用于在硅光子芯片与光纤之间有效耦合的方法和设备的制作方法

专利名称：用于在硅光子芯片与光纤之间有效耦合的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及光学器件，更具体地，本发明涉及光波导锥形。
背景技术：
因特网与网络数据业务增长率推动了对光基数据通信的期望。密集波分复用 (DffDM)系统和吉比特以太网(GBE)系统中相同光纤上多个光信道的传输提供了使用由光纤光学器件提供的较高数据容量(信号带宽)的简单方式。数据通信系统中通常使用的光部件包括波分复用(WDM)发送器和接收器、光学滤光器，诸如衍射光栅、薄膜滤光器、光纤布拉格光栅、阵列波导光栅、光分插复用器、调制器、激光器、以及光开关。许多这些积木式光学部件能够实施于半导体器件中。同样，半导体器件典型地连接至光纤。三维渐缩波导或模式尺寸转换器典型地用于在半导体波导器件与光纤之间耦合光，因为与光纤模式尺寸相比，半导体波导器件通常具有较小的模式尺寸。半导体波导容许光传播通过含有各种部件的光子芯片，各种部件诸如是调制器、开关、复用器等。半导体波导系统中可能的折射系数的大的差异容许较小的波导尺度。硅光子集成芯片(PIC)用于高速光互连，用于调制和开关。因为PIC中的硅波导的尺寸通常比光纤的芯径小得多，所以使用波导锥形。锥形引导并扩展硅波导的光模态尺寸，以与光纤匹配。


以示例性而非限制性的方式在附图中示例了本发明。图1是根据本发明的教导的渐缩波导耦合器的一个实施例的顶正视图；图2是根据本发明的教导的沿线A-A’取得的图1的耦合器的横截面侧视图；图3是根据本发明的教导的沿线B-B’取得的图1的耦合器的横截面侧视图；图4是根据本发明的教导的沿线C-C’取得的图1的耦合器的横截面侧视图；图5是根据本发明的教导的图1的耦合器的透视图；图6是根据本发明的实施例的并入有图1的耦合器与用于光数据通信的光子器件的系统的框图。
具体实施例方式在以下描述中，阐明了许多具体细节，以提供对本发明的全面的理解。然而，明显地，对本领域技术人员来说，不必采用具体细节来实践本发明。在其它实例中，不详细描述公知的材料或方法，以避免使本发明难理解。整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。从而，整个此说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必全指相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合于一个或多个实施例中。另外，应当理解，这里提供的附图是为向本领域技术人员解释的目的，并且附图不必按照比例绘制。此外，还应当理解，这里示例的具体尺度、系数值、材料等是为解释目的，并且也可以根据本发明的教导使用其它合适的尺度、系数值、材料等。在本发明的一个实施例中，公开了一种新颖的渐缩波导器件，该波导器件包括第一光波导，具有第一锥形；和第二光波导，具有进入第三光波导以耦合至光纤的第二锥形。 公开的渐缩波导器件的实施例具有低的光耦合损耗，并可以与基于微型化单模半导体的波导一起使用，使得能够以基于半导体的光子器件进行高速操作，光子器件诸如是例如硅基光调制器、微环谐振器、光子带隙器件等。在本发明的一个实施例中，渐缩波导器件包括渐缩硅脊形波导，以缩小在硅波导中导引、耦合至通过锥形刻蚀限定的第二渐缩光波导、耦合到单片集成于半导体层中的氮氧化硅(SiON)波导中的光束的模式尺寸。为示例，图1示出了根据本发明的教导的设置于半导体材料中的渐缩波导器件101的一个实施例。如所描绘的实施例中所示，渐缩波导器件101设置于半导体层中，并包括第一光波导103、第二光波导109、以及第三光波导111。图1示意性地示出了绝缘体上硅(SOI)基底上的硅锥形。该锥形可以集成到光子集成电路(PIC)上或为单独的部件。从硅或其它小的波导传输的光引导至第一波导103 的开口(opening) 105中。此波导通过脊形刻蚀限定并且是为了符合特定器件设计和特定应用的性能限制。虽然示出了 SOI结构，但对于本发明这不是必需的，并且可以使用其它技术。另外，光可以从与开口 105相邻耦合或设置于其附近的任何其它器件进入波导。在本发明的一个实施例中，与开口相对，第一波导具有锥形117。锥形在从PIC的其它器件接收光的开口处具有较大端。锥形具有较小端，较小端在与较大端相对的尖端处终止。锥形与直接在第一波导之下并与第一波导平行的第二波导107对准。第二波导也具有锥形109。第二波导的锥形也在较靠近开口处具有较大端，在与开口相对的尖端具有较小端。在示例的范例中，两个波导的锥形在距开口 105大约相同的位置或距离处开始。还通过将每个波导的侧壁以相同角度朝向彼此对准来形成两个锥形。顶壁和底壁未成角度，并且所以每个波导在变窄时保持其高度。然而，可以调整每个锥形的特定配置以适合任何特定环境。两个波导的锥形会聚于点或尖端，但是第二波导比第一波导开始得宽并且会聚于比第一波导更远离开口的点。第二波导延伸到第三波导111中，第三波导按规定尺寸制作以耦合到光纤。在示例的范例中，此第三波导大体大于第一和第二波导，并且不具有任何锥形。在本发明的一个实施例中，为了耦合至光子器件中的硅波导，第一波导103具有宽度为 0. 4 μ m且高度为0. 4 μ m的矩形横截面。这示于图2中，图2为沿线A-A’取得的图1的耦合器的横截面视图。如图1中所示，此波导构建于刻蚀深度为 0.2μπι的脊形刻蚀层107上。结果，接收的光模式119能够以近似填充0. 4μ m的方形的模式尺寸传播通过两个波导的部分，如图1中所示。可以修改波导尺度以适合任何特定光源。由特定PIC 的尺度确定当前范例的尺度。图3是沿线B-B’取得的图1的耦合器的横截面视图。为了扩展用于光纤耦合的PIC波导的模式尺寸，顶波导103具有锥形117，以将波导宽度从 0. 4 μ m渐缩至 O-Ium0此锥形具有在图1中表示为Ll的长度。另外，第二波导107开始通过条形/锥形刻蚀形成的锥形109。
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操作中，由于顶波导的尖端处窄的波导宽度，所以光模式被从第一波到向下推到第二波导中。结果，第一锥形截面后的模态高度几乎是渐缩前的高度的一半。如上面所指出的，在本发明的一个实施例中，此高度为 0. 2μπι。渐缩光模式传播至通过硅刻蚀限定的第二锥形区109。将硅向下刻蚀至掩埋氧化物(BOX)层115，如图2、3和4中所示。此条形/锥形刻蚀区在第一波导的脊形锥形109的起始处开始，如图1中所示。这实现了从单模脊形波导至条形波导的绝热渐缩，而无显著损
^^ ο在本发明的一个实施例中，(第二波导107的)第二锥形109的尖端为 0. 08 μ m-0. 1 μ m，且锥形长度在图1中示为L2。因为尖端尺度为 0. ΙμπιΧΟ. 2μπι，所以该硅波导通常不能对约1.3和1.55 μ m的光波长在硅区域里面维持任何导引模式。第二波导的渐缩硅尖端区域覆盖有形成第三波导的 5 μ mX 5 μ m的SiON层111， 该层形成具有比掩埋氧化物稍高的折射率的第三波导。光模式从硅区域109渐缩到SiON 区域111中。如图4中所示，然后，随着光模式被推出第二锥形，其填充第三波导。比较图2、3和4中的光模式的尺寸，在图1中，光模式119几乎是圆形的且直径稍大于0. 4 μ m。图2中，随着被推出第一波导103并完全进入第二波导107，光模式121变平了。现在的椭圆模式具有小于0.2μπι的高度和几乎填充约0.8μπι的第二波导的宽度。在图4中，光模式125填充SiON波导。此第三波导111具有侧边为 5μ m的方形横截面，使得模式现在是圆形的，半径正好在5 μ m以下。两级渐缩以非常低的损耗完成了显著的模式扩展。第三波导的尺寸选择为耦合至单模光纤。可以将第三波导的尺度调整为适合于其它尺寸的光纤或光模式待耦合入的任何其它结构。因为SiON的折射率稍大于氧化物的折射率，所以在锥形/空气面(facet)处的光反射系数能够相对小(百分之几)。对于一些应用，可以将抗反射涂层施加到锥面上以减小锥形的反射。对于一些其它应用，可以应用成角面锥形以最小化反射。描述的耦合器组合了两个锥形的优点，以将约0. 4 μ m-1. 0 μ m的PIC硅波导耦合至光纤。对光子器件，该波导尺度是典型的，以符合诸如高速硅调制器和小形式因子复用器 /解复用器(MUX/DEMUX)的性能限制。然而，可以调整这里提供的特定尺度以适合其它环 境。再次参照图2-4，在硅基底123之上形成波导。然而，可以使用其它基底材料以适合特定环境。掩埋氧化物层115形成于硅基底之上以形成绝缘体上硅(SOI)结构。硅和 SiON波导结构形成于BOX层之上。图5是从IC连接侧观看的图1的耦合器的透视图。来自硅PIC的光模式耦合至第一 103波导(未示出)，或通过延续IC波导而进入相同基底115、123上的第一和第二波导。如能够看到的，第一波导锥形117在其远端将光模式推入第二波导。第二波导也具有在大约相同位置开始，但在SiON第三波导111内终止的锥形117。第三波导111能够端耦合至光纤或通过微透镜(未示出)耦合至光纤。从而，能够以非常低的损耗将小的PIC波导模式非常有效地耦合到光纤中。 在每个图中，耦合器示为分立部件，且其可以是这样形成的，或许多耦合器可以形成于单个管芯片上，并且被切开为分开的部件。在其它实施例中，耦合器可以是单个基底上的许多部件之一。耦合器也可以是光子集成电路的部件。PIC可以在单个基底中包括数个耦合器与其它器件。 在本发明的一个实施例中，在基底123上，形成BOX层115。在BOX层之上形成第二波导。在示例的范例中，第二波导形成为直接位于BOX层顶部的硅层。第二波导形成为覆盖整个BOX层的固体层，并且然后被刻蚀或剥离以形成如上所述的锥形。锥形的形状示于图1中。如所示，第二波导的初始宽度大体大于第一波导的初始宽度。在图2的横截面中，第一波导层的宽度与耦合器的宽度相同，然而光模式仅使用此宽度的小部分。宽度可以选择为比示例的窄，取决于环境。然后对第二波导的侧边进行刻蚀以形成锥形109。锥形延续至尖端，在经过此尖端后硅层被完全去除。第一波导和SiON第三波导均形成于在耦合器的相对端的第二波导之上。通过沉积第二硅层并然后刻蚀掉边缘以形成图1的以锥形117和尖端终止的窄的形状来形成第一波导。然后在相对端沉积SiON层并对SiON层整形以形成矩形结构，如所示例的。如图1中能够看到的，与生产用于PIC的波导相比，双锥型耦合系统仅增加一个附加的制造步骤。这仅需要再多一次掩膜，这是为了产生耦合到第三波导中的两个波导以代替一个波导。根据本发明的教导，两个锥形的较小端的小的尖端宽度导致大体小的光耦合损耗。在一个实施例中，两个锥形的较小端的尖端宽度为约0.8μπι且尖端高度为约Ιμπι。在各种实施例中，应当理解，根据本发明的教导，任一锥形可以是线性地、非线性地或分段线性地渐缩的。可以修改上述任何结构的尺度以适合任何特定环境。对于耦合单模PIC至单模光纤的应用，能够对锥形性能进行建模。给定上述尺度， 在第一和第二锥形端，对于约0. ιμπι的尖端尺寸，建模的锥形连接损耗小于0. ldB。利用常规光刻技术，诸如193nm技术，可以容易地获得该尖端宽度。甚至在第一锥形的尖端宽度为 0. 125 μ m且第二锥形的尖端宽度为 0. 175时，锥形连接损耗也仅为约0. 2dB。也能够对锥形过渡损耗与锥形长度的关系进行建模。对于第一级锥形，Ll = 100 μ m时的锥形损耗小于0. ldB。随第一锥形117的长度(Li)增大，损耗保持为低，且在 Ll短达80 μ m时，损耗仍然低，。对于第二锥形，在L2 = 150 μ m或更大时，锥形损耗小于 0. ldB。对于短达130 μ m的锥形，损耗仍然是低的。从而，对于约250μπι的总的锥形长度 (L1+L2)，总的锥形损耗小于0. 5dB。此损耗数不包括归因于表面/侧壁粗糙的波导散射损耗，但是预期这个小，因为总的锥形长度小。使用标准材料在标准波长可工作的系统可以短达180 μ m，并且可以长得多，取决于环境。虽然在单模光纤和通过波导的单模传输的背景中描述了本发明的实施例，但是本发明不限于此。虽然在光进入第一波导并传播通过第三波导的背景中描述了本发明的实施例，但是由于可逆原理，本发明的实施例也可以实施为光进入第三波导，例如从光纤，并且传播至第二波导，然后至第一波导，以耦合至外部器件。图6是根据本发明的实施例的系统239的一个实施例的框图示例，在一个实施例中，系统239包括包含渐缩波导器件和光子器件的半导体器件。如描绘的实施例中示例的， 系统239包括光发送器241，其中包括激光器、调制器、以及复用器。发送器通过光纤213输出光束215。发送器可以使用，耦合器，诸如图1中所示的耦合器。系统239还包括光接收器245和光器件243，光器件243通过光纤光耦合于光发送器241与光接收器245之间。在一个实施例中，光器件243包括半导体材料，诸如例如芯片中的外延硅层，其中包括锥形波导接收器器件101A、锥形波导发送器器件101B、以及光子器件247。在一个实施例中，锥形波导器件IOlA和IOlB大体类似于以上图1_5中描述的锥形波导器件101。在一个实施例中，锥形波导器件101A、101B、以及光子器件247是基于半导体的器件，它们以全集成和单片集成的方案设置于单个集成电路芯片上。在一个实施例中，光接收器245包括光子器件，光子器件包含光电检测器、解复用器、以及也示于图1-5中的锥形波导器件。

操作中，光发送器241通过光纤213向光器件243发送光束215。光束215然后光耦合至第一锥形波导101A，使得在光子器件247接收光束215。光子器件可以包括任何已知的基于半导体的光子光器件，包括例如，但不限于，激光器、光移相器、调制器、复用器、开关等。光子器件根据器件的特定性质执行功能或操作。光子器件247耦合至第二锥形波导器件101B，以将光束耦合至光纤249。在光束从发送器243输出后，其然后光耦合至光接收器245。在一个实施例中，光束215传播通过光纤249以从光器件243传播至光接收器245。在描述的实施例中，光器件和渐缩波导能够以足够用于吉比特以太网(GbE)、通用串行总线版本3 (USB 3)、显示端口以及其它高速数据接口的数据率弓I导光信号。在前述详细描述中，参照本发明的方法和设备的具体范例实施例描述了本发明的方法和设备。然而，明显地，可以不脱离本发明的宽广精神和范围对其进行各种修改和改变。本发明的说明书和附图因此视为示例性的而非限制性的。
权利要求
1.一种用于光通信的耦合器，包括由第一半导体材料和第一半导体层构成的第一光波导，所述第一光波导具有光耦合至第一外部器件的第一端并具有第二端，所述第二端具有位于所述第二端的带尖端的锥形；由第二半导体材料和第二半导体层构成的第二光波导，所述第二光波导光耦合至所述第一光波导的锥形，所述第二光波导具有第一端和第二端，所述第二端具有位于所述第二端的带尖端的锥形；以及由第三半导体材料构成的第三光波导，所述第三光波导光耦合至所述第二光波导的锥形，所述第三光波导的横截面面积大于所述第一光波导和所述第二光波导的横截面面积， 以光耦合至横截面面积大于所述第一外部器件的横截面面积的第二外部器件。
2 如权利要求1所述的耦合器，其中，所述第一光波导与所述第二光波导平行并相邻。
3.如权利要求1所述的耦合器，其中，所述第一光波导的第一端用于接收来自所述第一外部器件的光束，其中，所述光束被所述锥形从所述第一光波导引导至所述第二光波导， 所述第二光波导的第一端用于接收所述光束，并且其中，所述第三光波导用于将所述光束投射至外部波导。
4.如权利要求1所述的耦合器，其中，所述第一光波导的第一端和所述第二光波导的第一端相邻并耦合，均接收所述光束的一部分。
5.如权利要求1所述的耦合器，其中，所述第一光波导的锥形和所述第二光波导的锥形各具有较大端和尖端，并且其中，各锥形的较大端位于距所述第一光波导的第一端相同距离处。
6 如权利要求5所述的耦合器，其中，所述第一光波导的锥形的较大端比所述第二光波导的较大端小，并且其中，所述第二光波导的锥形的尖端比所述第一光波导的锥形的尖端离所述第一光波导的第一端远。
7.如权利要求6所述的耦合器，其中，所述第一光波导的锥形和所述第二光波导的锥形在各自的波导的壁中以相等角度形成，使得各自的波导以相同速率渐缩。
8.如权利要求1所述的耦合器，其中，所述第三光波导具有矩形横截面。
9.如权利要求1所述的耦合器，其中，所述第二波导的尖端延伸到所述第三波导中。
10.如权利要求1所述的耦合器，其中，所述第三光波导由氮氧化硅形成。
11.如权利要求1所述的耦合器，其中，所述外部波导是光纤。
12.如权利要求1所述的耦合器，其中，所述光束接收自半导体波导。
13.如权利要求1所述的耦合器，其中，所述第二光波导的折射率大于所述第一光波导的折射率。
14.如权利要求13所述的耦合器，其中，所述第三光波导的折射率大于所述第二光波导的折射率。
15.如权利要求1所述的耦合器，其中，所述第一光波导为设置于所述半导体层中的脊形波导。
16.一种方法，包括将光束引导至光耦合器的第一光波导中，所述第一光波导由第一半导体材料和第一半导体层构成；通过位于所述第一光波导的一端的锥形将所述光束从所述锥形的较大端至所述锥形的较小端引导至第二光波导中，所述第二光波导由第二半导体材料和第二半导体层构成；通过所述第二光波导的一端的锥形将所述光束从所述锥形的较大端至所述锥形的较小端引导至由第三半导体材料构成的第三光波导中，所述第三光波导的横截面束面积大于所述第一光波导和所述第二光波导的横截面束面积；以及将所述束从所述第三光波导弓I导至外部波导。
17.如权利要求16所述的方法，其中，将所述光束引导至所述第二光波导中包括在一个方向上减小所述光束的模式尺寸，同时在第二方向上增大所述光束的模式尺寸。
18.如权利要求16所述的方法，其中，将所述光束引导至所述第三光波导中包括增大所述光束的模式尺寸。
19.一种用于光通信的系统，包括光发送器，用于发送光束；光接收器，用于接收光束；设置于所述光发送器与所述光接收器之间的光器件，所述光器件包括光子器件，用于接收所述光束并对其执行操作，以及耦合器，用于接收来自所述光子器件的所述光束并将其引导至光纤中，以传输至所述接收器，所述耦合器具有由第一半导体材料和第一半导体层构成的第一光波导，所述第一光波导具有用于接收光束的第一端并具有第二端，所述第二端具有位于所述第二端的带尖端的锥形；由第二半导体材料和第二半导体层构成的第二光波导，所述第二光波导耦合至所述第一光波导的锥形，使得所述光束被所述锥形从所述第一光波导引导至所述第二光波导，所述第二光波导具有第一端和第二端，所述第二端具有位于所述第二端的带尖端的锥形；以及由第三半导体材料构成的第三光波导，所述第三光波导耦合至所述第二光波导的锥形，使得所述光束被所述第二光波导的锥形引导至所述第三光波导，所述第三光波导的横截面面积大于所述第一光波导和所述第二光波导的横截面面积，以将所述光束投射至所述光纤。
20.如权利要求19所述的系统，其中，所述耦合器还包括设置于所述半导体层中在所述第一光波导的较小端与所述第二光波导的较大端之间的抗反射区域。
21.如权利要求19所述的设备，其中，所述第一半导体材料和所述第二半导体材料包括硅(Si)，且所述第三半导体材料包括氮氧化硅(SiON)。
全文摘要
描述了一种在硅光子芯片与光纤之间有效耦合的方法和设备。在一个实施例中，根据本发明的实施例的设备包括第一光波导，具有光耦合至第一外部器件的第一端，并具有第二端，第二端具有在所述第二端带尖端的锥形；第二光波导，光耦合至所述第一光波导的所述锥形，并具有在第二端带尖端的锥形；以及第三光波导，光耦合至所述第二光波导的所述锥形，所述第三光波导光耦合至第二外部器件，所述第二外部器件的横截面面积比所述第一外部器件的横截面面积大。
文档编号G02B6/38GK102159975SQ200980136198
公开日2011年8月17日 申请日期2009年9月11日 优先权日2008年9月17日
发明者A·刘 申请人:英特尔公司