n≈2.0的折射率。
当光束115沿着第二光波导109从较大端123向较小端125传播时，由于第二光波导109是锥形光波导，所以光束115的光学模尺寸被进一步收缩或减小。如所描绘的实施方案中所示，随后光束115从第二光波导109被引导到第三光波导111。应该理解，根据本发明的教导，利用被置于第一光波导103的未锥形化外核105之中的倒置锥形内核107和第二光波导109的锥形光波导，光束115以具有低光耦合损耗的减小的光学模尺寸被导入第三光波导111中。
图2是锥形波导器件101的一个实施方案沿着图1的点划线A-A’的侧剖视图。如图2中所示，锥形波导器件101的一个实施方案在例如绝缘体上硅(SOI)晶片的半导体晶片的外延层231中制造。这样，在所示实施方案中的SOI晶片包括被置于外延半导体层231和半导体衬底(substrate)227之间的掩埋绝缘层229。在一个实施方案中，掩埋绝缘层229包括氧化物，并且外延半导体层231和半导体衬底227包括Si。
在工作中，光束115被导入第一光波导103，所述第一光波导103包括置于未锥形化外核105中的倒置锥形内核107。如图2中所示，当光束115沿着第一光波导103从倒置的锥形内核107的较小端119向着较大端121传播时，基本上光束115的全部光学模从未锥形化外核105被导入倒置的锥形内核107中。这样，在光束115从第一光波导103的倒置锥形内核107通过抗反射区117被导入第二光波导109中时，光束的模尺寸被减小或收缩。
根据本发明的教导，在一个实施方案中，当光束115沿着第二光波导109的锥形光波导从较大端123向着较小端125传播时，光束115的光学模被进一步减小。在一个实施方案中要注意，当光束115沿着倒置的锥形内核107以及沿着第二光波导109传播时，掩埋绝缘层229的氧化物和SOI晶片的外延半导体层231中的未锥形化外核105中包括的SiON起到包覆(cladding)的作用，用于帮助提供光束115在倒置的锥形内核107和第二光波导109内的光限制(optical confinement)。
图3是第一光波导103的一个实施方案沿着图1的点划线B-B’通过未锥形化外核105和倒置的锥形内核107的较小端119的剖视图。如图3中所示，在一个实施方案中，第一光波导103被置于SOI晶片的外延半导体层231中，并且掩埋绝缘层229被置于外延半导体层231和半导体衬底227之间。
在一个实施方案中，倒置的锥形内核107的较小端119具有约0.08μm的尖端宽度和约1μm的尖端高度，而未锥形化外核105具有约10×10μm的高度和宽度。如前所述，在一个实施方案中，倒置的锥形内核107包括具有约1.8的折射率的SiON，该折射率大于未锥形化外核105的折射率，在一个实施方案中，所述未锥形化外核105包括具有约1.46的折射率的SiON。根据本发明的教导，在倒置的锥形内核107在较小端的尖端宽度充分小的情况下，并利用如所讨论的材料和折射率的选择，基本上光束115的全部以相对少量的光耦合损耗被导入未锥形化外核105。
为了说明，图4是示出光耦合损耗和根据本发明的教导的锥形波导器件101的倒置锥形内核107的较小端119的一个实施方案的尖端宽度之间的关系的图(plot)451。在所示的实施例中，假设光纤113是单模光纤，并且假设倒置锥形内核107的高度约为1μm。此外，假设倒置的锥形内核107的折射率约为1.8，并且假设未锥形化外核105的折射率约为1.46。
如图示中所示，图451示出，利用例如1×1μm的硅脊形波导，可获得小于1.0dB/面(facet)的光纤到光波导耦合损耗。具体来说，图451示出，利用约0.08μm的尖端宽度，可以获得约0.24dB的相对小的光耦合损耗。在本发明的一个实施方案中，利用已知的高分辨率光刻技术或通过使用已知的双掩模方案，对于倒置的锥形内核107的较小端119，实现了约0.08μm或更小的相对小的尖端宽度。图451还示出，随尖端宽度增加，光耦合损耗存在相对快的增加。要理解那是由于如所示的10×10μm SiON波导的基模(fundamental mode)强烈地依赖于内核尺寸。当内核尺寸大于0.1μm时，基模主要由内核确定，所以光纤模和基模之间的重叠较小。
图5是第一光波导103的一个实施方案沿着图1的点划线C-C’通过未锥形化外核105和倒置的锥形内核107的较大端121的剖视图。如图5中所示，锥形内核107在较大端121处的宽度显著地宽于锥形内核107在较小端119处的尖端宽度。在一个实施方案中，锥形内核107在较大端121处的宽度约为2μm，并且锥形内核107在较大端121处的高度约为1μm，而未锥形化外核105的高度和宽度约为10μm乘10μm。
如所描绘的实施方案中所示，根据本发明的教导，在光束115已经传播到倒置的锥形内核107的较大端121时，基本上光束115的全部已经被导入倒置的锥形内核107中。如上面针对图1所述的，在一个实施方案中，光束115随后通过抗反射区117被导入第二光波导109。
图6是第二光波导109的一个实施方案沿图1的点划线D-D’在锥形光波导的较大端123处的剖视图。如图6中所示，第二光波导109的一个实施方案被置于SOI晶片的外延半导体层231中，其中掩埋绝缘层229置于外延半导体层231和半导体衬底227之间。
在一个实施方案中，第二光波导109是置于Si中的具有脊形区633和平板区(slabregion)635的脊形波导。在一个实施方案中，第二光波导109的Si具有约3.48的折射率。在一个实施方案中，第二光波导109的脊形波导具有约1μm的总高度，并且脊形区633具有约0.5μm的高度。在第二光波导109的锥形光波导的较大端123，脊形区633的宽度约为2μm。在一个实施方案中，绝缘区637被置于脊形区633的相对侧面上，与掩模绝缘层229起包覆作用，以帮助限制光束115留在第二光波导109以内，如图6中所示。在一个实施方案中，在第一波导103的较大端和第二波导109的较大端处的基模基本上类似。因此，根据本发明的教导，当光通过第一和第二波导之间的结(junction)传播时，光耦合损耗较小。在一个实施方案中，绝缘区637可以包括例如氧化物材料，或者与在第一光波导103的未锥形化外核105中使用的相同或类似的SiON材料。
图7是第二光波导109的一个实施方案在锥形光波导的较小端125处沿着图1的点划线E-E’的剖视图。在一个实施方案中，注意到第二光波导109在较小端125处的剖视图和第三光波导111的剖视图相同或者基本上类似。因此，在一个实施方案中，如图7中所示的第二光波导109的一个实施方案在较小端125处的剖视图的描述也适用于第三光波导111的剖视图。
如所描绘的实施方案中所示，与较大端123处约2μm的宽度相比，第二光波导109在较小端125处的脊形波导已经被锥形化到约1μm的脊形宽度。在所示实施方案中，脊形波导具有约1μm的总高度，并且脊形区633具有约0.5μm的高度。根据本发明的教导，利用起包覆作用的绝缘区637和掩埋绝缘区229，光束115被限制为留在第二光波导109以内，并且光束115的光学模的尺寸已经被相应地收缩或者减小。在一个实施方案中，根据本发明的教导，利用光束115的光学模的减小的尺寸，光束115随后可以通过第三光波导111被导入其他器件，例如光子器件或者被置于半导体层中的器件。
图8是根据本发明的实施方案的系统839的一个实施方案的框示，所述系统839包括半导体器件的一个实施方案，所述半导体器件包括锥形波导器件和光子器件。如所描绘的实施方案中所示，系统839包括输出光束115的光发射器841。系统839还包括光接收器845和光学器件843，所述光学器件843以光学方式耦合在光学反射器841和光接收器845之间。在一个实施方案中，光学器件843包括半导体材料，例如芯片中的外延硅层，锥形波导器件101和光子器件847被包括在其中。在一个实施方案中，锥形波导器件101基本上类似于上面在图1到7中描述的锥形波导器件101。在一个实施方案中，锥形波导器件101和光子器件847是基于半导体的器件，所述基于半导体的器件在单个集成电路芯片上以完全并且单片集成的解决方案提供。
在工作中，光发射器841通过光纤113将光束115发送到光学器件843。随后光纤113以光学方式耦合到光学器件843，从而光束115在输入锥形波导器件101处被接收。在一个实施方案中，到锥形波导器件101的输入对应于靠近倒置的锥形内核107的较小端119的第一光波导103的一端。因此，锥形波导器件101、光束114的模尺寸在大小上被减小，从而光子器件847通过单模波导接收光束847，所述单模波导例如置于光学器件843的半导体材料中的第三光波导111。在一个实施方案中，光子器件847可以包括任何已知的，例如所述基于半导体的光子光学器件包括但不限于光学移相器、调制器、开关，等等。光束115从光子器件847输出之后，它随后以光学方式被耦合，以被光接收器845。在一个实施方案中，光束115通过光纤849传播，以从光学器件843传播到光接收器845。
在前面的详细描述中，已经参考本发明的具体示例性实施方案描述了它的方法和装置。但是将很清楚，可以对其做出各种修改和变化而不偏离本发明更宽泛的精神和范围。因此，本说明书和附图应该被视为说明性的而非限制性的。
权利要求
1.一种装置，包括被置于半导体层的第一半导体材料中的第一光波导，所述第一光波导包括被置于所述第一光波导的未锥形化外核中的倒置的锥形内核，其中，所述倒置的锥形内核包括较小端和较大端；以及被置于所述半导体层的第二半导体材料中的第二光波导，其中，所述第二光波导是具有较大端和较小端的锥形光波导，其中，所述第二光波导的所述较大端被放置为靠近所述第一光波导的所述倒置的锥形内核的所述较大端，从而光束从所述第一光波导的所述较小端被引导到所述第一光波导的所述较大端、再引导到所述第二光波导的所述较大端、再引导到所述第二光波导的所述较小端。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一光波导的所述倒置的锥形核具有大于所述未锥形化外核的折射率的折射率。
3.如权利要求1所述的装置，还包括被置于所述半导体层中、在所述第二光波导的所述较大端和所述第一光波导的所述倒置的锥形内核的所述较大端之间的抗反射区。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述抗反射区具有在所述第一光波导的所述倒置的锥形核的折射率和所述第二光波导的折射率之间的折射率。
5.如权利要求1所述的装置，还包括被置于所述半导体层中的所述第二半导体材料中的第三光波导，所述第三光波导以光学方式耦合到所述第二光波导的所述较小端，从而所述光束从所述第二光波导的所述较小端导入所述第三光波导中。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述第二和第三光波导具有基本相等的折射率。
7.如权利要求5所述的装置，其中，所述第二和第三光波导是被置于所述半导体层中的脊形波导。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一半导体材料包括氮氧化硅(SiON)，并且所述第二半导体材料包括硅(Si)。
9.如权利要求3所述的装置，其中，所述抗反射区包括氮化硅(Si3N4)。
10.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一光波导的所述倒置的锥形内核的所述较小端的尖端宽度小于所述第二光波导的所述较小端的尖端宽度。
11.一种方法，包括将光束导入被置于半导体层中的第一半导体材料中的第一光波导的未锥形化外核中；将所述光从第一光波导的所述未锥形化外核导入被置于所述半导体层中的所述第一半导体材料中的所述第一光波导的倒置的锥形内核中，此时所述光束沿着所述第一光波导从所述第一光波导的所述倒置的锥形内核的较小端向较大端传播；以及将所述光束从所述第一光波导的所述倒置的锥形内核的所述较大端导入被置于所述半导体层中的第二半导体材料中的第二光波导，其中，所述第二光波导是具有较大端和较小端的锥形光波导，其中，所述光束被导入所述第二光波导的较大端。
12.如权利要求11所述的方法，还包括将所述光束从所述第二光波导的所述较小端导入所述半导体层的所述第二半导体材料中的第三光波导中。
13.如权利要求11所述的方法，还包括通过将所述光束导入第一光波导的所述未锥形化外核，然后引导来自所述第一光波导的所述倒置的锥形内核的所述较大端的所述光束来收缩所述光束的模尺寸。
14.如权利要求12所述的方法，还包括通过将所述光束导入所述第二光波导的所述较大端，然后引导来自所述第二光波导的所述较小端的所述光束来收缩所述光束的模尺寸。
15.如权利要求11所述的方法，其中，将所述光从所述第一光波导的所述未锥形化外核导入所述第一光波导的所述倒置的锥形内核中的操作包括将所述光束从具有较低折射率的材料导入具有较高折射率的材料中。
16.如权利要求11所述的方法，还包括当将所述光束从所述第一光波导的所述倒置的锥形内核的所述较大端导入所述第二光波导的所述较大端时引导所述光束通过抗反射区。
17.如权利要求16所述的方法，其中，当将所述光束从所述倒置的锥形内核的所述较大端导入所述第二光波导的所述较大端时引导所述光束通过所述抗反射区的操作包括引导所述光束通过具有在所述第一和第二半导体材料的折射率值之间的折射率值的区域。
18.一种系统，包括发送光束的光发射器；光接收器；被置于所述光发射器和所述光接收器之间的光学器件，所述光学器件包括被置于半导体层的第一半导体材料中的第一光波导，所述第一光波导包括被置于所述第一光波导的未锥形化外核中的倒置的锥形内核，其中，所述倒置的锥形内核包括较小端和较大端；以及被置于所述半导体层的第二半导体材料中的第二光波导，其中，所述第二光波导是具有较大端和较小端的锥形光波导，其中，所述第二光波导的所述较大端被放置为靠近所述第一光波导的所述倒置的锥形内核的所述较大端，从而光束从所述第一光波导的所述较小端被引导到所述第一光波导的所述较大端、再引导到所述第二光波导的所述较大端、再引导到所述第二光波导的所述较小端；以及被置于所述半导体层中的所述第二半导体材料中的光子器件，所述光子器件以光学方式耦合到所述第二光波导的所述较小端，所述光束被耦合以通过所述第一和第二光波导被所述光子器件接收，所述光束通过所述光子器件被引导到所述光接收器。
19.如权利要求18所述的系统，还包括以光学方式耦合在所述光发射器和所述第一光波导之间的光纤。
20.如权利要求18所述的装置，其中，所述第一光波导的所述倒置的锥形核具有大于所述未锥形化外核的折射率的折射率。
21.如权利要求18所述的装置，还包括被置于所述半导体层中、在所述第二光波导的所述较大端和所述第一光波导的所述倒置的锥形内核的所述较大端之间的抗反射区。
22.如权利要求21所述的装置，其中，所述抗反射区具有在所述第一光波导的所述倒置的锥形核的折射率和所述第二光波导的折射率之间的折射率。
23.如权利要求18所述的装置，还包括被置于所述半导体层中的所述第二半导体材料中的第三光波导，所述第三光波导以光学方式耦合在所述第二光波导的所述较小端和所述光子器件之间。
24.如权利要求18所述的装置，其中，所述第一半导体材料包括氮氧化硅(SiON)，并且所述第二半导体材料包括硅(Si)。
25.如权利要求21所述的装置，其中，所述抗反射区包括氮化硅(Si3N4)。
全文摘要
一种用于减小光束的模尺寸的装置和方法。在一个实施方案中，根据本发明的实施方案的装置包括被置于半导体层的第一半导体材料中的第一光波导。所述第一光波导包括被置于所述第一光波导的未锥形化外核中的倒置的锥形内核。所述倒置的锥形内核包括较小端和较大端。所述装置还包括被置于所述半导体层的第二半导体材料中的第二光波导。所述第二光波导是具有较大端和较小端的锥形光波导。所述第二光波导的所述较大端被放置为靠近所述第一光波导的所述倒置的锥形内核的所述较大端，从而光束从所述第一光波导的所述较小端被引导到所述第一光波导的所述较大端、再引导到所述第二光波导的所述较大端、再引导到所述第二光波导的所述较小端。
文档编号G02B6/30GK1922520SQ200580005532
公开日2007年2月28日 申请日期2005年2月2日 优先权日2004年2月20日
发明者A·刘 申请人:英特尔公司