光学系统及用于制造光学连接器件的方法与流程

1.本技术的实施例涉及光学系统及用于制造光学连接器件的方法。


背景技术：

2.将单模光纤连接至硅(si)光子集成电路(pic)上的波导的方法之一，是将光纤和si-pic的侧面与诸如边缘连接器的光学连接器件光学连接。边缘连接器减少了光纤与波导之间的光学模式尺寸失配，用于使光在光纤与si-pic之间传输。边缘连接工作在较宽的波长范围内，可以实现偏振不敏感连接(例如连接te/tm模式两者)，并且与半导体技术兼容。但是，为了满足对更快的处理系统的日益增长的需求，按比例缩小si-pic尺寸已经使制造具有高的光学连接效率的边缘连接器的复杂性增加。


技术实现要素：

3.在一些实施例中，一种光学系统，包括：衬底；波导，设置在所述衬底上；光纤，光学连接至所述波导；以及光学连接器件，设置在所述光纤和所述波导之间，并且配置成将所述光纤光学连接至所述波导，其中，所述光学连接器件包括设置在所述衬底上的介电层、设置在所述介电层内的第一水平面中的半导体渐缩结构、以及设置在所述介电层内的第二水平面中的多尖端介电结构，并且其中，所述第一水平面和所述第二水平面彼此不同。
4.在一些实施例中，一种光学系统，包括：衬底；波导，设置在所述衬底上；光纤，光学连接至所述波导；以及光学连接器件，设置在所述光纤和所述波导之间，并且配置成将所述光纤光学连接至所述波导，其中，所述光连接器件包括设置在所述衬底上的介电层、具有设置在所述介电层内的半导体层的阵列的多尖端半导体结构、以及设置在所述多尖端半导体结构上并且与所述多尖端半导体结构物理接触的半导体渐缩结构。
5.在一些实施例中，一种用于制造光学连接器件的方法，包括：形成位于绝缘体上硅(soi)衬底上的半导体渐缩结构；沉积位于所述半导体渐缩结构上的第一介电层；形成具有位于所述第一介电层上的介电结构的阵列的多尖端介电结构；以及沉积位于所述多尖端介电结构上的第二介电层。
6.本技术的实施例提供了多尖端光学连接器件。
附图说明
7.当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各个方面。应该指出，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
8.图1a、图1b-图1e、和图1f示出了根据一些实施例的光学系统的俯视图、截面图、和器件特性；
9.图2a-图2c示出了根据一些实施例的光学系统的截面图；
10.图3a-图3c示出了根据一些实施例的光学系统的截面图；
11.图4a-图4c示出了根据一些实施例的光学系统的截面图；
12.图5a-图5d示出了根据一些实施例的光学系统的俯视图和截面图；
13.图6a-图6e示出了根据一些实施例的光学系统的俯视图和截面图；
14.图7是根据一些实施例的用于制造光学连接器件的方法的流程图；
15.图8a-图8f示出了根据一些实施例的在其制造工艺的各个阶段的光学连接器件的截面图。
16.现在将参考附图描述说明性实施例。在附图中，相似的附图标记通常表示相同、功能相似、和/或结构相似的元件。
具体实施方式
17.以下公开内容提供了许多用于实现本发明的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。如本文所使用的在第二部件上形成第一部件，意味着第一部件形成为与第二部件直接接触。另外，本发明可以在各个实例中重复参考数字和/或字母。该重复其本身并不指示所讨论的各种实施例和/或结构之间的关系。
18.为便于描述，在此可以使用诸如“在
…
之下”、“在
…
下方”、“下部”、“在
…
之上”、“上部”等空间相对术语，以容易地描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，而本文使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。
19.值得注意的是，说明书中对“一个实施例”、“一个实施例”、“一个示例性实施例”、“示例性”等的引用，指示了所描述的实施例可以包括特定的部件、结构、或者特性，但是每个实施例不是一定包括特定的特部件、结构、或者特性。而且，这样的短语不一定指代相同的实施例。另外，当结合实施例描述特定的部件、结构、或者特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这种部件、结构、或者特性都在本领域技术人员的知识范围内。
20.应当理解的是，本文的措词或者术语是出于描述而非限制的目的，从而本说明书的术语或者措词将由相关(一些)领域的技术人员根据本文的教导进行解释。
21.如本文所使用的，术语“高k”是指高介电常数。在半导体器件结构和制造工艺领域中，高k是指大于sio2的介电常数(例如大于3.9)的介电常数。
22.如本文所使用的，术语“低k”是指低介电常数。在半导体器件结构和制造工艺领域中，低k是指小于sio2的介电常数(例如小于3.9)的介电常数。
23.如本文所使用的，术语“低折射率”是指小于si的折射率(例如小于3.5)的折射率。
24.如本文所使用的，术语“纳米结构化”限定为具有小于例如100nm的水平尺寸(例如沿着x轴和/或y轴)和/或垂直尺寸(例如沿着z轴)的结构、层、和/或区域。
25.在一些实施例中，术语“约”和“基本上”可以指示给定数量的值，该给定数量的值在该值的5％内变化(例如该值的
±
1％、
±
2％、
±
3％、
±
4％、、
±
5％)。这些值仅是示例，并
不旨在进行限制。应当理解的是，术语“大约”和“基本上”可以指的是如相关(一些)领域的技术人员根据本文的教导所解释的给定数量的值的百分比。
26.与硅光子集成电路上的硅波导相比，单模光纤可以具有相对较大的纤芯，从而产生比与硅光子集成电路上的硅波导相关联的模式更大的光模场。光纤与硅光子集成电路上的硅波导之间的直接光连接会导致高的光学连接损耗和高的光学信号损耗，这是由于光学模式尺寸失配以及光纤与硅光子集成电路上的波导之间的折射率失配所致。为了减少这种光学模式尺寸失配和折射率失配，可以使用光学连接器件(也称为“边缘连接器”)来将光纤光学连接至硅光子集成电路上的硅波导。每个光学连接器件通常具有半导体渐缩结构和围绕该半导体渐缩结构的单尖端介电结构。半导体渐缩结构可以包括硅，而单尖端介电结构可以包括氮化硅(sin)。sin(例如折射率约为2.0)和光纤(例如折射率约为1.45)之间的折射率失配低于光纤和硅光子集成电路上的硅波导(例如折射率约为3.5)之间的折射率失配。
27.单尖端介电结构用作单模波导，其配置成收集来自光纤的光，并且将所收集的光传输至半导体渐缩结构。单尖端介电结构的端部光学连接至光纤的侧面，并且当光沿着单尖端介电结构传播时，其短暂地连接至半导体渐缩结构。成与光纤和硅光子集成电路上的硅波导之间的光学模式尺寸失配相比，单尖端介电结构配置具有较小的与光纤的光学模式尺寸失配。
28.类似地，半导体渐缩结构用作单模波导，其配置成收集来自单尖端介电结构的光，并且将所收集的光传输至硅光子集成电路上的硅波导。半导体渐缩结构的端部光学连接至单尖端介电结构，并且半导体渐缩结构的其他端部光学连接至硅光子集成电路上的硅波导的侧面。与光纤和硅光子集成电路上的硅波导之间的光学模式尺寸失配相比，半导体渐缩结构配置成具有较小的与硅光子集成电路上的硅波导的光学模式尺寸失配。因此，光学连接器件用作光学模式尺寸转换器，以改善光纤和硅光子集成电路上的硅波导之间的光学连接效率。
29.用于单尖端介电结构的介电材料限制了对于单尖端介电结构而言可以获得的光学模式尺寸，因此限制了在光学连接器件和光纤之间可以实现的最小光学模式尺寸失配和最大光学连接效率。该限制是由于用以制造基于氮化硅(sin)的具有厚的sin层(例如约200nm或者更大的厚度、或者约250nm的厚度)的单尖端介电结构、以实现优选的光学连接效率的复杂工艺所致。需要用于sin结构的复杂的制造工艺来保护下面的层和/或结构，使得在sin材料(其作为高应力材料)的处理(例如图案化、蚀刻、和/或抛光)期间其可以免受可能引起的损坏。例如，为了获得所具有的厚度大于200nm(例如约200nm至约800nm)的sin层，可以在制造工艺中使用多个涂覆、图案化、蚀刻、和/或抛光工艺，以保护下面的层免受应力引起的损坏，例如光学连接器件的衬底中的裂缝。形成更薄(例如小于200nm)的基于sin的单尖端介电结构则可能会表现出低的连接效率和/或受强偏振影响的连接损耗。
30.本发明提供了具有所具有的厚度小于约200nm的多尖端介电结构的示例性光学连接器件。这样的示例性光学连接器件可以在光学连接器件和光纤之间提供改善的光学连接效率，从而改善光纤和硅光子集成电路上的硅波导之间的光学连接效率。本发明还提供了用于制造这些示例性光学连接器件的方法，该方法与用于制造单尖端介电结构的光学连接器件的方法相比，具有越来越少的复杂处理步骤，而不会牺牲示例性光学连接器件的器件
性能。
31.在一些实施例中，示例性光学连接器件可以包括半导体渐缩结构和多尖端介电结构。半导体渐缩结构和多尖端介电结构可以设置在介电层内处于彼此不同的水平面。在一些实施例中，多尖端介电结构可以包括sin层或者其他合适的介电层(例如硅高氧化物(sixo)、氧化铝(al2o3)、氮化铝(aln)、铌酸锂(linbo3)、氧化铪(hfo2)、氧化钛(tio2)、氧化锌(zno)、和氧化锗(geo2))的阵列。sin层的面对光纤的侧面形成多尖端介电结构的尖端。每个尖端具有小于约200nm(例如约90nm)的沿着z轴的垂直尺寸(例如厚度或者高度)，和大于约100nm(例如约200nm至约500nm)的沿着y轴的水平尺寸(例如宽度)。多尖端介电结构的其他合适尺寸在本发明的范围内。
32.由于与基于sin的单尖端介电结构相比，多尖端介电结构具有更薄的sin层，因此减少了示例性光学连接器件的制造中所涉及的工艺步骤的复杂性和工艺步骤的数量。在一些实施例中，多尖端介电结构可以通过一个蚀刻步骤来制造。与基于sin的单尖端介电结构的制造工艺不同，多尖端介电结构的制造工艺可以不需要高分辨率的掩模对准、复杂的工艺、或者纳米级蚀刻工艺控制。
33.多尖端介电结构允许在配置示例性光学连接器件时具有更大的灵活性，用以实现不同的光学模式尺寸，以与不同纤芯尺寸的光纤匹配。通过调整sin结构的尺寸和sin结构之间的间距，可以优化不同的光学模式尺寸，用以实现与光纤的最大连接效率。在一些实施例中，多尖端介电结构可以包括sin结构或者其他合适的介电结构的二维阵列，以进一步改善示例性光学连接器件和光纤之间的光学连接效率。在一些实施例中，与单尖端介电结构化的光学连接器件相比，示例性光学连接器件对两种偏振对光纤和多尖端介电结构之间的未对准具有更高的容限。对于光纤和多尖端介电结构之间的0.5μm的未对准，光学损耗小于1db。示例性光学连接器件还可以实现低偏振相关的光学连接损耗。
34.根据一些实施例，参考图1a-图1f描述了具有光学连接器件102(也称为“边缘连接器102”)、基于硅的波导104、和光纤106的光学系统100。图1a示出了根据一些实施例的光学系统100的俯视图。图1b-图1e示出了根据一些实施例的沿着图1a-图1b的线a-a、b-b、c-c、和d-d的截面图。图1f示出了根据一些实施例的光学系统100的器件特性。
35.光学连接器件102可以配置成将基于硅的波导104光学连接至光纤106。在一些实施例中，光学连接器件102可以包括衬底102a、设置在衬底102a上的介电层102b、设置在介电层102b内的水平面108中的半导体渐缩结构102c、以及设置在介电层102b内的水平面110中的多尖端介电结构102d。多尖端介电结构102d可以配置成收集来自光纤106的光。半导体渐缩结构102c可以配置成收集来自多尖端介电结构102d的光，并且将所收集的光传输至波导104。衬底102a可以包括半导体材料，例如硅(si)、锗(ge)、和硅锗(sige)。在一些实施例中，波导104可以设置在介电层102b内，并且可以与半导体渐缩结构102c物理接触。在一些实施例中，波导104和半导体渐缩结构102c可以是具有相同半导体材料(例如硅(si))的单个半导体结构。在一些实施例中，介电层102b可以包括氧化物材料，例如氧化硅(sio2)。
36.在一些实施例中，如图1a所示，多尖端介电结构102d可以包括在波导104和光纤106之间延伸的介电层的一维(“1-d”)阵列。介电层的1-d阵列可以包括具有低折射率的高k介电材料，例如sin、sixo、al2o3、aln、linbo3、hfo2、tio2、zno、geo2、及其组合、或者其他合适的高k介电材料。介电结构的1-d阵列的介电材料的折射率可以大于光纤106的折射率，并且
小于波导104的折射率。介电结构的1-d阵列的介电材料的折射率可以小于半导体渐缩结构102c的折射率。面对光纤106的介电结构的侧面102dt中的每一者形成多尖端介电结构102d的尖端102dt，如图1a-图1b和图1e所示。尖端102dt可以与如图1a-图1b所示的光纤106物理接触，并且可以配置成在操作期间收集来自光纤106的光。在一些实施例中，尖端102dt和光纤106之间可以存在间隙(未示出)，其中尖端102dt可以光学连接至光纤106。虽然尖端102dt示出为具有矩形截面，但是尖端102dt可以具有任意几何形状(例如圆形、半圆形、三角形、或者多边形)的截面。
37.介电结构的1-d阵列中的介电结构的数量和介电结构的尺寸取决于材料特性以及光纤106的光学模式形状和尺寸。介电结构的数量和尺寸可以在制造期间进行调整，以使多尖端介电结构102d的光学模式形状和尺寸与光纤106的光学模式形状和尺寸基本匹配。在一些实施例中，通过对多尖端介电结构102d的介电层的沿着z轴的垂直尺寸102dh进行调整，可以调整多尖端介电结构102d的沿着z轴的光学模式尺寸，以匹配光纤106的光学模式。在一些实施例中，通过对多尖端介电结构102d的介电层的沿着y轴的水平尺寸102dw进行调整，可以调整多尖端介电结构102d的沿着y轴的光学模式形状，以匹配光纤106的光学模式。介电结构的垂直尺寸102dh和水平尺寸102dw是尖端102dt的垂直尺寸和水平尺寸。因此，介电结构的垂直尺寸102dh和水平尺寸102dw的调整可以调谐光学连接至光纤106的尖端102dt的光学模式。
38.在一些实施例中，多尖端介电结构102d可以制造成具有垂直尺寸102dh和水平尺寸102dw和102dl，使得多尖端介电结构102d可以用作仅支持基本光学模式的波导。在一些实施例中，对于用作仅支持基本光学模式的波导的多尖端介电结构102d而言，垂直尺寸102dh可以等于或者小于约200nm(例如约90nm)，而水平尺寸102dw可以等于或者大于100nm(例如约200nm至约500nm)。多尖端介电结构102d与衬底102a之间的垂直间距102ds可以等于或者大于约2μm(例如约2.1μm至约10μm)，或者可以是其他合适的尺寸。多尖端介电结构102d的相邻介电结构之间沿着y轴的水平间距可以等于或者大于200nm(例如约200nm至约500nm)，或者可以是其他合适的尺寸。介电结构的数量可以在2和20之间。如果介电结构的数量小于2，则多尖端介电结构102d可能无法充分充当仅支持基本光学模式的波导。另一方面，如果介电结构的数量大于20，则处理时间增加，并且因此增加了器件制造成本。参考图1f，在一些实施例中，多尖端介电结构102d可以具有大于90％(例如约91％至约94％)的光学连接效率，或者可以是其他合适的值，并且对于多尖端介电结构102d和光纤106的沿着y轴的光轴(未显示)之间的约0.5μm的未对准，光学连接损耗小于1db。
39.可以替代如图1c-图1e所示的具有相同水平尺寸102dw和102dl的多尖端介电结构102d的介电结构的是，如图2a-图2c所示的一个或者多个介电结构的沿着y轴的水平尺寸可以不同于其他介电结构。如图2a-图2c所示，相邻介电结构的沿着y轴的水平尺寸可以彼此不同。如图2a-图2c所示，在相邻介电结构之间沿着y轴的水平间距可以彼此不同，并且可以等于或者大于100nm(例如约105nm至约500nm)，或者可以是其他合适的尺寸。图2a-图2c示出了根据一些实施例的针对多尖端介电结构102d的不同配置的沿着图1a的线b-b、c-c、和d-d的截面图。除非另有说明，否则图1a-图1e和图2a-图2c中具有相同注释的元件的讨论适用于彼此。
40.可以替代对多尖端介电结构102d的介电结构的数量和尺寸进行调整的是、或者除
了对多尖端介电结构102d的介电结构的数量和尺寸进行调整之外，还可以调整介电结构的布局配置，以使如图3a-图4c所示的多尖端介电结构102d的光学模式形状和尺寸与光纤106的光学模式形状和尺寸匹配。图3a-图4c示出了根据一些实施例的针对多尖端介电结构102d的不同配置的沿着图1a的线b-b、c-c、和d-d的截面图。除非另有说明，否则图1a-图1e和图3a-图4c中具有相同注释的元件的讨论适用于彼此。
41.参考图3a-图4c，可以替代介电结构的1-d阵列的是，多尖端介电结构102d可以包括在波导104和光纤106之间延伸的介电结构的二维(“2-d”)阵列。介电结构的2-d阵列可以包括具有低折射率的高k介电材料，例如sin、sixo、al2o3、aln、linbo3、hfo2、tio2、zno、geo2、及其组合、或者其他合适的高k介电材料。介电结构的2-d阵列的每一行中的介电结构可以具有相同的介电材料，或者可以具有不同的介电材料。介电结构的2-d阵列的每一行可以具有如图3a-图3c所示的介电结构的相同布置，或者每一行可以具有如图4a-图4c所示的介电结构的不同布置。介电结构的2-d阵列中的介电结构之间沿着z轴的垂直间距可以大于50nm(例如从约50nm至约500nm)，或者可以是其他合适的尺寸。介电结构的2-d阵列中的介电结构的布局和尺寸可以配置成使得多尖端介电结构102d可以用作仅支持基本光学模式的波导。在用于与光纤106的光学模式尺寸的较宽范围匹配的、具有光学模式尺寸的较宽范围的多尖端介电结构的制造中，介电结构的2d阵列102d提供更大的灵活性。
42.在一些实施例中，在多尖端介电结构102d和半导体渐缩结构102c之间沿着z轴的垂直间距102cs可以大于20nm(例如约20nm至约500nm)，或者可以是其他合适的尺寸。半导体渐缩结构102c的尖端102ct的沿着y轴的水平尺寸102ctw可以在约50nm至约400nm的范围内，或者可以是其他合适的尺寸。在一些实施例中，如图1a所示，半导体渐缩结构102c的基底102cb可以沿着y轴与多尖端介电结构102d的基底102db基本对准。基底102cb的沿着y轴的水平尺寸与尖端102ct的沿着y轴的水平尺寸的比值可以在约2至约20的范围内。半导体渐缩结构102c的沿着x轴的水平尺寸可以在10μm至约500μm的范围内。尖端102ct和尖端102dt之间沿着图1a中所示的x轴的水平间距可以在约1μm至约100μm的范围内。
43.参考图5a-图5d，光学连接器件102可以包括单尖端介电结构102d*而不是多尖端介电结构102d。图5a示出了根据一些实施例的光学连接器件102的俯视图。图5b-图5d示出了根据一些实施例的沿着图5a的线b-b、c-c、和d-d的截面图。除非另有说明，否则图1a-1e和5a-5d中具有相同注释的元件的讨论适用于彼此。
44.单尖端介电结构102d*可以包括具有低折射率的高k介电材料，例如sin、sixo、al2o3、aln、linbo3、hfo2、tio2、zno、geo2、及其组合、或者其他合适的高k介电材料。介电材料的折射率可以大于光纤106的折射率，并且小于波导104的折射率。介电材料的折射率可以小于半导体渐缩结构102c的折射率。面对光纤106的单尖端介电结构102d*的侧面102dt*形成单尖端介电结构102d*的尖端102dt*。尖端102dt*可以如图5a所示与光纤106物理接触，并且可以配置成在操作期间收集来自光纤106的光。虽然尖端102dt*示出为具有矩形截面，但是尖端102dt*可以具有任意几何形状(例如圆形、半圆形、三角形、或者多边形)的截面。
45.类似于多尖端介电结构102d，在半导体渐缩结构102c和单尖端介电结构102d*之间可以存在垂直间距102cs，如图5b-图5c所示，以减小光的背反射，并且调谐半导体渐缩结构102c和单尖端介电结构102d*之间的短暂的连接强度。在一些实施例中，在尖端102ct和尖端102dt*之间沿着图5a所示的x轴存在水平间距。位于尖端102ct和尖端102dt*之间的该
水平间距可以在约1μm至约100μm的范围内。在一些实施例中，如图5a所示，半导体渐缩结构102c的基底102cb可以沿着y轴与单尖端介电结构102d*的基底102db*对准。在一些实施例中，单尖端介电结构102d*沿着z轴的垂直尺寸可以在约200nm至约1000nm的范围内，并且单尖端介电结构102d*沿着y轴的水平尺寸可以在约200nm至约1000nm的范围内。单尖端介电结构102d*的其他合适的尺寸在本发明的范围内。
46.根据一些实施例，参考图6a-图6e描述具有光学连接器件602(也称为“边缘连接器602”)、基于si的脊形波导604、和光纤106的光学系统600。图6a示出了根据一些实施例的光学系统600的俯视图。图6b-图6e示出了根据一些实施例的沿着图6a-图6b的线a-a、b-b、c-c、和d-d的截面图。除非另有说明，否则图1a-图1e和图6a-图6e中具有相同注释的元件的讨论适用于彼此。光学连接器件602可以配置成将基于si的波导604光学连接至光纤106。
47.在一些实施例中，光学连接器件602可以包括衬底102a、设置在衬底102a上的介电层102b、设置在介电层102b内的设置在多尖端半导体结构602d上的半导体渐缩结构602c。多尖端半导体结构602d可以包括半导体结构的1-d阵列。半导体渐缩结构602c可以是如图6b-图6d所示的半导体结构的1-d阵列的半导体结构之一上的升高区域。半导体渐缩结构602c和位于半导体渐缩结构602c下面的半导体结构的1-d阵列的半导体结构形成单个半导体结构601，该单个半导体结构601包括诸如硅(si)的半导体材料。不与半导体渐缩结构602c重叠的半导体结构的1-d阵列的半导体结构可以包括与半导体渐缩结构602c相同的半导体材料。多尖端半导体结构602d可以配置成收集来自光纤106的光。半导体渐缩结构602c可以配置成收集来自多尖端半导体结构602d的光，并且将所收集的光传输至波导604。衬底102a可以包括半导体材料，例如硅(si)、锗(ge)、和硅锗(sige)。在一些实施例中，波导604和光学连接器件602可以是具有相同半导体材料(例如硅(si))的单个半导体结构。在一些实施例中，介电层102b可以包括氧化物材料，例如氧化硅(sio2)。
48.面对光纤106的多尖端半导体结构602d的侧面602dt的每一者都形成多尖端半导体结构602d的尖端602dt，如图6a-图6b和图6e所示。尖端602dt可以与图6a-图6b所示的光纤106物理接触，并且可以配置成在操作期间收集来自光纤106的光。虽然尖端602dt示出为具有矩形截面，但是尖端602dt可以具有任意几何形状(例如圆形、半圆形、三角形、或者多边形)的截面。
49.尖端602dt的数量和1-d阵列中的半导体结构的尺寸取决于光纤106的光学模式形状和尺寸。可以在制造期间将半导体结构的数量和尺寸调整为使多尖端半导体结构602d的光学模式形状和尺寸与光纤106的光学模式形状和尺寸基本匹配。在一些实施例中，通过对多尖端半导体结构602d的沿着z轴的垂直尺寸t1和t2进行调整，可以调整多尖端半导体结构602d的光学模式尺寸，以匹配光纤106的光学模式尺寸。在一些实施例中，通过对多尖端半导体结构602d的沿着y轴的水平尺寸(例如w1、w2、s1、s2)进行调整，可以调整多尖端半导体结构602d的光学模式形状，以匹配光纤106的光学模式形状。
50.在一些实施例中，多尖端半导体结构602d可以制造成具有垂直尺寸t1-t2，以及水平尺寸w1-w2、s1-s2，使得多尖端半导体结构602d可以用作仅具有基本光学模式的波导。在一些实施例中，垂直尺寸t1可以在约50nm至约200nm的范围内，而垂直尺寸t2可以在约100nm至约500nm的范围内。水平尺寸w1-w2可以等于或者小于400nm(例如约50nm至约200nm)。在一些实施例中，水平尺寸w1-w2可以彼此相同或者不同。多尖端半导体结构602d
与衬底102a之间的垂直间距602ds可以等于或者大于约2μm(例如约2.1μm至约10μm)。多尖端半导体结构602d的1-d阵列的相邻半导体结构之间沿着y轴的水平间距s1-s2可以等于或者大于100nm(例如约100nm至约1000nm)。在一些实施例中，水平间距s1-s2可以彼此相等或者不同。1-d阵列的半导体结构的数量可以为约2至约20。在一些实施例中，如图6a所示，沿着y轴的半导体渐缩结构602c的水平尺寸小于位于半导体渐缩结构602c下面的1-d阵列的半导体层的水平尺寸。
51.光学连接器件102和602及其元件的截面形状是说明性的，而不是旨在进行限制。
52.图7是根据一些实施例的用于制造光学连接器件102的示例性方法700的流程图。为了说明的目的，将参考用于形成如图8a-图8f所示的光学连接器件102的示例性制造工艺来描述图7所示的操作。图8a-图8f是根据一些实施例的在制造的各个阶段的沿着光学连接器件102的线b-b的截面图。操作可以以不同的顺序实施，或者可以根据特定的应用不实施。方法700可能不会产生完整的光学连接器件102。相应地，可以在方法700之前、之中、和之后提供其他工艺，并且本文仅简要描述一些其他工艺。以上描述了与图1a-1e中的元件具有相同注释的图8a-8f中元件。
53.在操作705中，提供绝缘体上硅(soi)衬底。例如，如图8a所示，可以提供soi衬底800。soi衬底800可以包括衬底102a、设置在衬底102a上的介电层102b1、和设置在介电层102b1上的硅层102c*。在后续处理期间，可以对硅层102c*进行处理，以形成半导体渐缩结构102c。在一些实施例中，介电层102b1可以包括氧化物材料，例如氧化硅(sio2)。
54.参考图7，在操作710中，半导体渐缩结构形成在soi衬底上。例如，如图8b所示，半导体渐缩结构102c可以形成在soi衬底800上。半导体渐缩结构102c的形成可以包括的顺序操作为：(i)将硅层102c*薄化至约50nm至约200nm的厚度；以及(ii)图案化和蚀刻薄化的硅层102c*，以形成图8b的结构。
55.参考图7，在操作715中，第一介电层沉积在半导体渐缩结构上。例如，如图8c所示，第一介电层102b2可以沉积在图8b的结构上，以形成图8c的结构。第一介电层102b2的沉积可以包括利用pecvd工艺在图8b的结构上覆盖沉积约50nm至约800nm厚度的介电材料。所沉积的介电材料可以与介电层102b1中所包括的介电材料相同。
56.参考图7，在操作720中，多尖端介电结构可以形成在第一介电层上。例如，如图8e所示，多尖端介电结构102d可以形成在第一介电层102b2上。多尖端介电结构102d的形成可以包括的顺序操作为：(i)利用ald或者cvd工艺在图8c的结构上覆盖沉积约50nm至约200nm厚度的高k和低折射率介电材料，以形成如图8d所示的介电层102d*；以及(ii)图案化和蚀刻介电层102d*，以形成图8e的结构。介电层102d*可以包括高k和低折射率介电材料，例如sin、sixo、al2o3、aln、linbo3、hfo2、tio2、zno、geo2、或其组合、或者其他合适的高k介电材料。
57.参考图7，在操作725中，第二介电层沉积在多尖端介电结构上。例如，如图8f所示，第二介电层102b3可以沉积在图8e的结构上，以形成图8f的结构。第二介电层102b3的沉积可以包括利用pecvd工艺在图8e的结构上覆盖沉积约100nm至约1000nm厚度的介电材料。所沉积的介电材料可以与介电层102b1-102b2中所包括的介电材料相同。介电层102b1-102b3可以形成光学连接器件102的介电层102b。
58.本发明提供了具有所具有的厚度小于约200nm的多尖端介电结构(例如多尖端介
电结构102d)的示例性光学连接器件(例如光学连接器件102)。这样的示例性光学连接器件可以在光学连接器件和光纤(例如光纤106)之间提供改善的光学连接效率，从而改善光纤和硅光子集成电路上的硅波导(例如硅波导104)之间的光学连接效率。本发明还提供了用于制造这些示例性光学连接器件的方法，该方法与用于制造单尖端介电结构的光学连接器件的方法相比，具有越来越少的复杂处理步骤，而不会牺牲示例性光学连接器件的器件性能。
59.在一些实施例中，示例性光连接器件可以包括半导体渐缩结构(例如半导体渐缩结构102c)和多尖端介电结构(例如多尖端介电结构102d)。半导体渐缩结构和多尖端介电结构可以设置在介电层堆叠件内处于彼此不同的水平面。在一些实施例中，多尖端介电结构可以包括sin结构或者其他合适的介电层的阵列。在一些实施例中，每个尖端具有小于约200nm(例如约90nm)的沿着z轴的垂直尺寸，和大于约200nm(例如约300nm至约500nm)的沿着y轴的水平尺寸。多尖端介电结构的尖端的其他合适尺寸在本发明的范围内。
60.由于与基于sin的单尖端介电结构相比，多尖端介电结构具有更薄的sin层，因此减少了示例性光学连接器件的制造中所涉及的工艺步骤的复杂性和工艺步骤的数量。在一些实施例中，多尖端介电结构可以通过一个蚀刻步骤来制造。与基于sin的单尖端介电结构的制造工艺不同，多尖端介电结构的制造工艺可能不需要高分辨率的掩模对准、复杂的工艺、以及纳米级蚀刻工艺控制。
61.多尖端介电结构允许在配置示例性光学连接器件时具有更大的灵活性，用以实现不同的光学模式尺寸，以与不同纤芯尺寸的光纤匹配。通过调整sin结构的尺寸和sin结构之间的间距，可以优化不同的光学模式尺寸，用以实现与光纤的最大连接效率。在一些实施例中，与单尖端介电结构化的光学连接器件相比，示例性光学连接器件对两种偏振对光纤和多尖端介电结构之间的未对准具有更高的容限。对于光纤和多尖端介电结构之间的0.5μm的未对准，光学损耗小于1db。
62.在一些实施例中，光学系统包括：衬底；波导，设置在衬底上；光纤，光学连接至波导；以及光学连接器件，设置在光纤和波导之间。光学连接器件配置成将光纤光学连接至波导。光学连接器件包括设置在衬底上的介电层、设置在介电层内的第一水平面中的半导体渐缩结构、以及设置在介电层内的第二水平面中的多尖端介电结构。第一水平面和第二水平面彼此不同。
63.在一些实施例中，光学系统包括：衬底；波导，设置在衬底上；光纤，光学连接至波导；以及光学连接器件，设置在光纤和波导之间。光学连接器件配置成将光纤光学连接至波导。光连接器件包括设置在衬底上的介电层、具有设置在介电层内的半导体层的阵列的多尖端半导体结构、以及设置在多尖端半导体结构上并且与多尖端半导体结构物理接触的半导体渐缩结构。
64.在一些实施例中，一种用于制造光学连接器件的方法包括：形成位于绝缘体上硅(soi)衬底上的半导体渐缩结构；沉积位于半导体渐缩结构上的第一介电层；形成具有位于第一介电层上的介电结构的阵列的多尖端介电结构；以及沉积位于多尖端介电结构上的第二介电层。在一些实施例中，一种光学系统，包括：衬底；波导，设置在所述衬底上；光纤，光学连接至所述波导；以及光学连接器件，设置在所述光纤和所述波导之间，并且配置成将所述光纤光学连接至所述波导，其中，所述光学连接器件包括设置在所述衬底上的介电层、设
置在所述介电层内的第一水平面中的半导体渐缩结构、以及设置在所述介电层内的第二水平面中的多尖端介电结构，并且其中，所述第一水平面和所述第二水平面彼此不同。在一些实施例中，半导体渐缩结构和所述多尖端介电结构通过所述介电层的一部分彼此垂直地移位。在一些实施例中，多尖端介电结构与所述半导体渐缩结构重叠。在一些实施例中，多尖端介电结构包括设置在所述介电层内的所述第二水平面中的介电结构的一维或者二维阵列。在一些实施例中，多尖端介电结构包括与所述光纤物理接触的尖端的阵列。在一些实施例中，多尖端介电结构包括具有氮化硅材料的介电结构的阵列。在一些实施例中，多尖端介电结构包括设置在所述介电层内的所述第二水平面中的氮化硅结构的阵列，并且其中，所述氮化硅结构的阵列中的每个氮化硅结构具有在约50nm至约200nm范围内的垂直尺寸。在一些实施例中，多尖端介电结构包括介电材料，所述介电材料的折射率大于所述光纤的折射率，并且小于包括所述渐缩结构的所述半导体材料的折射率。在一些实施例中，多尖端介电结构包括尖端的一维阵列，并且其中，所述尖端的一维阵列中的相邻尖端具有彼此不同的水平尺寸。在一些实施例中，多尖端介电结构包括尖端的二维阵列，并且其中，所述二维阵列的每一列中的所述尖端具有彼此相等的尺寸。在一些实施例中，多尖端介电结构包括介电结构的二维阵列，并且其中，所述二维阵列的第一行具有第一数量的介电结构，所述二维阵列的第二行具有第二数量的介电结构，所述第一数量和所述第二数量彼此不同。在一些实施例中，半导体渐缩结构的基底与所述多尖端介电结构的基底基本对准。
65.在一些实施例中，一种光学系统，包括：衬底；波导，设置在所述衬底上；光纤，光学连接至所述波导；以及光学连接器件，设置在所述光纤和所述波导之间，并且配置成将所述光纤光学连接至所述波导，其中，所述光连接器件包括设置在所述衬底上的介电层、具有设置在所述介电层内的半导体层的阵列的多尖端半导体结构、以及设置在所述多尖端半导体结构上并且与所述多尖端半导体结构物理接触的半导体渐缩结构。在一些实施例中，半导体结构的阵列中的所述半导体结构中的一者和所述半导体渐缩结构是设置在所述介电层内的单个半导体结构的部分。在一些实施例中，半导体结构的阵列和所述半导体渐缩结构包括相同的半导体材料。在一些实施例中，半导体结构的阵列的所述半导体结构的每个侧面与所述光纤物理接触。
66.在一些实施例中，一种用于制造光学连接器件的方法，包括：形成位于绝缘体上硅(soi)衬底上的半导体渐缩结构；沉积位于所述半导体渐缩结构上的第一介电层；形成具有位于所述第一介电层上的介电结构的阵列的多尖端介电结构；以及沉积位于所述多尖端介电结构上的第二介电层。在一些实施例中，形成所述半导体渐缩结构包括蚀刻所述soi衬底的硅层。在一些实施例中，形成所述多尖端介电结构包括沉积位于所述第一介电层上的第二介电层，并且其中，所述第一介电层和所述第二介电层彼此不同。在一些实施例中，形成所述多尖端介电结构包括图案化和蚀刻所述第二介电层。
67.前面概述了若干实施例的特征，使得本领域的技术人员可以更好地理解本公开的各个方面。本领域的技术人员应该理解，他们可以容易地使用本公开作为用于设计或修改用于执行与本公开相同或类似的目的和/或实现相同或类似优点的其他工艺和结构的基础。本领域的技术人员还应该意识到，这种等效结构不背离本公开的精神和范围，并且可以进行各种改变、替换和变更而不背离本公开的精神和范围。