光纤耦合器阵列的制作方法
【专利说明】
[0001] 对相关申请的交叉引用 本申请要求于2013年12月13日提交的美国临时申请号61/736, 768的优先权，其通 过引用整体并入本文中。
技术领域
[0002] 本申请涉及用于光学集成电路的波导输入和输出耦合器。
【背景技术】
[0003] 波导输入和输出耦合器一直是光学集成电路设计中的重要问题。已经提出或论证 用于克服光纤与芯片上的波导之间的低耦合效率的各种耦合方案。基于以其将光耦合入波 导或离开波导的方向，这些方案分成下述两个类别中的一个：垂直耦合(平面外）和横向耦 合(平面内）。
[0004] 垂直耦合典型地用并入波导层以提供单模光纤（SMF)与波导中的光学模式之间的 转换的衍射光栅来完成。垂直耦合方案典型地需要光纤被定位成与晶片处于某一角度。多 个光纤I/O是可能的。缺点是该方法的衍射性质取决于仅对有限的波长范围可应用的干涉 测量行为，并且因此可能不适于大光谱带宽的光学耦合。它也具有强的偏振依赖性。
[0005] 在横向親合中，在横向方向上将光親合入波导的暴露横截面以及親合离开它，并 且这一直在对接耦合配置中被报导。典型地，对于光纤与波导之间的模式转换需要透镜或 斑点大小转换器（SSC)。已经论证波导与光纤阵列的多信道耦合。虽然横向耦合具有弱的偏 振依赖性并且对输入带宽不敏感，但是它对光纤的垂直和横向对准提出严格的要求。而且， SSC设计需要对临界尺寸的极好控制，并且对于纳米波导而言经常需要有透镜的光纤或特 殊光纤(特别在针对短波长来实施时)，这增加了成本并且使集成电路的制作和封装复杂。
【发明内容】
[0006] -种光纤耦合器阵列组件包含：每个具有波导纤芯的多个光纤波导；光子集成电 路（1C)，包含对应于多个光纤波导的多个平面内波导结构；以及接合到光子1C的衬底。该 衬底包含多个凹槽，所述多个凹槽支撑光纤波导。衬底和光子1C均能够具有金属凸块接合 部，所述金属凸块接合部协作以在衬底与光子1C之间提供机械接合和电连接。
[0007] 由衬底的凹槽支撑的光纤波导的部分能够限定与光纤波导的波导纤芯隔开的对 应的多个平坦表面，并且光子1C能够包含多个无源波导结构，该多个无源波导结构对应于 光子1C的多个平面内波导结构和多个光纤波导两者。每个无源波导结构能够包含对接到 对应光纤波导的平坦表面的第一耦合截面和对接到光子1C的对应平面内波导结构的第 二耦合截面。第一耦合截面能够被配置成提供进入对应光纤波导的光学信号的渐逝耦合 (evanescentcoupling)或来自对应光纤波导的光学信号的渐逝親合，并且第二親合截面 能够被配置成提供光子1C的对应平面内波导结构与第一耦合截面之间的光学信号的绝热 斑点大小转换。
[0008] 在一个实施例中，从具有第一折射率的材料实现光纤波导的波导纤芯，并且从具 有匹配第一折射率的第二折射率的材料实现光子1C的无源波导结构的第一耦合截面和第 二耦合截面。
[0009] 在另一个实施例中，从二氧化硅实现光纤波导的波导纤芯，并且也从二氧化硅实 现光子1C的无源波导结构的第一耦合截面和第二耦合截面。
[0010] 在又一个实施例中，每个相应的无源波导结构的第一耦合截面具有正方形横截 面，该正方形横截面的大小对应于对应光纤波导的光学模式的大小。
[0011] 在再一个实施例中，每个相应的无源波导结构的第二耦合截面限定沿着第二耦合 截面的长度彼此垂直地重叠的多个不同层，其中每层具有在宽度上横向地逐渐减少的相对 侧壁。在一个示范性配置中，第二耦合截面包含沿着第二耦合截面的长度延伸的底层、中间 层和顶层，其中顶层具有对应于第一耦合截面的高度的高度以及从宽度1横向地逐渐减少 到宽度I的相对侧壁，该宽度W:对应于第一耦合截面的宽度，其中第二层具有延伸超过顶 层的部分，该部分具有相邻对应的平面内波导结构的从宽度WM横向地逐渐减少到宽度1的 相对侧壁，其中第三层具有延伸超过顶层的部分，该部分具有从宽度WM横向地逐渐减少到 宽度WD的相对侧，并且其中w2〈I〈WM〈I以及W。〈WM。
[0012] 能够用Ill-v族材料的材料系统来实现光子1C。光子1C也能够从外延层结构来 实现，该外延层结构包含与P型调制掺杂量子阱界面垂直地偏移的n型调制掺杂量子阱界 面。
【附图说明】
[0013] 图1是依据本申请的光纤耦合器阵列的示意性分解视图。
[0014] 图2是图1的光纤耦合器阵列的晶片部分的示意性部分等距视图。
[0015] 图3是光子集成电路的无源半导体波导（PG)与由图1的光纤耦合器阵列的晶片 支撑的单模光纤（SMF)的平坦表面之间的界面的示意性横截面视图。
[0016] 图4是示出作为沿着光子集成电路的半导体波导（PG)的渐逝耦合引导截面的长 度的传播距离的函数的、图1和3中的光子集成电路的半导体波导（PG)的渐逝耦合引导截 面中的光学信号的功率和SMF中的光学信号的功率的绘图。
[0017]图5A是作为图1的光子集成电路的部分的脊波导的示范性配置的示意性横截面 视图。
[0018] 图5B是图5A的示范性脊波导的基本（TE)模式的轮廓的绘图。
[0019] 图6是图1和图3的光子集成电路的脊波导和无源半导体波导（PG)的示范性配 置的示意性等距视图。
[0020] 图7是示出由图6的示范性配置的模拟产生的半导体波导（PG)的渐逝耦合引导 截面和脊波导之间的光学信号的传递的绘图。
[0021] 图8是图6的示范性配置中的脊波导和半导体波导（PG)的斑点大小转换器截面 之间的示范性界面的示意性图解。
[0022] 图9是示出作为图1的3的光子集成电路的半导体波导（PG)的渐逝耦合引导截 面与SMF的大体上平坦的表面之间的间隔G的函数的、图1的光纤耦合器阵列的示范性传 递效率的绘图。
[0023] 图10A是描绘针对图6的示范性配置的斑点大小转换器的层的未对准的示意性视 图。
[0024] 图10B是示出针对以下三种情况作为沿着斑点大小转换器截面的长度的传播距 离的函数的、针对图6的示范性配置的斑点大小转换器部分中的光学信号的功率的绘图： 斑点大小转换器截面的第一和第二层没有未对准，在斑点大小转换器截面的第一层处未对 准，以及在斑点大小转换器截面的第二层处未对准。
【具体实施方式】
[0025] 图1图解依据本申请的光纤耦合器阵列100。耦合器阵列100包含两部分：晶 片101，机械地支撑多个单模光纤（SMF) 103 ;以及具有有源电光部件的光子集成电路（1C) 105,该有源电光部件可操作地耦合到由晶片101支撑的SMF103。SMF103能够延伸超过 晶片101的外围用于连接到如所需要的其它网络部件。光子1C105被配置成倒转配置(其 中衬底107向上)，其中芯片上无源半导体波导（PG)109是其顶表面111 (与衬底107相对） 的组成部分。每个PG109被配置使得其与对应SMF103紧密接触，在该对应SMF103中光 纤横截面已经被合适地修改以提供SMF103与PG109之间的渐逝波耦合。如在图3和6 中最佳示出的，每个PG109包含渐逝耦合引导（ECG)截面113和斑点大小转换器（SSC)截 面115。ECG截面113对接到SMF103并且提供到SMF103的渐逝波耦合。SSC截面115对 接到是光子1C105的顶表面111的组成部分的脊波导117,并且提供脊波导117与渐逝耦 合引导（ECG)截面113之