光斑尺寸转换器和光学装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本文中所讨论的实施方案涉及一种光斑尺寸转换器(spot size converter)和光学装置。
【背景技术】
[0002]近年来，由于高清视频发行等的推广，信息量已经并正在急剧增大，而且这要求提高数据中心等的信息处理性能。此外，这要求通过低成本和低功耗的设备来实现信息处理性能的提高，并且，近年来，硅光子被活跃地研究。
[0003]因为用于如刚描述的这样的硅光子的硅波导芯的截面形状如此小，例如，宽度约500nm并且高度约220nm,所以发生与光纤的光斑尺寸(例如,约几μπι至ΙΟμπι)失配。因此，发生过高的耦合损耗。
[0004]因此，为了抑制过高的耦合损耗，提出了一种光斑尺寸转换器:在该光斑尺寸转换器中，硅波导芯的宽度以锥形形状减小，并且覆盖有第二芯使得光从硅波导芯向第二芯渡越(transit)以放大光斑尺寸。这被称为第二芯型光斑尺寸转换器。
【发明内容】
[0005]然而，在上述常规第二芯型光斑尺寸转换器中，光斑尺寸不能被充分增大。例如，光斑尺寸不能被增大到色散位移光纤(DSF)或单模光纤(SMF)的光斑尺寸。因此，不能实现与色散位移光纤或单模光纤的低损耗耦合。
[0006]因此，期望充分地增大光斑尺寸并且实现与色散位移光纤或单模光纤的低损耗耦口 ο
[0007]根据本实施方案的一个方面，一种光斑尺寸转换器包括:第一硅波导芯，包括具有固定宽度的固定宽度区、以及连续延伸到(continuing to)固定宽度区并且具有朝着末端部分减小的宽度的宽度逐渐减小区；以及第二波导芯，其连续延伸到第一硅波导芯并且至少覆盖宽度逐渐减小区；第一娃波导芯在固定宽度区具有厚度方向台阶(thickness-wisestep)ο
[0008]根据本实施方案的另一方面，一种光学装置包括:光斑尺寸转换器以及色散位移光纤或单模光纤，该光斑尺寸转换器包括第一硅波导芯，该第一硅波导芯包括具有固定宽度的固定宽度区、以及连续延伸到固定宽度区并且具有朝着末端部分减小的宽度的宽度逐渐减小区；以及第二波导芯，该第二波导芯连续延伸到第一硅波导芯并且至少覆盖宽度逐渐减小区；第一硅波导芯在固定宽度区中具有厚度方向台阶；该色散位移光纤或单模光纤耦接至光斑尺寸转换器的第二波导芯侧上的端面。
[0009]因此，该光斑尺寸转换器和光学装置具有以下优势:可以充分地增大光斑尺寸并且可以实现与色散位移光纤或单模光纤的低损耗耦合。
【附图说明】
[0010]图1A至图1G是示出了根据实施方案和具体实施例的光斑尺寸转换器的配置的示意图，其中图1A是俯视图；图1B是沿图1A的线B-B截取的截面图；图1C是沿图1A的线C-C截取的截面图；图1D是沿图1A的线D-D截取的截面图；图1E是沿图1A的线E-E截取的截面图；图1F是沿图1A的线F-F截取的截面图；以及图1G是沿图1A的线G-G截取的截面图；
[0011]图2A和图2B是示出了根据实施方案的具体实施例的光斑尺寸转换器的制造方法的示意图，其中图2A是俯视图以及图2B是沿图2A的线B-B截取的截面图；
[0012]图3A和图3B是示出了根据实施方案的具体实施例的光斑尺寸转换器的制造方法的示意图，其中图3A是俯视图以及图3B是沿图3A的线B-B截取的截面图；
[0013]图4A至图4C是示出了根据实施方案的具体实施例的光斑尺寸转换器的制造方法的不意图，其中图4A是俯视图；图4B是沿图4A的线B-B截取的截面图；以及图4C是沿图4A的线C-C截取的截面图；
[0014]图5A至图5C是示出了根据实施方案的具体实施例的光斑尺寸转换器的制造方法的示意图，其中图5A是俯视图；图5B是沿图5A的线B-B截取的截面图；以及图5C是沿图5A的线C-C截取的截面图；
[0015]图6A和图6B是示出了根据实施方案的具体实施例的光斑尺寸转换器的制造方法的示意图，其中图6A是俯视图以及图6B是沿图6A的线B-B截取的截面图；
[0016]图7A和图7B是示出了根据实施方案的具体实施例的光斑尺寸转换器的制造方法的示意图，其中图7A是俯视图以及图7B是沿图7A的线B-B截取的截面图；
[0017]图8A和图SB是示出了根据实施方案的具体实施例的光斑尺寸转换器的制造方法的示意图，其中图8A是俯视图以及图8B是沿图8A的线B-B截取的截面图；
[0018]图9A和图9B是示出了根据实施方案的具体实施例的光斑尺寸转换器的制造方法的示意图，其中图9A是俯视图以及图9B是沿图9A的线B-B截取的截面图；
[0019]图1OA和图1OB是示出了根据实施方案的具体实施例的光斑尺寸转换器的制造方法的示意图，其中图1OA是俯视图以及图1OB是沿图1OA的线B-B截取的截面图；
[0020]图11是示出了在色散位移光纤与根据本实施方案的具体实施例和修改方案中的任意一个的光斑尺寸转换器耦接的情况下插入损耗的计算结果的图；
[0021]图12是示出了在色散位移光纤与根据本实施方案的具体实施例和修改方案中的任意一个的光斑尺寸转换器(其中第二芯的折射率为约1.46)耦接的情况下插入损耗的尖端宽度依赖性的计算结果；
[0022]图13是示出了在色散位移光纤与根据本实施方案的具体实施例和修改方案中的任意一个的光斑尺寸转换器(其中第二芯的折射率为约1.48)的情况下插入损耗的尖端宽度依赖性的计算结果；
[0023]图14A至图14G是示出了根据本实施方案的第一修改方案的光斑尺寸转换器的配置的示意图，其中图14A是俯视图；图14B是沿图14A的线B-B截取的截面图；图14C是沿图14A的线C-C截取的截面图；图14D是沿图14A的线D-D截取的截面图；图14E是沿图14A的线E-E截取的截面图；图14F是沿图14A的线F-F截取的截面图；以及图14G是沿图14A的线G-G截取的截面图；
[0024]图15A和图15B是示出了根据实施方案的第一修改方案的光斑尺寸转换器的制造方法的示意图，其中图15A是俯视图以及图15B是沿图15A的线B-B截取的截面图；
[0025]图16A和图16B是不出了根据实施方案的第一修改方案的光斑尺寸转换器的制造方法的示意图，其中图16A是俯视图以及图16B是沿图16A的线B-B截取的截面图；
[0026]图17A和图17B是示出了根据实施方案的第一修改方案的光斑尺寸转换器的制造方法的示意图，其中图17A是俯视图以及图17B是沿图17A的线B-B截取的截面图；
[0027]图18A和图18B是示出了根据实施方案的第一修改方案的光斑尺寸转换器的制造方法的示意图，其中图18A是俯视图以及图18B是沿图18A的线B-B截取的截面图；
[0028]图19是示出了关于设置在硅波导芯的固定宽度区中的沿厚度方向的台阶尺寸的损耗的模拟结果的图；
[0029]图20A至图20G是示出了根据本实施方案的第二修改方案的光斑尺寸转换器的配置的示意图，其中图20A是俯视图；图20B是沿图20A的线B-B截取的截面图；图20C是沿图20A的线C-C截取的截面图；图20D是沿图20A的线D-D截取的截面图；图20E是沿图20A的线E-E截取的截面图；图20F是沿图20A的线F-F截取的截面图；以及图20G是沿图20A的线G-G截取的截面图；
[0030]图21A和图21B是示出了根据本实施方案的第二修改方案的光斑尺寸转换器的制造方法的示意图，其中图21A是俯视图以及图21B是沿图21A的线B-B截取的截面图；以及
[0031]图22是示出了根据本实施方案的第三修改方案的光斑尺寸转换器的配置的示意性俯视图。
【具体实施方式】
[0032]在下文中，参照附图描述根据本发明的实施方案的光斑尺寸转换器和光学装置。
[0033]首先，参照图1A至图22描述根据本实施方案的光斑尺寸转换器。
[0034]根据本实施方案的光斑尺寸转换器是第二芯型光斑尺寸转换器，其中硅波导芯的宽度以锥形形状减小，硅波导芯覆盖有第二芯使得光从硅波导芯向第二芯渡越以放大光斑尺寸。在如刚描述的这样的第二芯型光斑尺寸转换器中，在其中硅波导芯的宽度以锥形形状减小的区域中光逐渐从硅波导芯向第二芯渡越，最终光完全渡越到第二芯以放大光斑尺寸。例如，在形成在硅衬底上的硅光学装置中提供如刚描述的光斑尺寸转换器。
[0035]应该注意，光斑尺寸也被称为光斑直径、模场尺寸(mode field size)、模尺寸(mode size)、模场直径(mode field diameter)或模直径(mode diameter)。此外，娃光学装置也被称为光学半导体装置。此外，光斑尺寸转换器也被称为光点尺寸转换器(opticalspot size converter)。
[0036]在本实施方案中，如图1A至图1G所不,光斑尺寸转换器I包括娃波导芯2(第一娃波导芯)和第二芯3 (第二波导芯)。
[0037]在此，硅波导芯2包括具有固定宽度的固定宽度区2A以及连续延伸到固定宽度区2A并且具有朝着末端部分(尖端部分)减小的宽度的宽度逐渐减小区2B。在此，宽度逐渐减小区2B是其宽度朝着光斑尺寸的放大方向减小的宽度逐渐减小区。此外，宽度逐渐减小区2B是具有锥形宽度结构的区域。此外，宽度逐渐减小区2B具有固定的厚度。
[0038]第二芯3连续延伸到硅波导芯2并且至少覆盖宽度逐渐减小区2B。在此，第二芯3不仅覆盖宽度逐渐减小区2B而且还部分地覆盖固定宽度区2A。此外，第二芯3具有沿其总体长度的固定的横截面尺寸。
[0039]娃波导芯2在固定宽度区2A中具有沿厚度方向(thickness-wise direct1n)的台阶4。具体地，在硅波导芯2的固定宽度区2A中的未覆盖第二芯3的区域中设置有台阶4。
[0040]为何以如上述那样的方式配置本实施方案的光斑尺寸转换器I的原因如下。
[0041]首先，如上所述，常规第二芯型光斑尺寸转换器不能充分地放大光斑尺寸。例如，虽然可以将光斑尺寸放大到小直径芯光纤的光斑尺寸(例如，约4 μ m)，但是不能将光斑尺寸放大到色散位移光纤的光斑尺寸(例如，约8μπι)或单模光纤的光斑尺寸(例如，约10.5 μ m)。因此，虽然可以实现与小尺寸芯光纤的低损耗耦合，但是至今尚未能实现与色散位移光纤或单模光纤的低损耗耦合。应该注意的是，如果可以充分地放大光斑尺寸并且可以通过光斑尺寸转换器实现与色散位移光纤或单模光纤的低损耗耦合，则可以使用比小直径芯光纤更便宜的色散位移光纤或单模光纤并且可以实现成本的降低。
[0042]在这种情况下，为了实现与色散位移光纤或单模光纤的低损耗耦合，例如，似乎有希望增大第二芯的尺寸并且减小第二芯的折射率来放大光斑尺寸。
[0043]然而，如果为