单模光耦合器的制作方法

本申请要求于2016年9月30日提交的题为“singlemodeopticalcoupler”的美国申请15/282,728的优先权，该申请要求于2016年5月20日提交的题为“singlemodeopticalcoupler”的美国临时申请62/339,624的优先权。

本公开的实施例一般涉及光电子领域，并且更具体地，涉及用于为诸如在绝缘衬底上的硅(soi)晶片上制造的硅光子电路的平面光子电路提供单模光耦合器的技术和配置。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述将容易理解实施例。为了便于描述，相同的附图标记指定相同的结构元件。通过示例而非限制的方式在附图中示出了实施例。

图1是根据一些实施例的光电子器件的框图，该光电子器件可以包括配置有多级锥形和如本文所述的用于反射光的镜子的单模光耦合器。

图2a是现有技术光耦合器的横截面侧视图。

图2b是根据各种实施例的包括多级锥形的光耦合器的横截面侧视图。

图3a是图2a的现有技术光耦合器的横截面图，示出了对应于图2a中所示的光传播区域的波导段。

图3b是图2b的光耦合器的横截面图，示出了对应于图2b中所示的光传播区域的波导段。

图4a至图4d示出了根据各种实施例的示例光模式。

图5示出了根据各种实施例的对应于各种输出耦合器设计的红外模式表征。

图6示出了根据各种实施例的区域(ii)的末端处的波导部分的示例光学模式分布。

图7示出了根据各种实施例的作为针对不同抗反射涂层设计的波长的函数的建模反射率。

图8示出了根据各种实施例的2层和3层arc堆叠的示意图。

图9示出了根据各种实施例的用于2层arc的每种模式的波导输出和建模反射率的示例模式分布。

图10示出了根据各种实施例的器件选择性灰度设计选择。

图11示出了根据各种实施例的作为示例光耦合器的镜角θ的函数的单模背反射。

图12示出了根据各种实施例的与图11的背反射相关的各种镜角的相对应的有限差分时域(fdtd)场分布。

图13是具有一种或多种集成中间材料的光耦合器的另外实施例的横截面侧视图。

图14是根据一些实施例的光电系统的框图，该光电系统可包括配置有多级锥形和如本文所述的用于反射光的镜子的光耦合器。

图15示意性地示出了根据一些实施例的包括具有光耦合器的光学器件的示例计算设备。

具体实施方式

本公开的实施例描述了用于被配置为提供与其他光学器件的光学耦合的光学器件的技术和配置。在各种实施例中，单模光耦合器可包括多级光学锥形，以将来自第一模场直径的光转换成大于第一模场直径的第二模场直径，以及形成在介电层中的镜子，相对于介电层的平面大约45度角，用于基本上垂直地反射来自多级光学锥形的光，从而以单模方式传播光。在一些实施例中，多级锥形可包括作为第一级的倒锥形和作为第二级的肋形波导锥形。

硅光子学通常被认为是基于平面光子电路的最流行和最成功的技术平台之一，用于经济有效的光电子集成。基于光波导的光子器件如激光器、调制器和检测器通常在绝缘体上硅(soi)晶片上制造。在soi光子系统中，光通常被限制在晶片(或芯片)平面中。硅波导通常设计有亚微米横截面，允许有源和无源器件的密集集成，以实现更高的速度和更低的驱动功率。由于硅与其他介质(例如，空气或玻璃)之间的高折射率对比度，离开硅芯片的光的数值孔径(na)可能大于光纤的典型na。

先前的耦合配置和技术包括基于光栅耦合器的光耦合器和用于边缘和垂直发射的模式转换器。模式转换器解决方案通常限于边缘耦合方法，除非在光路中引入大约45度的镜子以向上重定向光。此外，这些方法还没有特别优化用于耦合到单模光纤；这可能需要优化单模输出特性和最小化发射角变化。先前的模式转换器方法通常也限于单层抗反射(ar)涂层。各种实施例可以包括旨在最小化电介质和空气界面之间的反射的多层ar涂层。尽管已经证明光栅耦合器具有近垂直发射和单模输出特性，但它们通常遭受高背反射，除非发射取向远离垂直(由于二阶衍射)和有限的光谱带宽。虽然光栅耦合器能够实现有利于宽松对准公差的低na发射模式，但是这种低na会增加与发射角度变化相关的损失(这是一种高度制造敏感的参数，因此需要极高的制造公差或单模光纤附着的有效角度对准方案)。

在以下描述中，将使用本领域技术人员通常采用的术语来描述说明性实现方式的各个方面，以将他们工作的实质传达给本领域其他技术人员。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以仅利用所描述的一些方面来实践本公开的实施例。出于解释的目的，阐述了具体的数字、材料和配置，以便提供对说明性实现的透彻理解。对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其他实例中，省略或简化了众所周知的特征，以免模糊说明性实现方式。

在以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，其中相同的附图标记始终表示相同的部分，并且其中通过图示的方式示出了可以实践本公开的主题的实施例。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义，并且实施例的范围由所附权利要求及其等同物限定。

出于本公开的目的，短语“a和/或b”意指(a)、(b)或(a和b)。出于本公开的目的，短语“a、b和/或c”表示(a)、(b)、(c)、(a和b)、(a和c)、(b和c)、或(a、b和c)。

描述可以使用基于透视的描述，诸如顶部/底部、输入/输出、上方/下方等。这些描述仅用于促进讨论，并不旨在将本文描述的实施例的应用限制于任何特定的取向。

描述可以使用短语“在实施例中”或“在各个实施例中”，其可以各自指代相同或不同实施例中的一个或多个。此外，关于本公开的实施例使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的。

这里可以使用术语“与...耦合”及其衍生物。“耦合”可以表示以下中的一个或多个。“耦合”可以表示两个或更多个元件直接物理或电接触。然而，“耦合”还可以意味着两个或更多个元件彼此间接接触，但仍然彼此协作或交互，并且可以意味着一个或多个其他元件耦合或连接在被称为彼此耦合的元件之间。术语“直接耦合”可以表示两个或更多个元件直接接触。

在各种实施例中，短语“形成、沉积或以其他方式设置在第二层上的第一层”可以表示第一层形成、沉积、生长、粘合或以其他方式设置在第二层上，并且第一层的至少一部分可以与第二层的至少一部分直接接触(例如，直接物理和/或电接触)或间接接触(例如，在第一层和第二层之间具有一个或多个其他层)。

如这里所使用的，术语“模块”可以指执行一个或多个软件或固件程序、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其它合适的硬件组件的专用集成电路(asic)、电子电路、处理器(共享、专用或组)或存储器(共享、专用或组)，是其一部分或包括这些。

各种实施例可以包括用于使用标准互补金属氧化物半导体(cmos)处理技术耦合来自硅光子发射器芯片的光的技术、配置、设备和/或系统。各种实施例可以包括：单模发射分布，以实现从发射器芯片到单模光纤的高效耦合，具有最小角度变化的垂直或近垂直发射，以及用于最小化激光反馈的低背反射。

一些实施例可以使用以下组件或技术中的一个或多个来解决上面列出的三个项目中的一个或多个。

(1)多级锥形和～45度镜面设计，用于实现高效的垂直/近垂直单模耦合，占地面积小。以前的方法没有使用多级锥形加上～45度镜的这种组合用于单模耦合。

(2)一种使用灰度设计的可编程步进/选择对镜角进行改进的制造控制，来补偿晶片内角度变化(例如，由于蚀刻或工艺不均匀)的方法。

(3)[a]：集成在器件上的多层抗反射(ar)涂层，能够实现比单层ar涂层所能提供的更低的背反射。在一些实施例中，该方法可以利用可调谐折射率材料，例如氮化硅和富硅氮化物，并且还可以受益于模式转换器波导折射率的共同优化。[b]：一些实施例可以通过实施非45度镜来减少背反射(可以与单层或多层ar涂层组合)。在各种实施例中，利用远离45度的角度可以允许进一步抑制来自波导-空气界面的背反射，并且可以保持单模输出分布。在这种情况下，在一些实施例中，用于单模光纤的封装方案可以设计用于具有非垂直发射角的光学耦合。在各种实施例中，这可以通过例如使光纤成角度，改变光纤刻面角度或修改透镜或棱镜来实现。[c]：一些实施例可以包括可选地添加双面灰度级斜率以增加器件产量并降低背向反射的风险，其中si波导与较低折射率波导接合。

使用波导+45度镜垂直耦合的一些先前的方法仅依靠单个锥形级将光从小模场直径(mfd)硅波导(<0.8微米)转换为由较低折射率材料(<3.5)组成的更大的mfd波导(>1.5微米)。当在紧凑的覆盖区(例如，<300微米长度)内在这些波导之间耦合时，由于从硅波导的基模到低折射率波导的基模的低效耦合，输出发射分布本质上通常是多模的。对于依赖于倒锥形的单级模式转换器，高效耦合到较低折射率波导的基模通常需要(i)基本上增加锥形长度(至-mm标度)，或(ii)减小输出波导的尺寸(这是不利的，因为会导致更高的na输出)。

各种实施例可以通过使用多级锥形来克服这些限制中的一个或多个，其中可以使用倒锥形来仅提供部分模式扩展，然后可以使用第二级肋形波导锥形来提供剩余的模式扩展并且匹配较低折射率波导的输出基模。具有该输出锥形和波导的一些实施例可以包括绝热最终模式扩展，以便在输出波导的基模中保持功率。在各种实施例中，波导可以以不会使输出模式分布失真的方式与镜子接合。可能导致输出模式分布失真的非最佳方法包括：(i)与镜子重叠的输出肋形波导，其将导致蚀刻区域与未蚀刻区域之间的干扰；(ii)输出肋形波导，在镜子之前终止于通道波导或平板区域(引起更高阶水平模式的激励)。

在一些实施例中，为了实现到单模光纤的低损耗光学耦合，可以精确地控制输出耦合器的镜角。例如，对于以垂直发射(0度)为目标的实施例，最佳镜角可以是45度。由于来自镜子的反射和输出光学界面处的折射的组合效应，1度镜子变化可导致>3度的输出发射角度变化(例如，对于折射率n>1.5的波导)。随着发射角度失配的增加，到单模光纤中的耦合损耗也会增加。耦合损耗的确切变化取决于输出耦合器的na和透镜/封装方案的放大率(如果使用的话)。在基于氮化硅的光耦合器(n～2)和输出na-0.3的一些示例中，对于大约2度的镜面倾斜(例如，43度+/-2度)，光学耦合损失达到1db。

用于镜面制造的传统方法通常依赖于灰度级光刻，并且还可能涉及将蚀刻转移到介电层中。通常，光刻胶中限定的镜面角度(经由灰度光刻)可以很好地控制并且可以在晶片内高度可重复。然而，转移到介电层中的镜角可能受到蚀刻过程的选择性的强烈影响。该选择性可以在蚀刻室内在空间上变化，因此也可以在大晶片的表面上变化(例如，150mm、200mm、300mm、450mm直径)，从而使得镜角在晶片内变化。该问题的解决方案通常限于可实现的工艺能力(例如，最小化晶片内的蚀刻选择性，以及降低标称蚀刻选择性值)。

关于各种实施例描述的技术可以通过提供蚀刻选择性的跨晶片变化通过使用具有步进工具x、y平移的单个掩模的可编程灰度设计选择来补偿来克服先前方法的限制。在各种实施例中，例如，如果蚀刻选择性在晶片的中心处系统性地低并且在晶片边缘处高，则步进工具可以被编程为将掩模移动预定距离，使得其在晶片中心处印刷更高灰度抗蚀剂角度并且在晶片边缘处印刷较浅的灰度抗蚀剂角度。在一些实施例中，该方法可能要求所有灰度角设计都包括在同一掩模上。在各种实施例中，基于步进工具施加的x、y偏移，可以仅选择1个设计并将其印刷在感兴趣的有源器件上。在一些实施例中，其他灰度设计也可以印刷在晶片(或衬底)上，但是它们可以位于不影响器件性能的非活动位置。在各种实施例中，通过增加灰度设计的数量，晶片内镜面角度变化(以及因此光学耦合损耗)可以逐渐减小。

各种实施例可包括使用二氧化硅和硅-(富)氮化物(sixny)的多层光学涂层的构造和/或使用，其具有针对单模波导输出优化的化学计量可调的折射率。在一些实施例中，ar涂层中的至少一个和波导可以由硅-(富)氮化物(sixny)构成，并且层中的至少一个可以由二氧化硅构成。在各种实施例中，可以优化多层arc以抑制输出波导的基模的背反射。在一些实施例中，这可以将反射抑制到低于多模波导上的优化涂层可以实现的值(背反射对波导的模式内容敏感)。因此，通过利用单模输出分布结合可调折射率(sixny)平台用于ar涂层中的一个或多个和波导二者，各种实施例可以提供最佳的低背反射。

各种实施例可以涉及将来自片上硅波导的光光学耦合到片外单模光纤(smf)的挑战。各种实施例可以提供优于先前技术的改进，用于与具有单模特性的芯片的低耦合损耗、低背反射和垂直或近垂直发射有关地执行该功能。

图1示出了描绘发射器芯片(tx)100的示意性框图，其具有根据各种实施例形成的光耦合器102。在各种实施例中，光耦合器102可以从片上硅波导104获取光，将光的光学模式绝热地转换为较低折射率(<3.5)波导的较大模场直径(mfd)基模，以及然后，将该光引导到芯片外以耦合到单模光纤(smf)106。在各种实施例中，输出光可以通过发射角、数值孔径(na)和模式内容来表征，而反射光可以通过其反射幅度，“refl”来表征。在一些实施例中，大型mfd波导可以包括多种材料中的一种或多种，例如氮化硅、富硅氮化物、氮化铝、氧化钽、氮氧化硅、掺杂二氧化硅、聚合物如聚酰亚胺、su-8或其他一些材料。

tx100可以包括图中未示出的各种光学部件(例如，调制器、激光器、波导、分路器等)。在各种实施例中，朝向tx100的光输出，硅波导104可以与光耦合器102接合。该光耦合器102可以采用具有通常非常低的模场直径(mfd)(例如，<0.5微米)的输入光，绝热地将其转换为更高的mfd光学模式，以便不显著激发更高阶模式(例如，>5％)，并且然后在全内反射(tir)下使用成角度的镜面界面将该光向上反射离开芯片表面。在一些实施例中，从芯片100发射的光的特征在于其相对于芯片表面法线的发射角度、数值孔径(na)以及在输出波导中承载的模式内容。然后，该光可以耦合到单模光纤(smf)106中，并且在到达smf刻面之前可以或者可以不通过一个或多个芯片外光学部件108(例如透镜、棱镜、隔离器等)。耦合方法可包括例如：在光路中具有或不具有中间材料(例如环氧树脂)的对接耦合，或透镜耦合(使用1或2个透镜或一些其他数量的透镜)以放大光学mfd以大致匹配smf的光学mfd；用于透镜/光纤连接的对准方案可以是有源的(基于反馈的)或无源的(基于机械对准)。

在一些实施例中，从输入硅波导104传递到光耦合器102的光可以经历来自光耦合器102的反射(在图1中标记为“refl.”)。该反射可能是由于光耦合器102内存在的一个或多个光学界面引起的，并且可能包括：硅波导104和角度折射率输出波导之间的初始界面；沿光路的锥形终端和尖端；以及/或设备的输出端处的电介质/空气接口。

图2a示出了现有技术光耦合器的示例。图2b示出了图1的光耦合器102的示例实施例的更详细的横截面侧视图，示出为光耦合器202。指示了器件的四个区域，包括：(i)硅波导区域；(ii)倒锥形区域；(iii)输出波导和/或锥形；以及(iv)最终波导段，包括具有角度θa/b的tir镜，以及抗反射涂层(arc)。在各种实施例中，诸如可以包括在区域(iii)和/或(iv)中的大mfd波导可以包括多种材料中的一种或多种，所述多种材料诸如氮化硅、富硅氮化物、氮化铝、钽氧化物、氮氧化硅、掺杂的二氧化硅、聚合物如聚酰亚胺、su-8或一些其他材料。在一些实施例中，具有低mfd的倒锥形区域(ii)的倒锥形波导可以由折射率高于大mfd波导的任何材料构成，并且可以包括硅、氮化硅、富硅氮化物、氮化铝、氧化钽、氮氧化硅或一些其他材料中的一种或多种。在各种实施例中，可以使用诸如掺杂或化学计量调整的一种或多种技术来调谐包括低mfd和/或高mfd波导的材料的折射率。在一些实施例中，可以在形成耦合器之前或期间调整一种或多种材料(诸如富硅氮化物、掺杂二氧化硅、氮氧化硅或形成低mfd波导或高mfd波导中的一个或多个的一些其他材料)的折射率。

图3a示出了对应于图2a中所示的光传播区域的波导段(i-iv)的横截面切片图示。

图3b示出了对应于图2b中所示的光传播区域的波导段(i-iv)的横截面切片图示。

各种实施例可以包括灰度斜率，以减少或消除由于波导形成或蚀刻引起的边缘效应。在一些实施例中，灰度斜率可用于抑制波导形成或蚀刻影响下面的si波导，并且用于提高性能(减少损耗和减少背反射)和/或增加产量。该方面在图2b中的区域(i)示出。先前的耦合器通常不包括此输入侧斜率。在各种实施例中，在区域(i)中添加输入侧斜率可用于最小化由于波导形成或蚀刻引起的边缘效应。例如，在区域(ii)到(iv)的制造中执行的灰度级蚀刻工艺期间，该蚀刻可以停止在下面/嵌入的硅波导上或稍微高于下面/嵌入的硅波导。在该蚀刻的侧壁处，反应气体的流动可能受到限制并引起局部微负载效应，这会加速相对于区域(ii，iii)的中心的蚀刻速率，从而有损坏下面/嵌入的硅波导的风险。这种不必要的损坏的影响可包括增加的传输损耗、耦合损耗、背反射和降低的器件产量。在一些实施例中，添加输入侧斜率可以避免这些问题，同时不会对器件性能产生其他副作用。

各种实施例可以包括较低mfd硅波导模式到较高mfd较低折射率波导基模随后是片外tir镜输出发射的绝热演变设计。在一些实施例中，这可以涉及图2b和3b的区域(ii)、(iii)和(iv)。各种实施例可以包括波导设计，以实现从区域(i)中的输入硅波导的基模到区域(iii)中的较低折射率波导的基模的绝热模式演变。在先前的设计中，从硅波导到较低折射率波导的耦合仅通过区域(ii)中的si倒锥形来执行，并且该转变可以是绝热的或者也可以不是绝热的。

图4a至图4d示出了类似于图2b和图3b的区域(iii)的通道波导的示例模式。图4a显示了波导的基模，而图4b到图4d描绘了可以通过近场强度的水平(水平)和垂直(垂直)横向波动分类的高阶模式(hom)。对于耦合到单模光纤的应用，各种实施例可以最大化能量到基模的转移并抑制hom的激发。一些实施例可以将基模中的功率一直保持到输出镜，因为即使是从区域(iii)到(iv)的非理想波导过渡(例如，突然的肋到通道或板的过渡)的短区域也可以有不良影响，并导致耦合到hom。

图5示出了对应于各种输出耦合器设计的实验红外(ir)模式表征。第一ir模式表征502(也示为(a))示出了以垂直和水平hom为特征的高度多模输出行为。该特定示例来自非优化设计(总锥形长度l<500微米)，类似于图2a和图3a中的现有技术。由此产生的对单模光纤的耦合损耗非常高(例如4-12+db)，并且由于多模干涉而在部件之间变化。确定该设计以实现到基波的绝热传递估计需要总锥长度l>1.5mm，其可能比期望的长。

仍然关于图5，第二ir模式表征504(也示为(b))表明，通过引入第二波导设计，可以在保持锥长度l<500微米的同时实现输出模式特性的部分改善，第二波导设计可以是肋蚀刻的通道波导，如图2b和图3b、区域(ii)所示。在一些实施例中，该设计可以帮助实现对垂直hom的抑制，但是可以不完全抑制水平hom。由于在该设计中肋蚀刻的通道波导终端，模式分布也不是旋转不对称的，这导致对单模光纤的中等到严重的高耦合损耗。

仍然关于图5，也示出为(c)的第三ir模式表征506示出了根据各种实施例并在图2b和图3b中示出的光耦合器的输出模式特性。在一些实施例中，该器件可以设计成具有设计参数(波导宽度、高度和锥形长度)的两级锥形，其具体选择为确保>95％的功率传递到输出波导的基模。在一些实施例中，两级锥形可包括两种不同类型的锥形。在各种实施例中，两种不同类型的锥形中的每一种可以是倒锥形、肋锥形、肋到通道锥形或一些其他类型的锥形。在一些实施例中，两种不同类型的锥形中的一种或多种本身可具有多级，例如可用作两种不同类型的锥形之一的多级倒锥形。在各种实施例中，可以使用具有至少两种不同类型的锥形的多级锥形，其可以具有多于两个级。在一些实施例中，具有两级锥形的耦合器可以具有作为第一级的倒锥形和作为第二级的肋到通道锥形，两级锥形具有两种不同类型的锥形。

在各种实施例中，微米级波导高度h通常可在约1微米至约12微米的范围内。在各种实施例中，波导宽度wc也可具有类似的微米尺度，通常为约1微米至约12微米。在一些实施例中，波导肋蚀刻深度h通常可以是h的分数，范围从大约0.3到大约0.8，并且在各种实施例中，范围可以优选地从大约0.4到大约0.7。在一些实施例中，锥形长度可以取决于波导尺寸h和硅波导尺寸，但是通常可以是至少几十微米到几百微米(随波导h增加)，并且在一些实施例中可以超过1毫米(mm)，但在各种实施例中，优选小于10mm。在各种实施例中，光耦合器首先将光先从(i)硅波导转换为(ii)硅倒锥形/低折射率波导混合模式，转换为(iii)肋蚀刻的通道波导，转换为(iv)仅通道波导，最后与输出镜接合。在一些实施例中，在总共两级组合的锥长度l<500微米的情况下，这可以使得实现对单模光纤的耦合损耗<1.5db。

各种实施例可包括无尖端模式转换器，其特征在于连续的非零肋尺寸wr(ii)和下面的倒锥形。在一些实施例中，与先前设计相比，无尖端模式转换器可在ii/iii接口处实现减小的模式失配(较低损耗)。该方面涉及图2b和图3b的区域(ii)。特别地，“肋”结构用图3b区域(ii)中的黑色虚线分布突出显示。在一些实施例中，肋波导宽度wr(ii)在区域(ii)中并且特别是在区域(ii)和(iii)之间的界面处非零。先前的设计通常在该区域中具有零宽度的肋，因此在波导的肋结构中形成“尖端”。该尖端的形成导致(ii)和(iii)之间的界面处的模式失配。如在一些实施例中提供的，消除尖端可以使模式失配消失。为了将相同的绝热功率传输保持到输出波导的基模，一些实施例的无尖端设计可以提供仔细设计wr(ii)，以便最小化在区域(ii)中所示的i级锥形中的hom的激励，这在图6中示出，如下所述。通常，在各种实施例中，wr(ii)可以足够窄，使得区域(ii)和(iii)之间的界面处的光学模式被限制在波导的下部(图6(b))，类似于如果wr(ii)，则模式将如何被限制(图6(a))。在一些实施例中，该设计可以有利于区域(ii/iii)界面处的低传输损耗和低背反射。应当注意，术语“无尖端”用于强调光学路径中不存在“尖端”特征，因此可以保持“尖端”特征的物理存在(在一些实施例中，肋蚀刻特征需要沿着器件的某个点开始，只要它从光路移开足够远(例如>1微米，但通常>50微米)。

在各种实施例中，wr(ii)可小于约0.5微米或在一些实施例中尽可能低。在各种实施例中，wr(ii)的值可取决于波导高度(h)和肋蚀刻深度(h)。在一些实施例中，可以以这样的方式选择wr(ii)：对于波导宽度wc(ii)为无穷大的相同高度的波导，将单模推向其截止条件。在h/h可以约为0.5的一些实施例中，可以选择wr(ii)使得wr(ii)<0.55*h。在各种实施例中，对于在约1微米至约12微米的范围内的h的微米级值，wr(ii)可以在约0.5微米至约5微米的范围内。

图6示出了紧接进入区域(iii)之前的区域(ii)末端的波导部分的示例光学模式分布。针对wr的各种值计算光学模式分布：在第一光学模式分布602中，也示出为(a)，wr＝0是在一些先前的现有技术设计中使用的“有尖端”版本；第二光学模式分布604，也示为(b)，是根据各种实施例的示例性解决方案；并且第三光学模式分布606，也示为(c)，是无尖端模式转换器的非最佳实现方式的示例，其中wr已被设置得太大，迫使模式更高地进入波导。

一些实施例可以包括具有波导和多层抗反射(ar)涂层中的至少一层的光耦合器，ar涂层包括具有可调折射率(～1.95至～2.7)的硅-(富)氮化物，sixny。使用硅-(富)氮化物的各种实施例可以具有x：y的si：n比，其中如果x＝3，y<4并且在各种实施方案中范围可以使得1≤y≤4。各种实施例可包括如图2b的区域(iv)中所示的抗反射涂层(arc)。在一些实施例中，多层arc可以集成在波导的镜面区域上方，并且可以包括使用二氧化硅和硅-(富)氮化物(sixny)的光学涂层，其具有针对低背反射优化的化学计量可调的折射率。在各种实施例中，下面的波导也可以由具有化学计量可调的折射率的硅-(富)氮化物(sixny)组成。与传统的现有技术相比，其中多层arc针对特定波导折射率进行了优化，一些实施例可以被构造使得波导折射率被包括为自由设计参数。因此，输出反射率的全局优化可以通过多层arc参数(层厚度和折射率)的共同优化以及下面的波导的折射率来实现。在一些实施例中，可以根据以下内容选择n_wvg：其中

δ＝nwvg-neff

在上述第一等式中，n0是外部包层或环境的外部折射率(通常为空气，即n＝1)。n1是顶部arc层的折射率，而n2是底部arc层的折射率。nwvg是波导材料的实际折射率，而neff是输出波导基模的有效折射率。对于微米级波导，德尔塔参数δ通常可以在～0.06至0.005或更小的范围内。

在硅(富)氮化物平台的情况下，nwvg和n2通常可以是～1.9至～2.7的折射率。n1通常低于n2，可能为～1.4至～1.9。那么n0小于n1；通常为例如～1或～1.4、1.5。

如下面关于图7和图8所述，在各种实施例中，多层arc堆叠可以实现从镜子上方的输出接口的显著改善的背反射(回波损耗)。图7示出了在一些实施例中可以使用硅-(富)氮化物(sixny)基arc的仔细调整的折射率和厚度来优化下面的硅-(富)氮化物(sixny)基的波导的反射率。图7的虚线突出了相对于一些实施例的下面的硅-(富)氮化物(sixny)折射率下面的波导的重要性。如图所示，对于一些实施例，示例性2层arc堆叠对于波导折射率1.97可以比折射率1.95更好地表现，并且相反地，3层arc可以提供更大的带宽，但是对于波导折射率1.95可以比1.97更好地表现。在各种实施例中，n_wvg可以用作自由设计参数，因为小的变化(+/-5％)可能不会显著影响器件的输出传输或单模耦合性能。

图7示出了作为波长函数的建模反射率，例如arc设计。实线表示波导折射率被建模为nwvg＝1.95，虚线表示nwvg＝1.97。第一实线702对应于1层arc。第二实线704对应于2层arc。第一虚线706对应于2层arc。第二虚线708对应于3层arc。第三实线710对应于3层arc。图8示出了根据各种实施例的2层和3层arc堆叠的示意图。在一些实施例中，arc堆叠可以包括在硅-(富)氮化物(sixny)基波导上的二氧化硅和硅-(富)氮化物(sixny)多层arc。

在各种实施例中，硅-(富)氮化物，sixny的至少一层可以同时涂覆在tx芯片上的其他有源器件上方的包层中，从而增加气密性(耐湿气性，湿度渗透性)并提高下层有源器件的可靠性。各种实施例可以包括在多层ar涂层中使用的硅-(富)氮化物(sixny)的至少一层，其同时沉积在同一tx芯片上的一个或多个有源器件上方的包层区域中(图1)。与不包括硅-(富)氮化物(sixny)的单层ar涂层(例如仅氧化物)相比；在包层中包含硅-(富)氮化物(sixny)可以提供改善的气密性并减少和/或减缓湿气和水分渗透到可能影响下面的有源器件性能的地方。有源器件可以包括但不必限于：激光器、光电探测器、光电二极管、光学调制器、二极管等。在各种实施例中，针对密封层和arc层使用相同的层沉积的优点可以是降低工艺复杂性和成本的能力。在一些实施例中，其对于晶片级制造也是特别方便的，其中arc沉积可以是最终处理步骤之一。

在一些实施例中，可以使用单模式输出与针对波导模式有效折射率优化的多层arc的组合，这可以使得能够抑制比多模波导和arc更低的背反射。各种实施例可以包括区域(iv)中的多层ar涂层，例如上述的，与专门设计用于单模输出特性的光耦合器区域(i-iv)的组合。在一些实施例中，与先前的现有技术设计相比，单模波导输出和多层arc的组合可以实现对背反射的进一步优化。在一些实施例中，术语“单模”波导输出不是指波导仅支持一种模式的能力，而是指仅由区域(ii)和(iii)中的锥形激发一种模式(即基模)。例如，一些实施例可以在输出区域(iii)和(iv)处利用多模式支撑波导，但是光耦合器可以以这样的方式设计，使得功率绝热地转移到基模并且更高阶模式(hom)可能不会被显著激发(即<5％)。

图9(a-c)描绘了具有折射率n＝2，高度、宽度均等于3微米的输出区域(iii或iv)的波导的示例模式分布。所示的三种模式(a、b、c)是非最佳光耦合器中最容易激发的模式，类似于一些现有技术设计，例如参考图2a和图3a描述的那些设计。图9(d)显示了图8所示相同设计的2层arc的每种模式的建模反射率，除了波导折射率变为n＝2。第一实线902对应于模式a，第二实线904对应于模式b，而第三实线906对应于模式c。标记为“mm”的虚线表示模式a、b和c之间具有相等权重的多模波导的净反射率。

如上所述，图9示出了根据各种实施例的与多层arc组合抑制hom的益处。在多模波导中，组成特征模(例如a、b、c等)都以不同的传播常数(或相速度)行进，并且每个都可以被赋予唯一的有效折射率(neff)。为了优化arc以实现最小的背反射，各种实施例可以解决波导和自由空间(或外部包层)之间的阻抗失配。然而，该阻抗失配随着每个波导模式的neff而变化，从而导致反射率具有模式依赖性。原则上，这意味着仅对于单个neff值并且因此单波导模式才能实现真正的阻抗匹配。对于光耦合到单模光纤的应用，可以选择针对波导的基模优化ar涂层。如图9(d)所示，当2层arc的这个示例设计与仅抑制模式b，c的激励的单模输出(模式a)组合时，与携带在模式a、b和c之间均匀分布的功率的多模波导相比，可以以>10db抑制背反射。

各种实施例可包括晶片内的可编程镜角度变化/补偿，利用一个掩模上的多个设计和通过步进器x，y平移来激活所选设计。在一些实施例中，该方面可涉及图2b的区域(iv)。

图10示出了根据各种实施例的器件选择性灰度设计选择。在该示例中，示出了来自相同晶片(但是不同场)的两个器件x、y。灰度设计(或掩模)可以包括具有不同角度的多于1个灰度级斜率的设计(该示例包含3个灰度级设计a、b、c)。由于器件x和器件y位于晶片的不同场中，因此可以通过施加掩模相对于晶片的x、y偏移来局部地对灰度设计编程以选择a、b或c。在该示例中，掩模的+y偏移标记为“bc”的距离使得灰度设计b能够被设计c替换。在各种实施例中，灰度设计a和b可以被印刷到晶片上，但是可以位于远离光路的非活动区域。该方法可推广到灰度级斜率的晶片级制造，并且可用于补偿例如径向改变晶片上的蚀刻选择性。在这个示例中，假设器件x位于晶片中心，并且局部蚀刻选择性由x'给出；类似地，器件y可以位于晶片边缘并且经历由y'给出的局部蚀刻选择性。如果x'和y'不相等，则用于恒定灰度设计的结果镜像分布也将不同。在一些实施例中，通过针对器件x和器件y选择不同的灰度设计，局部蚀刻选择性的差异可以用光致抗蚀剂中的不同倾斜角度进行预补偿，使得最终蚀刻的斜率更紧密地匹配。

一些实施例可以包括用于附加背反射抑制的非45度镜。在一些实施例中，这可以任选地与封装修改组合以耦合非正常光发射。各种实施例可以利用远离45度特别设计的输出镜角，以便减少来自输出波导界面的背反射。在一些实施例中，该输出波导界面可以是从波导到空气(自由空间)或到另一电介质材料的过渡。图11-图12示出了镜面角度如何用于抑制背反射同时保持单模输出发射。在各种实施例中，非45度镜子的有目的设计(即>47deg标称或<43deg标称角度)可以允许将对基模的背反射抑制超过单独的arc设计可以实现的>5db。在一些实施例中，为了高效地光学耦合到smf，该设计变化可以与封装光学器件的变化配对，以便适应非垂直发射光束(例如，成角度的棱镜、透镜、倾斜光纤、光纤刻面角度变化等)。

图11示出了根据各种实施例的作为镜角θ的函数的示例光耦合器的单模(te00)背反射的模拟结果。图12示出了各种镜角的相对应的有限差分时域(fdtd)场分布，示出了θ＝45度、θ<45度和θ>45度的场分布。

图13是光耦合器的另外实施例的横截面侧视图，其中一个或多个中间材料(im)与倒锥形和输出波导集成在一起。在各种实施例中，一个或多个im可以包括可以通过诸如蒸发、原子层沉积(ald)或化学气相沉积(cvd)中的一种或多种技术沉积在芯片或晶片上的介电层。在各种实施例中，im可以由二氧化硅、氮化硅、富硅氮化物、二氧化钛、氮化铝、氧化钽、多晶硅、氮氧化硅或其他材料形成。在各种实施例中，im可以在“嵌入式”(中间)和“底层”(底部)si锥形设计中实现。在一些实施例中，中间材料(im)可以集成到光学耦合器件中。用第一耦合器1302和第二耦合器1304表示im集成的示例。第一耦合器1302示出了集成在si倒锥形顶部上的im的示例，其中该锥形嵌入在输出波导中。第二耦合器1304示出了im集成的示例，使得si倒锥形完全位于输出波导下方(不再嵌入)。在各种实施例中，im的集成可以允许更大的设计自由度和倒锥形的光学特性的操纵，并且可以用于例如在更宽的光谱带宽上定制或改善锥度效率或改善极化分集(以低损耗操作多个极化的能力)。im还可以使得能够在不影响下面的硅波导的情况下执行光耦合器的制造。在一些实施例中，si倒锥形可以完全在低折射率波导下方并且不嵌入在低折射率波导中。

各种实施例可包括上述组件或元件中的一个或多个的其他组合。

图14是光电系统1400的框图，该光电系统1400可包括根据一些实施例配置的单模光耦合器。光电系统1400可以用于经由光纤发送用数据信号调制的光信号，例如，在数据中心的机架之间，或者在数据存储设备、数据中心之间等长距离传输。

光电系统1400可以包括具有一个或多个光源(例如，激光器件)1404的光学装置(器件)1402，以向相应的调制器1406提供光信号1418(例如，恒定光强信号)以根据要发送的数据信号来调制输入光。光源1404和对应调制器1406的每个组合可以包括通信通道1410、1412、1414。调制器1406可以将调制光信号1420输出到多路复用器(未示出)，其中信号可以输入到光耦合组件1422，光耦合组件1422具有波导1424和光耦合器，例如单模光耦合器(smoc)1426。可替代地，可以将来自一个或多个通信通道1410、1412和1414的一个或多个信号(例如，1420)直接输入到光耦合组件1422没有被多路复用。在一些实施例中，可以使用单个光源和通信通道和/或来自光源的光可以被引导通过波导1424而不被调制器调制。

在一些实施例中，smoc1426可以对应于与关于图1、图2b、图3b、图8或图13所描述的光耦合器或以与关于图1、图2b、图3b、图8或图13所描述的光耦合器类似的方式配置。在各种实施例中，smoc1426的一个或多个组件可以是光子芯片的组件或与光子芯片耦合，所述光子芯片例如硅光子发射器芯片。在各种实施例中，smoc1426的一个或多个组件可以位于光子芯片的可以被描述为水平平面的平面中，并且smoc1426可以在相对于水平平面的垂直方向上发射光。

具有smoc1426的光耦合组件1422可以提供从通道1410、1412、1414到光学通信通道(例如，光纤电缆或可以包括随后是光纤的耦合光学器件的其他配置)的接口1430并且可以配置成将光信号1432传送到光通信通道1430，以由另一光学器件1434接收。在实施例中，光波导1424可包括基于绝缘体上硅(soi)的光波导。在各种实施例中，smoc1426可包括多级锥形1440和镜子1442。

具有多级锥形1440和镜子1442的smoc1426可以被配置为将传播通过波导1424的光信号1444变换为光信号1432以与光通信通道1430耦合，在各种实施例中光通信通道1430可以是单模光纤。

图15示出了根据各种实施例的适用于图1、图2b、图3b、图8、图13和/或图14的各种组件的示例计算设备1500，诸如图14的光电系统1400包括光学器件1402，光学器件1402具有光耦合器1426，光耦合器1426具有多级锥形1440和反射镜1442，或者图1、图2b、图3b或图13描述的光耦合器。如图所示，计算设备1500可以包括一个或多个处理器或处理器核1502和系统存储器1504。为了包括权利要求在内的本申请的目的，术语“处理器”和“处理器核心”可以被认为是同义的，除非上下文明确要求。处理器1502可以包括任何类型的处理器，例如中央处理单元(cpu)、微处理器等。处理器1502可以实现为具有多核的集成电路，例如多核微处理器。计算设备1500可以包括大容量存储设备1506(诸如磁盘、硬盘驱动器、易失性存储器(例如，动态随机存取存储器(dram)、光盘只读存储器(cd-rom)、数字通用盘(dvd)等)。通常，系统存储器1504和/或大容量存储设备1506可以是任何类型的暂时和/或持久存储，包括但不限于易失性和非易失性存储器、光学、磁性和/或固态大容量存储等等。易失性存储器可以包括但不限于静态和/或动态随机存取存储器。非易失性存储器可以包括但不限于电可擦除可编程只读存储器、相变存储器、电阻存储器等。

计算设备1500还可以包括输入输出设备1508(诸如显示器(例如，触摸屏显示器)、键盘、光标控件、遥控器、游戏控制器、图像捕获设备等)和通信接口1510(诸如网络接口卡、调制解调器、红外接收器、无线电接收器(例如，蓝牙)等等)。计算设备1500可以包括光电系统1550，其可以包括具有光耦合器1554的光学器件1552。在各种实施例中，光电系统1550可以类似地配置为光电系统1400的部分或全部，光学器件1552可以与光学装置1402类似地配置，和/或光耦合器1554可以与图1的光耦合器102、图14的smoc1426和/或关于图2b、图3b、图8或图13中的一个或多个描述的光耦合器类似地配置。

通信接口1510可以包括通信芯片(未示出)，其可以被配置为根据全球移动通信系统(gsm)、通用分组无线电服务(gprs)、通用移动电信系统(umts)、高速分组接入(hspa)、演进hspa(e-hspa)或长期演进(lte)网络来操作设备1500。通信芯片还可以被配置为根据用于gsm演进的增强数据(edge)、gsmedge无线电接入网络(geran)、通用陆地无线电接入网络(utran)或演进utran(e-utran)来操作。通信芯片可以被配置为根据码分多址(cdma)、时分多址(tdma)、数字增强无线电信(dect)、演进数据优化(ev-do)及其衍生物以及与任何其他指定为3g、4g、5g及更高版本的无线协议来操作。在其他实施例中，通信接口1510可以根据其他无线协议进行操作。

上述计算设备1500元件可以经由系统总线1512彼此耦合，系统总线1512可以代表一个或多个总线。在多个总线的情况下，它们可以通过一个或多个总线桥(未示出)桥接。这些元件中的每一个可以执行本领域中已知的传统功能。特别地，系统存储器1504和大容量存储设备1506可用于存储用于计算机系统1500的各种组件的操作的编程指令的工作副本和永久副本，所述计算机系统1500的各种组件的操作包括但不限于图14的光学器件1402、计算机系统1500的操作系统，和/或一个或多个应用的操作。各种元件可以由处理器1502支持的汇编指令或可以编译成这些指令的高级语言来实现。

编程指令的永久副本可以放置在工厂中的大容量存储设备1506中，或者通过例如分发介质(未示出)(例如光盘(cd))或通过通信接口1510(来自分发服务器(未示出))放置在现场。也就是说，可以采用具有代理程序的实现方式的一个或多个分发介质来分发代理并对各种计算设备进行编程。

元件1508、1510、1512的数量、能力和/或容量可以变化，这取决于计算设备1500是用作固定计算设备，例如机顶盒或台式计算机，还是移动计算设备，例如平板计算设备、笔记本型计算机、游戏机或智能手机。它们的构造是已知的，因此将不再进一步描述。

在实施例中，存储器1504可以包括计算逻辑1522，其被配置为实现与如参考图14所述的光学器件1402和光耦合器1426和/或参考图2b、图3b、图8或图13所描述的光耦合器的操作相关联的各种固件和/或软件服务。对于一些实施例，处理器1502中的至少一个可以与计算逻辑1522封装在一起，计算逻辑1522被配置为实践本文描述的实施例的各方面以形成系统级封装(sip)或片上系统(soc)。

计算设备1500可以包括光电系统(例如系统1400)或者与光电系统(例如系统1400)相关联，实现光学器件1402的各方面，所述光学器件1402包括如上所述的光耦合器1426，并且特别是参考图1、图2b、图3b、图8、图13和图14所描述的光耦合器的实施例。在一些实施例中，光电系统1400的至少一些组件(例如，光学器件1402)可以与计算设备1500通信地耦合和/或被包括在计算设备1500组件的一个或多个(例如，通信接口1510之类的)中。

在各种实施方式中，计算设备1500可以包括数据中心、膝上型计算机、上网本、笔记本、超极本、智能手机、平板电脑、个人数字助理(pda)、超移动pc、手机或数码相机的一个或多个组件。在进一步的实现方式中，计算设备1500可以是处理数据的任何其他电子设备。

示例

示例1可以包括一种光学装置，该光学装置包括：多级光学锥形，用于将光从第一模场直径转换到大于所述第一模场直径的第二模场直径；以及形成在介电层中的镜子，该镜子相对于所述介电层的平面成约45度角，以基本上垂直地反射来自所述多级光学锥形的光从而以单模方式传播反射光。

示例2可以包括示例1的主题，其中所述多级光学锥形包括作为第一级的倒锥形和作为第二级的肋锥形。

示例3可包括示例2的主题，其中所述肋锥形是无尖肋锥形。

示例4可以包括示例2-3中任一个的主题，其中所述第二级肋锥形通过肋到通道锥形部分耦合到通道波导。

示例5可以包括示例2-4中任一项的主题，其中，所述倒锥形由包括硅、氮化硅、富硅氮化物、氮化铝、氧化钽或氮氧化硅的材料形成，并且其中所述倒锥形与所述通道波导相比具有更高的折射率。

示例6可包括示例2-5中任一项的主题，其中所述肋锥形的一部分与所述倒锥形重叠。

示例7可以包括示例1-6中任一个的主题，其中所述光学装置绝热地将光从所述第一模场直径转换到所述第二模场直径。

示例8可以包括示例1-7中任一项的主题，还包括抗反射涂层(arc)，其被设置使得从所述镜子反射的光将通过所述arc。

示例9可包括示例8的主题，其中arc是多层arc。

示例10可包括示例9的主题，其中所述多层arc的第一层包括富硅氮化物，并且所述多层arc的第二层包括二氧化硅。

示例11可以包括示例8-10中任一示例的主题，其中所述arc的层在与所述多级光学锥形相同的芯片、管芯或晶片上的电有源器件上延伸。

示例12可以包括示例1-11中任一项的主题，其中该装置包括硅波导区域中的输入侧灰度斜率。

示例13可包括示例1-12中任一示例的主题，其中多级光学锥形包括未嵌入在输出波导中的作为第一级的倒锥形。

示例14可以包括一种光学装置，包括：用于接收来自光源的光的波导；在介电界面中形成的镜子，用于反射所接收的光；以及多层抗反射涂层(arc)，其中所述波导主要以单模方式传播所接收的光，并且由所述镜子反射的光以单模分布照射在所述arc上。

示例15可以包括示例14的主题，其中，所述镜子相对于所述介电界面的平面以不同于45度的角度形成。

示例16可包括示例15的主题，其中所述角度与相对于所述介电界面的平面的45度相比具有大于或等于1度的不同。

示例17可包括示例14-16中任一示例的主题，其中所述arc的至少一层在与所述波导相同的芯片、管芯或晶片上的电有源器件上延伸。

示例18可以包括一种制造光学装置的方法，包括：提供具有两个或更多灰度设计的掩模；选择两个或更多个灰度设计中的一个用于至少部分地基于光学装置在晶片内的位置来蚀刻所述光学装置的镜子部件；将所述掩模移动对应于所选灰度设计的预定距离；以及至少部分地基于所选择的灰度设计来蚀刻晶片以印刷所述镜子部件

示例19可包括示例18的主题，其中所述掩模包括三个灰度级设计。

示例20可包括示例18-19中任一项的主题，其中将所述掩模移动预定距离包括步进器平移。

示例21可以包括示例18-20中任一项的主题，其中蚀刻所述晶片以印刷所述镜子部件包括蚀刻所述晶片以将所述镜子部件印刷在介电层中，所述镜子部件相对于所述介电层的平面成约45度角。

示例22可包括示例18-20中任一示例的主题，其中蚀刻所述晶片包括相对于所述晶片的平面以不同于45度的角度印刷所述镜子部件。

示例23可包括示例22的主题，其中该角度与45度相比具有大于或等于1度的不同。

示例24可包括示例18-23中任一项的主题，还包括沉积抗反射涂层(arc)。

示例25可包括示例24的主题，其中arc是多层arc。

各种实施例可以包括上述实施例的任何合适的组合，包括以上面的合取形式(和)描述的实施例的替代(或)实施例(例如，“和”可以是“和/或”)。此外，一些实施例可以包括一个或多个制品(例如，非暂时性计算机可读介质)，其具有存储在其上的指令，所述指令在被执行时导致任何上述实施例的动作。此外，一些实施例可以包括具有用于执行上述实施例的各种操作的任何合适单元的装置或系统。

所示实现方式的以上描述，包括摘要中所描述的内容，并非旨在穷举或将本公开的实施例限制于所公开的精确形式。尽管出于说明性目的在本文中描述了特定实现方式和实施例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本公开的范围内可以进行各种等同修改。

根据以上详细描述，可以对本公开的实施例进行这些修改。以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本公开的各种实施例限制于说明书和权利要求中公开的特定实现方式。相反，范围完全由以下权利要求确定，所述权利要求应根据权利要求解释的既定原则来解释。