用于减小入射光的模态轮廓的模式尺寸变换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明大体涉及改变传播光的模态轮廓(modal profile)的模式尺寸变换器和包括该模式尺寸变换器(mode size converter)的光学装置。
【背景技术】
[0002]最近，越来越多的行业开始使用光学装置，尤其是通过硅光子研发的光学装置。这样的光学装置包括光子集成电路(PIC)，其可用于光通信、测量仪器以及信号处理领域中的各种应用。PIC可包括互连多个芯片上的部件的亚微米波导，所述芯片上的部件包括光学开关、耦合器、路由器、分束器、多路转换器/多路分配器、调制器、放大器、波长转换器、光电信号转换器以及电光信号转换器。PIC的一个优势是使用比如互补金属氧化物半导体(CMOS)的已知的半导体制造技术进行大规模生产和集成的潜力。
[0003]PIC可以光耦合到外部光纤，使得PIC接收来自光纤的光和/或引导光进入所述光纤。然而，以可靠并有效的方式光耦合所述光纤和PIC是具有挑战性的。例如，所述光纤的横截面积比PIC的亚微米波导的横截面积大得多。因此，在光纤中传播的光具有比PIC的波导中的光大得多的模态轮廓。当光在光纤和Pic之间转换时，光的模态轮廓必须改变尺寸(称为模式变换的过程)并且没有明显的损耗。
[0004]一种已知的模式尺寸变换器(或光点尺寸变换器)包括覆盖(overlay)(或包覆)波导以及嵌在所述覆盖波导内的硅波导。所述硅波导具有倒渐缩形几何形状，其中所述硅波导的顶端定位为邻近覆盖波导的边缘。随着硅波导从所述顶端延伸，硅波导的宽度绝热地(adiabatically)变宽至能够支撑传播模式的最终横截面积。来自光纤的光通过覆盖波导的边缘进入并且瞬逝地耦合到硅波导。随着硅波导变宽至单模式条形波导，所述光逐渐变得越发受限。因而，来自光纤的光的模态轮廓被减小到适于通过硅波导传播的尺寸。
[0005]虽然这样的模式尺寸变换器能够有效地减小模态轮廓，该模式尺寸变换器可具有一些问题或缺陷。例如，所述模式尺寸变换器可能耦合效率不足、对齐公差低、和/或没有商用生产的实用性。
[0006]因此，需要一种模式尺寸变换器，其具有足够的耦合效率、高的对齐公差、和/或生产成本不会太高。
【发明内容】
[0007]在实施例中，提供了一种模式尺寸变换器，其包括具有构造为接收来自光学元件的光的输入端的覆盖波导。所述覆盖波导具有第一折射率。所述模式尺寸变换器还包括信号波导，其被嵌在所述覆盖波导内并且具有大于所述第一折射率的第二折射率。所述信号波导包括第一和第二臂区段以及干区段(stem segment)，它们形成Y形结。所述第一和第二臂区段被构造为减小从覆盖波导的输入端朝向所述干区段传播的模态轮廓。第一和第二臂区段的每个具有远端和一对相反的侧边缘。所述侧边缘对在对应的远端和所述干区段之间平行于彼此延伸。
[0008]在一些实施例中，所述第一和第二臂区段的每个可包括成角度的(angled)延伸部以及联接到对应的成角度的延伸部的基底部分。所述第一和第二臂区段的成角度的延伸部可形成V形样式。所述第一和第二区段的基底部分可大致平行于彼此延伸并且它们之间有可操作的间隔。
[0009]在一些实施例中，所述干区段可包括中间部分和引导部分。所述中间部分可联接到所述第一和第二臂区段并且具有从所述中间部分基底向所述中间部分的联接端渐缩的倒渐缩形几何形状。所述联接端可联接到所述第一和第二臂区段。所述基底可联接到所述干区段的引导部分。
[0010]在一些实施例中，所述光可被构造为沿着光传播轴线从所述覆盖波导的输入端传播到所述干区段。所述Y形结可以关于包括所述光传播轴线的平面对称。
[0011]在一些实施例中，所述覆盖波导具有宽度并且包括渐缩段。随着所述覆盖波导从所述输入端朝向所述信号波导延伸，所述覆盖波导的宽度可沿着所述渐缩段减小。可选地，所述覆盖波导可包括通道段，该通道段具有设置在其中的所述信号波导的至少一部分。所述渐缩段可位于所述输入端和所述通道段之间。在一些实施例中，所述第一和第二臂区段的远端可在所述渐缩段内、在所述通道段内、或在渐缩段和通道段之间的边界处。在特定的实施例中，所述第一和第二臂区段的远端设置在所述通道段和所述渐缩段的边界处或紧密靠近该边界。
[0012]在实施例中，提供了模式尺寸变换器，其包括具有被构造为接收来自光学元件的光的输入端的覆盖波导。覆盖波导具有第一折射率。所述模式尺寸变换器还包括信号波导，其被嵌在所述覆盖波导内并且具有大于所述第一折射率的第二折射率。所述信号波导包括第一和第二臂区段和干区段，它们形成Y形结。所述第一和第二臂区段被构造为从所述覆盖波导的输入端朝向所述干区段传播的光的模态轮廓。所述第一和第二臂区段的每个包括成角度的延伸部和联接到所述成角度的延伸部的基底部分。所述第一和第二臂区段的成角度的延伸部形成V形样式。所述第一和第二区段的基底部分大致平行于彼此延伸并且它们之间有可操作的间隔。
[0013]在一些实施例中，所述第一和第二臂区段的每个具有远端和一对相反的侧边缘。所述侧边缘对可在对应的远端和所述干区段之间平行于彼此延伸。
[0014]在一些实施例中，所述第一和第二区段的基底部分可具有倒渐缩形几何形状。所述基底部分的每个可在联接到对应的成角度的延伸部的连结端和联接到所述干区段的基底端之间延伸。
[0015]在一些实施例中，所述模式尺寸变换器还包括支撑所述信号波导和所述覆盖波导的衬底层。所述衬底层可具有延伸超过所述覆盖波导的输入端的安装延伸部。
【附图说明】
[0016]图1是一种光学装置的示意性图示，该光学装置包括根据实施例形成的模式尺寸变换器(MSC)。
[0017]图2A是所述光学装置的局部放大示图，其更详细地示出了 MSC。
[0018]图2B是所述光学装置沿着图2A中的线2B-2B截取的截面图。
[0019]图3是根据实施例形成的MSC的信号波导的平面图。
[0020]图4是根据实施例形成的信号波导的平面图。
[0021]图5是具有包括图4中示出的信号波导的MSC的光学装置的放大示图。
[0022]图6是根据实施例形成的MSC的截面图。
[0023]图7是图6的MSC的另一个截面图，其图示了被MSC的信号波导逐渐限制的入射光。
[0024]图8是图6的MSC的另一个截面图，其图示了被大致限制在所述信号波导内的入射光。
[0025]图9是根据实施例形成的信号波导的平面图。
【具体实施方式】
[0026]图1是包括根据实施例形成的模式尺寸变换器(MSC) 102的光学装置100的部分的示意性图示。MSC102还可被称为光点尺寸变换器(SSC)并且被构造为减小(或增大)传播光的模态轮廓。所述模态轮廓还可被称为模式场轮廓。在图1中，光学装置100仅包括一个MSC102，但在其他实施例中，其可包括多个MSC102。光学装置100被构造为接收光(或光信号)、以指定的方式处理或调制所述光、然后发出处理后或调制后的光。在其他实施例中，光学装置100仅接收和处理光。例如，光学装置100可包括光电信号转换器。在其他实施例中，光学装置100仅通过MSC102处理并且发出光。例如，光学装置100可包括电光信号变换器。在替代实施例中，光学装置100接收并发出光但不对光信号进行处理。所述光可以是例如光数据信号的形式。在示例性实施例中，光学装置100是用于通信和/或处理光信号的光子集成电路(PIC)。然而，应理解的是，光学装置100可用于其他应用中。例如，光学装置100可以是一种具有样本的传感器，其基于样本的性质调制光信号和/或发出光信号。光学装置100还可以被结合到更大的系统或装置中。
[0027]在一些实施例中，光学装置100是包括硅光子芯片的集成装置。光学装置100的至少一部分可以用制造半导体的工艺制造。例如，光学装置100可以使用生产互补金属氧化物半导体(CMOS)装置和/或绝缘体上娃(silicon-on-1nsulator, SOI)装置的工艺生产。更具体地，光学装置100可以通过生长、淀积、蚀刻、光刻处理、或用其它方式修改多个堆叠的衬底层的方式来生产。在特定的实施例中，整个光学装置100使用CMOS或SOI工艺来生产。
[0028]光学装置100和/或MSC102包括多个相互堆叠的衬底层。通过示例的方式，衬底层可包括一层或多层氧化硅、一层或多层氮化硅、一层或多层硅、一层或多层隐藏的氧化物、一层或多层聚合物、和/或一层或多层氮氧化硅(S1N)。所述各个层可具有按本文所述地引导光的折射率。
[0029]光学装置100被构造为光学地耦合到光学元件104。在图示的实施例中，光学元件104是光纤(例如，单模式光纤(SMF))。所述光纤内的光模式可具有例如约9.2毫米至约10.4毫米之间的直径。然而，在其他实施例中，光学元件104可以是能够传递光的另一种类型的光学元件。例如，光学元件104可以是平面波导、光源、或光检测器。在一些实施例中，光学装置100可以双向运行，使得光可以从光学元件104提供至MSC102，或替代地从MSC102提供至光学元件104。因而，虽然下文在描述光的传播时会使用关于方向的术语，应理解的是，在一些实施例中，光可以在相反的方向上传播。类似地，虽然本文会使用诸如“上方”、“覆盖”或“俯仰”这样的术语，应理解的是，光学装置100可具有相