CN103713364B - 用于耦合光信号的光子芯片和光学适配器的布置 - Google Patents

用于耦合光信号的光子芯片和光学适配器的布置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于耦合光信号的光子芯片和光学适配器的布置。具体地，本发明涉及一种光学适配器(OA)，其整体地集成光学元件(OE)和第一微机械构件，第一微机械构件限定出至少第一水平参考表面(HP)和第一竖直参考表面(VP)，其中，所述第一水平参考表面(HP)垂直于光学平面，所述光学平面垂直于所述光学元件(OE)的光轴；以及所述第一竖直参考表面(VP)垂直于所述第一水平参考表面(HP)，并平行于所述光轴。本发明还涉及：制造这种光学适配器的方法；使这种适配器的光学元件与光子芯片的波导对准的方法，由此形成用于耦合光信号的布置；以及这样的布置。

Description

用于耦合光信号的光子芯片和光学适配器的布置
技术领域
本发明涉及将光学组件，尤其是光学耦合元件与光波导对准的领域。
背景技术
光子芯片或光子集成电路(PIC)与光学元件之间的高光学耦合效率是光学工业中的关键要求。
定位误差可导致不是最佳的耦合，并由此导致损害整体系统性能的光学损耗。
专利US7415184公开了一种用于提供光学耦合进和耦合出相对薄的硅波导的布置，硅波导形成在SOI(绝缘体上硅)层堆(layerstack)的SOI层中，该布置包括用于提供光学耦合的透镜元件和位于SOI层堆内的一个限定的参考表面。然而，因为不能获得任何竖直参考表面，所以不能实现被动横向耦合。
因此，本领域中仍需要一种有效的布置，用于在波导和另一光学元件之间耦合光信号。
发明内容
根据第一方面，本发明可体现为一种光学适配器，其整体地集成光学元件和第一微机械构件，第一微机械构件限定出至少第一水平参考表面和第一竖直参考表面，其中，所述第一水平参考表面垂直于光学平面，光学平面垂直于所述光学元件的光轴；以及，所述第一竖直参考表面垂直于所述第一水平参考表面，并平行于所述光轴。换言之，上面限定的三个参考表面(即，第一水平参考表面、第一竖直参考表面和光学平面)两两垂直。相应地，所述光学元件可以在所述第一水平参考表面和所述第一竖直参考表面与光子芯片的相应第二水平表面和第二竖直表面接触时与所述光子芯片的波导对准。
在本发明的实施例中，光学适配器可包括以下特征中的一个或多个：
-所述光学元件包括透镜阵列，所述光学平面垂直于所述透镜阵列的各光轴；
-所述光学元件包括至少两组不同类型的光学元件；
-至少一组光学元件包括反射镜。
根据另一方面，本发明可体现为一种用于耦合光信号的布置，包括如先前限定的光学适配器和光子芯片，所述光子芯片包括：
波导，具有位于所述光子芯片的沟槽处的波导终端；以及
第二微机械构件，限定出至少第二水平参考表面以及第二竖直参考表面，
其中，
所述第二水平参考表面垂直于第二光学平面，所述第二光学平面垂直于所述波导的第二光轴，
所述第二竖直参考表面垂直于所述第二水平参考表面，并平行于所述第二光轴，
所述第一水平参考表面与所述第二水平参考表面接触，以及
所述第一竖直参考表面与所述第二竖直参考表面接触。
在实施例中，所述布置可包括以下特征中的一个或多个：
-所述光子芯片根据绝缘体上硅技术制成，
-在所述第一水平参考表面和与所述光学元件相关联的参考点之间的第一距离等于在所述第二水平参考表面和与所述波导相关联的相应参考点之间的第二距离，以及
在所述第一竖直参考表面和所述参考点之间的第三距离等于在所述第二竖直参考表面和所述相应参考点之间的第四距离。
-所述第一距离和所述第二距离均等于零。
根据另一方面，本发明可体现为一种将先前限定的光学适配器的光学元件与光子芯片的波导对准的方法，所述方法包括：
使所述第一水平参考表面和所述第一竖直参考表面与所述光子芯片的相应第二水平表面和第二竖直表面接触。
在实施例中，所述方法可包括以下特征中的一个或多个：
-使所述第一水平参考表面与所述第二水平参考表面接触；以及使所述第一竖直参考表面与所述第二竖直参考表面接触。
-根据绝缘体上硅技术制造所述光子芯片，从而获得绝缘体上硅层堆。
-通过选择性地终止于绝缘体上硅层堆的各表面之间的界面处的蚀刻工艺制造所述第二微机械构件。
-进行接触包括将第一距离设定为等于第二距离，优选地等于零，以及将第三距离设定为等于第四距离。
根据又一方面，本发明可体现为一种制造如上所述光学适配器的方法。在实施例中，通过晶片级工艺获得所述光学元件和所述第一微机械构件。
附图说明
参考附图，通过下面的详细说明，本发明特征的上述和其它方面将变得显而易见，附图中：
图1示出根据本发明实施例的光学适配器OA；
图2a和2b示出根据实施例的光学适配器的制造工艺；
图3示出光学适配器OA的另一实施例；
图4示出根据实施例的布置；
图5a、5b和5c表示根据实施例的光子芯片的详细视图；
图6a、6b、6c表示根据本发明另一实施例的光子芯片的详细视图。
在附图中可见的大部分构件是按比例绘制的。
具体实施方式
作为对下面说明的介绍，首先涉及本发明的总体方面，其关注用于将光学适合器的光学元件与光子芯片的波导对准的方法。
光学适配器整体地集成光学元件和第一微机械构件，第一微机械构件至少限定第一水平参考表面和第一竖直参考表面。
第一水平参考表面垂直于光学平面，光学平面本身垂直于光学元件的光轴(并被该光轴限定)，第一竖直参考表面垂直于第一水平参考表面(并平行于所述光轴)。
第二水平参考表面垂直于第二光学平面，第二光学平面本身垂直于第二光轴(并被该第二光轴限定)，即波导的光轴。第二竖直参考表面垂直于第二水平参考表面，并平行于该第二光轴。
所述方法包括使第一水平参考表面与第二水平参考表面接触，使第一竖直参考表面与第二竖直参考表面接触。
光子芯片可具有位于其沟槽处的波导终端和至少限定第二水平参考表面和第二竖直参考表面的第二微机械构件。
图1示出根据实施例的光学适配器OA。
该光学适配器OA整体地集成例如透镜的光学元件OE和微机械构件，微机械构件至少限定彼此垂直的两个参考表面VP、HP。
参考表面HP是水平的，即垂直于由光学元件OE的光轴Ox限定的光学平面OP。该光学平面被限定为垂直于该光轴。在图1中，光学平面实际上由平面区段(planesegment)OP表示，平面区段OP另外平行于适配器OA的前窗格(frontpane)FP，前窗格FP支撑光学元件OE。
另一参考表面VP是竖直的，即垂直于水平表面HP。它还平行于光轴(即，光轴不与由竖直参考表面VP限定的平面相交)。
光学元件OE可例如包括透镜阵列，与图1的实施例中的一样，但是还可使用其它类型的光学元件，比如偏转器、光纤等。更普遍地，光学元件应当优选地形成一组单独的光学元件。
在实施例中，光学元件OE包括至少两组光学元件。这些组可以是相同类型，或者不同类型，例如，光学元件可包括含有透镜的一组和含有反射镜的另一组。
如上所讨论的，微机械构件(及它们限定的参考平面)相对于光学元件OE精确地定位。光学元件例如可与参考点RP(例如光学元件OE的中心)相关联。因此，微机械构件(及它们限定的参考表面VP、HP)可被认为是相对于该参考点精确地定位。
更详细地，微机械构件关于光学元件的相对位置可由一组几何参数限定。在图1的实施例中，这些参数包括：
-距离dVP，对应于竖直表面VP和参考点RP之间的距离；以及
-水平表面HP与参考点RP之间的距离。
在图1的示例中，水平表面HP与参考点RP对准(即，参考点位于由水平表面限定的平面内)。那么该距离等于零。
在其他的实施例中，该距离可不等于零，水平表面可以与包括参考点RP的平行平面有小偏移。
光学适配器OA的其它形状可用于确定限定出微机械构件相对于光学元件OE的相对位置的其它几何参数。
这允许适配参考表面，使得当使该参考表面与光子芯片的相应参考平面接触时，光学元件OE与包含在该光子芯片中的波导WG对准。这随后会在说明书中得到更清楚的说明。
图2a和2b示出根据本发明实施例的光学适配器的制造工艺。
图2a示出鸟瞰图，图2b示出光学适配器OA在制成后的前视图。在该实施例中，通过晶片级加工，优选地通过在晶片表面上的蚀刻工艺，可获得透镜阵列OE和微机械构件两者。
示图示出3×8阵列的光学适配器OA，但是在同一过程中可制造更多光学元件，如图2a和2b中的虚线所暗示的。
在这样的技术下，微机械构件和光学元件OE可相对于彼此被光刻地(lithographically)定位。这使得在横向和竖直方向上达到小于500nm的相对定位精度。
一旦制成，光学适配器OA便可被分为单独的单元。
图3示出根据本发明的光学适配器OA的另一实施例。
其还包括光学元件OE。这些光学元件包括两组。
第一组由多个光学透镜LE组成，另一组由偏转元件(或反射镜)DE构成。
例如，参考点RP被确定为光学透镜LE的中心。相对于该参考点RP，可限定出微机械构件。这些微机械构件例如可限定出竖直表面VP和作为光学适配器OA的隐藏下表面的水平表面(未示于图3中)。在该情况下，隐藏下表面对应于光学透镜阵列的“后侧”。
该实施例的光学适配器OA可以以与先前实施例类似的方式制成。关于光学元件OE相对定位微机械构件可达到类似精度。
这样的光学适配器OA可执行平面外(out-of-plane)光学耦合，如随后详细所述。
图4示出根据实施例的布置。
该布置可包括光子芯片PC和光学适配器OA。
根据本发明的优选实施例，光子芯片可以是绝缘体上硅(SOI)技术中的硅光子芯片，以获得绝缘体上硅层堆。绝缘体上硅技术指的是使用分层的绝缘体上硅/硅基板代替常规硅基板。在基于SOI的器件中，硅结位于电绝缘体(例如，二氧化硅或蓝宝石，或者蓝宝石上硅(SOS))上方。
SOI晶片广泛用于硅光子器件。晶体硅层可夹在埋入式绝缘体和顶部覆层(空气、二氧化硅和任何其它低折射率材料)之间。这使得电磁波在波导中基于全内反射(totalinternalreflection)而传播。
光子芯片PC包括波导WG。这些波导具有位于光子芯片的沟槽T处的终端。在实施例中，沟槽形成在光子芯片PC的边缘。光学适配器OA可插入沟槽中。沟槽T可蚀刻在光子芯片PC内，波导终端可形成在该沟槽T处。
在光子芯片是由绝缘体上硅(SOI)技术形成的硅光子芯片的情况下，波导WG可包含在SOI层堆内。
在图4的示例中，表示出四个沟槽，每个沟槽位于芯片的不同侧。
图5a和5b示出图4中由“A”标记的圆形区域的详细视图。
在图5a中，光学适配器OA已插入沟槽T中。光学适配器OA例如可与先前参考图1所述的相同。
沟槽T具有适配于光学适配器OA的形状。其应允许插入光学适配器OA。例如，沟槽的深度应当足够用于充分地插入光学适配器OA，使得光学元件OE可定位在波导WG的前方。如随后所示，沟槽的深度可以更深，因为光学适配器OA相对于光子芯片的对准由光子芯片PC的微机械构件(不是由沟槽T的深度)来提供。
例如，波导在图5b中是更清楚的，其中，已移除光学适配器OA。终端形成在光子芯片的末端，位于沟槽T的内表面中。
图5c示出包含在光子芯片PC中的沟槽T和微机械构件的一部分的更详细视图。
微机械构件限定出参考表面CHP、CVP。
在本发明的该实施例中，限定出水平表面CHP和竖直表面CVP。
水平参考表面CHP垂直于由波导WG的光轴限定的光学平面。该光学平面被限定为垂直于该光轴。
竖直参考表面CVP垂直于该水平参考表面，并平行于波导WG的光轴。
水平表面CHP例如可通过SOI层堆的蚀刻工艺而获得，例如蚀刻工艺选择地停止在SOI层堆的后续层之间的界面处。
可尤其使用进入SOI层堆，优选进入SOI层堆顶部的后端工艺(BEOL)结构中的竖直蚀刻工艺来获得竖直表面CVP。
微机械构件相对于波导终端定位，结果，它们限定出的参考表面CHP、CVP相应地定位。
波导WG可与参考点CRP相关联。该参考点可以是在所有波导WG中的中央波导的终端。可相对于该参考点进行微机械构件(及它们限定的参考表面)的定位。
微机械构件相对于光学元件OE的相对位置由一组几何参数体现。在图5c的实施例中，这些参数包括：
-位于竖直参考表面CVP和参考点CRP之间的距离dCVP；以及
-水平参考表面CHP与参考点CRP之间的距离。
距离dCVP在图5b中由双头箭头表示，位于虚线之间：一条虚线表示中央波导的延伸部分，另一条虚线表示水平和竖直参考表面CHP、CVP的延伸部分。
确定两个距离，使得当光学适配器OA定位在光子芯片PC上时，光学元件OE与波导WG对准。
在水平表面CHP的定位中可实现的精度(由波导的进入SOI层堆中的竖直位置的精度确定)可以较小，即优于10nm。
例如，在BEOL壁的水平位置(相对于波导位置)被光刻地限定的实施例中，竖直表面CVP的定位精度可小于500nm。
返回参见图5a，我们可以看到光学适配器OA和光子芯片PC的微机械构件如何限定出实现光学适配器和光子芯片的横向和竖直对准以使波导WG可与光学元件OE对准的参考表面HP、VP、CHP、CVP。这使得波导WG与光学元件OE在平面内光学耦合。
更确切地说，在该实施例中：
-光学适配器OA的水平参考表面HP与光子芯片PC的水平表面CHP接触。这根据俯仰轴(elevationaxis)对准光学适配器OA的光学元件OE与波导WG。
-光学适配器OA的竖直表面VP与光子芯片PC的竖直表面CVP接触。这根据垂直于光轴的水平轴对准光学适配器OA的光学元件OE与波导WG。
在该实施例中，使参考表面接触可包括设定预先限定的距离，使得：
-第一距离(位于水平参考表面HP和与光学元件相关联的参考点RP之间的距离)等于第二距离(位于第二水平参考表面CHP和与波导WG相关联的相应参考点CRP之间的距离)，以及
-第三距离(即，位于竖直参考表面VP和参考点RP之间的距离dVP)等于位于第二竖直参考表面CVP和相应参考点CRP之间的距离dCVP。
注意，第一和第二距离(例如相等)由波导中心和SOI层堆中的隐埋氧化物(BOX)层的上表面之间的距离确定。该距离取决于硅波导的高度本身。典型距离为约220nm/2＝110nm。更普遍地，所述距离可以是几百纳米(但优选地小于1000nm)。
第三(dVP)和第四(dCVP)距离(例如相等)取决于波导数量和节距。例如，图5示出具有125μm节距的10个波导。因此，所述距离大约对应于9×125μm/2+60μm(透镜半径)+100μm(透镜至构件的间隙)+HP延伸长度100μm＝822.5μm。概略地，对于具有125μm节距的10个波导，所述距离约等于1mm。然而，人们应理解，即使是先前参数中的适度变化，也会导致0.5至2mm之间的距离。当然，取决于波导数量和节距，仍可获得其它范围的距离。
接着，水平表面HP(及相应的CHP)的面积优选地处于100μm×200μm的数量级。竖直表面VP(及相应的CVP)的面积优选地处于15μm×200μm的数量级。更普遍地，每个上述面积可由a×b测得，其中，a和b均通常处于15和500μm之间。
图6a、6b、6c示出另一实施例，其中，光学适配器OA例如可与先前参考图3所述的相同。它们是光子芯片PC的详细视图，与图5所示一样。
图6a示出与图5相比具有不同形状的沟槽T，其适应光学适配器OA的形状和功能。在图6b中，光学适配器OA在沟槽T内被放置到位。
图6c是放大视图，其中，水平表面CHP和竖直表面CVP是可见的。
如先前所述，光学适配器OA的水平表面可与水平表面CHP接触，光学适配器OA的竖直表面可与光子芯片PC的竖直表面CVP接触。
如此，可以以与先前实施例类似的精度，使光学元件OE与波导WG精确地对准。这使得波导WG与光学元件OE在平面外光学耦合。
尽管参考有限数量的实施例、变型和附图描述了本发明，但是本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多变化，并可用等同物替代。特别地，在不脱离本发明的范围的情况下，在给定实施例、变型中列举的或附图所示的特征(类似器件或类似方法)可与另一实施例、变型或附图中的另一特征结合，或者替代该另一特征。可相应地设想关于不同实施例或变型所描述的特征的各种组合，它们仍处于所附权利要求的范围内。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行许多小改动以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不局限于所公开的特定实施例，本发明包括所有落在所附权利要求范围内的实施例。此外，可以设想上面明确提及之外的许多其它变型。例如，可以考虑波导面的其它布置，例如通过基板去除的悬浮波导端(suspendedwaveguide-end)。可以设想除了绝缘体上硅技术之外的其它制造工艺，例如Ⅲ-Ⅴ族光子共同集成在SOI层叠上。

Claims (8)

1.一种用于耦合光信号的布置，包括光学适配器(OA)和光子芯片(PC)，
所述光学适配器整体地集成光学元件(OE)和第一微机械构件，所述第一微机械构件限定出至少第一水平参考表面(HP)和第一竖直参考表面(VP)，其中，所述第一水平参考表面(HP)垂直于光学平面，所述光学平面垂直于所述光学元件(OE)的光轴，以及所述第一竖直参考表面(VP)垂直于所述第一水平参考表面(HP)，并平行于所述光轴；
所述光子芯片包括：
波导(WG)，具有位于所述光子芯片的沟槽(T)处的波导终端；以及
第二微机械构件，限定出至少第二水平参考表面(CHP)；以及第二竖直参考表面(CVP)，
其中，
所述第二水平参考表面(CHP)垂直于第二光学平面，所述第二光学平面垂直于所述波导(WG)的第二光轴，
所述第二竖直参考表面(CVP)垂直于所述第二水平参考表面(CHP)，并平行于所述第二光轴，
所述第一水平参考表面(HP)与所述第二水平参考表面(CHP)接触，以及
所述第一竖直参考表面(VP)与所述第二竖直参考表面(CVP)接触；
所述第一水平参考表面(HP)和与所述光学元件(OE)相关联的参考点(RP)之间的第一距离等于所述第二水平参考表面(CHP)和与所述波导(WG)相关联的相应参考点(CRP)之间的第二距离；
并且其中，
所述第一竖直参考表面(VP)和所述参考点(RP)之间的第三距离(dVP)等于所述第二竖直参考表面(CVP)和所述相应参考点(CRP)之间的第四距离(dCVP)。
2.如权利要求1所述的布置，其中，所述光子芯片(PC)是根据绝缘体上硅技术制成的。
3.如权利要求1所述的布置，其中，所述第一距离和所述第二距离均等于零。
4.一种用于使如权利要求1-3中任一项所述的光学适配器(OA)的光学元件与光子芯片的波导对准的方法，所述方法包括：
使所述第一水平参考表面和所述第一竖直参考表面与所述光子芯片的相应第二水平表面和第二竖直表面接触；
进行接触包括将所述第一距离设定为等于所述第二距离，以及将所述第三距离(dVP)设定为等于所述第四距离(dCVP)。
5.如权利要求4所述的方法，为了获得如权利要求1所述的布置，所述方法包括：
使所述第一水平参考表面(HP)与所述第二水平参考表面(CHP)接触；以及
使所述第一竖直参考表面(VP)与所述第二竖直参考表面(CVP)接触。
6.如权利要求4或5所述的方法，其中，根据绝缘体上硅技术制造所述光子芯片(PC)，从而获得绝缘体上硅层堆。
7.如权利要求6所述的方法，其中，通过选择性地终止于所述绝缘体上硅层堆的各表面之间的界面处的蚀刻工艺，制造所述第二微机械构件。
8.如权利要求4至7中任一项所述的方法，为了获得如权利要求1所述的布置，其中，所述第一距离和所述第二距离均等于零。
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