CN101620296A - 一种光电衬底上的高约束波导 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学器件，所述光学器件包括位于光电衬底(如铌酸锂)上的被光耦合至光电衬底中的波导的无源高约束波导(如以富硅氮化硅材料制成)。此高约束波导结构可以实现多种光电器件，包括：定向耦合器、紧凑型抽头耦合器、折叠式光电器件、包括环形谐振腔的光电调制器、光电光栅。本发明实现的进一步应用还包括集成有光电有源波导的混合无源平面光波回路(PLC)，其采用该高约束波导作为在无源与有源部件之间传递光功率的中间波导。

Description

一种光电衬底上的高约束波导
技术领域
[01]本发明涉及一种包括位于光电衬底(如铌酸锂)上的无源高约束波导(如富硅氮化硅)的光学器件，所述高约束波导被光学耦合至光电衬底内的一个波导。此高约束波导结构可以实现多种光电器件，包括：定向耦合器、紧凑型抽头耦合器、折叠式光电器件、包括环形谐振腔的光电调制器、光电光栅。由本发明实现的更多应用还包括与光电有源波导集成的混合无源平面光波回路(PLC)，其采用该高约束波导作为在无源与有源部件之间传递光功率的中间波导。
背景技术
[02]用于光电衬底上的高约束波导因其可增大光波导弯曲半径的能力而非常合乎需求。这将可以方便减小器件尺寸、在光电芯片上实现更多的功能和更高的封装密度。其进一步的优势是可以创造出混合PLC光电芯片。
[03]由于扩散波导与周围光电衬底(如钛扩散铌酸锂)之间较小的折射率变化量，目前在可接受的损耗条件下波导的弯曲半径还相当大。这是缩小光电器件尺寸方面的一个主要限制因素。折射率更大的更高约束的单片或混合集成波导将可实现更小的弯曲半径和更小的器件特征。然而，如果用于制造较高约束波导的较高折射率的材料为光电无源性，则光功率必须在高约束波导与较低约束的光电有源波导之间以绝热方式传递。因此需要一种无源特征的结构(如弯段)，其可以使光学信号模式场紧缩，而又允许在器件的其他部分中，在光电衬底内有尽可能多的传输。此外还需要低约束和高约束波导的单片或混合垂直集成，因为这将不再需要由不同材料制成的衬底之间的对接接头光学过渡(所述对接接头光学过渡需要精确的对正)，由此可降低器件的总成本。
[04]平面光波回路(PLC)是一种经过充分开发的无源光学技术。最为常见的是一种硅上二氧化硅结构，其中具有掺杂二氧化硅(SiO2)芯的波导被沉积在一个无掺杂二氧化硅包层上，被平版蚀刻，随后涂覆一层无掺杂二氧化硅上包层。掺杂二氧化硅芯的折射率稍高于包层。在硅衬底的氮化硅SiN中也制有波导。氮化硅波导的芯必须比二氧化硅波导要薄得多且窄得多，以便仅允许存在一个导模，因为SiN的折射率可能会比掺杂SiO2高得多，从而使折射率变化量Δn高得多。
[05]在以下文章中介绍了一种混合无源光波导：Y.Shani等人的“硅上集成光绝热器件”(Integrated optic adiabatic devices on silicon)，IEEE量子电子学期刊，第27卷，第3期，1991年3月，556-566页。在如图1所示的该混合波导1中，掺杂SiO2芯4内加工有一个作为内芯2的化学计量的SiN带(Si3N4)。大多数光被引导在此混合波导1中的Si3N4带2内。图2示出了由Shani在上文中所介绍的Si3N4带2的横向宽度内的绝热锥3，它使Si3N4带2内携带的光功率可以被传递到更大模式的掺杂SiO2芯4内，或者反向传递，而不造成模式改变或光功率损失。图3示出了同样由Shani等人介绍的常规二氧化硅波导8和SiN波导6之间的重叠锥5、7，可以实现功率的绝热传递。对于掺杂SiO2芯4宽于SiN带2的部分，重叠区的横截面与图1类似。
[06]现有技术的美国专利4,737,015介绍了一种在铌酸锂上用于创制应力感应波导的“氮氧化物”层。该“氮氧化物”层是SiO2与SiN的混合物。US专利6,670,210和6,864,512也介绍了一种含有SiO2和SiN的波导。必须要指出的是，在以铌酸锂作为下包层衬底的条件下，这些专利中所述的“氮氧化物”的折射率并没有高到足以作为波导芯。实际上，化学计量SiN(Si3N4)的光学指数过低，不能直接在铌酸锂衬底上生成波导芯。在现有技术中，通过改变氮的量以实现折射率之差，在芯体和包层的生成中均使用SiN。作为替代方式，使用SiO2作为包层。然而，这样会对光电器件提供过多的约束。
[07]光电衬底上的高约束波导所需的是一种折射率高于光电衬底、由此能够减小光信号模式尺寸的材料。为了将光信号传入及传出扩散波导，高约束波导的折射率必须至少等于或大于扩散波导的折射率。扩散波导具有不均匀的折射率，其顶部中心的折射率最大。与此相反，高约束波导则具有均匀的折射率，且该折射率应高于扩散波导的平均折射率。此外，光吸收和光散射损失必须较低。为了实用，铌酸锂上SiN:Si中的传播损耗应小于1dB/cm。
[08]为了获得生成受铌酸锂约束的波导芯所需的足够高的折射率，SiN必须为富硅型。例如在美国专利6,470,130中，富硅氮化硅波导被描述为每个分子中硅氮比高于3个硅原子比4个氮原子的氮化硅。具有化学式Si3N4的氮化硅化合物被视为化学计量。具有更高硅含量的氮化硅化合物则被视为富硅氮化硅，记作SiN:Si。氮化硅的硅含量通过在沉积过程中改变气流参数和温度来加以控制。随着气体参数的变化，折射率也会受到影响。
[09]化学计量SiN(Si3N4)波导在上述Shani的文章中介绍，此外还在以下文章中介绍：N.Daldosso等人的“在CMOS加工引导线内生长的各种Si3N4波导几何形状间的比较”(Comparison among various Si3N4 waveguide geometries grown within a CMOS fabricationpilot line)，IEEE光波技术期刊，第22卷，第7期，2004年7月，1734-1740页。在二氧化硅(SiO2)芯下方的SiN片已被用于补偿双折射，如以下文献中所述：H.H.Yaffe等人的“与偏振无关的硅上二氧化硅马赫-曾德尔干涉仪”(Polarization-independentsilica-on-silica Mach-Zehnder interferometers)，IEEE光波技术期刊，第12卷，第1期，1994年1月，64-67页。SiN波导已被加工成以空气作为顶部包层，SiO2作为底部包层，如以下文献所述：T.Barwicz等人的“基于频率匹配式微环谐振腔的插分滤光器的加工”(Fabrication of add-drop filters based on frequency-matched microring resonators)，IEEE光波技术期刊，第24卷，第5期，2006年5月，2207-2218页。液体也已被用作Si3N4芯内的带格栅顶部包层，如以下文献所述：W.C.L.Hopman等人的“准一维光子晶体作为折射计光传感器的紧凑型构造组块”(Quasi-one-dimensional photonic crystal as acompact building block for refractometric optical sensors)，IEEE量子电子学所选主题期刊，第11卷，第1期，2005年1月/2月，11-16页。
[10]在以下文献中介绍了一种与光电活性聚合物集成的Si3N4波导：I.Faderl等人的“光电聚合物在硅上集成光路中的集成”(Integration of an electrooptic polymer in an integratedoptic circuit on silicon)，IEEE光波技术期刊，第13卷，第10期，1995年10月，2020-2026页。
[11]然而，现有技术不能提供任何涉及用于在光电衬底上生成高约束光波导的示教。为了减小器件尺寸和为了设计的灵活性，非常需要此类波导结构。
发明内容
[12]本发明的一个目的是提供一种在光电衬底上使用并可以基本绝热地光耦合至光电衬底内的波导的高约束波导。
[13]本发明的另一个目的是在光电衬底上提供具有较小弯曲半径的高约束波导以实现更高的器件封装密度。
[14]本发明的另一个目的是提供一种高约束光波导，其适合于在集成混合光学器件中将光由光电器件耦合至无源光学器件。
[15]本发明的另一个目的是提供一种光电器件，其包括具有小型器件特征和折叠特征的高约束波导，用以实现高封装密度。
[16]本发明的另一个目的是提供无源光电集成器件，其包括高约束波导，用以实现从无源器件到光电器件以及相反方向的绝热光传输。
[17]本发明已发现，通过直接在光电衬底上生成高约束波导，如以铌酸锂上的SiN:Si耦合至Ti等扩散波导，或光电衬底内的其他波导，如退火质子交换(APE)波导，以减小波导回路部分的模式尺寸，由此实现显著的优势。通常，高约束波导将不会是光电器件内的唯一波导，因为只有光模式的尾部会经过高约束波导中的光电材料传输。因此，光电效应会受到限制。这在某些应用场合中可以接受。优选将用于小弯曲半径区的高约束波导与用于直段及为了与光纤实现更好的模式尺寸匹配的Ti扩散波导进行组合。作为替代方式，可以生成内有高约束芯与类似折射率的扩散波导相重合的混合波导，以便以更小的模式尺寸实现光电衬底中的光传输。
[18]因此，本发明涉及一种高约束波导，其包括：折射率为ns的光电衬底；位于光电衬底内、折射率nw大于ns的光波导；位于光电衬底上、被光耦合至光波导的高约束波导，该高约束波导的折射率nc大于ns，以使光电衬底可在高约束波导内引发全内反射，而大于nw的折射率nc将使当高约束波导与光波导接触时大部分光功率由光波导耦合至高约束波导。
[19]本发明的另一方面涉及一种光电器件，其包括：折射率为ns的光电衬底；位于光电衬底内的至少一个光波导，用于将光信号经所述器件传输以实现电调制；至少一个折射率nc大于ns的高约束波导，其经用于绝热传输光信号的至少一个锥而被光耦合至至少一个光波导。
[20]本发明的另一方面提供了一种集成光学器件，其包括：被置于折射率为ns的光电衬底上的光电元件；无源光学元件；以及经过该光电元件和无源光学元件的光波导回路，其中，所述光波导回路包括位于所述光电元件上的高约束波导和位于所述无源光学元件上的高约束波导，所述位于所述光电元件上的高约束波导具有大于ns的折射率nc，所述位于所述无源光学元件上的高约束波导具有折射率为np，其被光耦合至所述光电元件的所述高约束波导。
附图简要说明
[21]下文将参照代表其优选实施方式的附图来对本发明进行更为详细的说明，其中：
[22]图1为现有技术的混合SiN二氧化硅(silica)波导的横截面图；
[23]图2为图1所示的现有技术波导的俯视图，示出了光学绝热锥；
[24]图3为常规二氧化硅与SiN波导之间用于光功率绝热传输的现有技术的重叠锥过渡的俯视图；
[25]图4为根据本发明的两个高约束波导的横截面图；
[26]图5为根据本发明的两个替代的高约束波导的横截面图；
[27]图6为在调制器结构中经常采用的与脊形衬底相结合的高约束波导的横截面图；
[28]图7为部分或全部埋入光电衬底的若干高约束波导的横截面图；
[29]图8为在光电衬底中有一锥形深度的槽内生成的高约束波导的等轴视图，该槽可实现从低约束到高约束的逐步过渡；
[30]图9为用于本发明的类似于图2中的锥的绝热锥的俯视图；
[31]图10为用于本发明的类似于图3的由重叠锥构成的过渡的俯视图；
[32]图11为根据本发明的用于水平倏逝波耦合的光耦合器的横截面图；
[33]图12为用于垂直倏逝波耦合的光耦合器的三个示例的横截面图；
[34]图13为图11中耦合器的俯视图；
[35]图14为图12中耦合器之一的俯视图；
[36]图15A和15B为图11和13中的耦合器的光学E场的颜色增强图，作为在由第一绝热锥到中心(图15A)和从中心到第二绝热锥(图15B)的若干横截面上计算得出的三维BPM仿真；
[37]图16为根据本发明的高约束波导中突变弯段(abrupt bend)的俯视图；
[38]图17为高约束波导中突变弯段的替代结构的俯视图；
[39]图18为高约束波导中突变弯段的另一种替代结构的俯视图；
[40]图19为包括抽头耦合器的光电芯片的示意图，该抽头耦合器有锐弯(sharp bend)，用以将被抽头引出的光引导至光电芯片的边缘；
[41]图20为采用高约束波导中的锐弯来折叠调制器的折叠式马赫-曾德尔调制器的示意图；
[42]图21为顶部有缓冲层和电极以实现调制的LN上SiN波导(SiN on LN waveguide)的横截面图；
[43]图22为如图21所示的LN上SiN波导的替代波导的横截面图；
[44]图23为光电控制环形谐振腔的俯视示意图；
[45]图23A为图23中环形谐振腔的沿12-12线的横截面图；
[46]图24为环形谐振腔的替代配置的示意图；
[47]图25为根据本发明的另一种替代的环形谐振腔的示意图；
[48]图26为根据本发明的另一种实施方式的LN上SiN波导的纵截面示意图，在LN内蚀刻有光栅；
[49]图27为硅基二氧化硅器件混合集成的横截面示意图，该器件将通过高约束波导而被光耦合至处于倒装芯片取向的光电芯片；
[50]图28为图27的混合集成的替代结构的横截面示意图；
[51]图29为图27的器件的横截面示意图，其中的高约束波导被光耦合到光学和光电器件；
[52]图30为图28中光耦合在一起的器件的横截面示意图；
[53]图31为两个图27的器件装配在一起的俯视图，同时示意性地显示整个混合器件的光耦合波导。
具体实施方式
[54]图4-31给出了本发明的各种实施方式，它由在一种光电材料(如铌酸锂LN)上形成的高约束波导(如SiN:Si)构成。图4-6示出了不同类型的LN上SiN:Si波导的横截面。SiN带10被加工成富硅型，将其光学折射率提高到稍高于LN 20的折射率的水平。高约束波导相对光电衬底的折射率改变必须显著大于在扩散波导内所产生的改变量。铌酸锂扩散波导中的最大折射率通常比衬底折射率高0.01至0.02，换言之，形成波导的折射率变化量小于衬底折射率的1％。此外，由于波导采用扩散工艺制成，波导中多数部分的平均折射率变化量小于最大折射率变化量，因此平均折射率变化量可能小于0.5％。一个采用折射率比衬底高0.05或更多的SiN带制成的高约束波导的平均折射率变化量至少为衬底折射率的2％，这比扩散波导内所产生的变化量要大数倍。通常，高约束波导的折射率变化量至少应为0.02，可高达0.2。更优选的折射率变化量为0.02-0.1。最优选的折射率变化量则为0.05。
[55]由Ti或其他材料(镍、镁氧化物、氧化锌、稀土材料等)制成的扩散波导12存在于光电衬底20中，至少用于将光耦合至高约束波导10或从其中耦合出来，且经常用于更实质性的重叠。钛在高温下被扩散至LN中，形成Ti扩散波导。如上所述，Ti波导12将光信号送入衬底20的电活性区内。当光被高约束波导10引导时，非常少的光信号被暴露于电场中。此外，扩散波导12的较大的模式尺寸也为向光纤内的耦合提供了更好的匹配。通常，大部分光功率是在SiN:Si带10中传输，而不论SiN:Si带10是如图5所示处于无掺杂LN 20上，还是如图4所示处于钛扩散LN波导12之上。图4示出了有和没有上包层14的LN上SiN:Si波导10，该上包层14由掺杂或无掺杂SiO2材料组成，该材料在许多LN调制器中被采用。可以引入掺杂物以调整SiO2的电气和/或光学性质。上包层14可以起到保护LN上SiN:Si波导10的作用，并且也可以在其顶部包括一个渗出层(如TaSiN)，用以疏导来自LN 20的热释电电荷，和/或充当密封剂以防潮。图5示出了仅包括LN 20上SiN:Si带10的LN上SiN:Si波导10，而没有Ti扩散波导。
[56]图6显示，LN上SiN:Si波导10可与在衬底20内形成脊的蚀刻槽22组合使用，此类蚀刻槽经常用于提高LN调制器内的调制效率。这一结构可以实现沿急转弯(tightbend)的调制。注意，SiN:Si为光电非活性材料，然而，该模式的尾部处于光电活性的衬底内。LN上SiN:Si波导内的调制很可能比LN波导内要弱得多，因为大多数光功率被局限在SiN内。该脊结构可以提高调制效率，以帮助抵消一部分由于SiN的光电非活性而造成的调制效率损失。
[57]图7和8示出了SiN:Si带10可以如何部分或全部埋入LN衬底20内。埋入SiN:Si带10可以减小横向折射率变化量，减少带内的约束，以减小从一较大模式Ti扩散波导12到混合SiN:Si加Ti扩散波导的过渡中的光学损耗。埋入SiN:Si带10还可以增加光电衬底内的模式尾部的量，从而提高调制效率。将SiN:Si材料10沉积到一楔形槽24中将导致铌酸锂20内包含的SiN:Si的量随着材料被适形(conformally)填充至槽24中以及带10的更多部分被空气包围而逐步减小，如图8所示。这样可以以更渐进性的方式提高约束，由此减少从较低约束到高约束的功率传输的光学损耗。作为替代方式，可以使用周期性分段的高约束波导10(将进行性工作循环中(in a progressing duty cycle)的高约束材料与折射率比空气传输介质更接近高约束波导折射率的包层材料相交替)来实现对约束的逐步修改。例如，具有周期分段的区域内的包层可以是化学计量(stoichiometric)SiN，其折射率接近于LN和SiN:Si的折射率。该包层可以覆盖高约束波导的全部。作为替代方式，SiN包层也可以被图案化，以便仅将其置于具有周期分段的位置。将上包层的宽度由较大值逐渐缩减至小于SiN:Si带10的宽度，将可以减小从有上包层的区域到没有上包层的区域过渡中的散射损耗。
[58]Shani等人对“绝热”一词给出了有用的定义。在本申请中，它指的是系统的光学模式占用情况不会随波导结构的变化而变化。如果基模最初被激励，在波导结构及由此引起的模式形状变化时，所有功率将保留在基模内。没有功率被耦合至其他模式或辐射至连续介质中。图9示出了在布局上类似于图2中现有技术的绝热锥11。锥11将功率由LN 20内的扩散波导12垂直传输到LN 20上的SiN:Si带10。随着功率由一个波导转至另一个，该模式的形状和大小将会显著变化。然而，由于光信号被吸引至较高的折射率对比处，传输中损耗的光功率非常小。图10示出了在布局上类似于图3中现有技术的锥设计13。在图10中，根据光传播的方向，功率由SiN:Si带10绝热垂直传输至LN 20内的扩散波导12，或者反之。对于扩散波导宽度大于SiN:Si带宽度的段，图9和10中锥的横截面类似于图4所示的横截面。
[59]其他波导结构可以采用高约束波导设计。图11和12示出了采用水平或垂直倏逝波耦合的LN上SiN:Si光耦合器的横截面。水平耦合器30加工较为简单，但需要对横向尺寸进行精确的控制。垂直耦合器32、34、36较为复杂，需要对垂直尺寸进行精确控制，而垂直尺寸有时可以更容易地实现更高的控制精度。图11所示的结构包括一个Ti扩散波导12，以促进SiN:Si波导10内各光模式之间的耦合。相比在有着巨大折射率变化量的LN上方的区域，这些模式在Ti扩散波导12内有更多的重叠。
[60]图12示出了采用LN上SiN:Si波导的三种型式的垂直耦合器。在垂直耦合器32中，下LN上SiN:Si波导10有一个位于其下方的Ti扩散波导12，而在两个SiN:Si波导10的模式尾部重叠的SiO2缓冲层16内会发生耦合。垂直耦合器34有一个直接位于LN 20之上的SiN:Si带10，另一个带10则直接位于其上，其间有缓冲层16。在耦合器34内没有Ti扩散波导。垂直耦合器36包括Ti扩散波导12和位于缓冲层16之上的SiN:Si带10。耦合量在耦合器36内可能较小，因为两个波导的模式折射率的差异可能足以破坏该耦合。耦合器36可以很好地起到抽头耦合器的作用，抽头耦合器中所需的耦合光量较小。同样也要注意，LN衬底的光学折射率随波长的变化可能要超过随SiN:Si材料的光学折射率的变化，导致耦合量与波长相关。
[61]LN衬底的折射率随波长的变化可用于补偿由模式重叠所造成的耦合变化。例如，SiO2缓冲层中耦合器36内LN模式的尾部可能随波长的增加而变大，导致更多的耦合。如果SiN:Si的光学指数略大，但与Ti扩散波导的光学指数接近，则两个波导的模式之间光学相位失配的量将随波长实际增大，从而可能抵消由于更多的模式重叠而增加的耦合。光学相位失配由于LN衬底的折射率的波长相关性(LN衬底的折射率随波长增加而减小)而增大。如果SiN:Si波导传播常数基本不随波长变化，则光学传播常数的差将随波长增加而增大。模式重叠和光学相位失配的竞争效应可被用于制造耦合比在某些波长范围内基本恒定的耦合器。
[62]图13和14示出了图11和12所示耦合器的俯视图。在图13中，Ti扩散波导实际融合在耦合区中。线11-11示出了穿过耦合区中心的图11中所示截面。绝热锥11和13将功率由扩散波导12传输至SiN:Si带10中再传输回来。在耦合区内，大部分光处于直形波导10顶部的SiN:Si带10之内，而一部分光则在扩散波导12内传输，且在融合扩散波导区内存在两个混合波导光学模式的一些重叠。该重叠大到足以使一些光功率被传输至具有波导锐弯的抽头波导10’。波导锐弯可将被抽头引出的光在短距离内被重新引离直形波导，从而可以将耦合器集成到一个较短的直形波导段内。图14示出了图12中耦合器32的俯视图。截面线12-12示出了穿过耦合区中心的图12中所示横截面。绝热锥11将很大一部分光功率传输到LN之上的第一SiN:Si带10内。与缓冲层16上第二SiN:Si带10’的倏逝波耦合会将一些光功率传输至第二SiN:Si带10’。被抽头引出的功率由第二SiN:Si带10’内的一个急转弯引离底部光波导10。
[63]图15A和15B示出了由对图11和13中所示水平耦合器进行的三维BPM仿真而得出的颜色增强图。沿耦合器的光学E场的横截面图被逐一堆叠。图15A中的第一个图堆叠示出了第一绝热锥11和耦合段，包括耦合器抽头臂的弯段。约3％的光功率被耦合至抽头臂内。图15B中的第二个图堆叠示出了第二绝热锥13，在此光由大部分位于SiN:Si带内被传回至扩散波导内。应注意到，因常规Ti扩散与混合式LN上SiN:Si波导之间的光功率传输而导致的模式尺寸、形状的显著变化。混合式LN上SiN:Si波导较小的模式尺寸使得可以实现转弯更急的波导弯，从而可以大幅缩短抽头耦合器所需的器件长度。实际上，很可能可以将抽头耦合器在不增加任何器件长度的情况下集成到LN调制器中。
[64]图16、17和18示出了有一斜角40充当镜面的突变弯段的俯视图。SiN:Si带10在斜角40处有一个垂直的侧壁，通过蚀刻或剥离(lift-off)加工而成。该垂直侧壁是在突变弯段实现低光学损耗所必需的。高约束波导较大的折射率对比度使这可以在不需额外进行反射器结构金属镀敷的条件下实现。图16和17分别示出了SiN:Si带10下方有或没有Ti扩散波导12的90°突变弯段。图18示出了一个有Ti扩散波导的突变弯段，其弯角小于90°。单个弯角小于90°但累计弯角为90°的多个突变弯段的因为辐射或散射光的光学损耗可能低于单个的90°弯角。
[65]LN上SiN:Si波导有多种应用。LN上SiN:Si或其他高约束波导比Ti扩散波导等扩散波导可实现转弯更急的光学弯。可采用其他材料来替代SiN:Si。主要要求为：(1)其光学指数必须稍高于LN衬底的光学指数，且高于Ti扩散波导的光学指数；(2)光学吸收和光学散射损耗必须较低。为实用起见，LN上SiN:Si波导内的传播损耗必须小于1dB/cm，而光在其中由一类波导向另一类波导传输的绝热锥内的损耗必须小于十分之几dB。
[66]图19示出了类似于图11-15所示耦合器的被集成到光电马赫-曾德尔器件50中的LN上SiN:Si耦合器38。更高的约束可使耦合器38的一个臂10’弯曲90°，以引导被抽头引出的光到达LN芯片20的侧面，在此被抽头引出的光将被引至支承该芯片的封装的架54上所安装的光检测器52。
[67]图20示出了采用90°SiN:Si波导弯64来折叠MZ的折叠式调制器60的光波导62。这些弯段可以采用一个或多个有如图16-18所示的带斜角的突变弯段，或者是半径较小的弧段。抽头耦合器38在调制器输出66处被示出。通过折叠调制器60，可以实现长得多的相互作用长度，而不需要占用芯片中的较大尺寸。
[68]图21和22示出了LN上SiN波导10的横截面，其上具有用以实现调制的缓冲层16和电极68、70。图21所示结构在SiN带10下方有一个Ti扩散波导12，而图22所示结构则没有。应注意到，只有Ti扩散波导和LN衬底为光电活性。SiN:Si带为光电非活性。
[69]图21和22中的结构使得可以沿一个急转弯对光进行调制，从而可以提高集成度。然而，在可采用的急转弯程度与调制强度之间存在很大的折中。约束越大，存在于SiN:Si内的光学模式部分越多，就可以在牺牲调制效率的前提下实现更急的转弯。很可能调制效率将会远低于常规LN波导，然而，这对于仅需要弱调制的特定应用场合可能已经足够，例如对耦合器耦合比的微调。调制效率也可以通过后文所述的谐振结构得以改善。
[70]图23示出了LN上SiN:Si波导的另一种应用，它作为一个受光电方式控制的环形谐振腔，被示意性地示为80。环形谐振腔被用于增强硅波导中光的调制，如以下文章所述：B.Jalali等人的“硅光子学”(Silicon photonics)，IEEE微波杂志，2006年6月，58-68页。光被耦合进入环82，围绕该环穿行多次。每绕该环一次，光的一小部分就会被耦合至直形波导84内。最大透射量出现在进环82和出环82的光的所有部分均彼此同相且与通过直形波导84的光部分同相之时。如图所示，环形谐振腔80包括Ti 12上SiN 10的混合波导，对直形波导84和环82均如此。图23A示出了图23中的结构的横截面。Ti扩散波导和LN衬底的光学指数均受所施加的电场影响，使得允许混合波导的光模式指数被弱调整。环形谐振腔的谐振波长随施加在信号电极86上的电压而变化。地电极88围绕着信号电极86。环形谐振腔80充当可调滤波器或调制器。环形谐振腔无需Ti扩散波导12即可形成，然而，Ti扩散波导可以通过增大光电活性LN中模式尾部的尺寸来提高调制效率。
[71]用于调制光的环形谐振腔的高速运行存在一个问题，即在光强度变化时出现的波长啁啾。由于在每个臂96上均有一个环94的马赫-曾德尔(MZ)干涉仪92所具备的平衡性质，图24中示为环形谐振腔90的推挽式配置有助于减小啁啾。由两个环形谐振腔94产生的啁啾的幅值近似相等而符号相反，导致在从波导98处射出MZ 92的光几乎没有残余相位改变。应注意到，在MZ 92的每个臂96内可以顺序集成多个环94。在这样的布置中，MZ一个臂内的所有环均会被偏置到同一透射点，并以+Vmod1驱动，而MZ另一个臂内的所有环均会被偏置到同一透射点，并以-Vmod1驱动。
[72]图25示出了一种与图24所示类似的环形谐振腔布局90’，而LN上SiN:Si波导仅用于(1)椭圆形环94的拐角95处和用于(2)将光耦合进环94和出环94的耦合器97处。在LN上SiN:Si的每一段之前和之后的如图10所示的绝热锥可以使光在高约束LN上SiN:Si波导与高光电活性的Ti扩散波导之间来回传输。两类波导之间的功率传输可以提高调制光电效率，但代价是环内较高的光学损耗，这将导致精度和消光比降低。[73]图26示出了在Ti扩散波导12上的LN上SiN:Si波导10，LN 20内蚀刻有光栅100。与采用环形谐振腔80、90一样，经光栅100的最大或最小透射波长可以采用电极所施加的电场进行调整。
[74]图27-30示出了SiN:Si波导如何协助实现硅上二氧化硅波导技术与铌酸锂调制器技术的混合集成。业界对于无源光学回路与光电器件的整合已有多年的兴趣。近期对高速开关的兴趣推动了基于Mach Zehnder干涉仪的开关体系结构的开发，其中包括定向耦合器的光学回路在无源PLC中得到实现，只有移相器被集成在铌酸锂技术中，如下文所述：K.Suzuki等人的“基于通用马赫-曾德尔干涉仪的采用二氧化硅基PLC和铌酸锂移相器阵列的混合配置的高速光学1x4开关”(High-speed optical 1x4 switch based ongeneralized Mach-Zehnder interferometer with hybrid configuration of silica-based PLC andlithium niobate phase-shifter array)，IEEE光子学技术通讯，第19卷，第9期，2007年5月1日，674-676页。这种设计所针对的一个主要问题是插入损耗(IL)。Suzuki等人通过减少耦合点的数量来减小插入损耗。在二氧化硅与LN波导之间的界面处仍然会有明显的插入损耗，该界面以两者之间的防反射涂层对接耦合。在这些点处的对准至关重要。无源二氧化硅波导与有源III-V量子层结构的混合集成也在以下文章中公布：A.Fang等人的“混合式二氧化硅倏逝波器件平台”(Hybrid silicon evanescent deviceplatform)，IEEE LEOS通讯，2007年4月，4-11页。然而，光功率从不会被完全传输至有源III-V材料。一些或大部分光功率仍存在于二氧化硅波导结构内。
[75]根据本发明的混合集成利用了高约束波导的大折射率对比度对光信号的吸引。通过如图10所示的垂直堆叠式绝热锥进行的垂直耦合会将LN衬底上的高约束波导耦合至PLC上的高约束波导。水平对准的容差相对现有技术的对接耦合要明显宽松很多。图27和28示出了分离的硅上二氧化硅与LN器件的侧视图，而图29和30则分别示出了组装在一起的结构。
[76]如图27中所见，一个硅上二氧化硅PLC 110包括硅衬底112、SiO2下包层114、掺杂SiO2波导芯116和上包层118。此外，高约束SiN:Si波导120通过一个绝热锥光耦合至SiO2芯116。高约束波导120的折射率np并不需要一定等于高约束波导138的nc。该约束与衬底112相关。波导120的另一端有锥度，以强制向光电器件130上的高约束波导138进行绝热传输。为了装配对准，将SiN:Si的垫层121与高约束波导120同时进行沉积。光电器件130包括带有Ti扩散波导134和蚀刻槽136的LN衬底132，蚀刻槽136用于容纳PLC 110的光波导部分。SiN:Si的高约束波导138与一绝热锥光耦合，以便向Ti扩散波导134垂直传输光功率。在其另一端，波导138还有一个锥形，用以向波导120的锥形进行绝热传输(可在图31中更清晰地看到)。与在PLC 110中一样，将SiN垫层139与高约束波导138同时进行沉积，以保证对准。
[77]如图28所示，PLC 110的波导结构与图27稍有不同。图27示出了在此倒装芯片取向上被倒转之前位于(Ge)掺杂SiO2波导芯116下方的SiN:Si带波导120。在本例中，掺杂波导芯116在SiN:Si带120之后被沉积。或者如图28所示，掺杂SiO2芯层116可以在SiN:Si 120之前被沉积。SiN:Si层构成了未翻转取向上的掺杂SiO2芯116上的波导120。当在二者任何一种情况下去除SiO2上包层114以暴露该模式的倏逝波尾部时，SiN:Si波导120本身可被用作蚀刻止挡。在暴露出SiN:Si120之后可以再额外沉积一层薄的SiO2层115(示于图28中)，以控制模式耦合相互作用。如图28所示，高约束波导120和138构成了如图12所示的垂直定向耦合器。而如图27所示的高约束波导120和138则如图31所示作为绝热锥进行光耦合。
[78]图31所示为两个器件110、130在一起的俯视图，其中示意性地示出了光耦合的波导。绝热锥135将光从Ti扩散LN波导134耦合至LN上SiN:Si波导138中。另一组绝热锥125将光传入集成在倒装芯片硅上二氧化硅器件110上的SiN:Si波导120中。最后，另一组锥117将光传入掺杂SiO2(二氧化硅)芯116中。硅上二氧化硅波导116引导光经过180°的转向，之后此过程反转，最终使光返回至第二Ti扩散LN波导134。应注意到，SiO2包层118和空气将掺杂SiO2(二氧化硅)芯116与LN衬底132隔离。
[79]采用集成硅上二氧化硅和LN波导技术可以实现多种混合式器件和设计。对倒装器件的选择可以反转，即LN器件可以倒装在硅上二氧化硅器件上。也可以实现其他器件功能。例如，在LN器件中进行调制之后，偏振转动、光束组合以及向输出光纤的耦合可以在一个硅上二氧化硅器件上实现。实际上，在一个硅上二氧化硅器件上可以实现所有无源功能，而所有高速调制功能则可以在LN器件中进行。
[80]混合式技术甚至有助于LN器件的加工。包括一个连至光纤的硅上二氧化硅器件的无源光探针头通过SiN:Si波导将光耦合进或出Ti扩散的LN波导，以实现晶片级光学测试，而不需要切割和打磨LN器件的端面。在测试LN晶片上的特定器件时，SiN:Si波导(一个在光头中，一个在LN上)被临时进行光学相互接触。光探针可以在芯片上的各器件间移动。绝热锥可以大大增加横向对准容差，使得对准工作比传统的光纤与LN波导端面的对接耦合要简单。
[81]光学指数与SiN:Si类似的其他兼容材料可以用作SiN:Si波导之间的“光胶”。这可以用于改善硅上二氧化硅器件与LN器件之间的耦合，适用于一个或两个衬底均不够平而不能实现整个器件表面上所有SiN:Si波导之间密切接触的情况。一种适用的光胶示例包含有高折射率材料(如TiO2)或高折射率半导体(如硅或InP)的颗粒，所述颗粒悬浮在环氧树脂中。
[82]应注意到，其他LN波导技术也可用于LN上SiN:Si波导，例如，用退火质子交换(APE)波导取代扩散波导。其他材料也可以用来替代SiN:Si，只要其光学指数和光学传播损耗满足前述要求即可。可采用其他无源波导来替代硅上二氧化硅波导，例如离子交换玻璃波导。

Claims (33)

1.一种高约束波导结构，其包括：
折射率为ns的光电衬底；
光波导，其位于所述光电衬底内，所述光波导的折射率nw大于ns；
高约束波导，其位于所述光电衬底上，所述高约束波导被光耦合至所述光波导，所述高约束波导的折射率nc大于ns，以使所述光电衬底可在所述高约束波导内引发全内反射，而大于nw的折射率nc将使当所述高约束波导与所述光波导接触时大部分光功率由所述光波导耦合至所述高约束波导。
2.如权利要求1所述的高约束波导结构，其中，ns与nc之间的折射率变化量至少为0.02，并可高达0.2。
3.如权利要求2所述的高约束波导结构，其中，ns与nc之间的所述折射率变化量处于0.02-0.1范围内。
4.如权利要求2所述的高约束波导结构，其中，ns与nc之间的所述折射率变化量为0.05。
5.如权利要求1所述的高约束波导结构，其中，所述光电衬底为铌酸锂，所述高约束波导为富硅氮化硅。
6.如权利要求1所述的高约束波导结构，还包括包住所述光电衬底上的所述高约束波导的上包层。
7.如权利要求1所述的高约束波导结构，其中，所述高约束波导终止为锐角或钝角锥，以强制将光信号绝热传输进入相邻的波导中。
8.如权利要求7所述的高约束波导结构，其中，所述高约束波导的所述锐角或钝角锥会与所述光波导的一个锥形端重叠，以便在所述高约束波导与所述光波导之间强制进行光信号的任一方向的绝热传输。
9.如权利要求1所述的高约束波导结构，其中，所述高约束波导包括带斜角的突变弯段，所述斜角包括用于围绕所述突变弯段反射光信号的垂直侧壁。
10.如权利要求1所述的高约束波导结构，其中，所述高约束波导至少被部分置于所述光电衬底的表面的槽中。
11.如权利要求10所述的高约束波导结构，其中，所述高约束波导被部分置于有锥度的槽中，用以实现光信号从较低到较高约束的逐渐过渡。
12.如权利要求1所述的高约束波导结构，其中，所述高约束波导和所述光波导相重合，以形成用于单模传输的混合波导。
13.如权利要求12所述的高约束波导结构，其中，所述光电衬底的表面形状限定了脊，所述光波导在所述脊内形成，而所述高约束波导则在所述脊上的所述光波导上方与之相重合。
14.如权利要求12所述的高约束波导结构，其中，所述光波导包含扩散钛，所述高约束波导包含富硅氮化硅。
15.一种光电器件，其包括：
光电衬底，其折射率为ns；
至少一个光波导，其位于所述光电衬底内，用于将光信号经所述器件传输以实现电调制；
至少一个高约束波导，其折射率nc大于ns，所述高约束波导经用于绝热传输光信号的至少一个锥而被光耦合至所述至少一个光波导。
16.如权利要求15所述的光电器件，其中，所述器件包括布置有第一波导和第二波导以进行二者间倏逝波耦合的定向耦合器，而所述第一和第二波导中至少有一个为高约束波导。
17.如权利要求16所述的光电器件，其中，所述第一和第二波导为高约束波导，其间由缓冲层进行垂直分隔。
18.如权利要求17所述的光电器件，其中，所述第一高约束波导为与所述光电衬底内的光波导相重合的混合波导。
19.如权利要求16所述的光电器件，其中，所述第一和第二波导中每一个均包括混合波导，所述混合波导具有与所述光电衬底内的所述光波导相重合的高约束波导，而所述第一波导和所述第二波导则被水平分隔而并排设置。
20.如权利要求19所述的光电器件，其中，所述第一和所述第二混合波导的所述光波导在耦合区内重叠。
21.如权利要求16所述的光电器件，其中，所述定向耦合器包括抽头耦合器，所述第一波导为光波导，而第二波导为具有小弯曲半径的高约束波导。
22.如权利要求15所述的光电器件，其中，所述器件包括马赫-曾德尔干涉仪，所述马赫-曾德尔干涉仪包括输入光波导、第一分光器、第一臂和第二臂、第二分光器以及输出光波导，以及其中，所述马赫-曾德尔干涉仪的所述第一臂和所述第二臂包括具有多个小半径弯段的光波导，所述小半径弯段包括以绝热锥光耦合至所述光波导的高约束波导，用以减小所述光电器件的长度。
23.如权利要求15所述的光电器件，其中，所述器件包括环形谐振腔和环形波导，所述环形谐振腔包括具有与所述光电衬底内光波导相重合的高约束波导的直形波导，而所述环形波导则包括与所述光电衬底内光波导相重合的高约束波导，所述环形波导被布置用于所述光波导和所述高约束波导之间的倏逝波耦合。
24.如权利要求15所述的光电器件，其中，所述器件包括马赫-曾德尔干涉仪，所述马赫-曾德尔干涉仪包括输入光波导、第一分光器、第一臂和第二臂、第二分光器以及输出光波导，以及其中，所述马赫-曾德尔干涉仪的所述第一臂和所述第二臂包括有光波导，所述光波导包括至少一个被光耦合至所述第一臂的环形谐振腔以及至少一个被光耦合至所述第二臂的等数量的环形谐振腔，以及其中，被耦合至每个臂的至少一个环形谐振腔包括高约束波导，所述高约束波导被布置而使被耦合至所述第一臂的所述至少一个环形谐振腔和被耦合至所述第二臂的所述至少一个环形谐振腔具有相等的偏置电压和相反的符号。
25.如权利要求23所述的光电器件，其中，所述环形谐振腔包括与所述光电衬底内的光波导相重合的高约束波导的混合波导。
26.如权利要求23所述的光电器件，其中，所述环形谐振腔包括具有多个小半径弯段的光波导，所述小半径弯段包括以绝热锥光耦合至所述光波导的高约束波导。
27.如权利要求15所述的光电器件，其中，所述器件包括沿所述高约束波导的长度而形成的作为周期性结构的光栅，所述高约束波导被光耦合至所述光电衬底内的所述光波导。
28.一种集成光学器件，其包括：
光电元件，其被置于折射率为ns的光电衬底上；
无源光学元件；以及
光波导回路，其经过所述光电元件和所述无源光学元件，其中，所述光波导回路包括位于所述光电元件上的高约束波导和位于所述无源光学元件上的高约束波导，所述位于所述光电元件上的高约束波导具有大于ns的折射率nc，所述位于所述无源光学元件上的高约束波导具有折射率为np，其被光耦合至所述光电元件的所述高约束波导。
29.如权利要求28所述的集成光学器件，其中，所述光电元件的高约束波导通过绝热锥而被光耦合至所述无源光学元件的所述高约束波导。
30.如权利要求28所述的集成光学器件，其中，所述光电元件的高约束波导通过所述高约束波导之间的定向耦合器而被光耦合至所述无源光学元件的高约束波导。
31.如权利要求28所述的集成光学器件，其中，所述光电元件包括铌酸锂波导器件，以及其中，所述无源光学元件包括硅基二氧化硅波导器件。
32.如权利要求28所述的集成光学器件，其中，所述光电元件和所述无源光学元件按倒装芯片装置进行光耦合，所述高约束波导在所述光电元件的顶面和所述无源光学元件的顶面上生成，且所述光电元件和所述无源光学元件二者之一被翻转，以便与所述高约束波导一起进行物理接触。
33.如权利要求32所述的集成光学器件，还包括置于所述光电元件的高约束波导与所述无源光学元件的高约束波导之间的折射率匹配光胶。
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