具有深槽非均匀光栅的光栅耦合器的制造方法
【专利摘要】公开了使得能够在波导和光纤之间有效地进行耦合的光栅耦合器。一方面，光栅耦合器包含过渡区，所述过渡区包含宽边并且随朝向设置于衬底上的波导远离所述边而渐缩。所述耦合器还包含亚波长光栅，所述亚波长光栅与所述边相邻地设置于所述衬底上。所述光栅由由具有深度的槽隔离的一系列非均匀分布的大致平行的线构成，以以TM偏振从所述光栅输出光。
【专利说明】具有深槽非均匀光栅的光栅耦合器
【背景技术】
[0001]近年来，在高性能计算机系统中以光学组件替代电子组件已经受到了相当大的注意，因为相比于电子通信，光学通信给予若干潜在的高性能优点。在一方面，电子组件的构建(set up)能够为劳动密集的，并且使用常规的电线和插脚来发送电信号消耗大量的电力。另外，对电子互连的带宽进行缩放变得愈加困难，并且使用诸如电子开关的电子组件来发送电信号所需要的时间量需要太久来充分利用由较小和较快的处理器给予的高速性能。另一方面，诸如光纤的光学组件具有大的带宽，提供低的传输损耗，使得能够以比传输在电信号中编码的相同信息所需要的电力消耗显著低的电力消耗传输数据，不受串音的影响，并且由不经历腐蚀和不受外部辐射影响的材料构成。
[0002]尽管光学通信显现为电子通信的吸引人的替代方案，但是许多现有的光学组件不良好适合于所有类型的光学通信。例如，光纤能够用于在电子器件之间传输光学信号，而预期诸如波导和微环耦合器的某些光学组件将替代或补充典型的CMOS芯片上的许多电子电路。然而，计算机制造面对的关键挑战之一是有效地将光学信号从波导耦合至光纤。因为光纤和波导之间的大模式的失配，使用光学组件来在波导和光纤之间耦合光是有挑战性的。由于这个和其它原因，计算机制造寻求增大波导和光纤之间的光的耦合效率的系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0003]图1A-1B分别示出了范例光栅耦合器的等距视图和俯视平面图；
[0004]图2示出了具有盖子(cover)的范例光栅耦合器的等距视图；
[0005]图3A示出了图2中示出的光栅耦合器沿着线1-1的横截面视图；
[0006]图3B示出了图2中示出的光栅耦合器的过渡区和非均匀光栅的俯视平面图；
[0007]图4示出了范例光栅耦合器的渐缩过渡区和非均匀光栅的俯视平面图；
[0008]图5示出了范例光栅耦合器的渐缩过渡区和非均匀光栅的俯视平面图；
[0009]图6示出了范例光栅耦合器的渐缩过渡区和非均匀光栅的俯视平面图；
[0010]图7示出了占空比与跨三种类型的非均匀光栅的距离的关系的绘图；
[0011]图8示出了过渡区和光栅的俯视平面图并且表示了 TE和TM偏振约定；
[0012]图9示出了光栅耦合器和光纤的对接端的横截面视图；
[0013]图10示出了光栅耦合器和覆盖有聚焦透镜的光纤的对接端的横截面视图。
【具体实施方式】
[0014]公开了使得能够在波导和光纤之间有效地进行耦合的光栅耦合器。光栅耦合器包含以TM偏振将光从波导稱合至光纤芯中的深槽非均勻亚波长光栅。在下面的描述中，术语“光”指具有电磁谱的包含电磁谱的红外和紫外部分的可见和不可见部分中的波长的电磁辐射。
[0015]图1A-1B分别示出了范例光栅耦合器100的等距视图和俯视平面图。光栅耦合器100包含渐缩过渡区102和非均匀的亚波长光栅104。如图1A-1B的范例中示出的，过渡区102具有随远离光栅104而变窄并且过渡至条形波导106中的类等腰三角形的形状。波导106也能够是脊形波导或条形加载波导(strip loaded waveguide)。过渡区102和光栅104设置于衬底108的平面表面上。光栅104由诸如由诸如槽112的槽隔离的线110和111的一系列大致平行的线构成。术语“大致”用于描述线的相对取向或于此描述的其它量，其中旨在理想的平行线取向，但是实际上应当认识到，测量中的不完善或制造工艺中的不完善引起线的相对取向或其它量发生改变。
[0016]过渡区102和光栅104由折射率比衬底108的折射率高的材料构成。结果，衬底108用作用于过渡区102和光栅104的下包覆层。特别地，过渡区102和光栅104能够由诸如硅(“Si”)或锗(“Ge”)的单元素半导体构成，或者过渡区102和光栅104能够由诸如II1-V族化合物半导体的化合物半导体构成，其中罗马数字III和V表示元素周期表中的IIIa列和Va列中的元素。化合物半导体能够由诸如铝(“Al”)、镓(“Ga”)以及铟(“In”)的列IIIa元素结合诸如氮(“N”)、磷(“P”)、砷(“As”)以及锑(“Sb”)的列Va元素构成。也能够根据III族和V族元素的相对量对化合物半导体进一步地进行分类。例如，二元半导体化合物包含具有实验式GaAs、InP、InAs以及GaP的半导体；三元化合物半导体包含具有实验式GaAsyPpy (其中y的范围从大于O至小于I)的半导体；以及四元化合物半导体包含具有实验式InxGahAsyPh (其中x和y的范围独立地均从大于O至小于I)的半导体。其它类型的适合的化合物半导体包含I1-VI族材料，其中II和VI表示周期表中的IIb列和VIa列中的元素。例如,0(^6、21156、2115以及ZnO是示范性的二元I1-V族化合物半导体的实验式。衬底108能够由诸如SiO2或Al2O3的较低折射率材料构成。替代地，过渡区102和光栅104能够由非半导体材料或聚合物构成。例如，过渡区102和光栅104能够由钛(“Ti”)构成并且衬底108能够由铌酸锂(“LiNb03”)构成。
[0017]能够通过首先在用作衬底108的低折射率材料的平整表面上沉积高折射率材料来形成光栅耦合器100。能够使用诸如纳米压印光刻或反应离子刻蚀的各种光刻和/或刻蚀技术中的任何一种技术来在较高折射率材料层中形成过渡区102和光栅104，以形成光栅104的线之间的深槽。通过有选择地去除高折射率材料来形成隔离线的槽。在图1A-1B的范例中，光栅104是通过去除较高折射率材料，使得衬底108的表面暴露于线之间，而形成的深槽高对比光栅。总之，槽深度`是波导高度的实质部分，并且选定槽深度以确保传输至光栅104中的光的TM偏振分量的强烈的散射，如以下参照图8描述的。
[0018]如图1A-1B的范例中示出的，光栅耦合器100具有空气包覆。在其它实施例中，能够将诸如用于形成衬底108的材料的较低的折射率材料沉积于过渡区102和光栅104之上，以形成用作上包覆层的盖子。图2示出了光栅耦合器200的等距视图。除耦合器200包含覆盖过渡区102和光栅104的盖子202之外，耦合器200类似于耦合器100。盖子202由诸如SiO2或Al2O3的折射率比过渡区102和光栅104的折射率低的材料构成，并且用作用于过渡区102和光栅104的上包覆层。
[0019]图3A-3B分别示出了光栅耦合器200的横截面视图和过渡区102和光栅104的俯视平面图。如图3A中以及图1A和2中示出的，光栅104是深槽的，因为线之间的衬底102的表面302是暴露的。光栅104被称为亚波长光栅，因为线宽度W、线间距ρ以及线厚度t小于从光栅耦合器发射的电磁辐射的波长。z方向上的线宽度w与线间距ρ的比以占空比来刻画:W
[0020] DC=—
[0021]在图3A-3B的范例中，方向箭头306指示其中光栅104的占空比在z方向上从过渡区102的宽边304起减小的方向。换句话说，对于图3A-3B中表示的特定范例光栅104，线宽度如由方向箭头308表示的那样在z方向上从边304起减小w丨，并且线间距P如由方向箭头310表示的那样在z方向上从宽边304起增大P丨。例如，线312比线314接近边304并且线312的宽度w大于线314的宽度w’，以及相邻线316和317的对比相邻线318和319的对接近边304，其中线316和317之间的线间距p大于线318和319之间的线间距
P’ O
[0022]不旨在将非均匀光栅限制于范例光栅104。通过制备具有相同线宽度而线间距在z方向上增大的线，能够实现其中占空比在z方向上随远离过渡区的宽边而减小的其它类型的适合的光栅。图4示出了范例光栅耦合器400的渐缩过渡区402和非均匀亚波长光栅404的俯视平面图。如同光栅耦合器100和200的非均匀光栅104，光栅404由诸如由诸如放置于线406和407之间的深槽408的深槽隔离的线406和407的相邻对的一系列大致平行的线构成。线自始至终具有相同的线宽度w，但是线间距在z方向上随远离过渡区402的宽边412而增大，导致光栅404具有在z方向上减小的占空比。例如，线406和407的相邻对之间的线间距P’大于线414和415的相邻对之间的线间距P’ ’，线414和415比线406和407远离边412放置。
[0023]通过制备具有线宽度在z方向上减小而线间距自始至终恒定的线，能够实现其中占空比在z方向上随远离过渡区的宽边而减小的其它类型的适合的非均匀光栅。图5示出了范例光栅耦合器500的渐缩过渡区502和非均匀亚波长光栅504的俯视平面图。如同非均匀光栅104和404，光栅504 由由暴露衬底的表面(未示出)的深槽隔离的一系列大致平行的线构成。遍及光栅504，中心至中心的线间距保持恒定，但是线的宽度在z方向上随远离宽边508而减小，导致光栅504具有在z方向上减小的占空比。例如，线510放置得比线511接近边508并且线510的宽度w大于线511的宽度w’，但是线512和510的相邻对之间的间距与更远离边508放置的线514和515的相邻对之间的间距大致相同。
[0024]通过制备使得线宽度和线间距在z方向上增大但是线间距的增大大于线宽度的增大的线，能够实现其中占空比在z方向上随远离过渡区的宽边而减小的其它类型的适合的光栅。图6示出了范例光栅耦合器600的渐缩过渡区602和非均匀光栅604的俯视平面图。光栅604由由深槽隔离的一 系列大致平行的线构成。图6显示，方向606上跨光栅604的占空比的减小由z方向上线宽度和线间距随远离宽边608而增大，但是z方向上跨光栅的线间距的增大大于线宽度的增大，来获得。
[0025]图7示出了占空比与跨三种类型的非均匀光栅的距离的关系的绘图。水平方向箭头702表示从渐缩过渡区的宽边起z方向上跨光栅的距离，并且竖直箭头704表示占空比。负斜率的线706表示具有在z方向上线性改变的负斜率的占空比的非均匀光栅。虚线708和点线710表示其中非均匀光栅的占空比在z方向上跨光栅以非线性方式改变。特别地，虚线708表示z方向上的占空比的指数减小。例如，线708表示其中线的宽度是恒定的或线性变化的而线间距指数增大，或者线间距是恒定的或线性变化的而线的宽度指数减小，的非均匀光栅。点线710表示其中占空比随远离过渡区的减小在靠近过渡区时是渐进的，但是在更远离过渡区时突然减小，的非均匀光栅。
[0026]从以上描述的非均勻光栅输出的光是TM偏振的。图8不出了光栅f禹合器100和200的过渡区102和光栅104的俯视平面图并且表示了 TE和TM偏振约定。如图8中示出的，过渡区102在光进入光栅104之前展开由波导106运载的光。按照约定，虚线的双头方向箭头802表不其中从光栅104发射的光的电场分量将平行于光栅104的线指向的TE偏振。双头方向箭头804表不其中从光栅104发射的光的电场分量垂直于光栅104的线指向的TM偏振。如以上描述的那样选定线厚度t或隔离线的槽的深度，以确保从光栅104发射的光主要由TM偏振的光构成。
[0027]从光栅I禹合器的深槽非均勻光栅输出的大部分的光是以TM偏振输出的并且以光栅平面以上的非零角度指向。图9示出了光栅耦合器200和光纤900的对接端的横截面视图。方向箭头902表示沿着波导106传输至过渡区102中的光，其中光在进入光栅104之前展开并且以基本上TM偏振从光栅104输出，如以上参照图8描述的。当光进入并且与光栅104相互作用时，光栅104引起大多数的光从靠近过渡区102的光栅以非垂直角度输出，如由方向箭头904表示的。阴影区906表示光栅104以上具有从光栅104输出的光的最高浓度的空间区域。虚线的方向箭头908表示从光栅104输出的光906的最高浓度的方向α(即a <90c)。如图9中示出的，以大致相同的角度α安置光纤的端部部分，使得从光栅104输出的大部分的光进入光纤900的芯910。
[0028]在其它实施例中，能够以平凸透镜覆盖光纤的端部，以捕获从光栅输出的光并且将从光栅输出的光聚焦至光纤的芯中。图10示出了光栅耦合器200和覆盖有透镜1002的光纤1000的对接端的横截面视图。除透镜1002比光纤900的未覆盖的端部捕获更大部分的从光栅104输出的光并且将光聚焦至光纤1000的芯1004中之外，耦合器200如以上参照图9描述的那样工作。
[0029]使用ΜΕΕΡ、用于对电磁系统进行建模的时域有限差分(“FDTD”)仿真软件包(见http://ab-1nitio, mit.edu/meep/meep-1.1.1.tar.gz)对由过渡区和形成于 250nm 厚的Si层中的深槽非均匀亚波长光栅构成的光栅耦合器进行建模。过渡区和深槽非均匀光栅夹在两个氧化层之间，氧化物覆盖层具有I μ m的厚度、光栅的线具有200nm的厚度以及10 μ m的光栅的长度。线间距的范围从666-719nm，并且占空比从26%至36%改变。仿真结果显示，光栅以大致63%的效率和大致1%的反向散射与范围从大致1290至大致1330nm的波长耦合。
[0030]前述的描述，出于解释的目的，使用了特定的术语以提供对本公开内容的全面理解。然而，对本领域技术人员将是明显的是，不要求特定的细节以便实施于此描述的系统和方法。出于示例和描述的目的介绍了特定实施例的前述描述。它们不旨在穷尽性的或将此公开内容限制于描述的精确形式。显而易见地，鉴于以上教导，许多修改和变动是可能的。示出和描述了实施例以便最好地解释此公开内容的原理和实际应用，由此使得本领域其他技术人员能够最好地利用此公开内容和具有适合于设想的特定使用的各种修改的各个实施例。旨在此公开内容的范围由下面的权利要求和其等同物来定义。
【权利要求】
1.一种光栅稱合器，包含: 过渡区，所述过渡区包含宽边并且随朝向设置于衬底上的波导远离所述边而渐缩；以及 亚波长光栅，所述亚波长光栅与所述边相邻地设置于所述衬底上，其中，所述光栅包含由具有深度的槽隔离的一系列非均匀分布的大致平行的线，以以TM偏振从所述光栅输出光。
2.根据权利要求1所述的耦合器，其中，所述非均匀分布的线还包含具有相同宽度的所述线，并且所述线距离所述边越远，线的相邻对之间的线间距增大。
3.根据权利要求1所述的耦合器，其中，所述非均匀分布的线还包含相同的中心至中心的线间距，并且所述线距离所述边越远，所述线的宽度减小。
4.根据权利要求1所述的耦合器，其中，所述非均匀分布的线还包含:所述线距离所述边越远，线的相邻对之间的中心至中心的线间距增大，并且所述线距离所述边越远，所述线的宽度减小。
5.根据权利要求1所述的耦合器，其中，所述非均匀分布的线还包含:所述线距离所述边越远，线的 相邻对之间的中心至中心的线间距增大，并且所述线距离所述边越远，所述线的宽度增大。
6.根据权利要求1所述的耦合器，包含覆盖所述过渡区和子光栅并且用作上包覆层的盖子。
7.根据权利要求1所述的耦合器，其中，所述非均匀分布的线具有随远离所述边而减小的线性的占空比。
8.根据权利要求1所述的耦合器，其中，所述非均匀分布的线具有随远离所述边而减小的非线性的占空比。
9.一种系统，包含: 过渡区，所述过渡区包含宽边并且随朝向设置于衬底上的波导远离所述边而渐缩；亚波长光栅，所述亚波长光栅由设置于所述衬底上并且由具有深度的槽隔离的一系列非均匀分布的大致平行的线构成，以以TM偏振从所述光栅输出光；以及 光纤，所述光纤包含芯和包覆层，所述光纤是成角度的，使得从所述光栅输出的大部分的所述光进入所述芯。
10.根据权利要求9所述的系统，包含设置于所述光纤的对接端上的聚焦透镜，以将从所述光栅输出的所述光聚焦至所述芯中。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述非均匀分布的线还包含具有相同宽度的所述线，并且所述线距离所述边越远，线的相邻对之间的线间距增大。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述非均匀分布的线还包含相同的中心至中心的线间距，并且所述线距离所述边越远，所述线的宽度减小。
13.根据权利 要求9所述的系统，其中，所述非均匀分布的线还包含:所述线距离所述边越远，线的相邻对之间的中心至中心的线间距增大，并且所述线距离所述边越远，所述线的宽度减小。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述非均匀分布的线还包含:所述线距离所述边越远，线的相邻对之间的中心至中心的线间距增大，并且所述线距离所述边越远，所述线的宽度增大。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，所述非均匀分布的线具有随远离所述边而减小的占 空比。
【文档编号】G02B6/122GK103890624SQ201180074221
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2011年10月21日 优先权日:2011年10月21日
【发明者】D·A·法塔尔, M·菲奥伦蒂诺, 彭臻 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业