光子集成电路与外部单模光纤之间的双层光耦合配置的制作方法

本发明涉及光子集成电路(photonic integrated circuits，pics)的实施，并且更具体地，涉及用于将pics中形成的光波导耦合到相关联的单模光纤的配置。

背景技术：

1、关于将硅基集成光学电路(也称为“光子集成电路”、“光子ic”，或者简称“pics”)，在从数据通信到感测系统的广泛应用中用作通用平台持续取得进展。能够使用常规cmos兼容的晶片级制造技术，这允许就较低的成本形成高密度pics。

2、因为硅具有高折射率，所以在pic中制造的单模硅波导表现出亚微米模式尺寸。当需要将来自集成在pic内的这种硅波导的光信号耦合到外部信号路径(通常为，单模光纤)时，波导通常沿着pic的侧壁(边缘)表面终止，其中，中间的自由空间耦合器用于改进波导的亚微米模式尺寸与常规单模光纤的几微米(例如，10μm)模场直径(mfd)之间的耦合效率。

3、进一步改进基于pic的硅波导的亚微米模式尺寸与几微米mdf外部信号路径(例如光纤)之间的耦合的技术是沿着该硅波导的终端部分形成倒锥。具体地，倒锥涉及与单模光纤的界面附近处的波导宽度的减小。波导宽度的减小将模式扩展到周围二氧化硅(sio2)中，因此扩展了扩展射束的传播。另一种实施方式使用超大数值孔径(ulna)光纤。这改善了耦合效率，但是需要拼接到传输单模光纤以及在拼接位置处的伴随损耗。

4、改善耦合效率的当前方法是基于使用多个氮化硅波导，该多个氮化硅波导被设置在pic结构的单独的层内，以基于各层之间隐失场耦合产生一类“竖直耦合”。若干波导均终止于pic的同一边缘处，并且在pic结构内竖直地且水平地间隔开，使得从pic出射的射束的集群模拟远场中的圆形复合模式的形式，优选地用于到纤芯区域中的改进的耦合。然而可用的方案，需要在pic内包括若干附加层以形成该结构，这增加了pic的整体尺寸，以及要求大量的附加制造步骤，增加了系统的复杂性和成本。

技术实现思路

1、本发明解决了现有技术中尚存的需求，本发明涉及一种双层竖直堆叠布置，其在基于pic的硅波导和相关联的外部光信号路径(诸如光纤，通常是单模光纤)之间提供高效率的边缘耦合。

2、具体地，已经开发了一种双层竖直耦合布置，其产生与现有技术基本相同的复合圆形模式，但是需要比上述现有技术配置更少的层(并且因此需要更少的工艺)。该双层耦合布置形成于pic中，且设置于承载光通信信号的传播的光波导(其可由硅或类似材料形成)上方。

3、根据本发明的原理，双层耦合布置包括第一耦合波导和第二耦合波导，第一耦合波导在信号传播波导上方的位置处设置在pic内，第二耦合波导设置在第一耦合波导上方。第一耦合波导和第二耦合波导都由诸如氮化硅或氮氧化硅(或类似合成物)的材料形成，该材料将产生与信号波导的隐失波耦合并且将传播的信号的能量从该原始波导转移到该对耦合波导中。第一耦合波导形成为y形分路器配置(或以一对间隔开的波导部段终止的其它分路器布置)，其中y的两个臂分开一距离，该距离适合于产生将与耦合光纤的芯区域的圆形模场一致的射束。第二耦合波导也可以形成为y形分路器，或者以一对波导部段终止的任何其他布置，其位于第一耦合波导的臂正上方。第一耦合波导和第二耦合波导之间的竖直间距设置成使得，从第二耦合波导出射的该对射束也将与圆形模场重合。沿着硅波导传播的光信号将被隐失波耦合到第一耦合波导中，并且其后还被耦合到第二耦合波导中。通过将光信号分裂成从该双层结构出射的一组四个射束，产生了期望的圆形模场以高效率地耦合到光纤的芯区域中。

4、示例性的实施例采用一种用于在形成于光子集成电路(pic)内的光信号承载波导与外部光信号路径之间提供光信号耦合的双层耦合布置的形式。该双层耦合布置包括一对竖直间隔开(量s)的耦合波导，其中第一、下方的耦合波导位于该光信号波导上方。具体地，该对中的第一耦合波导在信号承载波导上方的位置处形成在pic的第一层内(并且包括具有产生在信号波导和第一耦合波导之间的传播的光信号的隐失波耦合的折射率值的材料)，其中，第一耦合波导形成为y形分路器波导(或以一对间隔开的波导臂终止的类似布置)，其作为一对波导臂终止于pic的侧边缘附近，该对波导臂分开宽度w。该对的第二耦合波导也包括具有产生在第一耦合波导和第二耦合波导之间的传播的光信号的隐失波耦合的折射率值的材料。第二耦合波导包括一对分开的波导部段，其设置在第二耦合波导的那对波导臂上方，该对分开的波导部段分开相同的宽度w并且沿着pic的该侧边缘终止。w和s的值被选择为使得一组射束与沿着pic的该侧边缘设置的外部光传输路径的圆形模式轮廓一致，以耦合到所包括的信号波导，该组射束与来自第一耦合波导和第二耦合波导的边缘终端相关联。

5、本发明的其他实施例可以容易地配置为包括形成在形成双层结构的一对波导层中的耦合布置的布置，因此，在光信号承载波导的阵列与光纤(或任何其它类型的输出信号路径)的阵列之间提供了高效率的耦合。

6、本发明的其他和进一步的方面和实施例将在以下讨论的过程中以及参考附图变得显而易见。

技术特征：

1.一种用于在形成于光子集成电路(pic)内的信号承载光波导与外部光信号路径之间提供光信号耦合的双层耦合布置，所述布置包括：

2.根据权利要求1所述的双层耦合布置，其中，所述第一耦合波导和所述第二耦合波导中的至少一个包括y形分路器波导几何结构。

3.根据权利要求1所述的双层耦合布置，其中所述第一耦合波导和所述第二耦合波导中的至少一个包括基部波导部段和邻近的渐缩波导部段，所述邻近的渐缩波导部段被配置为对所述传播的光束能量的一半出光耦合，所述基部波导部段和所述邻近的渐缩波导部段终止为所述一对波导臂。

4.根据权利要求1所述的双层耦合布置，其中，所述第一耦合波导和所述第二耦合波导中的至少一个包括基部波导部段和一对渐缩波导部段，所述一对渐缩波导部段横向设置在所述基部波导部段的任一侧上，所述基部波导部段和所述邻近的渐缩波导部段被配置成地将所述传播的光束能量从所述基部波导部段同等地转移到所述一对邻近的渐缩波导部段中，形成所述一对波导臂。

5.根据权利要求1所述的双层耦合布置，其中，所述第二耦合波导包括一对分开的波导，其限定所述一对波导部段。

6.根据权利要求1所述的双层耦合布置，其中，所述第一耦合波导和所述第二耦合波导由氮化硅形成。

7.根据权利要求1所述的双层耦合布置，其中，所述第一耦合波导和所述第二耦合波导由氮氧化硅形成。

8.根据权利要求1所述的双层耦合布置，其中，所述第一耦合波导由氮化硅形成。

9.根据权利要求1所述的双层耦合布置，其中，所述第一耦合波导由氮氧化硅形成。

10.根据权利要求1所述的双层耦合布置，其中，所述第一耦合波导包括倒锥形几何形状，用于促进光能量从所述信号承载光波导到所述双层耦合装置的完全转移。

11.根据权利要求10所述的双层耦合布置，其中，所述第二耦合波导包括倒锥形几何形状，用于促进光能量在所述第一耦合波导与所述第二耦合波导之间的同等分布。

12.根据权利要求1所述的双层耦合布置，其中，所述第一耦合波导和所述第二耦合波导的所述端部终端与所述pic的所述侧边缘重合。

13.根据权利要求1所述的双层耦合布置，其中，所述第一耦合波导和所述第二耦合波导的所述端部终端从所述pic的所述侧边缘凹陷不大于5μm的量。

14.根据权利要求1所述的双层耦合布置，其中，w和s的所述值被选择为使得所述第一耦合波导和所述第二耦合波导的所述边缘终端与单模光纤的芯区域的圆形模式轮廓一致。

15.一种用于在形成于pic内的n个信号承载光波导的阵列与n个外部光信号路径的阵列之间提供光耦合的双层耦合布置，所述双层耦合布置包括：

16.根据权利要求15所述的双层布置，其中，来自所述第一耦合层和所述第二耦合层的所述边缘终端与单模光纤的阵列内的芯区域的圆形模式轮廓一致，单模光纤的所述布置沿着所述pic的所述侧边缘定位，以耦合到所包括的n个信号承载波导的阵列。

技术总结
一种双层耦合布置，其包括第一耦合波导和第二耦合波导，第一耦合波导设置在光子集成电路内(在所包括的光信号波导上方的位置处)，第二耦合波导设置在第一耦合波导上方。第一耦合波导和第二耦合波导形成为呈现分路器配置，该分路器配置作为一对臂终止，该对臂分开一距离，该距离适合于产生将与耦合光纤的芯区域的圆形模场一致的射束。第一耦合波导和第二耦合波导之间的竖直间距被设置成使得从耦合波导的终端臂出射的射束对与圆形模场重合。

技术研发人员：拉文德·卡齐鲁,阿努吉特·夏斯特里,拉奥·耶拉马蒂,斯里拉姆·泰亚拉詹,大卫·斯奈德,卡尔潘都·夏斯特里
受保护的技术使用者：艾尤纳公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15