CN106125195A - 光耦合机制 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于光耦合的波导结构100。所述波导结构100包括：第一波导101，其中，所述第一波导101嵌在折射率低于所述第一波导101的包层102内；第二波导103，其中，所述第二波导103的折射率高于所述包层102且与所述第一波导101相隔。所述波导结构还包括中间波导104，其中，所述中间波导104的至少一部分设置于所述第一波导101和所述第二波导103之间。所述第一波导101和所述第二波导103各自有一个锥形端101e和103e，用于将光耦合进和/或耦合出所述中间波导104。

Description

光耦合机制
技术领域
本发明涉及光子集成电路(简称PIC)领域。特别地，本发明描述了一种光耦合机制，尤其适用于进行芯片到芯片光耦合。为此，本发明提出了一种用于光耦合的波导结构、包括这种波导结构的芯片以及一种制造所述波导结构的方法。
背景技术
作为各种应用的通用技术平台，硅光子学的重要性正在迅速增加。举例来说，这些应用包括电信、数据通讯、互联及传感等。硅光子学可以在优质、低成本的硅衬底上通过利用CMOS兼容晶圆级技术实现光子功能。
然而，尤其对于电信应用而言，使用传统的硅无源器件难以满足所有的性能要求。相反，人们已经发现通过优质氮化硅(SiN)技术(其仍然是一种CMOS兼容晶圆级技术)，可以极大地提高性能。但不足之处在于无法利用SiN制造有源器件。
为了克服这一不足之处，可以将SiN波导和采用硅制造的有源器件(即在硅波导中形成的器件)进行一体化集成。然而，必须提供高温条件以确保制造出优质的SiN波导。这也意味着，所述硅有源器件必须在所述SiN的上面形成。一般情况下，这需要至少一次晶圆键合操作，以便将所述有源器件的硅层添加到印有图案的SiN PIC晶圆片上。尽管如此，为了获得较高的晶圆键合产能，还需要严格的清洁和平坦化操作，使得这种集成器件不仅制造困难，而且成本昂贵。
为了在不同的芯片之间传递光，不同的团体已经尝试使用光栅耦合器，例如，Zhang等人在2013年IEEE光互联大会(Optical InterconnectsConference)发表了《双层硅纳米薄膜上的层间光栅耦合器(Inter-layergrating coupler on double-layer silicon nanomembranes)》(DOI：10.1109/OIC.2013.6552911)。
然而，据报道，这些光栅耦合器的耦合性能并不是非常好，光损耗在8dB的范围内。对于大部分的电信应用而言，这一级别的光损耗过大。
其他的团体曾尝试利用反射镜来耦合不同芯片之间的光。但是，对于一些低损耗的应用来说，接近3dB的光损耗仍然是不可接受的。另外，反射镜的制造不是一个CMOS兼容的过程。
Soganci等人在2013年7月1日刊发于《光学快报16075IBM》第21卷13期的《硅光子学的具有可扩展的计数I/O的倒装芯片光耦合器(Flip-chipoptical couplers with scalable I/O count for silicon photonics)》(DOI：10.1364/OE.21.016075)中提出了硅波导和聚合物波导中制造的倒锥形之间的光耦合。所述聚合物波导设在PCB上。在特定波长上实现每个光耦合器的损耗低至1dB，表现出优越的性能，这可以通过波导之间的绝热耦合来实现。
类似地，D.W.Vernooy等人曾在2014年IEEE《光子技术快报(PTL)》中发表的《基于PLC表面贴装光子学的对准不敏感耦合(Alignment-Insensitive Coupling for PLC-Based Surface Mount Photonics)》阐明了一种在III-V芯片和硅石PLC之间绝热耦合的利用方式。通过这种方法，将III-V组件的表面贴装倒装芯片附着到PLC平台上的光损耗小于0.5dB。
所述III-V芯片具有较低折射率对比的输出波导，并且光从磷化铟(InP)波导传递到该输出波导。这种传递使得所述芯片显著扩大，并且，若所述表面贴装使二者足够接近，会使得所述芯片耦合于所述PLC(同样具有较低的折射率对比)上的波导。
然而，若要所述波导紧密靠近，则需要复杂的制造过程。通常情况下，波导覆盖有一层厚厚的披覆材料，所述披覆材料的折射率低于波导包芯。移除该披覆材料并在所述波导处停止，或者留下薄薄的一层披覆材料，这虽然必要但却复杂。进一步地，所述移除在晶圆表面上留下几微米高的阶梯。相反，精确的CMOS处理需要平坦的表面或者1微米以下的阶梯。
Chen等人在2010年12月1日刊发于IEEE《光子技术快报(PhotonicsTechnology Letters)》第22卷23期的《标准劈型光纤和高折射率对比SiN或Si波导之间的低损耗和宽带悬臂耦合器(Low-Loss and Broadband CantileverCouplers Between Standard Cleaved Fibers and High-Index-Contrast SiN or SiWaveguides)》中也阐明了光可以从Si或SiN波导传递到底覆和披覆的硅石层形成的波导中。所述高折射率的硅从该“悬臂”波导附近移除。周围的材料可以是空气或者具有低折射率对比的聚合物。可以通过该技术实现4–9μm的芯片尺寸。至今，已提出该技术具体用于将光从硅光子芯片耦合到光纤中。
进一步地，从专利US 6,282,345 B1了解到通过设计波导各自的宽度，可以在同一个芯片上将光从一个波导传递到另一个波导。这种方法一般用在III-V芯片上，其中，一层是有源区域，另一层是无源波导，更适合将光耦合到光纤中。
发明内容
从以上关于传统光耦合机制的描述中可以清楚地看到，存在的问题是，目前该机制还不能实现光耦合：第一，所有需要的附加处理都是CMOS兼容的(例如，适合于硅光子芯片)；第二，在宽波段上耦合效率较高(即，光损耗较低)。
鉴于这些劣势，本发明旨在改进传统的光耦合机制。特别地，本发明的目的是提供一种具有低损耗的光耦合结构，其中，所述结构同样与CMOS处理兼容。
上面提到的本发明的目的通过随附的独立权项中提供的方案实现，本发明的有利实现方式在从属权项中进一步阐明。
特别地，本发明提出了一种波导结构、包括所述波导结构的芯片以及所述波导结构的制造方法，从而实现全新的低损耗光耦合机制。所述耦合机制具体适用于将有源器件转印或倒装芯片键合到SiN PIC上。为此，本发明实现了一种波导结构，其中，所述波导结构允许将光从覆盖有包层的第一波导传递(特别是将光进行绝热传递)到第二波导(特别是表面波导)。这样，可以实现芯片内或者芯片到芯片的光绝热耦合，而所有需要的处理仍然是CMOS兼容的。
本发明的第一方面提供了一种用于光耦合的波导结构，包括：第一波导，所述第一波导嵌在折射率低于所述第一波导的包层内；第二波导，所述第二波导的折射率高于所述包层且与所述第一波导相隔；中间波导，所述中间波导的至少一部分设置于所述第一波导和所述第二波导之间，其中，所述第一波导和所述第二波导各自包括一个锥形端，用于将光耦合进和/或耦合出所述中间波导。
结合第一方面所述的波导结构的三种波导，光可以从所述第一波导以非常低的耦合损耗传递(尤其是绝热传递)到所述第二波导。当使用设计合理的绝热锥时，耦合损耗和准直容差将低至1dB，而使用传统的对接耦合、光栅耦合器或者反射镜无法达到这种性能。
结合第一方面所述的波导结构，光可以，例如，从芯片内部传递到芯片表面，换言之，可以将光带到芯片的表面。这就实现了更加高效的芯片到芯片耦合，尤其是在基本平坦的晶圆片上。或者，光可以直接从一个芯片以非常低的光耦合损耗传递到另一个芯片。
当第一方面所述的波导结构用于芯片到芯片的光耦合时，位于附着的第二芯片下方的第一芯片上的大部分面积仍可以用于集成电路，这是因为一般情况下，出于机械稳定性的考虑，所述两个芯片的夹持面积远大于真正用于光耦合的面积。
事实上，结合第一方面所述的波导结构，可以在小于500μm的长度上将光从所述第一波导高效传递到所述第二波导。因此，优选地，所述第一波导和所述第二波导在一个方向上延伸，彼此基本平行，并且所述第一波导的锥形端和所述第二波导的锥形端在所述延伸方向上重叠。进一步，优选地，所述第一波导的锥形端和所述第二波导的锥形端在所述延伸方向上重叠约500μm或更短，较优选地，约400μm或更短，最优选地，约300μm或更短。
制造第一方面所述的波导结构所有需要的过程都可以和CMOS处理和铸造兼容，例如，当分别使用SiN波导和二氧化硅(SiO2)包层时。所述处理还使得无需附加处理步骤，便可制造用于板上芯片宽带光纤耦合机制的波导结构。
在第一方面所述的波导结构的第一种可能的实现形式中，所述中间波导由所述包层一部分形成或者在所述包层的一部分中形成。
利用所述第一波导的包层来构造所述中间波导，即利用所述包层将光从所述第一波导传递到所述第二波导，第一方面所述的波导结构可以处理得更快，可以是CMOS兼容，且所需的材料较少。进一步地，可以实现更加紧凑的波导结构。
根据第一方面或第一方面的第一种实现形式，在所述的波导结构的第二种实现形式中，所述中间波导由具有悬臂状结构的所述包层的一部分形成。
通过限制所述包层至少在专用耦合区域环绕所述第一波导的横向距离，可以形成所述悬臂状结构。所述专用耦合区域为波导结构中的区域，包括所述两个锥形波导端。在使用中，光实际上是从所述第一波导传递到所述第二波导。另外，将所述衬底从所述专用耦合区域中移除，以防止光从所述包层泄漏到所述衬底。
通过所述悬臂状结构，可以很好地实现所述两个波导之间的低损耗绝热耦合。
根据第一方面的第二种实现形式，在所述波导结构的第三种实现形式中，所述第一波导的锥形端嵌在所述悬臂状结构内。
因此，可以将光以非常低的损耗绝热耦合到所述中间波导中。
根据第一方面的第二或第三种实现形式，在所述波导结构的第四种实现形式中，所述悬臂状结构的至少一部分分别设置于所述第一和第二波导的锥形端之间，并嵌在折射率低于所述包层的材料内，其中，所述材料最好是聚合物材料。
所述聚合物材料，例如，设置在所述悬臂状结构的下面，替代了所述移除的衬底，从而避免了到可以形成所述波导结构的衬底的光损耗。
根据第一方面或第一方面的第一种实现形式，在所述的波导结构的第五种实现形式中，所述中间波导由所述包层中的填充沟槽形成，其中，所述沟槽填充材料的折射率高于所述包层，但低于所述第一和第二波导。
使用这种方法，则不需要在所述包层下面提供低折射率的材料来避免到衬底的光损耗。由于所述包层的折射率低于所述沟槽填充材料，因此自然避免了到所述衬底的光损耗。
根据第一方面的第五种实现形式，在所述波导结构的第六种实现形式中，所述包层包括下包层和上包层，其中，所述第一波导夹在所述两个包层之间；
所述填充沟槽完全设在所述上包层中，且分别设置在所述第一和第二波导的锥形端之间。
因此，只需为所述上包层构造所述沟槽，使得处理更快、产量更高。
根据第一方面或第一方面的前述任一种实现形式，在所述的波导结构的第七种实现形式中，所述第二波导和/或所述第一波导的折射率为1.8或更高；所述包层的折射率为1.5或更低。
因此，至少所述第一波导，优选地，还有所述第二波导，为中或高折射率对比波导，即波导和包层之间的折射率对比较高。
根据第一方面或第一方面的前述任一种实现形式，在所述的波导结构的第八种实现形式中，所述第一和第二波导的锥形端的宽度从0.4–1μm左右渐变到0.1–0.2μm左右，跨越长度约200–800μm。
这种锥形端实现了光耦合损耗非常低的绝热耦合。
根据第一方面或第一方面的前述任一种实现形式，在所述的波导结构的第九种实现形式中，所述中间波导的宽度约为2μm至4μm；和/或，所述第一和第二波导分别具有0.2–1μm左右的宽度和0.05–0.4μm左右的厚度；和/或，所述第一波导和所述第二波导之间的距离约为2–4μm，且最好为3μm左右。
这样的波导结构可以实现较好的光传输性能，以及在波导之间以较低的光损耗进行光耦合。
根据第一方面或第一方面的前述任一种实现形式，在所述的波导结构的第十种实现形式中，所述第二波导和/或所述第一波导由氮化硅制成。
氮化硅可以极大地提高性能，特别是对于电信应用而言，且还能够完全兼容CMOS处理。
根据第一方面或第一方面的前述任一种实现形式，在所述的波导结构的第十一种实现形式中，所述第一和第二波导属于一个芯片；所述第二波导设在接近所述芯片的表面的位置，或者设在所述芯片的表面上。
这样，可以将光从芯片内部带到芯片表面。主要在所述第一波导中的芯片内引导所述光。因此，提高了所述芯片的光传输性能。进一步地，除了专用耦合区域，所述芯片表面可以制作得更加平坦，并且可以用于构造或者耦合其他器件，例如无源或者有源器件，甚或其他芯片。通过将所述光带到所述芯片表面，仍然可以更加容易地将所述光从所述芯片中耦合出来。例如，所述光可以耦合到第二芯片，所述第二芯片可以通过倒装芯片技术或者通过转印技术附着到所述第一芯片。所述光还可以耦合到其他任何具有至少一个波导的合适物体。举例来说，可以容易地将所述光从芯片耦合到波导，所述用于将所述芯片光连接到一定距离外的某一点，如包层移除后的聚合物波导或光纤。
根据第一方面或第一方面第一至第十种实现形式中的任一种实现形式，在所述波导结构的第十二种实现形式中，所述第一波导属于第一芯片；所述第二波导属于第二芯片，其中，所述第二芯片转印在所述第一芯片上。
因此，通过最直接的方式实现低损耗、芯片到芯片的光耦合。不通过转印，通过其他合适的手段，例如通过倒装芯片，也可以将所述第二芯片提供给所述第一芯片。
本发明的第二方面提供了一种芯片，包括第一方面或第一方面的任一种实现形式所述的波导结构，用于将所述芯片光耦合到包括至少一个波导的物体，例如另一个芯片。
因此，第二方面提出了一种芯片，实现了低损耗的芯片到芯片的光耦合。例如可以将类似或相同的第二芯片倒置并正确地对齐附着到所述第一芯片。优选地，所述两个芯片之间的任何间隙填充与包层材料类似或相同的折射率材料。或者，包括至少一个波导的所述物体可以为聚合物波导。
本发明的第三方面提供了一种制造光耦合波导结构的方法，包括如下步骤：形成具有锥形端的第一波导；将所述第一波导嵌在折射率低于所述第一波导的包层内；在相隔所述第一波导一定距离处，形成具有锥形端的第二波导；形成中间波导，所述中间波导的至少一部分在所述第一波导和所述第二波导之间形成，其中，所述第一和第二波导的锥形端分别用于将光耦合进和/或耦合出所述中间波导。
在第三方面所述的方法的第一种可能的实现形式中，所述中间波导由所述包层一部分形成或者在所述包层的一部分中形成。
根据第三方面或第三方面的第一种实现形式，在所述方法的第二种实现形式中，所述中间波导由具有悬臂状结构的所述包层的一部分形成。
根据第三方面的第二种实现形式，在所述方法的第三种实现形式中，所述第一波导的锥形端嵌在所述悬臂状结构内。
根据第三方面的第二或第三种实现形式，在所述方法的第四种实现形式中，所述悬臂状结构的至少一部分分别设置于所述第一和第二波导的锥形端之间，并嵌在折射率低于所述包层的材料内，其中，所述材料最好是聚合物材料。
根据第三方面或第三方面的第一种实现形式，在所述方法的第五种实现形式中，所述中间波导由所述包层中的填充沟槽形成，其中，所述沟槽填充材料的折射率高于所述包层，但低于所述第一和第二波导。
根据第三方面的第五种实现形式，在所述方法的第六种实现形式中，所述包层包括下包层和上包层，其中，所述第一波导夹在所述包层之间，并且所述填充沟槽完全设在所述上包层中且分别设置在所述第一和第二波导的锥形端之间。
根据第三方面或第三方面的前述任一种实现形式，在所述方法的第七种实现形式中，所述第二波导和/或所述第一波导的折射率为1.8或更高；所述包层的折射率为1.5或更低。
根据第三方面或第三方面的前述任一种实现形式，在所述方法的第八种实现形式中，所述第一和第二波导的锥形端的宽度从0.4–1μm左右渐变到0.1–0.2μm左右，跨越长度约200–800μm。
根据第三方面或第三方面的前述任一种实现形式，在所述方法的第九种实现形式中，所述中间波导的宽度约为2μm至4μm；和/或，所述第一和第二波导分别具有0.2–1μm左右的宽度和0.05–0.4μm左右的厚度；和/或，所述第一波导和所述第二波导之间的距离约为2–4μm，且最好为3μm左右。
根据第三方面或第三方面的前述任一种实现形式，在所述方法的第十种实现形式中，所述第二波导和/或所述第一波导由氮化硅制成。
根据第三方面或第三方面的前述任一种实现形式，在所述方法的第十一种实现形式中，所述第一和第二波导属于一个芯片；所述第二波导设在接近所述芯片的表面的位置，或者设在所述芯片的表面上。
根据第三方面或第三方面第一至第十种实现形式中的任一种实现形式，在所述方法的第十二种实现形式中，所述第一波导属于第一芯片；所述第二波导属于第二芯片，其中，所述第二芯片转印在所述第一芯片上。
与第一方面及其各实现形式所述的波导结构相比，第三方面及其实现形式所述的方法实现了相同的优势以及技术效果。
需要指出的是，本申请所描述的全部设备、元件、单元以及装置均可以在软件或硬件元件或者其任意组合中实现。本发明描述的各种实体执行的所有步骤以及描述的所述各种实体执行的功能旨在表示各个实体用于执行各自的步骤和功能。即使在下文具体实施例的描述中，由外部实体完整形成的特定功能或步骤没有体现在执行这一特定步骤或功能的实体的特定元件的具体描述中，技术人员应当清楚，这些方法和功能可以在各自的软件或硬件元件或其任意组合中实现。
附图说明
上述本发明的各个方面和实现形式将结合附图在下文具体实施例中进行解释，其中：
图1示出了本发明基础实施例提供的一种波导结构；
图2示出了本发明第一具体实施例提供的芯片中的一种波导结构；
图3示出了本发明第二具体实施例提供的芯片中的一种波导结构；
图4示出了本发明第一具体实施例提供的两个均具有波导结构的芯片之间的芯片到芯片光耦合；
图5示出了本发明第一具体实施例提供的波导结构的应用场景；
图6示出了本发明第二具体实施例提供的波导结构的应用场景；
图7示出了本发明第一具体实施例提供的波导结构的应用场景；
图8示出了本发明第二具体实施例提供的波导结构的应用场景；
图9示出了本发明第一具体实施例提供的波导结构的仿真结果；
图10示出了本发明第二具体实施例提供的波导结构的仿真结果；
图11示出了本发明实施例提供的一种采用倒装芯片键合以及波导结构的芯片到芯片光耦合机制的仿真结果；
图12示出了本发明实施例提供的一种采用倒装芯片键合以及波导结构的芯片到芯片光耦合机制的仿真结果；
图13示出了本发明实施例提供的一种采用倒装芯片键合以及波导结构的芯片到芯片光耦合机制的仿真结果；
图14示出了本发明实施例提供的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了本发明基础实施例提供的一种波导结构100。特别地，在图1中，(a)示出了所述波导结构100的侧视图，(b)示出了所述同一个波导结构100的俯视图。所述波导结构100包括第一波导101，所述第一波导101嵌在包层102内。制造所述包层102的材料的折射率低于所述第一波导101的材料。所述第一波导101的材料，例如，可以为SiN或者Si。所述包层102的材料，例如，可以为SiO2。所述包层102可以是单一包层，还可以包括若干包层，例如，可以是所述第一波导101夹在下包层和上包层之间。所述包层102可以设置在衬底，如硅衬底上。
所述波导结构100还包括第二波导103。所述第二波导103与所述第一波导101相隔，优选地，在与其延伸方向垂直的方向上相隔。优选地，所述两个波导101和103的延伸方向相同且彼此基本平行。所述第二波导103可以嵌在所述包层102内，还可以设置在所述包层102的上面。制造所述第二波导103的材料的折射率高于所述包层102的材料。进一步地，所述第二波导103的折射率可以等于或者不等于(低于或高于)所述第一波导101的折射率。所述第二波导103，例如，可以由SiN或者Si制造。优选地，所述第二波导材料和/或所述第一波导材料的折射率为1.8或更高，而所述包层材料的折射率为1.5或更低。这意味着，优选地，相对于所述包层102，所述第一波导101和所述第二波导103具有中或高折射率对比。
所述波导结构100还包括中间波导104(图1中虚线所示)，所述中间波导至少部分设置在所述第一波导101和所述第二波导103之间。所述中间波导104，例如可以由所述包层102的一部分形成，或者，例如在所述包层102的一部分内形成。所述中间波导104设计用于将光从所述第一波导101传递到所述第二波导103。
为此，从图1中的(b)可以看出，所述第一波导101和所述第二波导103都分别具有一个锥形端101e和103e。这两个锥形端101e和103e用于和所述中间波导104交换光，也就是说，设计用于将光(最好是绝热耦合)耦合进和/或耦合出所述中间波导104。相应地，光可以经由所述中间波导104在所述第一波导101和所述第二波导103之间以小于1dB的损耗传递。
如图1所示，所述两个波导101和103可以拥有共同的延伸方向。因此，所述中间波导104和所述锥形端101e和103e特别设计用于在所述波导101和103的延伸方向上的一段约500μm或更短的过渡长度上在所述第一波导101和所述第二波导103之间传递光。为此，优选地，所述锥形端101e和103e在所述波导101和103的延伸方向上(即当从上面俯视时，见图1中的(b))重叠500μm或更短，优选地，重叠约400μm或更短，更优选地，重叠约300μm或更短。
图2示出了本发明第一具体实施例，其建立在图1所示的基础实施例之上。图2所示的实施例采用“悬臂耦合器”，意味着所述中间波导104(图2中虚线所示)由具有悬臂状结构的所述包层102的一部分形成。优选地，如图2所示，所述第二波导103进一步为表面波导。如本实施例所示，所述波导结构100可以设置在衬底205上。
在图2的(b)中可以清楚地看到所述中间波导104的悬臂状结构。通过限制所述包层102至少在专用耦合区域环绕所述第一波导101的横向距离，即通过移除所述第一波导101侧边的所述包层102的一部分，可以形成所述悬臂状结构。特别地，如图2(b)所示，所述包层102环绕所述第一波导101的专用耦合区域缩小到宽度Wc为优选的1–5μm，或者更加优选地，为3μm。
如图2所示，所述第一波导101的锥形端101e可以嵌在所述悬臂状结构内。当从上面俯视时，所述锥形端101e还与所述第二波导103的锥形端103e重叠。所述第二波导103设置在所述包层102的悬臂状结构的表面上或者接近所述表面的位置。因此，所述悬臂状结构的至少一部分分别位于所述两个锥形端101e和103e之间。另外，在一定区域(图2中的标号206)内，可以移除所述衬底以避免光从所述中间波导104泄漏到所述衬底205。
优选地，如图2所示，所述悬臂状结构至少一部分嵌入折射率低于所述包层102的材料206(最好为聚合物材料)或被其环绕。特别地，这种材料206替代了已经从所述中间波导周围移除的衬底和包层，并有助于晶圆平坦化。
在使用所述第一具体实施例的波导结构100时，光首先从所述第一波导101(例如，硅或中折射率对比波导)耦合到所述包层102形成的所述悬臂状中间波导104。然后，光可以进一步耦合到所述第二波导103(例如，晶圆表面上的薄的中或高折射率对比波导)。
图3示出了本发明第二具体实施例，其建立在图1所示的基础实施例之上。本实施例采用“后端开口”，意味着在工艺流程的侧面或者“后端”开一个沟槽。然后，给所述沟槽填充合适的材料。结果，所述中间波导104(图3虚线所示)在所述包层102的一部分中形成，称为填充沟槽。优选地，如图3(a)所示，所述第二波导103为表面波导。如本实施例的图3(a)所示，所述波导结构可以设置在衬底205上。
在所述波导结构100的制造过程接近结束的时候，所述包层102在所述专用耦合区内被部分移除以形成沟槽。优选地，所述包层102包括下包层102l和上包层102u，其中所述第一波导101夹在所述两个包层102l和102u之间，且所述沟槽主要(或者完全，如图3所示)设置在所述上包层102u中。优选地，进一步，所述沟槽至少一部分分别设在所述第一和第二波导101和103的锥形端101e和103e之间。特别地，将所述上包层102u部分移除，暴露出所述第一波导101的包芯材料，例如，硅或中折射率对比波导包芯。可以执行蚀刻步骤以移除所述上包层102u，其中，蚀刻终止层先前就安置在所述第一波导101上面。在停止蚀刻该层之后，所述蚀刻终止层自身被移除。
然后，所述沟槽填充折射率高于所述包层102(例如，SiON或聚合物)的材料。然后，定义所述第二波导103，例如，定义为薄的表面波导。在最终的结构中，通过所述包层102中设置的填充沟槽相应地生成所述中间波导104。所述沟槽填充材料的折射率高于所述包层102，但分别小于所述第一和第二波导101和103。
在使用第二具体实施例的所述波导结构100时，光经由所述中间波导104传递到所述第二波导103。通过本实施例描述的方法，无需移除所述包层102下面(例如，所述专用耦合区域)的衬底205。然而，优选地，所述中间波导104的折射率足够高，从而避免了到所述衬底205的光损耗。
图4示出了第一具体实施例提供的波导结构100用于芯片到芯片耦合的示例。然而，所述第二具体实施例提供的所述波导结构100具有相同的应用。
所述波导结构100包括所述第一波导101、所述第二波导103以及所述中间波导104(图4中虚线所示)。此时，所述中间波导104是第一芯片400的一部分。所述第二波导103设在所述芯片表面，而所述第一波导101嵌在所述芯片400内。也就是说，所述波导结构100经由所述中间波导104将光带到所述芯片表面。然后，通过倒置其他类似或相同芯片401以及通过在各自的芯片表面正确地对准所述第二波导103，可以实现芯片到芯片耦合。
芯片400和401可以完全相同，也可以由不同的材料体系制成。例如，所述第一芯片400可以基于Si和SiN，而所述第二芯片401使用III-V材料体系，如GaAs。优选地，所述两个芯片400和401之间的任何间隙填充与所述包层102折射率接近的一种材料402。例如，若所述芯片400的包层102为SiO2，则所述材料402的折射率应该为1.445左右。
图5示出了第一具体实施例提供的波导结构100的芯片到芯片耦合的另一个具体应用示例。所述应用涉及第一芯片500，所述第一芯片500包括所述波导结构100和一个或多个无源器件，例如，采用优质SiN波导制造的无源器件。这些无源器件的性能远远高于那些采用硅波导制造的无源器件，也就是说，所述第一芯片500可以指SiN PIC。
一个或多个有源器件(SOI或者III-V材料体系)可以通过芯片到芯片耦合的方式与所述第一芯片500集成起来，而不是将所述第一芯片500与一个或多个有源器件进行一体化集成，其中，所述芯片到芯片耦合由本发明的所述波导结构100实现。
特别地，图5所示的有源器件为波导检测器502。要达到30GHz以上，波导检测器是必需的。举例来说，SOI制造的Ge波导检测器可以轻松达到所需带宽。本发明的所述波导结构100为将这种波导检测器502低损耗地耦合到所述第一芯片500(即，所述SiN PIC)提供了简单的可能性。为此，所述波导检测器502嵌在第二物体或芯片501内，所述第二物体或芯片501如所述第一芯片500一样包括类似的波导结构100。通过耦合所述波导结构100，可以将所述波导检测器502耦合到所述第一芯片500。
标准的倒装芯片技术可以用于附着以及耦合所述两个芯片500和501。对于调制器或者其他有源器件，类似的方法也是有效的。
图6示出了第二具体实施例提供的波导结构100的芯片到芯片耦合的另一个具体应用示例。本应用以转印为例进行说明，而不是倒装芯片。
特别地，转印层601包括检测器602或者检测器阵列，如Ge波导检测器，并设置于第一芯片600。同样地，所述第一芯片600可以是SiN PIC。所述转印层601包括至少一个波导603，所述波导603耦合于所述第一芯片600的波导结构100。
转印尤其适用于SOI有源器件。对于这些SOI有源器件，一旦SOI处理完成，转印工艺便可以从原来的硅衬底和底覆氧化物中释放顶部表面层。所述释放的层可以包括任意有源器件(如检测器、激光器、调制器或加热器)。然后，可以将该层转移到某个物体或第二芯片601，所述第二芯片601设有至少一个波导603，用于将其耦合到所述第一芯片600的波导结构100。
需要指出的是，对于图6所示的第一芯片600，所述芯片表面上的所述中间波导104(图6中虚线所示)上面设置的所述第二波导103实际上是可选的，这是因为光可以直接从所述中间波导104(在该示例中，所述中间波导104由所述沟槽填充形成)直接耦合到所述第二芯片601的波导603，其中，所述第二芯片601是转印到所述第一芯片600上的。此时，本发明的波导结构100实际上可以包括两个芯片600和602，即所述波导结构100可以包括属于所述第一芯片600的第一波导101和所述中间波导104，以及属于所述第二芯片602的第二波导603，其中，第二芯片602是转印到所述第一芯片600上的。
图7和图8示出了激光器的具体优选示例。图7示出了激光芯片700，其具有一体化集成的波导结构100，具体包括：高折射率对比的第一波导101、中间波导104(图7中虚线所示)以及第二波导103。制造这种激光芯片700的一种方法就是采用异构集成在硅衬底703上面形成激光器件701或激光器阵列。所述波导结构100的波导101和103由硅或者SiN制成。
如图8所示，所述波导结构100用于通过倒装芯片技术将光从所述激光芯片700传递到另一个芯片800，如SiN PIC。所述激光芯片700中的波导结构100的所述第二波导103是可选的，这是因为光可以直接从所述激光芯片700的第一波导101耦合到第二芯片800的中间波导104(图8虚线所示)。然而，在所述激光芯片表面使用所述第二波导103有助于所述两个芯片700和800之间的对准，从而提高准直容差。进一步提高了所述两个芯片700和800之间的允许间隔。
将所述第二芯片800的包层102(如氧化硅上下包层)移除，其中，所述激光芯片700将进行倒装芯片键合。这样就提供了一条高效的热路径，帮助所述激光器701冷却。另外，衬底/包层界面阶梯提供了参考，使得在正确的高度倒装所述激光芯片700或者激光器阵列变得更加简单，从而高效地进行所述两个芯片700和800的耦合。
特别地，相比传统的对接耦合方法，当采用绝热耦合时，耦合损耗产生的反射更少。图8中呈现的所述耦合方法还可以与非气密性环境兼容。
下文描述了以上所述的波导结构和芯片到芯片机制的仿真结果。
图9示出了第一具体实施例的波导结构100中的耦合的仿真结果，特别地，通过悬臂型SiO2中间波导104(图9中虚线所示)从SiN第一波导101耦合到第二表面SiN波导103。所述波导结构100如图2所示，且更具体地，如图9中的(a)所示。
也就是说，所述第一波导101与所述第二波导103相隔一段距离d，其中，所述距离d与所述中间波导104的厚度相对应。优选地，所述距离d约为2–4μm，更加优选地，约为3μm。所述第一波导101的厚度为t1，优选地，t1的范围为0.05–0.4μm；并且，所述第二波导103的厚度为t2，优选地，t2的范围和t1相同。所述第一波导101的锥形端101e从波导宽度w1(优选地，其范围为0.4–1μm)渐缩至锥形端宽度wt1(优选地，其范围为0.1–0.2μm)。所述渐缩在长度l1上(优选地，沿着直线)进行，其中，优选地，l1的范围为200–800μm。所述第二波导103的锥形端103e从波导宽度w2(优选地，其范围与w1相同)渐缩至锥形端宽度wt2(优选地，其范围与wt1相同)，并且在长度l2上(优选地，沿着直线)进行，其中，优选地，l2的范围与l1相同。锥形端101e和103e重叠的长度为OL。优选地，所述长度OL为500μm或更短，较优选地，约为400μm或更短，最优选地，约为300μm或更短。
得到的仿真结果如图9中的(b)所示，x轴表示过渡长度，光在所述过渡长度上传递(表示为所述锥形端101e和103e重叠的长度)；y轴表示传递(即，在所述两个波导101和103之间耦合)的光的比例(0至1之间，0表示没有光传递，1表示全部的光被传递)。所述结果显示，通过500μm左右的过渡长度，可以在所述波导101和103之间高效地传递横电(TE)模光以及横磁(TM)模光。
图10示出了第二具体实施例的波导结构100中的耦合的仿真结果，特别地，通过SiON沟槽中间波导104(图10中虚线所示)从SiN第一波导101耦合到第二表面SiN波导103。所述波导结构100如图3所示，且更具体地，如图10中的(a)所示。
也就是说，所述第一波导101与所述第二波导103相隔折射率为1.5的填充沟槽，并形成所述中间波导104。同样地，所述第一波导101的厚度为t1，所述第二波导的厚度为t2。所述第一波导101的锥形端101e从波导宽度w1渐缩至锥形端宽度wt1。所述第二波导103的锥形端103e从波导宽度w2渐缩至锥形端宽度wt2。优选地，t1、t2、w1、w2、wt1和wt2的取值范围与上文图9中所述相同。所述填充沟槽中间波导104的宽度记为W，并且优选地，其范围为2μm至4μm。
所述仿真结果如图10中的(b)所示，且所述结果表明，通过500μm左右的过渡长度，以非常低损耗成功传递横电(TE)模光以及横磁(TM)模光。
除了将光从所述第一波导101传递到所述第二波导103，芯片到芯片耦合还需要在两个不同芯片的第二波导(最好是表面波导)103之间传递光。这种传递已经通过图11中的(a)所示的结构仿真出来。
特别地，为了将光从第一芯片传递到第二芯片，优选地，两个芯片之间的间隙填充折射率低于所述芯片(见图4)的波导103的间隔材料402(如环氧树脂)，例如所述间隔材料402的折射率接近热氧化层(固化后)。图11示出了两个芯片之间的这种耦合，所述两个芯片分别具有一个SiN表面波导103，以及夹在中间的SiO2隔板402，其厚度为D，如D可以为1μm。所述两个波导103的厚度均为t2，且均具有从波导宽度w2渐缩至锥形端宽度wt2的锥形端103e。优选地，t2、w2和wt2的取值范围与上文图9所述相同。所述隔板402充当所述两个波导103之间的中间波导104，因此本质上，所述两个波导103，以及所述隔板402形成的中间波导一起构成了本发明提供的波导结构100。
所述仿真的结果如图11中的(b)所示，所述结果表明，根据准直容差，可以通过仅200–300μm范围的过渡长度传递光。也就是说，对于所述两个芯片精确对准的情况，如图11(b)左侧所示，200μm的过渡长度就足够了；而对于所述两个芯片之间存在1μm对准偏差时，300μm的过渡长度就足够了。
类似地，图12示出，若将所述两个芯片之间的间隙/隔板402的厚度减少到例如0.5μm，如图12中的(a)所示的波导结构100，则所述过渡长度可以小于200μm，即使所述芯片之间具有1μm的对准偏差，如图12中的(b)所示。
图13示出了第二具体实施例的波导结构100中的耦合的仿真结果，特别地，通过SiON沟槽中间波导104(图13中虚线所示)从SiN第一波导101耦合到第二转印硅波导103。所述波导结构100如图3所示(但所述第二波导103属于所述转印层)，且更具体地，如图13中的(a)所示。
也就是说，所述第一波导101与所述第二波导103相隔一个折射率为1.55的填充沟槽，形成所述中间波导104。所述第一波导101的厚度为t1，所述第二波导103的厚度为t2。所述第一波导101的锥形端101e从波导宽度w1渐缩至锥形端宽度wt1，例如，跨越长度为l1。所述第二波导103的锥形端103e从波导宽度w2渐缩至锥形端宽度wt2，例如，跨越长度为l2。优选地，所述t1、t2、w1、wt1、w2、wt2、l1和l2取值的范围与上文图9所述相同。
需要指出的是，形成所述中间波导104的所述填充沟槽也可以具有一个锥形端，即，如图13中的(a)所示，在所述波导101和103周围，所述中间波导104可以具有横向变化的宽度。
需要指出的是，在将第二芯片转印到第一芯片的情况中，所述第二芯片与所述第一芯片的中间波导104紧密接触，所述第二芯片的波导充当所述波导结构100的所述第二波导103。
所述仿真结果如图13中的(b)所示，可以看出该情况仅对TE模光进行了优化。此时，600μm的总过渡长度就足够了，即使当所述芯片之间存在1μm的对准偏差。
图9至图13所示的仿真表明，根据本发明的波导结构100，可以在小于500μm的长度上经由中间波导104将光从第一波导101(或103)高效地传递到第二波导103。即便考虑到存在1μm的对准偏差，也可以在300μm(间隙为1μm时)的过渡长度上在两个芯片之间传递光。如果所述两个芯片之间的间隙可以控制在0.5μm或以下，这个长度可以减少到200μm。
通过转印工艺，可以在小于700μm的长度中将光从第一芯片中的第一波导101传递到第二转印芯片中的第二波导103。
图14示出了本发明实施例提供的方法1400的流程图。在所述方法的第一个步骤1401中，形成具有锥形端101e的第一波导101，然后在第二个步骤1402中将其内嵌到折射率低于所述第一波导101的包层102内；在第三个步骤1403中，在与所述第一波导101相隔一定距离的位置，形成具有锥形端103e的第二波导103；进一步，在第四个步骤1404中，形成中间波导104，其中，所述中间波导104的至少一个部分在所述第一波导101和所述第二波导103之间形成。当形成所述第一和第二波导101和103的锥形端101e和103e时，所述锥形端101e和103e分别用于将光耦合进和/或耦合出所述中间波导104。特别地，通过所述锥形端101e和103e，可以将光与所述中间波导进行绝热交换。
根据本发明，提供了一种新的耦合机制，尤其适用于芯片到芯片耦合。芯片为实现不同的功能而进行优化，例如，SiN波导芯片是为了无源光功能、III-V InP为了激光、SOI芯片为了高速调制器/检测器，可以轻松地以较低的光耦合损耗将这些芯片耦合在一起。本发明的耦合机制与传统的CMOS技术兼容。
本发明结合各种实施例进行描述，仅作为示例以及实现方式。但本领域技术人员通过实践所请发明，研究附图、本公开以及独立权项，能够理解并获得其他变体。在权利要求书以及说明书中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，不定冠词“一”不排除多个。单个元素或其它单元可以实现权利要求中列举的若干实体或项目的功能。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能在有利的实现方式中使用。

Claims (15)

1.一种用于光耦合的波导结构(100)，其特征在于，包括：
第一波导(101)，所述第一波导(101)嵌在折射率低于所述第一波导(101)的包层(102)内；
第二波导(103)，所述第二波导(103)的折射率高于所述包层(102)且与所述第一波导(101)相隔；
中间波导(104)，所述中间波导(104)的至少一部分设置于所述第一波导(101)和所述第二波导(103)之间，其中
所述第一波导(101)和所述第二波导(103)各自包括一个锥形端(101e；103e)，用于将光耦合进和/或耦合出所述中间波导(104)。
2.根据权利要求1所述的波导结构(100)，其特征在于：
所述中间波导(104)由所述包层(102)一部分形成或者在所述包层(102)的一部分中形成。
3.根据权利要求1或2所述的波导结构(100)，其特征在于：
所述中间波导(104)由具有悬臂状结构的所述包层(102)的一部分形成。
4.根据权利要求3所述的波导结构(100)，其特征在于：
所述第一波导(101)的锥形端(101e)嵌在所述悬臂状结构内。
5.根据权利要求3或4所述的波导结构(100)，其特征在于：
所述悬臂状结构的至少一部分分别设置于所述第一和第二波导(101；103)的锥形端(101e；103e)之间，并嵌在折射率低于所述包层(102)的材料(206)内，其中，所述材料206最好是聚合物材料。
6.根据权利要求1或2所述的波导结构(100)，其特征在于：
所述中间波导(104)由所述包层(102)中的填充沟槽形成，其中，所述沟槽填充材料的折射率高于所述包层(102)，但低于所述第一和第二波导(101；103)。
7.根据权利要求6所述的波导结构(100)，其特征在于：
所述包层(102)包括下包层(102l)和上包层(102u)，其中，所述第一波导(101)夹在所述两个包层(102l；102u)之间；
所述填充沟槽完全设在所述上包层(102u)中，且分别设置在所述第一和第二波导(101；103)的锥形端(101e；103e)之间。
8.根据权利要求1至7任一项所述的波导结构(100)，其特征在于：
所述第二波导(103)和/或所述第一波导(101)的折射率为1.8或更高；
所述包层(102)的折射率为1.5或更低。
9.根据权利要求1至8任一项所述的波导结构(100)，其特征在于：
所述第一和第二波导(101；103)的锥形端(101e；103e)的宽度从0.4–1μm左右渐变到0.1–0.2μm左右，跨越长度约200–800μm。
10.根据权利要求1至9任一项所述的波导结构(100)，其特征在于：
所述中间波导(104)的宽度约为2μm–4μm；和/或
所述第一和第二波导(101；103)分别具有0.2–1μm左右的宽度和0.05–0.4μm左右的厚度；和/或
所述第一波导(101)和所述第二波导(103)之间的距离约为2–4μm，且最好为3μm左右。
11.根据权利要求1至10任一项所述的波导结构(100)，其特征在于：
所述第二波导(103)和/或所述第一波导(101)由氮化硅制成。
12.根据权利要求1至11任一项所述的波导结构(100)，其特征在于：
所述第一和第二波导(101；103)属于一个芯片(400；500；800)；
所述第二波导(103)设在接近所述芯片(400；500；800)的表面的位置，或者设在所述芯片(400；500；800)的表面上。
13.根据权利要求1至11任一项所述的波导结构(100)，其特征在于：
所述第一波导(101)属于第一芯片(600)；
所述第二波导(103)属于第二芯片(601)，其中，所述第二芯片(601)转印在所述第一芯片(600)上。
14.芯片(400；500；600；800)，其特征在于，包括权利要求1至12任一项所述的波导结构(100)，用于将所述芯片光耦合到包括至少一个波导的物体上，例如，另一个芯片(401；501；601；700)。
15.一种制造光耦合波导结构(100)的方法，其特征在于，包括以下步骤：
形成具有锥形端(101e)的第一波导(101)；
将所述第一波导(101)嵌在折射率低于所述第一波导(101)的包层(102)内；
在离所述第一波导(101)一定距离处，形成具有锥形端(103e)的第二波导(103)；
形成中间波导(104)，所述中间波导(104)的至少一部分在所述第一波导(101)和所述第二波导(103)之间形成，其中
所述第一和第二波导(101；103)的锥形端(101e；103e)分别用于将光耦合进和/或耦合出所述中间波导(104)。
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