CN104380158A - 光耦合系统及其制造方法 - Google Patents

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CN104380158A CN201280074028.9A CN201280074028A CN104380158A CN 104380158 A CN104380158 A CN 104380158A CN 201280074028 A CN201280074028 A CN 201280074028A CN 104380158 A CN104380158 A CN 104380158A
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马科斯·菲奥伦蒂诺
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Abstract

包括一种光耦合系统及制造方法。该光耦合系统包括基底层和覆盖该基底层的光波导材料。该光波导材料可以包括光栅。该系统还包括覆盖该光波导材料的覆盖材料，该覆盖材料用于将光信号以一耦合角经由该光栅耦合到该光波导材料。由于该耦合角的原因以及由于该覆盖材料与该基底层之间的折射率差的原因的组合，经耦合的光信号在该基底层中近似零能量的损耗。

Description

光耦合系统及其制造方法
背景技术
光信号传输在计算机系统和网络通信中正变得更加流行。光信号可以在不同的计算机系统和网络装置之间的多种不同的介质中传播，这些介质诸如光纤和光波导。在不同的传播介质之间传播的光信号可以通过光耦合系统。作为例子，光耦合系统可以例如经由光栅耦合光纤与光波导。因此，光信号可以在光纤和光波导之间传播。这种光耦合可能导致光信号的光能量的损耗。
附图说明
图1图示光学系统的例子。
图2图示显示光耦合的图的例子。
图3图示包括光刻胶层的绝缘体上硅(SOI)结构的截面图的示例图。
图4图示图3的SOI结构中光刻胶层已经被图案化的示例图。
图5图示图4的SOI结构经历刻蚀步骤的示例图。
图6图示图5的SOI结构在刻蚀步骤基本完成后的示例图。
图7图示图6的SOI结构具有覆盖层的截面图的示例图。
图8图示图7的结构具有光刻胶层的截面图的示例图。
图9图示图8的结构中光刻胶层已经被图案化的示例图。
图10图示图9的结构经历刻蚀步骤的示例图。
图11图示图10的结构在刻蚀步骤基本完成后的示例图。
图12图示图11的光耦合系统与光纤耦合的截面图的示例图。
图13图示用于制造光耦合系统的方法的例子。
具体实施方式
图1图示光学系统10的例子。光学系统10可以在诸如光计算和通信的多种计算机和/或网络系统的任一种中实施。光学系统10被构造为在光传输元件12与光波导14之间耦合光信号OPT。作为例子，光传输元件12可以被构造为单模光纤或激光器(例如垂直腔面发射激光器(VCSEL))。作为另一例子，光波导14可以被构造为光子线。光信号OPT可以从光传输元件12提供到光波导14，或者可以从光波导14提供到光传输元件12。从而，光信号OPT可以沿光波导14或光传输元件12继续传播。
光学系统10包括光耦合系统16，光耦合系统16被构造为在光传输元件12与光波导14之间提供光信号OPT的转移。在图1的例子中，光耦合系统16可以包括基底层18、耦合到光波导14的光波导层20以及可以耦合到光传输元件12的覆盖层22。光耦合系统16还包括光栅24，例如可以被刻蚀到光耦合系统16的光波导层20上。光信号OPT从而可以从光耦合系统16的覆盖层22经由光栅24被提供给光耦合系统16的光波导层20，使得光信号OPT从光传输元件12耦合到光波导14。类似地，光信号OPT可以从光耦合系统16的光波导层20经由光栅24被提供给光耦合系统16的覆盖层22，使得光信号OPT从光波导14耦合到光传输元件12。
作为例子，基底层18可以包括具有第一折射率n1的材料，覆盖层22可以包括具有第二折射率n2的材料，该第二折射率n2大于第一折射率n1，以及光波导层20可以包括具有大于第二折射率n2的第三折射率n3的材料。此外，光传输元件12可以以耦合角θ1与覆盖层22耦合，该耦合角θ1大于与覆盖层22和基底层18相关联的内部全反射(TIR)角θ2。作为例子，TIR角θ2可以被限定为：
sinθ2＝n1/n2      等式1
因此，耦合角θ1可以被限定为：
θ1>arctan(n1/n2)      等式2
作为例子，耦合角θ1可以对应于相对于与覆盖层22的表面相关的法向矢量，光传输元件12提供光信号OPT到覆盖层22或从覆盖层22接收光信号OPT的角度。例如，耦合角θ1可以是被构造为激光器或单模光纤的光传输元件12将光信号OPT发射到覆盖层22上的角度。作为另一例子，光耦合系统16可以包括刻蚀到覆盖层22内的凹槽，例如以经由自由空间接收或发射光信号OPT。作为又一例子，凹槽可以被构造为容纳被构造为单模光纤的光传输元件12，使得单模光纤接合进入凹槽。
基于折射率n1相对于折射率n2的量，以及基于大于TIR角θ2的耦合角θ1，在光信号OPT于光传输元件12与光波导14之间耦合的过程中，进入基底层18的光信号OPT的光损耗可以基本上减小。因此，基于基底层18的折射率n1和覆盖层22的折射率n2，以及光信号OPT入射到光栅24上的耦合角θ1，当在光传输元件12与光波导14之间耦合光信号OPT时，光耦合系统16可以基本上无损耗。
图2图示显示光耦合的图50的例子。图50包括单模光纤52和光耦合系统54。单模光纤52和光耦合系统54可以分别对应于图1的例子中的光传输元件12和光耦合系统16。因此，在图2的例子的下面描述中参考图1的例子。
在图2的例子中，单模光纤52包括单模芯56和包层58。单模芯56被构造为传播光信号60，诸如图1的例子中的光信号OPT。此外，光耦合系统54包括基底层62、光波导层64和覆盖层66。光波导层64可以耦合到光波导(未示出)，诸如图1的例子中的光波导14。如图2的例子中所示出的，凹槽68已经被刻蚀到覆盖层66中，以容纳单模光纤52，使得单模光纤52直接与覆盖层66耦合。此外，在图2的例子中，基底层62和光波导层64可以由绝缘体上硅(SOI)结构70形成。SOI结构70包括第一硅层72、与基底层62对应的绝缘体层以及与光波导层64对应的第二硅层。
光耦合系统54进一步包括光栅74，光栅74在图2的例子中被示出为已经被刻蚀到光波导层64中。光信号60从而可以从覆盖层66经由光栅74被提供到光耦合系统54的光波导层64，使得光信号60从单模光纤52耦合到相应的光波导。类似地，光信号60可以从光波导层64经由光栅74被提供到覆盖层66，使得光信号60从相关的光波导耦合到单模光纤52。
作为例子，基底层62可以由具有第一折射率n1的材料形成，覆盖层66可以由具有第二折射率n2的材料形成，该第二折射率n2大于第一折射率n1，以及光波导层20可以由具有大于第二折射率n2的第三折射率n3的材料形成。作为例子，基底层62可以由玻璃(例如二氧化硅(SiO2))形成，覆盖层66可以由氮化硅(SiN)形成，以及光波导层可以由硅(Si)形成。此外，在图2的例子中，单模光纤52被示出为以耦合角θ1与覆盖层66耦合。作为例子，耦合角θ1可以大于与覆盖层66和基底层62相关联的TIR角θ2，例如先前由等式2所示出的。结果，光信号60可以在光波导层64与单模光纤52之间耦合，使得到基底层62的光损耗基本上减小。
例如，如图2的例子中所示出的，光信号60可以从单模光纤52耦合到覆盖层66并经由光栅74进入光波导层64，例如在光信号60的至少一部分从光耦合系统54的边缘76反射后。类似地，光信号60可以从光波导层64经由光栅74耦合到覆盖层66并进入单模光纤52。因为覆盖层66的折射率n2大于基底层62的折射率n1，以及因为耦合角θ1大于与覆盖层66和基底层62相关联的TIR角θ2，因此基本上没有光信号60耦合进入基底层62。因此，光信号60在单模光纤52与耦合到光波导层64的相关光波导之间的耦合可以基本上无损耗。
现在描述光耦合系统54的制造。在图3至图12的例子的下面描述中，参考图2的例子并且使用与图2的例子中类似的附图标记。
图3图示包括光刻胶层104的SOI结构102的截面示意图100的例子。SOI结构102在图3的例子中被示出为SOI晶片的一部分，该晶片包括第一硅层72、与基底层62对应的绝缘体层106以及与光波导层64对应的第二硅层108。作为例子，SOI结构102可以经由注氧隔离(SIMOX)工序形成。SIMOX工序的基本步骤可以包括在硅晶片表面的下方注入氧。接下来可以进行高温退火步骤，以聚结注入的氧原子，形成为SiO2的均匀层。典型地，退火步骤可以在高于1250℃的温度下进行若干小时，以聚结注入的氧并从表面向下实现第二硅层80的固态再结晶。从而，作为例子，第二硅层80可以生长到具有大约500μm的厚度。
SOI结构102还被图示为包括形成在第二硅层108上的光刻胶层104。光刻胶层104可以具有大约的厚度。然而，可以理解，其厚度可以是适合于制造光耦合系统54的任何大小。因此，光刻胶层104的厚度可以相应于用于图案化光刻胶层104的辐射波长进行改变。光刻胶层104可以经由常规旋涂或旋转铸造沉积技术覆盖第二硅层108形成。
图4图示图3的SOI结构102中光刻胶层104已经被图案化的示例图150。具体地，利用常规技术将光刻胶层104图案化，以形成图案化光刻胶层152，从而形成对应于光栅74的脊。图案化光刻胶层152从而可以用作刻蚀掩模层，用于处理或刻蚀下方的第二硅层108。
图5图示图4的SOI结构102经历刻蚀步骤的示例图200。刻蚀可以是各向异性深反应离子刻蚀(DRIE)，如箭头202所示。任何适当的DRIE刻蚀技术可以用于刻蚀第二硅层108。例如，在市场上可买到的蚀刻器，诸如平行板DRIE设备中，或者可替换地，在电子回旋共振(ECR)等离子体反应器中，利用诸如包含氟离子的四氟化碳(CF4)的一种或多种等离子体气体，第二硅层108可以被各向异性刻蚀，以复制图案化光刻胶层152的掩模图案。
图6图示图5的SOI结构102在刻蚀步骤基本上完成后的示例图250。具体地，图250图示在剥离步骤(例如在O2等离子体中抛光)基本上完成以去除光刻胶层104的剩余部分和图案化光刻胶层152后，部分完成的SOI结构102。因此，SOI结构102包括光栅74，光栅74已经在第二硅层108中经由图5的例子的DRIE刻蚀工序被刻蚀。DRIE刻蚀工序从而在图6的例子中被示出为已经将光栅74刻蚀到第二硅层108中，从而刻蚀到光波导层64中。
图7图示图6的SOI结构102具有覆盖材料302的截面图的示例图300。覆盖材料302可以是SiN，如前所述，其已经以多种方式中的任一种以合适的厚度沉积在被刻蚀的第二硅层108上。因此，覆盖材料302可以对应于覆盖层66。覆盖材料302可以以用覆盖材料302填充光栅74的间隙的方式进行沉积，使得覆盖材料302与第二硅层108紧密配合。可替换地，覆盖材料302可以覆盖光栅74，使得光栅74中的间隙是中空的。
图8图示图7的SOI结构102具有光刻胶层352的截面图的示例图350。SOI结构102被图示为包括形成在覆盖材料302上的光刻胶层352。例如基于用于图案化光刻胶层352的辐射波长，光刻胶层352可以具有适合于制造光耦合系统54的厚度(例如大约)。光刻胶层352可以经由常规旋涂或旋转铸造沉积技术覆盖覆盖材料302形成。
图9图示图8的SOI结构102具有已经被图案化的光刻胶层352的示例图400。具体地，利用常规技术将光刻胶层352图案化以形成开口402。图案化的光刻胶层352从而可以用作刻蚀掩模层，用于处理或刻蚀下面的覆盖材料302以形成凹槽，例如以容纳单模光纤52。
图10图示图9的SOI结构102经历刻蚀步骤的示例图450。刻蚀可以是各向异性DRIE刻蚀，如箭头452所示。在图10的例子中，箭头452表示刻蚀可以以与凹槽相关联的角度进行，该角度例如对应于耦合角θ1。任何适当的DRIE刻蚀技术可以用于刻蚀覆盖材料302。例如，在市场上可买到的蚀刻器，诸如平行板DRIE设备中，或者可替换地，在电子回旋共振(ECR)等离子体反应器中，利用诸如包含氟离子的四氟化碳(CF4)的一种或多种等离子体气体，覆盖材料302可以被各向异性刻蚀，以复制开口402的掩模图案到凹槽的所需深度和尺寸。然而，可以理解，在图10的例子所述的刻蚀步骤中可以实施其它刻蚀技术。
图11图示图10的SOI结构102在刻蚀步骤基本上完成之后的示例图500。具体地，图500图示在剥离步骤基本上完成以去除光刻胶层402的剩余部分之后，完整的光耦合系统54的图。因此，SOI结构102包括在对应于覆盖层66的覆盖材料302中的凹槽68，其中凹槽68已经经由图10的例子的DRIE刻蚀工序被刻蚀。在图11的例子中，凹槽68被示出为以提供给单模光纤52和/或从单模光纤52接收的光信号60的耦合角θ1大于与覆盖材料302和绝缘体层106相关联的TIR角θ2的方式被刻蚀，如之前等式2中所提供，其中覆盖材料302和绝缘体层106分别对应于覆盖层66和基底层62。
图12图示图11的光耦合系统56与单模光纤52耦合的截面图的示例图550。单模光纤52包括单模芯56和包层58。单模光纤52以耦合角θ1容纳在凹槽68内。作为例子，单模光纤52可以接合或另外粘合到覆盖材料302。可替换地，单模光纤52可以悬在覆盖材料302上方，使得光信号60传播通过单模光纤52与覆盖层66之间的自由空间。因此，在将单模光纤52物理或光学耦合到光耦合系统56时，图550对应于图2的例子中的图50。
鉴于上述结构和功能特征，示例性方法将参考图13得到更好的理解。同时，为了解释的简便，图13的方法示出和描述为连续执行，但是可以理解，方法不限于所图示顺序，与在此所示和所述的不同，方法的部分可以以不同的顺序发生和/或同时发生。
图16图示用于制造光耦合系统的方法600的例子。在602处，提供了具有第一硅层(例如第一硅层72)、覆盖该第一硅层的绝缘体层(例如绝缘体层106)以及覆盖该绝缘体层的第二硅层(例如第二硅层108)的SOI结构(例如SOI结构102)。在604处，将光栅(例如光栅74)刻蚀到第二硅层上。在606处，将覆盖材料(例如覆盖材料302)沉积在第二硅层上，使得覆盖材料覆盖光栅，该覆盖材料的折射率(例如折射率n1)大于与绝缘体层相关联的折射率(例如折射率n2)。在608处，将凹槽(例如凹槽68)刻蚀到覆盖材料中，该凹槽以足以使光信号经由光栅基本上无损耗地耦合至波导层的耦合角(例如耦合角θ1)，经由光栅将光信号(例如光信号60)传输至第二硅层，和/或经由光栅从第二硅层接收光信号。
上面已经描述的内容都是示例。当然，不可能描述部件或方法的每个能想到的组合，但是本领域技术人员将认识到许多其它的组合和排列是可能的。因此，本发明旨在包括落在包括所附权利要求的本申请范围内的所有的这些改变、变形和变化。此外，说明书或权利要求中列举的“一”，“一个”，“第一”或“另一个”元件，或其等同物，应当被理解为包括一个或多个这种元件，既不要求也不排除两个或多个这种元件。

Claims (15)

1.一种光耦合系统，包括：
基底层；
覆盖所述基底层的光波导材料，所述光波导材料具有光栅；以及
覆盖所述光波导材料的覆盖材料，所述覆盖材料用于将光信号以一耦合角经由所述光栅耦合到所述光波导材料，其中由于所述耦合角的原因以及由于所述覆盖材料与所述基底层之间的折射率差的原因的组合，经耦合的光信号在所述基底层中近似零能量的损耗。
2.根据权利要求1的系统，其中所述光信号以大于与所述基底层和所述覆盖材料相关联的内部全反射(TIR)角的耦合角被提供或接收。
3.根据权利要求1的系统，其中所述基底层具有第一折射率，所述覆盖材料具有大于所述第一折射率的第二折射率。
4.根据权利要求1的系统，其中所述基底层和所述光波导材料由绝缘体上硅(SOI)结构形成，所述绝缘体上硅结构包括第一硅层、覆盖所述第一硅层的绝缘体层以及覆盖所述绝缘体层的第二硅层，使得所述绝缘体层对应于所述基底层，并且所述第二硅层对应于所述光波导材料。
5.根据权利要求1的系统，其中所述覆盖材料包括被刻蚀到所述覆盖材料中、用于容纳光纤的凹槽，所述光纤用于经由所述光栅将所述光信号提供至所述光波导层，和/或经由所述光栅从所述光波导材料接收所述光信号。
6.根据权利要求5的系统，其中所述光纤是单模光纤。
7.一种光学系统，包括：
根据权利要求1的光耦合系统；
光传输元件；以及
耦合到所述光波导材料的光波导。
8.一种用于制造光耦合系统的方法，该方法包括：
提供具有第一硅层、覆盖所述第一硅层的绝缘体层以及覆盖所述绝缘体层的第二硅层的绝缘体上硅(SOI)结构；
将光栅刻蚀到所述第二硅层上；
将覆盖材料沉积在所述第二硅层上，使得所述覆盖材料覆盖所述光栅，所述覆盖材料的折射率大于与所述绝缘体层相关联的折射率；以及
将凹槽刻蚀到所述覆盖材料中，所述凹槽以足以使光信号经由所述光栅基本无损耗地耦合至所述第二硅层的耦合角，经由所述光栅将所述光信号传输至所述第二硅层，和/或经由所述光栅从所述第二硅层接收所述光信号。
9.根据权利要求8的方法，其中刻蚀凹槽包括：将所述凹槽刻蚀到所述覆盖材料中，使得所述光信号的耦合角大于与所述绝缘体和所述覆盖材料相关联的内部全反射(TIR)角。
10.根据权利要求8的方法，其中提供SOI结构包括将所述第二硅层提供为从所述光栅起在宽度上基本上逐渐变细，以耦合到光波导。
11.根据权利要求8的方法，其中刻蚀凹槽包括将所述凹槽刻蚀到所述覆盖材料中，以容纳来自激光器的光纤。
12.根据权利要求8的方法，其中刻蚀凹槽包括将所述凹槽刻蚀到所述覆盖材料中，以容纳单模光纤。
13.一种光耦合系统，包括：
具有第一折射率的基底层；
覆盖所述基底层并包括光栅的光波导材料；以及
覆盖所述光波导材料的覆盖材料，所述覆盖材料用于将光信号以一耦合角经由所述光栅耦合到所述光波导层，所述耦合角大于与所述基底层和所述覆盖材料相关联的内部全反射(TIR)角，所述覆盖材料具有大于所述第一折射率的第二折射率。
14.根据权利要求13的系统，其中所述基底层和所述光波导材料由绝缘体上硅(SOI)结构形成，所述绝缘体上硅结构包括第一硅层、覆盖所述第一硅层的绝缘体层以及覆盖所述绝缘体层的第二硅层，使得所述绝缘体层对应于所述基底层，并且所述第二硅层对应于所述光波导材料。
15.一种包括权利要求13的光耦合系统的光学系统，该光学系统进一步包括光传输元件和耦合到所述光波导材料的光波导。
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