光栅耦合器和集成式光栅耦合器系统的制作方法

本发明总体上涉及用于光学芯片(也被称为光子集成电路(pic))的光栅耦合器，更具体地涉及连接一个有源芯片和一个无源光学芯片的光栅耦合器系统。

背景技术：

目标应用是有源光学芯片(诸如包含inp波导的有源光学芯片)和无源芯片(诸如包含硅和/或氮化硅波导的无源芯片)的混合集成。预期性质是对于未对齐的容限大，粘结过程容易，并且耦合效率高。

硅光子提供许多优点，其中制造成本是最重要的因素。此外，硅波导和周围的二氧化硅层之间的高折射率差异提供具有可能的低损耗的急剧的弯曲，导致更高的密度和复杂度的pic。氮化硅波导以更低的光学损耗性质提供类似的低成本能力。另一方面，没有利用直流注入的可靠的光学增益或发射能力。因此，有源pic(诸如inp、gaas或基于gan的有源pic)与无源硅光子pic的混合集成对于实现低成本、全功能性和高密度pic变得非常重要。

然而，由于窄波导，因此两侧的快速发散的射束，精确地光学连接两个波导需要通常具有亚微米准确度的精确的对齐。

需要以高耦合效率、以更大的容限连接两个光学芯片。

技术实现要素：

本公开的一些实施例基于以下认识，即，来自光学芯片的无源波导上的长周期光栅创建朝向基板侧的浅角发射，该发射在芯片刻面(第二端)处以更陡的角度衍射，并且通过光栅耦合器耦合到无源光学芯片。

根据一些实施例，新颖的光栅耦合器系统通过光栅耦合器实现，所述光栅耦合器具有用于将光束耦合到芯片的波导的第一端和第二端，所述光栅耦合器包括：被配置为从第一端接收光束并且使该光束透射通过第二端的基板，所述基板具有第一折射率n1；具有布置在所述基板上的光栅线的光栅结构，所述光栅结构具有第二折射率n2，其中所述光栅线具有线宽w和高度d，并且按间距λ布置，其中第二折射率n2大于第一折射率n1；以及被配置为覆盖所述光栅结构的包覆层，其中所述包覆层具有第三折射率n3，其中第三折射率n2小于第二折射率n2，其中所述包覆层被布置为使从光栅结构衍射的光束朝向包覆层下面反射。

此外，本发明的另一实施例基于以下认识，即，集成式光栅耦合器系统包括形成在第一芯片上的光栅耦合器，所述光栅耦合器具有用于将光束耦合到第二芯片的波导的第一端和第二端，其中所述光栅耦合器包括：被配置为从第一端接收光束并且使该光束透射通过第二端的基板，所述基板具有第一折射率n1；具有布置在所述基板上的光栅线的光栅结构，所述光栅结构具有第二折射率n2，其中所述光栅线具有线宽w和高度d，并且按间距λ布置，其中第二折射率n2大于第一折射率n1；以及被配置为覆盖所述光栅结构的包覆层，其中所述包覆层具有第三折射率n3，其中第三折射率n3小于第二折射率n2；以及直接地、或者通过波导连接到所述光栅耦合器的第一端的增益区域，其中所述激光结构包括：与所述光栅耦合器的基板相同的基板；具有第一厚度d1的有源层，所述有源层布置在所述基板上，其中所述有源层连接到所述光栅耦合器的光栅结构；以及布置在所述有源层上的包覆层，具有第二厚度d2的该包覆层连接到所述光栅耦合器的包覆层。

更进一步，根据本发明的另一实施例，集成式光栅耦合器系统包括形成在第一芯片上的光栅耦合器，所述光栅耦合器具有用于将光束耦合到第二芯片的波导的第一端和第二端，其中所述光栅耦合器包括：被配置为从第一端接收光束并且使该光束透射通过第二端的基板，所述基板具有第一折射率n1；具有布置在所述基板上的光栅线的光栅结构，所述光栅结构具有第二折射率n2，其中所述光栅线具有第一线宽w1和第一高度d1，并且按第一间距λ1布置，其中第二折射率n2大于第一折射率n1；覆盖所述光栅结构的包覆层，其中所述包覆层具有第三折射率n3，其中第三折射率n3小于第二折射率n2；以及连接到所述光栅耦合器的第一端的激光结构，其中所述激光结构包括与所述光栅耦合器的基板相同的基板；

向所述光栅耦合器发射光束的有源层，所述有源层具有第一厚度d1和第五折射率n4，所述有源层布置在第二基板上，其中所述有源层连接到所述光栅耦合器的光栅结构；布置在所述有源层上的激光-包覆层，具有第二厚度d2和第六折射率n5的激光-包覆层连接到所述光栅耦合器的包覆层；以及通过所述激光结构施加电压的第一电极和第二电极；以及安装所述光栅耦合器和所述激光结构的波导装置，其中所述波导装置包括连接到所述光栅耦合器和所述激光结构的底部的第一包覆层，所述第一包覆层具有第七折射率n7；具有第二光栅结构的波导结构，其中所述第二光栅结构包括第二光栅线，所述第二光栅线布置在所述波导结构的一部分中以将来自所述光栅耦合器的光束耦合到所述波导结构，所述波导结构具有第八折射率n8，其中所述光栅线具有第二线宽w2和第二高度d2，并且按第二间距λ2布置，其中第八折射率n8大于第七折射率n7；以及连接到所述波导结构的波导基板，所述波导基板具有第九折射率n9，其中第九折射率n9小于第八折射率n8。

将参照附图来进一步说明目前公开的实施例。所示的附图不一定是按比例的，重点而是一般在于例示说明目前公开的实施例的原理。

附图说明

图1示出根据本发明的集成式光栅耦合器系统的截面图。

图2a示出两个角度θ和θα的定义。

图2b示出波导有效折射率和衍射光角度之间的计算出的关系。

图3a示出作为波长的函数的、两个光学芯片之间的模拟的耦合效率。

图3b示出不同的硅光栅长度(位置)的情况下的模拟的耦合效率。

图4a示出本发明包含子光栅。

图4b示出没有子光栅的常规光栅。

图4c示出有和没有子光栅的情况下的模拟的耦合效率。

图4d示出其中两个边缘都倾斜的光栅形状。

图4e示出其中倾斜的边缘在一侧的光栅形状。

图4f示出在一侧具有子光栅的光栅。

图4g示出具有宽度和/或间隔变化的子光栅的光栅。

图5a示出被直接蚀刻到波导层上的光栅的截面图，其中在包覆层上有可选的电介质膜。

图5b示出波导层上方的光栅的截面图。

图5c示出被直接写在波导层上的光栅和覆盖该光栅的引导(分隔约束)层的截面图。

图5d示出由波导层的分隔的分段构成的光栅的截面图。

图5e示出由嵌入在分隔约束层中的波导层的分隔的分段构成的光栅的截面图。

图6示出在刻面(facet)上具有多层抗反射电介质膜的光栅的截面图。

图7示出作为入射角的函数的模拟的刻面反射率，其中没有涂层、一层涂层(si3n4)和两层涂层(si3n4膜和sio2膜)被涂覆。

图8a示出光栅耦合器系统的截面图，其中光栅线是弯曲的。

图8b示出图8a的光栅耦合器系统的顶视图，其中光栅线是弯曲的。θ1和θ2分别是第一芯片和第二芯片的同心光栅线的角度。

图9a示出光栅耦合器系统的截面图，其中线性光栅通过锥形波导连接到波导。

图9b示出图9a的光栅耦合器系统的顶视图。

图10a示出光栅耦合器系统的截面图，其中增益部或激光部(dfb或dbr激光器)附连到第一端。

图10b示出图10a的光栅耦合器系统的顶视图。

图11a示出利用光学芯片配置为可调谐激光器的光栅耦合器系统的截面图，所述光学芯片具有与有源部和波长选择性反射器集成的光栅耦合器，附连在具有光栅耦合器和波长选择性反射器的第二光学芯片上。

图11b示出图11a的光栅耦合器系统的顶视图。

具体实施方式

在下面的描述中给出特定的细节以提供实施例的透彻的理解。然而，本领域的普通技术人员可以理解实施例可以在没有这些特定的细节的情况下实施。例如，所公开的主题中的系统、处理和其他元素可以被示为框图形式的组件，以便不使实施例在不必要的细节上模糊。在其他情况下，众所周知的处理、结构和技术可能在没有不必要的细节的情况下示出，以便避免使实施例模糊。此外，各图中的相似的编号和名称指示相似的元素。

此外，所公开的主题的实施例可以通过使用下面描述的结构的至少一部分、或这些结构的部分的组合来实现。

(本公开的实施例的概述)

两个光学芯片之间的光学耦合构成混合pic的最重要的部分。对齐的容易性和高耦合效率是非常重要的因素。光栅耦合器提供这些能力。

这些是对该配置实现高耦合效率的多个因素。

图1示出根据本发明的集成式光栅耦合器系统100的截面图。第一光学芯片(第一芯片)105形成在inp基板110上，包含ingaasp波导层130、inp包覆层120和第一光栅140。第二光学芯片(第二芯片)145由硅基板150、埋入式sio2层(也被称为box层)160、硅(si)波导层(也被称为绝缘体上硅或soi)170和sio2包覆层180、以及被蚀刻到硅波导层上的第二光栅190组成。第一光学芯片105中的衍射光传播通过inp基板110和第一光学芯片刻面195，并且被耦合到第二光学芯片145上的光栅190中。

这里，光栅间距λ是光栅的上升沿之间的距离，w是主齿的线宽，d是光栅的厚度。在第一光学芯片中，光栅使光以浅角朝向基板衍射，该光进一步在芯片刻面处衍射到更陡的角度。该光聚焦于第二芯片中的光栅上，并且被引导到其波导。操作波长为1530-1570nm，典型的光栅间距λ为5-15μm，典型的光栅线宽w为光栅间距的10-60％，取决于是否包括子光栅、或者子光栅如何被设计。典型的光栅厚度d为0.2-1μm。

图2a示出θ和θα的定义，其中θ是ingaasp波导层210和衍射光220之间的角度，θα是刻面法线230和通过刻面250的衍射光240之间的角度。

图2b分别示出刻面衍射之前和之后的、波导有效折射率与衍射光角度θ和θα之间的关系。

衍射角度、折射率和光栅间距之间的关系可以被表达为：

其中λ是光栅的间距，k0＝2π/λ是真空中的波矢，λ是真空中的波长，neff是波导的有效折射率，ns是基板的折射率，θ是如图2a中定义的、波导内的传播方向和衍射角之间的角度，m是衍射级。从实用的角度来讲，一级光栅通常提供最高的耦合效率，所以m＝1被用于本发明中。

如图2b中定义的、从刻面衍射到空气中的衍射光和最初的波导传播角度(刻面法线)之间的角度θα可以被表达为：

nssinθ＝sinθa。

从第一光学芯片中的光栅衍射的衍射角必须在光学芯片内的某个范围内，通常为10°和20°。如果它低于10°，则从芯片刻面衍射的衍射光也浅(小于约33°)，并且耦合到第二光学芯片变得效率更低。另一方面，如果发射角大于20°，则光的大部分在芯片刻面处被反射，使耦合非常低效。因此，重要的是使衍射角保持在10度和20度之间。假定波长为1550nm时，对于典型的inp，ns＝3.169，neff＝3.244，λ＝8.5μm，那么我们获得θ＝15.0°和θα＝55.1°。

图2b示出在使用两个光栅间距(即，λ＝8.5μm和λ＝10.5μm)的情况下，在刻面前面和后面从最初的传播方向(即，刻面法线)衍射的衍射角的绘图。取决于光栅的间距，存在最佳的波导有效折射率。换句话说，光栅间距通常需要在5μm和15μm之间。

图3a示出作为波长的函数的模拟的耦合效率。结构参数被优化以使得用于1530-1565的波长范围的耦合系数最大化。模拟的耦合系数在峰值处为58.0％(-2.4db)，对于1530-1565nm的波长范围为>49％。

优化的结构和参数如下。inp侧结构由80μm厚的inp基板、0.5μm厚的ingaasp(带隙：1.30μm)、0.3μm深的蚀刻光栅、0.47μm厚的inp上包覆层和20nm厚的sio2钝化层组成。inp光栅部的长度为200μm。为了实现浅衍射角(在inp内为15.0°，在空气中为55.1°)，左手大小的主光栅的初始间距为8.5μm。此外，为了实现聚焦效果，随着距离的变化改变光栅间距(线性间距缩短：每一周期0.1μm)。光栅具有主齿(宽度为间距的28％)、以及具有210nm宽的子光栅和在主齿的每侧的220nm间隔的3个周期。子光栅是其周期小于主光栅的光栅。光栅也是变迹的，因为被蚀刻部分的宽度在每个周期内线性收缩。刻面具有一对sio2和si3n4涂层。在硅侧，我们在硅波导的下面使用两对(si/sio2)分布式布拉格(bragg)反射器(dbr)。0.22μm厚的硅波导被夹在2.1μm厚的sio2下包覆层和1.04μm厚的sio2上包覆层之间。硅光栅深度为87.5nm。从inp芯片的端部开始的硅光栅部的长度为32μm。硅光栅是变迹的，但是没有啁啾(chirp)。

图3b示出硅光栅部长度(即，从inp芯片刻面的边缘测量的端点)时的模拟的耦合效率。当波长为1560nm时，当长度改变±1.5μm(29-32μm)时，耦合效率在±5％内变化。这与典型的芯片对芯片直接耦合不同，在典型的芯片对芯片直接耦合中，需要亚微米对齐准确度。

光栅使光在与衍射光栅的傅里叶分量相对应的多个方向上衍射。例如，对耦合效率没有贡献的第三级和第五级衍射与光栅的第三级分量和第五级分量相关。因此，重要的是通过有效地使光栅平滑来减小这些分量。线宽w2和间距λ2分别比w和λ小得多的子光栅可以被添加在主(主要)光栅的至少一侧上(图4a)。典型的weff/λ为0.4-0.6，典型的子光栅线宽w2为0.02-0.3μm，典型的子光栅间距λ2为0.04-0.6μm。

此外，第二傅里叶分量需要被最小化。就没有子光栅的主要光栅(图4b)来说，占空比(w/λ)需要接近于0.5。就图4a来说，有效的占空比为weff/λ，其中weff是光栅的有效线宽，即，将主光栅的w和来自所有子光栅的累积的w2相加。

图4c示出有和没有子光栅的情况下的模拟的耦合效率，其中占空比在每种情况下被优化。清楚地示出子光栅由于不必要的方向上的衍射减小，示出高得多的耦合效率。

光栅几何结构不一定必须是矩形的。第三级和第五级衍射也可以通过合并诸如图4d所示的具有倾斜的边缘的光栅来抑制。

抑制向上的衍射还使向下的衍射增大，向下的衍射更高效地耦合到第二芯片上的光栅中。这可以通过如图4e所示那样使光栅的边缘中的一个倾斜、在光栅的一侧合并子光栅(图4f)、或光栅的每侧的不对称的子光栅(图4g)来实现。

图5a示出第一光学芯片540的光栅耦合器的例子，其中光栅515被蚀刻到第二折射率的ingaasp波导层515中，并且被inp基板500和inp包覆层505(这二者均为第一折射率)包围。这个第一光学芯片可以可选地在inp包覆层505的顶部具有sio2或si3n4电介质层520。光栅515通常使光以类似的强度在向上的方向和向下的方向这两个方向上衍射。因为第一光学芯片540中的发射角浅(10°-20°)，所以向上衍射的光535要么在包覆层-电介质层界面525处、要么在电介质-空气界面530处被非常高效地反射，并且重要的是不扰动表面。因此，平坦的界面525和530是可取的，并且包覆层505和电介质层520的厚度需要被选择为使得反射的射束与最初向下的衍射光以相同的或非常类似的相位组合。金属表面吸收光，不是可取的。

光栅不必被直接蚀刻到波导层中。图5b示出例子，其中在波导层510上方的第三折射率的另一个ingaasp层545形成光栅。在这种情况下，光栅高度由光栅层的厚度、而不是蚀刻深度确定，从而改进工艺鲁棒性。

图5c示出例子，其中第三折射率的ingaasp分隔约束层550覆盖蚀刻到波导层中的光栅。分隔约束层550和ingaasp波导层之间的折射率差可以小于图5a中描绘的情况，从而由于对蚀刻深度的敏感度更小而改进工艺鲁棒性。

图5d示出例子，其中第一折射率的inp基板500和inp包覆层505包围被完全蚀刻到光栅分段555中的第二折射率的ingaasp波导层510。因为这在光栅分段555之间造成未被引导的光，并且与光栅分段555内的被引导模式很大程度上不匹配，从而创建非常强的光栅，并且足够用于长度短的光栅区域。

图5e示出如下情况，其中第一折射率的inp基板500和inp包覆层505包围第三折射率的ingaasp分隔约束层550，其中具有第二折射率的ingaasp波导层510被完全蚀刻，并且被埋入。在这种情况下，光学约束主要由分隔约束层确定，光栅强度由波导层的厚度确定，所以发射角和耦合效率对于蚀刻工艺变化是鲁棒的。

图6示出第一光学芯片600的示意图，第一光学芯片600由芯片刻面610、第一电介质膜620和第二电介质膜630组成。照射在芯片刻面610上的光束与表面不垂直，而是上述的10°到20°。因此，必须针对入射角优化电介质膜610和620，诸如两层或更多层。

图7示出作为入射角的函数的、te模式输入的计算出的透射率，其中存在一层(si3n4)涂层、两层(si3n4膜和sio2膜)或者没有涂层。si3n4(第一电介质膜)和sio2(第二电介质膜)的厚度是针对15°入射角优化的。一层涂层对于抑制某个角度的反射率是有效的，而两层涂层对于降低宽范围内的反射率是有效的。表明反射率在16°入射角以上显著增大。准确的行为取决于涂层设计，不过，最好是使入射角保持低于约20°。

发射的射束沿着传播在水平方向上发散，尽管光栅相对较长，通常为50μm或更长。因此重要的是使用啁啾光栅，即，沿着传播方向逐渐地改变光栅的间距λ，从而使射束聚焦到第二芯片上的光栅的窄区域上。

为了使发射的射束更接近更适合于耦合到第二光栅中的射束形状(诸如高斯射束)，可以沿着传播方向改变光栅强度，也被称为变迹光栅。

发射的射束还在横向方向上发散，也就是说，在垂直于传播方向的水平方向上发散。

使横向射束发散变窄的一种方式是使用弯曲的光栅，诸如椭圆形光栅。图8a和图8b分别示出光栅耦合器系统800的截面图和顶部，其中第一光学芯片810和第二光学芯片830分别具有椭圆形光栅820和840。在一个例子中，具有大约1μm宽度的inp波导815连接到在整个宽度上具有至少10°的椭圆形光栅820。具有0.5μm宽度的硅波导835也连接到椭圆形硅光栅840。

最普遍的方式是遵循以下方程定义椭圆形曲线：

这里，z是传播方向上的坐标，y是横向方向上的坐标，q是用于每个光栅线的整数，θ是传出的/传入的光和芯片表面之间的角度，nt是环境的折射率，λ0是真空波长，neff是具有光栅的波导中的波受到的有效折射率。在中心(y＝0)，光栅线由其截面在图4和图5中描述的前面描述的方法确定。

可替代地，我们可以使用倾斜的光栅，以使得反射光将不向回耦合到原始波导中。

以上方程是为了产生圆形射束而推导得到的。在该光栅耦合器系统800中，由于刻面处的衍射，圆形射束变为椭圆形射束。因此，对于光栅线820的进一步的修改对于形成在第二光学芯片处的光栅840处观察到的几乎圆形的射束可能是可取的。

使横向射束发散变窄的另一种方式是使用锥形波导。图9a和图9b分别示出光栅耦合器系统900的截面图和顶部，其中第一光学芯片910和第二光学芯片930分别具有椭圆形光栅920和940。在一个例子中，具有约1μm宽度的inp波导915锥形化到5-20μm的宽度，然后它连接到线性inp光栅920，图4和图5中定义了线性inp光栅920的截面。锥形部的长度可以为5-100μm。第二芯片930上的光栅可以为线性宽度光栅940。可替代地，它可以是诸如图8b中所示的椭圆形光栅840。

还重要的是通常基于硅基板提高第二芯片中的光栅的耦合效率，并且硅波导被夹在两个sio2层之间。存在提高它的许多方式。

1)硅基板和sio2层的底部之间的布拉格反射器(具有不同折射率的一对层)。

2)主光栅齿的至少一侧的子光栅。

3)上sio2包覆层上方的非晶硅层。

4)硅基板和sio2层的底部之间的金属层。

可替代地，夹在两个sio2层之间的si3n4波导还可以用于引导传入的光。

此外，sio2基板可以用于第二光学芯片。

在本发明的一个实施例中，光栅耦合器系统1000可以由具有连接到增益区域1035的波导1020和光栅1050的第一光学芯片组成，增益区域1035由有源层1030(诸如多量子阱(mqw)结构)组成(图10a和图10b)。mqw结构是非常高效的增益介质。在增益区域1035中通过由电极1040提供的电流注入而产生或放大的光可以被引导到光栅耦合器1050以被耦合到第二光学芯片1060。增益区域也可以是其中产生激光的dfb或dbr激光器的一部分。在这种情况下，dfb或dbr激光器的基板与光栅耦合器系统1000的基板可以是相同的。

图11a和图11b分别示出基于集成式光栅耦合器系统1100的可调谐激光器的截面图和顶部，其中第一光学芯片1110和第二光学芯片1150形成激光腔。在这种情况下，折射率由温度或通过第一电极1120注入的载流子控制的波长选择性反射器1115、由电流通过第二电极1130注入的mqw结构组成的有源部1125、光栅耦合器1135和第三电极140在第一光学芯片1110上，第一光学芯片1110形成在由诸如inp、gaas或gan的材料制成的基板上。第二光学芯片1150由硅基板、box层1155、硅和/或氮化硅波导1160、光栅耦合器1165和波长选择性反射器1170组成，波长选择性反射器1170的折射率可以由温度或通过第二对电极1175和1185注入的载流子控制。相位控制器可以在任一芯片上。在图11b中，环形谐振器被描绘为波长选择性镜的例子，不过，它也可以是取样光栅分布式布拉格反射器。这些波长可选择镜具有多个反射峰，其中峰波长可以通过注入的电流、施加的反向偏压、或由加热器控制的温度调谐。

根据上述集成式光栅耦合器系统的各方面，关于集成式光栅耦合器系统，线宽w和间距λ之间的比率w/λ可以被布置为大约0.5，以用于减小来自光栅结构的光束的第二级衍射。

此外，电介质膜可以布置在包覆层上，第一芯片的基板可以是inp基板。同样地在一些情况下，第二芯片的基板可以是si基板，第二芯片可以包括si波导，第一波长可选择反射器可以包括取样光栅布拉格反射器。