多个轴梯度折射率光子耦合的制作方法

下文的公开总体涉及光子或光学耦合，更具体地，涉及使用用于沿多个轴聚焦的梯度折射率镜片的光子耦合。

技术背景

光学耦合将电路与诸如光学导电光纤或线缆的其他组件集成，涉及经由组件的光线的传播，该组件被配置以将光线从集成电路转换到其他组件。由于在转换过程中光线的低效率传播，该转换可能导致数据的丢失或破坏。这种破坏可能导致集成电路与所耦合的组件之间的更慢的或低效率的数据传输。

附图说明

参考以下附图在本文中描述了本发明的示例性实施例：

图1是示出了用于沿多个轴聚焦的梯度折射率镜片的示例的实施例。

图2A-2B是示出了经由梯度折射率镜片传播的光线的示例。

图3A-3B是示出了耦合对齐的梯度折射率镜片的实施例。

图4是示出了用于创建梯度折射率镜片耦合设备的实施例的示例的流程图。

图5A-5F是示出了创建梯度折射率耦合的装置的示例的阶段。

图6是示出了实现梯度折射率镜片以在多个轴中聚焦光线的耦合设备的示例的实施例。

具体实施方式

概述

在一个实施例中，镜片可以被提供以光学地将集成电路与其他组件耦合。镜片可以采用具有可变的折射率的材料将光线沿着第一轴聚焦，以及用弯曲的表面来将光线沿第二轴聚焦。

示例的实施例

光子或光学的耦合器可以将光线聚焦到两个维度，例如沿着所耦合的集成电路或芯片的横轴或纵轴聚焦，该芯片与被提供用于将芯片黏着到其他组件上的面元(facet)相关。如俯视图所示，沿横向维度的聚焦可以通过将芯片的平面或面元定型到圆柱或抛物线的形状而实现。沿纵向维度的聚焦可以通过订制(tailor)耦合过程中的较低或高的覆盖层级的折射率的分布而实现。具体地，折射率可以将被配置为作为耦合中的纵向位置的函数遵循椭圆的、球形的、非球形的、或抛物线的分布。

镜片可以与芯片相集成、或被添加到芯片以提供耦合。此外，镜片可以被理解为互补式金氧半导体(“CMOS”)或其他微电子系统(“MEMS”)的晶元级制造过程的一部分。例如，在制造过程中，镜片材料的层级可以被添加到芯片作为层级。同样，可以用这些或相似的技术将多镜片形成在单独的芯片中，该多个镜片的每一个都可能具有不同的经配置的光学特性。

镜片可以与锥形波导组合，以将传播光线从波导边界光学模式转变到基于光纤的光学模式。波导锥可以持续波导的变尖最终在镜片附近结束，这使得在波导中的光学模式在靠近镜片处直径的扩大。从锥形波导中放射出来的光线或光束的集合可以具有大孔径，意味着光线在空间中迅速地发散，并且因此在没有镜片的帮助下，将不能够有效地将芯片耦合到光纤上。镜片的配置可使得光线转变为比较不迅速地将光线发散到平行光束、或汇聚光线，因此允许芯片与光纤有效的耦合。

可以选择锥形波导的位置以及维度，以产生具有诸如模场直径或数值孔径的所期望特性的光束。波导锥的其他特性可以用时域有限差分法(“FDTD”)模拟来计算。相似地，镜片的焦距、尺寸、孔径清晰度或颜色、以及其他镜片特性可以被选择来转变从波导中发射的光束，使得能够将光束有效地耦合到外部的光纤、其他组件、或外部固定装置。镜片的具体的焦点特性可以被配置以用各种技术将光束聚焦到多个方向。同样，波导以及镜片的相对位置还可以提供用于耦合的面元区域的具体的位置。在实施例中，控制镜片与波导的光学的中心线对齐可以提供耦合设备的聚焦区域或耦合面元的具体的位置。例如，光束可以沿着被对齐或同轴的波导与镜片的共同的光学中心线传播，使得光束继续沿共同的光学中心线传播到提供了耦合面元区域的耦合的边缘。在另一个示例中，波导光学中心线与镜片光学中心线可以被偏移，使得光束的传播中心线对于耦合的表面的区域形成一个角度，该光束的传播中心线不沿镜片或波导中任何一个的光学中心线。

可以用镜片或波导锥的组合将光束耦合进芯片或出芯片。具体的实施例可以涉及镜片与波导焦点特性的具体的组合或配置，可以针对不同的芯片、固定装置、光纤、或其他组件配置来定制以提供高耦合效率。

此外，镜片制造作为晶元级别的可控制的过程，可以被控制在精度很高的级别。将镜片对于芯片上波导的对齐可以用现有的MEMS处理技术精确到200纳米或更高的精度之内。此外，可以将镜片材料的光学特性以可预测的和高的可重复的方式调整为具体的与特定的配置。同样，在芯片、波导、和/或镜片之间的材料空缺可以用针对镜片制造的晶元级别的技术减少或消除。

具有多个轴焦点特性的梯度折射率镜片可以被用来光学地耦合任何光子组件。例如，这种镜片可以被用于光学收发器模块制造，以及短距离光学内联(诸如动态光学线缆、板对板耦合、架对架耦合、或可以涉及芯片对光纤的光学耦合的任何实现)。

在实施例中，在诸如锥形的或纳米锥形的波导的光学波导之前，可以将槽嵌入晶元表面。介电材料的多个层级，诸如硅的氮氧化物(“SiON”)能够被放置在槽里。可以控制对于所放置的材料的每一个层级的材料(诸如SiON)的成分，使得形成具有沿镜片轴可变的折射率的梯度折射率镜片以控制光束的焦点高度。例如，这种受控的化工或成分可以变化在该材料中氧和/或氮的含量。此外，镜片表面的波状形状可以提供用于焦点宽度的控制。这样的表面可以用槽的相似的波状的墙(wall)或通过其他形成技术所生成。以这种方式，焦距可以通过镜片的波状表面以及梯度折射率分布的组合来控制。

图1是示出了用于沿着多个轴聚焦的梯度折射率镜片101的示例。镜片101具有沿第一轴121偏移距离132布置的两个相对的表面111、112。镜片101还具有第三平面113，该平面相对于第一轴121被弯曲。镜片101可以被以下述方式排布朝向：该排布使得光线或光束的集合通过镜片101沿着第二轴122或传播轴在相对的表面111、112之间并且向第三表面113传播。在实施例中，第三表面113可以垂直于由相对的表面111、112的第一表面111和/或第二表面112所定义的平面。

镜片101可以由具有沿着第一轴121可变的折射率的材料所形成。可变的折射率可以被配置以沿着第一轴121操作或聚焦光线。在实施例中，镜片101可以由大体上单一的材料组成。大体上单一的材料可以是相同的或相似的化学成分的材料，但由于制造的错误或不纯净而导致成分的浓度上轻微的变化。此外，大体上单一的材料可以涉及相同元素的组合，但涉及具体元素结构的浓度的变化。此外，大体上相似的材料可以涉及具有相似的或相同的元素配方但在成分上变化的材料种类。例如，镜片可以由具有沿着第一轴121的氧和氮的变化的相对含量的SiON形成。在材料中氧和氮的相对含量的变化可以被配置来提供沿第一轴的抛物线变化的折射率。在实施例中，在材料中氧和氮的相对含量的变化可以是关于镜片101的中心线或其他轴对称。

同样，镜片101的第三表面113的曲面可以被配置来将沿着第三轴123聚焦。在实施例中，第一轴121、第二轴122、和/或第三轴123可以是垂直的。同样，第四表面114可以同样地或另外地围绕第一轴121弯曲以将光线沿着第三轴123聚焦。此外，第三表面113和/或第四表面114的曲面可以取决于各种实施例所表明的光学特征，以凹或凸的方式被弯曲。

图2A是示出了通过镜片101的Z轴(例如图1中的轴122)中的长度134的光线202传播的侧视图。光线202在地点212处进入镜片101，该地点212具有在Y轴中的轨迹。镜片101包括具有沿着在Y轴中镜片101的高度132变化的折射率240的材料。变化的折射率240被配置，使得光线202在Y轴中的轨迹随着光线202沿着镜片101的长度134的传播而变化。例如，可变的折射率240可以随着关于光线202的光学中心线的抛物线方程变化。

此外，可变的折射率240可以将被配置以提供焦距136，使得在表面220的聚焦区域224上的Y轴中聚焦光线。聚焦区域224、或焦点区域，可以是表面的区域，该表面的区域接收具有特定截面区域的光束。可以例如用镜片101来操作光束，使得被包括在光束中的光线被收敛、平行、或发散到所期望的截面区域的光束中，该截面区域在表面与光束相交的位置。例如，聚焦区域224可以是在距离136处的光线202的截面区域，在该处表面220与光线202相交。此外，聚焦区域224可以基于所实现的实施例的特征，涉及不同的高度与宽度维度。

在实施例中，表面220可以是集成电路板或光学耦合的外表面。针对抛物线梯度折射率镜片的配置，焦距136可以用公式1来确定：

公式1：

在公式1中，n₁是镜片折射率的峰值，a是镜片的高度132的一半，r是沿延伸到焦距136的直线的可变的位置，n(r)是在位置或长度r处镜片与表面220之间的材料的折射率，Δ是由公式2所定义的折射差，其中n₂是在传播路径中的诸如覆层材料的第二材料的折射率。

公式2：

此外，针对由抛物线折射率镜片所操纵的光线的周期P的正弦曲线路径长度由公式3所给出：

公式3：

因此，焦距随着P的减少而减少。在实施例中，距离表面的长度136在0.25P与0.5P之间。

图2B是示出了光线202通过图2A的镜片101的传播的俯视图。镜片101具有弯曲的表面140，该弯曲的表面140在X轴中沿镜片101的宽度138而延伸。弯曲的表面140被配置，使得通过镜片101的弯曲的表面140将光线202在X轴中聚焦到表面220的聚焦区域224上。弯曲的表面140可以涉及沿曲线长度的持续的或可变的曲率的任何半径，使得在聚焦区域224上恰当地聚焦光线202。

在涉及光线耦合器的实施例中，镜片可以相对于波导被导向，以恰当地操纵光线202到聚焦区域224中用于耦合。镜片可以相对于波导被导向，使得光束通过波导与镜片两者传播。具体地，镜片被导向与配置以将金钩波导的光束聚焦。例如，镜片可以涉及沿着第一轴的梯度折射率焦点特性，以及由沿第二轴的镜片表面的曲面所产生的焦点特性。此外，多个镜片与波导可以在单个组件或系统中所提供，用于多个光学输出以及输出配置。

图3A与图3B是示出了涉及波导320与镜片101的光学耦合的实施例。光学耦合可以提供在集成电路与光学导电光纤之间的耦合。例如，光学耦合可以涉及光束的传播，该光束的传播在波导320处进入光学耦合。光束可以由集成电路所产生，该集成电路在波导320处物理地连接到光学耦合上。光束可以通过波导320以及镜片101传播，发射和操纵光束202到光学耦合的外表面220的聚焦区域224上。之后，光学导电光纤可以在外表面220上的聚焦区域224处接收光束202。

在图3A的实施例中，波导320被嵌入(embed)或以其他方式被插入诸如二氧化硅(“Silica”)的物质330中。波导320包括适合于光线传播的材料，该材料具有对于嵌入材料的相对折射率使得光线被限制在波导320中。例如，波导可以由硅组成。将波导320调整到(oriented)离镜片101一段距离，该镜片101由SiON所构成或组成。波导320与镜片都具有光学中心线，根据该光学中心线光线经由相应的组件进行传播。在图3A中，镜片101以及波导320具有共同的光学中心线301，该光学中心线301使得光线能够沿着共同的光学中心线301传播到表面220上的聚焦区域224。图3B示出了涉及波导光学中心线302与镜片光学中心线304的偏移，使得光线202沿着不同的轴306传播到在表面220上的聚焦区域224。在这个实施例中，聚焦区域224的位置是由光学中心线的偏移335所控制的。可能采用任何偏移的量，导致偏差的任何角度。此外，光束可以经由大气、空气、或者与镜片不耦合的其他介质来传播，从镜片101传输到表面220。

图4是示例的流程图，涉及多个轴梯度折射率光子耦合的形成的实施例。流程图的步骤能够以所示出的顺序被执行或以不同的顺序所执行。此外的、不同的、或更少的步骤可以被提供。例如，不执行步骤460和/或470。

在步骤420中，在主体中形成槽。主体可以是任何类型的主体或对象。在实施例中，主体可以涉及光学耦合设备。例如，如图5A所示，主体可以是包括所嵌入的硅波导505的具有二氧化硅的主体502。

槽可以用任何技术来形成。例如，可以采用诸如湿法蚀刻、各向异性湿法蚀刻、和/或等离子蚀刻的蚀刻技术。如参考图5B的槽510所示出的，所形成的槽可以被定向，使得槽经过来自波导纵向延伸的路径。在实施例中，槽可以被定向为垂直于波导的长度。

在步骤430中，材料可以被沉积在槽内。该材料可以具有沿着槽的深度可变的折射率，使得材料被配置以聚焦来自波导的传播的光线，该波导沿着与槽的深度平行的轴。例如，如参考图5C所示出的，可以用材料515来填充槽510。在实施例中，所沉积的材料可以是SiON。

可以用任何技术沉积材料。例如，可以用化学气相沉积(“CVD”)技术沉积该材料。用CVD技术，材料的各层可以由等离子沉积在主体的表面上。等离子材料的沉积由流入等离子的前驱气体的混合物所确定。在涉及SiON的实施例中，前驱气体可以包含硅、氧、以及氮。其他气体也可以被采用。为了形成梯度折射率材料，在材料沉积过程中氧和氮的相对含量可以被控制或变化。例如，沉积可以由作为前驱气体的硅和氧开始。随着更多的材料被沉积，可以添加前驱气体来增加氮气量并减少氧气量。一旦达到所沉积材料的期望深度的一半，则可以加入前驱气体来减少氮气量并且增加氧气量。经由所沉积材料的深度，氮和氧变化的相对含量提供材料的可变的折射率。可以采用气体的层级中的不对称的变化。

在步骤440中，主体可以被平面化。平面化可以涉及任何技术使得表面平滑。例如参考图5D，平面化可以包括移除材料使得在主体上形成平面或刨平的表面517，以及在槽510中的相同的平面上形成所沉积材料515。蚀刻、磨削、锯切或任何其他技术可以被用来使得表面平滑。

在步骤450中，所沉积材料的表面被形成为曲面。可以由任何技术所形成曲面。在实施例中，如在图5E中所示出的，所沉积材料515可以被移除以形成弯曲的表面530。诸如主体材料的其他材料或在曲面的另一面所沉积材料也可以被移除，以形成或塑形该所沉积材料。

在另一个实施例中，槽510可以由弯曲的面所形成。之后，在步骤430处，由材料进入到槽内的沉积可以形成所沉积材料的弯曲的表面。因此，弯曲的槽面可以定义或形成所沉积材料的弯曲的表面。之后，步骤450以及460不作为单独的步骤而被提供。

在步骤460中，材料被添加到主体。参考图5F，所添加材料540可以回填由于步骤450中材料的移除所留下的空缺以形成弯曲。所添加材料可以与组成主体的材料相同，或与形成槽510的材料相同。在实施例中，槽510由移除主体的二氧化硅材料而形成，并且二氧化硅被添加到主体以回填由于移除槽内所沉积的SiON所留下的空缺。

在步骤470中，主体可以被平面化。通过移除任何额外的回填材料，主体可以被平面化以产生主体中光滑的表面。

在实施例中，所沉积的材料可以被用于形成镜片，使得经过主体传播的光线可以通过主体的表面上所沉积的材料而被聚焦。光线可以被聚焦在主体的任何表面上。例如，材料可以被配置使得光线被聚焦在端部、顶部、边、或主体的任何其他表面。在实施例中，光线可以被聚焦到主体的外部。例如，不同的主体的表面上。

图6示出了涉及光学耦合602的实施例的主视图，该光线耦合602包括波导605，该波导605是锥形的使得波导605的截面区域沿着波导605的长度而减小。光学耦合602还包括镜片101，该镜片101被配置以聚焦来自波导的沿着光学耦合602的外表面220的两个轴而传播的光束。通过在镜片成分中具有沿第一轴可变折射率的材料的使用，镜片101可以在第一轴聚焦光线。通过镜片101的弯曲表面610的使用，镜片101还可以在第二轴聚焦光线。此外，相对位置、特征、和/或耦合的波导605、镜片101、以及外表面220的配置可以提供光学耦合602的具体的光学特征。例如，波导605以及镜片101的光学中心线可被对齐或偏移，以精确地确定在外表面220或光学耦合602的其他表面上的聚焦区域的位置。在另一示例中，镜片101与外表面220之间的相对距离可以确定外表面220上的聚焦区域的大小。在实施例中，在表面610与外表面220之间的材料615可以在光学耦合中被消除或不被包括。

光学耦合602可以作为单独的设备存在，该设备可以被用于与其他设备相关以光学地耦接其他的设备。光学耦合602还可以作为设备的组件被集成以提供对于设备的光学耦合性能。例如，光学耦合602可以被集成进集成电路设备，使得将集成电路设备光学地耦接到其他设备。例如，光学耦合可以被嵌入或以其他方式植入集成电路的电镀材料，使得光学耦合的外表面是集成电路的外表面用于耦合光纤。此外，光学耦合602可以与集成电路同时被建立，诸如在集成电路设备中的晶元级别制造过程中同时被建立。

本文所描述的实施例的阐述意在提供各种实施例的结构的通常的理解。阐述不意在作为装置与系统的所有元件与特性的完备的描述，该装置与系统利用本文所描述的架构或方法。根据回顾本公开，许多其他的实施例对于本领域技术人员来说可以是显然的。本公开可以利用其他实施例，以及从本可以得出其他实施例，使得能够做出诸如结构的或逻辑的置换与变换而无需离开本公开的范围。此外，示出仅仅是代表性的并且可以不是按比例绘制的。示出的某些比例可能被夸大，但其他比例可能被缩小。相应地，本公开以及附图应被视作阐述性的而不是限制性的。

尽管此说明书包含许多特性，这些特性不应被理解为本发明的限制或可能要求的内容范围的限制，而是作为对本发明的具体实施例的特性细节的说明。在单独的实施例的上下文中，此说明书中的某些特性还可以以组合的形式在单个的实施例中被实现。相反，单个的实施例上下文中所描述的各种特性还可以以多个实施例的形式而单独地实现，或以任何适合的子组合的形式而实现。此外，尽管特性可以被描述作为是在某些组合中起作用的，甚至在开始被如此的要求，但是在一些情况下，来自所要求的组合的一个或多个特性可以脱离该组合，并所要求的组合可以被变化为子组合或子组合的改变。

相似地，尽管在附图中所描绘的与本文所描述的操作是以具体的顺序的，不应理解为要求以示出的具体顺序或时序执行这些操作，或者要求应当执行所有示出的操作以获得期望的结果。在一些情况下，多任务处理可以是有利的。此外，上文所描述的实施例中的各种系统组件的拆分不应当理解为在所有实施例中都要求这种拆分。

本公开的一个或多个实施例可以被分别地或整体地引用于此，术语“发明”仅仅出于简便的目的而不意在将本申请的范围主动地限制在具体的发明或发明概念中。此外，尽管本文中已示出和描述了具体的实施例，应当理解以实现相同或相似目的被设计的任何次序的安排可以取代所示出的具体实施例。本公开意在覆盖各种实施例的任何或全部后续的改编或变化。一旦回顾说明书，以上的实施例的组合以及未在本文中具体描述的其他实施例，对于本领域技术人员来说将是显然的。

所提供并且递交的本公开摘要遵守37C.F.R§1.72(b)，并且不应被理解为解释或者限制说明书的范围或意义。此外，出于简化本公开的目的，在上文的详细描述中，各种特性可以组合在一起或被描述在单个的实施例中。本公开不应被理解为反映一种倾向：所要求的实施例要求多于在每项权利要求中所引用的特性。而是，如以下权利要求反映的，发明的主题可以被指向少于任何所公开的实施例中的所有特性。因此，以下权利要求被并入本文所提供的详细描述中，每一项权利要求代表其自身作为定义单独地要求的主题。

因此，以上的详细描述意在被视为示例性的而不是限制性的，并且应当理解，是包括所有等同物的以下的权利要求意在定义本发明的精神和范围。