光纖耦合器陣列的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001] 對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用 本申請(qǐng)要求于2013年12月13日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/736, 768的優(yōu)先權(quán)，其通 過(guò)引用整體并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本申請(qǐng)涉及用于光學(xué)集成電路的波導(dǎo)輸入和輸出耦合器。
【背景技術(shù)】
[0003] 波導(dǎo)輸入和輸出耦合器一直是光學(xué)集成電路設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。已經(jīng)提出或論證 用于克服光纖與芯片上的波導(dǎo)之間的低耦合效率的各種耦合方案?；谝云鋵⒐怦詈先氩?導(dǎo)或離開(kāi)波導(dǎo)的方向，這些方案分成下述兩個(gè)類(lèi)別中的一個(gè)：垂直耦合(平面外）和橫向耦 合(平面內(nèi)）。
[0004] 垂直耦合典型地用并入波導(dǎo)層以提供單模光纖（SMF)與波導(dǎo)中的光學(xué)模式之間的 轉(zhuǎn)換的衍射光柵來(lái)完成。垂直耦合方案典型地需要光纖被定位成與晶片處于某一角度。多 個(gè)光纖I/O是可能的。缺點(diǎn)是該方法的衍射性質(zhì)取決于僅對(duì)有限的波長(zhǎng)范圍可應(yīng)用的干涉 測(cè)量行為，并且因此可能不適于大光譜帶寬的光學(xué)耦合。它也具有強(qiáng)的偏振依賴(lài)性。
[0005] 在橫向親合中，在橫向方向上將光親合入波導(dǎo)的暴露橫截面以及親合離開(kāi)它，并 且這一直在對(duì)接耦合配置中被報(bào)導(dǎo)。典型地，對(duì)于光纖與波導(dǎo)之間的模式轉(zhuǎn)換需要透鏡或 斑點(diǎn)大小轉(zhuǎn)換器（SSC)。已經(jīng)論證波導(dǎo)與光纖陣列的多信道耦合。雖然橫向耦合具有弱的偏 振依賴(lài)性并且對(duì)輸入帶寬不敏感，但是它對(duì)光纖的垂直和橫向?qū)?zhǔn)提出嚴(yán)格的要求。而且， SSC設(shè)計(jì)需要對(duì)臨界尺寸的極好控制，并且對(duì)于納米波導(dǎo)而言經(jīng)常需要有透鏡的光纖或特 殊光纖(特別在針對(duì)短波長(zhǎng)來(lái)實(shí)施時(shí))，這增加了成本并且使集成電路的制作和封裝復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] -種光纖耦合器陣列組件包含：每個(gè)具有波導(dǎo)纖芯的多個(gè)光纖波導(dǎo)；光子集成電 路（1C)，包含對(duì)應(yīng)于多個(gè)光纖波導(dǎo)的多個(gè)平面內(nèi)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；以及接合到光子1C的襯底。該 襯底包含多個(gè)凹槽，所述多個(gè)凹槽支撐光纖波導(dǎo)。襯底和光子1C均能夠具有金屬凸塊接合 部，所述金屬凸塊接合部協(xié)作以在襯底與光子1C之間提供機(jī)械接合和電連接。
[0007] 由襯底的凹槽支撐的光纖波導(dǎo)的部分能夠限定與光纖波導(dǎo)的波導(dǎo)纖芯隔開(kāi)的對(duì) 應(yīng)的多個(gè)平坦表面，并且光子1C能夠包含多個(gè)無(wú)源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該多個(gè)無(wú)源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于 光子1C的多個(gè)平面內(nèi)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和多個(gè)光纖波導(dǎo)兩者。每個(gè)無(wú)源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠包含對(duì)接到 對(duì)應(yīng)光纖波導(dǎo)的平坦表面的第一耦合截面和對(duì)接到光子1C的對(duì)應(yīng)平面內(nèi)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的第 二耦合截面。第一耦合截面能夠被配置成提供進(jìn)入對(duì)應(yīng)光纖波導(dǎo)的光學(xué)信號(hào)的漸逝耦合 (evanescentcoupling)或來(lái)自對(duì)應(yīng)光纖波導(dǎo)的光學(xué)信號(hào)的漸逝親合，并且第二親合截面 能夠被配置成提供光子1C的對(duì)應(yīng)平面內(nèi)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與第一耦合截面之間的光學(xué)信號(hào)的絕熱 斑點(diǎn)大小轉(zhuǎn)換。
[0008] 在一個(gè)實(shí)施例中，從具有第一折射率的材料實(shí)現(xiàn)光纖波導(dǎo)的波導(dǎo)纖芯，并且從具 有匹配第一折射率的第二折射率的材料實(shí)現(xiàn)光子1C的無(wú)源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的第一耦合截面和第 二耦合截面。
[0009] 在另一個(gè)實(shí)施例中，從二氧化硅實(shí)現(xiàn)光纖波導(dǎo)的波導(dǎo)纖芯，并且也從二氧化硅實(shí) 現(xiàn)光子1C的無(wú)源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的第一耦合截面和第二耦合截面。
[0010] 在又一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)相應(yīng)的無(wú)源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的第一耦合截面具有正方形橫截 面，該正方形橫截面的大小對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)光纖波導(dǎo)的光學(xué)模式的大小。
[0011] 在再一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)相應(yīng)的無(wú)源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的第二耦合截面限定沿著第二耦合 截面的長(zhǎng)度彼此垂直地重疊的多個(gè)不同層，其中每層具有在寬度上橫向地逐漸減少的相對(duì) 側(cè)壁。在一個(gè)示范性配置中，第二耦合截面包含沿著第二耦合截面的長(zhǎng)度延伸的底層、中間 層和頂層，其中頂層具有對(duì)應(yīng)于第一耦合截面的高度的高度以及從寬度1橫向地逐漸減少 到寬度I的相對(duì)側(cè)壁，該寬度W:對(duì)應(yīng)于第一耦合截面的寬度，其中第二層具有延伸超過(guò)頂 層的部分，該部分具有相鄰對(duì)應(yīng)的平面內(nèi)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的從寬度WM橫向地逐漸減少到寬度1的 相對(duì)側(cè)壁，其中第三層具有延伸超過(guò)頂層的部分，該部分具有從寬度WM橫向地逐漸減少到 寬度WD的相對(duì)側(cè)，并且其中w2〈I〈WM〈I以及W。〈WM。
[0012] 能夠用Ill-v族材料的材料系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光子1C。光子1C也能夠從外延層結(jié)構(gòu)來(lái) 實(shí)現(xiàn)，該外延層結(jié)構(gòu)包含與P型調(diào)制摻雜量子阱界面垂直地偏移的n型調(diào)制摻雜量子阱界 面。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是依據(jù)本申請(qǐng)的光纖耦合器陣列的示意性分解視圖。
[0014] 圖2是圖1的光纖耦合器陣列的晶片部分的示意性部分等距視圖。
[0015] 圖3是光子集成電路的無(wú)源半導(dǎo)體波導(dǎo)（PG)與由圖1的光纖耦合器陣列的晶片 支撐的單模光纖（SMF)的平坦表面之間的界面的示意性橫截面視圖。
[0016] 圖4是示出作為沿著光子集成電路的半導(dǎo)體波導(dǎo)（PG)的漸逝耦合引導(dǎo)截面的長(zhǎng) 度的傳播距離的函數(shù)的、圖1和3中的光子集成電路的半導(dǎo)體波導(dǎo)（PG)的漸逝耦合引導(dǎo)截 面中的光學(xué)信號(hào)的功率和SMF中的光學(xué)信號(hào)的功率的繪圖。
[0017]圖5A是作為圖1的光子集成電路的部分的脊波導(dǎo)的示范性配置的示意性橫截面 視圖。
[0018] 圖5B是圖5A的示范性脊波導(dǎo)的基本（TE)模式的輪廓的繪圖。
[0019] 圖6是圖1和圖3的光子集成電路的脊波導(dǎo)和無(wú)源半導(dǎo)體波導(dǎo)（PG)的示范性配 置的示意性等距視圖。
[0020] 圖7是示出由圖6的示范性配置的模擬產(chǎn)生的半導(dǎo)體波導(dǎo)（PG)的漸逝耦合引導(dǎo) 截面和脊波導(dǎo)之間的光學(xué)信號(hào)的傳遞的繪圖。
[0021] 圖8是圖6的示范性配置中的脊波導(dǎo)和半導(dǎo)體波導(dǎo)（PG)的斑點(diǎn)大小轉(zhuǎn)換器截面 之間的示范性界面的示意性圖解。
[0022] 圖9是示出作為圖1的3的光子集成電路的半導(dǎo)體波導(dǎo)（PG)的漸逝耦合引導(dǎo)截 面與SMF的大體上平坦的表面之間的間隔G的函數(shù)的、圖1的光纖耦合器陣列的示范性傳 遞效率的繪圖。
[0023] 圖10A是描繪針對(duì)圖6的示范性配置的斑點(diǎn)大小轉(zhuǎn)換器的層的未對(duì)準(zhǔn)的示意性視 圖。
[0024] 圖10B是示出針對(duì)以下三種情況作為沿著斑點(diǎn)大小轉(zhuǎn)換器截面的長(zhǎng)度的傳播距 離的函數(shù)的、針對(duì)圖6的示范性配置的斑點(diǎn)大小轉(zhuǎn)換器部分中的光學(xué)信號(hào)的功率的繪圖： 斑點(diǎn)大小轉(zhuǎn)換器截面的第一和第二層沒(méi)有未對(duì)準(zhǔn)，在斑點(diǎn)大小轉(zhuǎn)換器截面的第一層處未對(duì) 準(zhǔn)，以及在斑點(diǎn)大小轉(zhuǎn)換器截面的第二層處未對(duì)準(zhǔn)。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 圖1圖解依據(jù)本申請(qǐng)的光纖耦合器陣列100。耦合器陣列100包含兩部分：晶 片101，機(jī)械地支撐多個(gè)單模光纖（SMF) 103 ;以及具有有源電光部件的光子集成電路（1C) 105,該有源電光部件可操作地耦合到由晶片101支撐的SMF103。SMF103能夠延伸超過(guò) 晶片101的外圍用于連接到如所需要的其它網(wǎng)絡(luò)部件。光子1C105被配置成倒轉(zhuǎn)配置(其 中襯底107向上)，其中芯片上無(wú)源半導(dǎo)體波導(dǎo)（PG)109是其頂表面111 (與襯底107相對(duì)） 的組成部分。每個(gè)PG109被配置使得其與對(duì)應(yīng)SMF103緊密接觸，在該對(duì)應(yīng)SMF103中光 纖橫截面已經(jīng)被合適地修改以提供SMF103與PG109之間的漸逝波耦合。如在圖3和6 中最佳示出的，每個(gè)PG109包含漸逝耦合引導(dǎo)（ECG)截面113和斑點(diǎn)大小轉(zhuǎn)換器（SSC)截 面115。ECG截面113對(duì)接到SMF103并且提供到SMF103的漸逝波耦合。SSC截面115對(duì) 接到是光子1C105的頂表面111的組成部分的脊波導(dǎo)117,并且提供脊波導(dǎo)117與漸逝耦 合引導(dǎo)（ECG)截面113之