CN107003478A - 光耦合装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光耦合装置(10)，包括：光波电路(lightwave circuit，LC)(100)、耦合元件(200)和光波导元件(300)，其中，所述LC(100)具有第一表面区域(110)，并且所述耦合元件(200)附接到所述第一表面区域(110)，使得光信号可以从所述LC(100)传输到所述耦合元件(200)。所述光波导元件(300)在第一接合区(202)处附接到所述耦合元件(300)，使得所述光信号可以从所述耦合元件(200)传输到所述光波导元件(300)。所述耦合元件(200)用于对从所述LC(100)传输到所述光波导元件(300)的所述光信号进行模式转换，并且实现所述光信号到所述光波导元件(300)的绝热耦合。因此，可以实现更好的耦合效率。

Description

光耦合装置
相关申请案交叉申请
本申请要求于2015年5月5日递交的发明名称为“光耦合装置”的欧洲专利申请EP15166358.0的优先权，上述申请作为参考全部结合到本申请中。
技术领域
本申请涉及光学和光子集成电路技术领域，尤其涉及一种光耦合装置，其用于将光信号从一个光学组件耦合到另一个光学组件。此外还描述了一种用于生产用于光耦合装置的耦合元件的方法。
背景技术
光学元件广泛用于数据交换设备和/或通信设备之间的光信号传输。
例如，作为在电信、数据通信、互连和传感中广泛应用的通用技术平台，硅光子学显得日趋重要。其可以通过在高质量低成本的硅衬底上使用互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)、兼容晶圆级技术来实现光子功能。
特别是对于数据通信(datacom)、互连网络或接入网的短距离应用来说，设备价格可能是主要关注的问题。由于硅的大规模生产，使得集成数百个基本构件的光子芯片的价格可以非常低廉且经济实惠。然而，封装成本可能会明显超过单个芯片的成本，使得最终的设备价格过高而无法满足经济市场的需求或要求。
对有效光纤耦合的需求可能是这种光子封装成本高的主要原因之一。将光纤连接到毫米级芯片通常会涉及具有严格机械公差的复杂对准过程。
D.W.Vernooy等人曾在2004年IEEE 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 MountPhotonics)》中阐明了一种在III-V芯片和二氧化硅平面光波电路(planar lightwavecircuit，PLC)之间使用绝热耦合的方式。该技术实现了在将III-V组件的倒装芯片表面贴装到PLC平台上时芯片之间产生的损耗低于0.5dB。III-V芯片具有低折射率对比度的输出波导，并且光从InP波导转移到该波导中。(在光从III-V转换到该输出波导时，可能存在额外的2dB芯片损耗)。这会使该模式明显扩大，并且可以将芯片耦合到PLC(也是低折射率对比度)上的波导，只要表面贴装使它们足够贴近即可。
T.Meany等人曾在《Appl.Phys.A》第114(1)期第113至118页(2013年)中阐述了一种使用飞秒激光器在玻璃中写入波导的方法。这种技术称为飞秒激光器直写(femto-second laser direct-write，FLDW)，并且基于在透明材料中具有高强度脉冲的非线性吸收。因此，当激光器在透明材料的表面下聚焦时，由于非线性效应，吸收会高度集中在激光器焦点处。在低强度激光器下，可以观察材料的折射率的变化。通过相对于激光器焦点转换衬底，可能会形成波导。这可以发生在三个维度中，并且意味着该技术可以很容易在多个深度处产生低损耗波导。
发明内容
本发明的目的是就光纤耦合问题提供成本有效的解决方案，因此，具体而言，是为大量低成本的基于硅光子芯片的产品奠定基础。
该目的由独立权利要求的特征来实现。另外的实施方式从从属权利要求、说明书和附图中显而易见。
以下描述的若干方面基于下述考虑和发现：
顶侧耦合可视为一种用于在芯片波导内耦合光的较成熟的方式。与标准的水平耦合相比，其主要优点可以表现在两点，即：
晶圆级测试：当光从管芯表面垂直出来时，晶圆可以不需要切割即可进行芯片测试。优质芯片可以在早期阶段与不良芯片区分开，从而实现大规模的成本节约。
与板上芯片(Chip-On-Board，COB)封装兼容：顶侧耦合方案可完全适合于板上芯片应用，因为其考虑到顶侧连接器可作为较成熟的连接方案。
顶侧耦合通过使用能够以最小损耗在垂直方向上散射光的专用光栅结构获得。该技术在硅光子学中较成熟。然而，该技术可能存在一些限制：
第一，这种结构的损耗可能具有较强的波长依赖性，对于最佳波长(<1.5dB)的依赖性相对较低，但是这种损耗可能会随更高或更低波长的改变而快速增加。
第二，它们是极化敏感的。同时处理TE和TM极化可能涉及具有更高损耗和更严格对准公差的更复杂结构。
光栅耦合器使光在光纤与纳米光子电路之间产生垂直或准垂直光耦合。这样，它们可以位于芯片上的任何地方，而不仅仅位于边缘。因此，与边缘耦合结构相比，这种表面耦合器可以在不需要对芯片边缘进行切割和抛光的情况下实现光耦合，这也使得纳米光子电路的晶圆级测试成为可能。
在用于硅光子学的典型光栅耦合器结构中，来自波导的光模式被光栅散射到垂直方向，所述光栅还改变模式的形状以匹配单模光纤的模场直径(mode field diameter，MFD)。
一种用于硅光子芯片的电路板试验的g-Pack封装方法通过耦合到光栅耦合器的光纤阵列提供光输入输出。
一种用于耦合到波导的替代性方法是水平耦合到芯片的侧面(水平耦合)。硅或氮化硅波导具有约1μm的典型光模场直径(mode field diameter，MFD)。然而，为了实现数据传输，任何芯片均需要与具有更高MFD(10μm)的光纤连接。由于这种尺寸的不匹配，需要一种耦合结构以使耦合损耗最小化。这种结构会扩大小波导模式以使其适应更宽的光纤模式。
在一个典型的解决方案中，硅波导的尺寸渐缩以使MFD增加。为了降低由于波导尺寸变化产生的散射损耗，需要在某一最小距离上发生转换，如果锥形长度超过该长度，则该转换几乎是无损的，并且这种锥形被称为绝热锥形。
绝热解决方案可能存在潜在的极低的损耗，其可以达到0.5dB，并且这些损耗在本质上可能是宽带损耗。绝热解决方案可能不适合垂直耦合，并且可能难以与板上芯片兼容。
基于前述讨论，可以旨在设计用于硅光子学的宽带耦合方案，该方案使用晶圆的顶侧并且与板上芯片封装兼容。
根据本发明的一个方面，提供了一种光耦合装置。所述光耦合装置包括：光波电路(lightwave circuit，LC)、耦合元件和光波导元件。所述LC具有第一表面区域，并且所述耦合元件附接到所述第一表面区域，使得光信号可以从所述LC传输到所述耦合元件，反之亦然。所述光波导元件在第一接合区处附接到所述耦合元件，使得所述光信号可以从所述耦合元件传输到所述光波导元件，反之亦然。所述耦合元件用于对从所述LC传输到所述光波导元件的所述光信号进行模式转换，具体而言，实现所述光信号到所述光波导元件的绝热耦合。
本文所描述的光耦合装置提供了一种耦合方案，该方案具有顶侧耦合的结构优点(与COB封装兼容)，并且同时具有与光耦合相关的水平耦合的优点，即耦合效率更高。所述光耦合装置与板上芯片封装兼容(可实现高封装密度)，同时提供良好的光耦合效率。
特别地，所述光波电路(lightwave circuit，LC)可以是平面光波电路(planarlightwave circuit，PLC)。PLC可以是使用光波导路由光信号的任何光集成电路或光电路板。所述光波导元件可以是，例如，光纤波导。
所述光信号的模式变换通过沿着波导的长度在绝热条件下改变所述波导的尺寸和/或折射率来实现。在将SMF光纤的一个接口作为所述光波导元件的特定情况下，所述波导可以是，例如，在所述第一接合区处的8×8μm横截面。相反，在所述第一表面区域，所述波导可以是4μm或更小；通过从一个折射率转换到另一个折射率而不产生反射来实现绝热耦合。
可以在所述第一接合区与所述第一表面区域之间，例如，在垂直于所述第一表面区域的方向上，设置偏移，使得所述第一接合区与所述第一表面区域间隔开。
所述模式转换通过波导进行光传输发生的，所述波导在绝热条件下改变其物理性质，例如，尺寸或折射率。所述耦合元件是在结构上形成的，从而实现用于具有低光损耗的模式转换的所述波导的要求。
所述耦合元件可以具有多种功能，例如：光耦合、模式转换器、所述光波导元件的机械固定，并且其可以包含无源光功能元件。所述耦合元件可以由硅，例如，内部具有3D波导的硅块，制成。
另外或替代性地，可以使用飞秒激光器来改变一系列材料的折射率，所述一系列材料可以称为“玻璃”，但范围从基于硅和掺杂二氧化硅产生的二氧化硅到特殊玻璃。
需要注意的是，当在下文涉及玻璃块时，相应的句子通常也涉及所述耦合元件，反之亦然。类似地，当涉及光波电路(lightwave circuit，LC)、平面光波电路(planarlightwave circuit，PLC)、光子集成电路(photonics integrated circuit，PIC)、或硅PIC时，相应的句子和段落也涉及其它元件。具体地，PLC、PIC和硅PIC可以认为是LC的具体实施例。
所述耦合元件用于将光从所述光波电路上的所述波导转移到光纤(通常为单模光纤)。模式大小可以不同。还可以为所述耦合元件提供一种结构用于支撑所述光纤，例如，槽或某物。在下文中，当涉及所述耦合元件或涉及耦合元件的任何实施例，例如，涉及玻璃块时，相应的句子和段落也涉及其它元件。
换言之，本发明的一个方面是使用玻璃块作为所述LC上的所述波导与所述光纤之间的模式转换器。通过使用FLDW技术，可以在玻璃上写入3D波导。可以写入玻璃波导以在一侧上与氮化硅波导(LC)绝热耦合，并且在另一侧上与所述光纤对接耦合。通过使用键合技术，可以将玻璃片轻松键合在硅光子晶圆的顶部。
所述光耦合装置呈现了一种用于将硅光子芯片耦合到标准单模光纤(即耦合到所述光波导元件)的低廉、宽带、垂直方法。该解决方案特别适用于板上芯片应用并可制造用于该市场的创新设备。可以使用可用技术和以下设计概念中的一些在晶圆级实现整个过程：与取放机器管芯键合(将玻璃块附接到硅光子芯片)，飞秒光直写技术，绝热耦合方法，对机械特征(例如，V形槽)的光纤对准。
本文所描述的所述光耦合装置支持廉价封装。所述光纤可以轻松粘合在玻璃上，并且可以使用玻璃管芯中的V形槽来放宽对准公差。所述光耦合装置还可以与光纤阵列一起使用，并进行设备的垂直测试。
换言之，所述光耦合装置及其功能性可以描述为以下几点：其涉及平面波导(例如，芯片上的LC、PLC)与SMF光纤(光波导元件)之间的耦合方案，通过该方案，光从所述芯片上的所述波导绝缘耦合到玻璃块(耦合元件)中的波导，并且光从所述玻璃块耦合到附接到所述玻璃块的SMF光纤。具体而言，所述玻璃块中的所述波导耦合到所述PLC中的所述波导，所述波导非常接近所述玻璃块的表面(<2μm)。具体而言，所述玻璃块中的所述波导对接耦合到所述SMF光纤，所述波导掩埋在所述块内，使得所述块有足够的区域可用以将所述光纤直接键合到所述表面(在所述表面下>30μm)。
所述波导可以使用飞秒激光器写入在所述玻璃块中，并且所述玻璃块中的所述波导可以使用离子交换工艺来限定。
本文所描述的光耦合装置的应用场景可以如下所示：
所述光耦合装置可以与需要耦合到SMF光纤的所有硅光子电路一起使用。在一些应用中，使用透镜和自由空间光学是可行的。如果该技术与非密封环境兼容，则该组件的封装成本可以显著下降；如果该技术与板上芯片技术兼容，则该组件的封装成本甚至可以下降更多。特别受益于该光耦合装置的应用可以包括低成本高容量组件，例如入户光纤(fiber to the home，FTTH)、组件以及用于服务接入和数据中心市场的组件等。一个示例可以是QSFP28 4x25Gbps的开发。
一个替代性方法是不需要宽带耦合。在这种情况下，可以使用并行光纤解决方案。
根据本发明一实施例，所述接合区布置在所述耦合元件的横向表面区域处，并且所述耦合元件的所述横向表面区域垂直于所述LC的所述第一表面区域延伸。
这种布置能够实现所述光波导的水平耦合，而不会导致封装密度增加。可定义为水平耦合，因为所述光波导的至少一个段，通常是耦合到所述耦合元件的末段，平行于或基本上平行于所述LC的所述第一表面区域延伸。所述耦合元件可以位于所述LC的所述第一表面区域上的任何位置。与顶侧耦合(光波导垂直于所述第一表面区域延伸)相比，水平耦合能够提高封装密度。
根据本发明另一实施例，所述耦合元件是包括至少一个光路的元件，所述至少一个光路将所述接合区与所述LC的所述第一表面区域光连接。
所述光路可以描述为光连接或光传导路径，用于将光从所述横向表面区域(连接到所述光波导，例如，所述SMF)传输到所述LC。
特别地，所述耦合元件可以是立体的和/或非中空的。所述耦合元件内的所述光路径设计用于实现到所述LC的绝热耦合以及到所述光波导元件的对接耦合。
根据本发明另一实施例，所述至少一个光路垂直于所述横向表面区域并沿着所述耦合元件的底表面区域延伸。
特别地，所述光路的至少第一末段垂直于所述横向表面，其中所述第一末段为用于光耦合到所述光波导或SMF的那个段。
所述光路的第二末段可以接近所述底表面区域，例如，约3μm，并且可以沿着所述底表面区域延伸。这种布置可以实现绝热耦合。
根据本发明另一实施例，所述耦合元件为用作所述LC与所述光波导元件之间的模式转换器的玻璃块。
根据本发明另一实施例，光波导布置在所述LC的所述第一表面区域处，并且所述耦合元件和耦合区域用于将光信号传输到所述光波导。所述光波导包括：芯层、上包层和下包层，其中，所述上包层的折射率低于所述耦合元件中的所述光路的折射率。
这种布置可以有助于实现将光信号从所述光波导的所述芯层到所述耦合元件的所述光路的绝热耦合。
根据本发明另一实施例，所述光波导至少部分地沿着所述耦合元件的底表面区域延伸。
换言之，所述耦合元件的所述底表面区域至少部分地覆盖或重叠在所述LC中的所述光波导上。在所述LC的所述第一表面区域处，所述光波导可以为中等或高折射率对比波导，并且可以至少部分地在所述耦合元件与所述LC之间延伸。
因此，可以在晶圆制造期间在所述光波导上实现绝热锥形。
根据本发明另一实施例，所述光波导的末段朝向所述光波导的一端渐缩。替代性地或另外，所述芯层的末段朝向所述光波导的所述端渐缩。替代性地或另外，所述光路的末段朝向所述光路的一端渐缩。优选地，所述末段朝向一个点渐缩。
因此，所述光波导的有效折射率朝向其一端逐渐降低。
根据本发明另一实施例，所述光路的所述末段和所述光波导的所述末段布置在耦合区域中，在所述耦合区域中，光从所述光路和所述光波导中的一个耦合到另一个。
所述光路的所述末段和所述光波导的所述末段可以特别布置，使得它们在所述光路和所述光波导的纵向方向上彼此重叠。所述光波导朝向其一端渐缩，使得所述光波导的有效折射率逐渐减小到小于所述耦合元件中的所述光路的有效折射率，从而使得光被绝热耦合。
特别地，所述光波导的锥形末段和所述光路在相反方向上渐缩，使得其中一个的折射率减小，另一个的折射率增加(这适用于来自所述光路和所述光波导的两个方向，取决于光传输方向)，并且光从其中一个耦合到另一个。
根据本发明另一实施例，在所述LC的所述第一表面区域中形成第一凹槽，并且第一填充材料嵌入在所述第一凹槽中，其中，所述第一填充材料的折射率低于所述上包层和/或下包层的折射率，并且所述第一填充材料至少部分地沿着所述耦合元件的底表面区域延伸。
具有指定范围内的折射率的所述第一填充材料可有助于实现从所述LC的所述光波导到所述耦合元件内的所述光路的绝热转变。
所述填充材料至少部分地沿着所述耦合元件的所述底表面区域延伸可以这样理解：所述填充材料可以嵌入到所述凹槽中，并且在所述LC的所述表面区域的至少一个点处的填充水平与该表面齐平，使得所述填充材料直接接触所述玻璃块的所述底表面区域。
所述填充材料具有以下功能。当光信号趋向于高折射率(refractive index，RI)材料时，光信号将被指引或将被引导通过所述装置。因此，光停留在所述芯层中，因为所述下包层可以足够厚并且相比所述芯层具有更低的折射率。所述光停留在所述光波导中。在所述耦合区域，所述芯层渐缩并终止。在该点处，所述光扩散到所述上包层和下包层。如果衬底相比包层具有更高的RI，则光可以被引导到所述衬底，而不是去往所述耦合元件。因此，其需要通过相对厚的RI小于所述下包层和所述硅的区域与所述硅分离。
在一实施例中，所述耦合元件中的所述光路的折射率高于所述光波导的所述上包层的折射率，并且高于所述光波导的所述下包层的折射率。这可提高耦合效率。
根据本发明另一实施例，所述光波导的所述上包层包括第二凹槽，并且所述耦合元件布置在所述第二凹槽中。
因此，所述耦合元件中的所述光路更接近所述光波导的所述芯层，并且可以提高所述耦合效率。
根据本发明另一实施例，所述光波导的所述上包层包括第二凹槽，并且第二填充材料布置在所述第二凹槽中，其中，所述第二填充材料的折射率高于所述上包层和下包层的所述折射率。
因此，光信号从所述光波导到所述耦合元件中的所述光路的路径的折射率平滑地变化，因此能够实现高耦合效率。
根据本发明另一实施例，光路通过所述耦合元件从所述接合区到所述耦合元件的相反的第二横向表面区域延伸，其中，所述光波导光耦合到所述第二横向表面区域，并且所述耦合元件用于经由所述光路将光信号从所述第二横向表面区域传输到所述第一接合区。
根据本发明另一方面，提供了一种用于生产用于光耦合装置的耦合元件的方法。根据本方法生产的所述耦合元件特别地对应于相对于所述光耦合装置描述的所述耦合元件。所述方法包括以下步骤：在由透明介电材料制成的三维块内提供光路，其中，所述光路相对于所述由透明介电材料制成的三维块的底表面区域倾斜；以及从所述底表面区域移除材料，直到所述光路在所述底表面区域处从所述由透明介电材料制成的三维块离开。
所述光路的至少一个段相对于所述光路的所述底表面倾斜，并且在所述从所述底表面移除材料的步骤之后，所述光路的末段接近所述底表面并且至少部分地沿着所述底表面延伸。
所述光路对应于所述块中的波导，所述方法使所述光路朝向一点渐缩，以便在所述光路的一端形成窄尖，从而提高绝热耦合的效率。特别地，所述三维块可以是立体块。
执行所述从所述底表面移除材料的步骤，使得在该步骤之后所述玻璃块的所述底表面区域是平/平坦的。对于该步骤，可以对所述表面区域施加化学和/或机械抛光。在一个实施例中，可重复多次所述去除材料的步骤。因此，材料在随后的步骤中逐步移除，并且可以描述为逐层移除，其中，若干层被连续移除。
该方法可以用于生产如上所述的光耦合装置，并且还可以包括以下步骤：将所述耦合元件光耦合到LC的表面区域；以及将波导元件光耦合到所述耦合元件的横向表面区域。
根据所述方法的另一实施例，所述光路的末段是线性的，并且以5°到45°之间的倾斜角与所述底表面区域相交。
特别地，所述光路的所述末段在所述底表面区域处结束，并且相对于所述底表面区域以上述角度倾斜。垂直锥形增加了沿着所述锥形的有效折射率变化，因此提高了所述耦合效率。
换言之，所述方法和所述光耦合元件的结构可以描述如下：
可以通过微小的角度将波导写入表面来在所述玻璃块中形成垂直锥形。所述玻璃块中的所述波导可以与所述块中的机械特征对准。这些特征可以随后用于被动地对准SMF光纤。所述耦合元件可以包括多个波导以在所述晶圆上的多个平面波导与多个光纤之间耦合光。
所述光耦合元件实现平面波导(芯片上)和SMF光纤之间的耦合方案，由此提供以下特性中的至少一些：光从所述芯片上的所述波导对接耦合到玻璃块中的波导，光从所述玻璃块耦合到附接到所述玻璃块的SMF光纤，其中所述波导耦合到所述PLC中的所述波导，可使用来自所述PIC(例如，衬底与下包层氧化物的交界面)的参考高度将所述波导设置为接近所述玻璃块的所述表面(以便在某个高度垂直对准光子集成电路(photonicsintegrated circuit，PIC))，所述波导对接耦合到所述光纤，所述波导掩埋在所述玻璃块内，使得所述块有足够的区域可用以将所述光纤直接键合到所述表面(例如，在所述表面以下>30μm)。
所述玻璃块中的所述波导可以使用飞秒激光器写入和/或所述玻璃块中的所述波导可以使用离子交换工艺来限定。所述玻璃块中的所述波导可以与所述块中的机械特征对准。这些特征可以随后用于被动地对准所述SMF光纤。所述玻璃块中可包括多个波导以在所述晶圆上的多个平面波导与多个光纤之间耦合光。
附图说明
本发明的是实施例将结合以下附图进行描述，其中：
图1所示为顶侧耦合方案的示意图；
图2所示为侧面耦合方案的示意图；
图3示意性地示出了根据本发明示例性实施例的光耦合装置；
图4示意性地示出了根据本发明示例性实施例的光耦合装置；
图5示意性地示出了根据本发明示例性实施例的光耦合装置；
图6示意性地示出了根据本发明示例性实施例的光耦合装置；
图7A和7B示意性地示出了根据本发明一示例性实施例的方法的后续阶段的耦合元件；
图8示意性地示出了根据本发明另一示例性实施例的光耦合装置中光信号从耦合元件到光波电路的耦合。
具体实施方式
图1所示为光耦合装置10，其中，光波导元件300通过顶侧耦合方案耦合到光波电路100。附接到光波电路100的波导元件300的至少一个末段垂直于或基本上垂直于光波导元件300所附接到的光波电路100的表面区域延伸。
图2所示为光波导元件10的侧耦合方案，其中，波导元件300耦合到光波电路100的一侧。波导元件300从光波电路100横向延伸，因此能够提高光学组件的封装密度，如上所述。
图3所示为一种包括光波电路100、耦合元件200和光波导元件300的光耦合装置10，其中，光波导元件300包括芯层320和包层310。
耦合元件200可以是具有横向表面区域210、底表面区域230和光路的玻璃块，其中，该光路从横向表面区域210延伸到底表面区域230。第一接合区202设置在横向表面区域210处，并且光波导元件300在第一接合区202处与光路220光耦合。在第一接合区202与底表面区域230之间设置垂直偏移204，使得光波导元件300与光波电路100的第一表面区域110间隔开。
沿着光波电路100的第一表面区域110，设有光波导120，其中，光波导120包括芯层122、上包层123和下包层124，包层123、124包围或包裹芯层122。
第一凹槽130设置在第一表面区域110中，并且第一凹槽130填充有第一填充材料135。调整上下包层以及第一填充材料的RI，使得在耦合区域20中实现从芯层122到光路220的光耦合。特别地，该布置能够实现光波导120的末段128与光路220的末段228之间的光耦合。末段128和228可以沿着第一表面区域110重叠，即在图3中从左到右重叠，例如，如图4所示，或者可以不重叠，如图3所示。
在本实施例中，可以在晶圆制造期间在高或中等折射率对比波导120上实现绝热锥形。当光传输到由下包层和外包层氧化物123、124形成的二氧化硅波导时，这种锥形能够在同时处理TM和TE极化时实现低损耗宽带操作。
将衬底从波导120(波导120可以是，例如，二氧化硅波导，并且衬底可以是硅衬底)下面移除，并且用低折射率材料，即第一填充材料135(例如聚合物)，回填衬底。在玻璃块220与二氧化硅波导100之间需要相同或相似的低折射率材料。如图3所示，光波导120不是沿着耦合元件200的整个底表面区域延伸。第一填充材料至少部分地接触耦合元件200的底表面。
可选地，可以添加另一个薄中等折射率对比波导，以促进到玻璃块的绝热转换(取决于玻璃块以及写入其中的波导的折射率)。这种另一个薄中等折射率对比波导可以位于上包层123的顶部并且紧接在耦合元件200的下方，特别地布置在耦合区域20中。
这种可选的薄波导层可以添加在氧化物上包层的上方。一个示例可以是70至100nm的SiN层。在这种情况下，光通过上下包层从芯层波导向由二氧化硅形成的波导转换，然后转换到薄波导层。最后，光从该薄波导层转换到玻璃块。
在玻璃波导220的另一侧，光纤300可以在第一接合区202处轻松粘合或焊接到玻璃块200。由于玻璃波导MFD非常接近光纤MFD，因此损耗可以极低。
图4所示为已经参照图3讨论的光耦合装置10的实施例。
第二凹槽125可以在光波电路100的第一表面区域110上或顶部的光波导120的上包层123中形成。第二凹槽125可以特别地设置在耦合区域20中。
在本实施例中，上包层123大部分在高或中等折射率波导120上方被移除。上包层123在足够大的区域上被移除，以使将玻璃块220的放置位置接近薄中等折射率对比波导，即接近光波导120的芯层122。本实施方式可避免硅衬底移除和聚合物的使用，如通过图3中的第一凹槽和第一填充材料所示。
图5所示为光耦合装置10，其中，在耦合元件200下方部分地移除上包层123，使得形成第二凹槽(如图4中已经示出的)，并且第二凹槽填充有第二填充材料126。
第二填充材料126的折射率高于上包层123和下包层124的折射率。因此，光信号从光波导120到耦合元件中的光路220的路径的折射率平滑地变化，因此能够在耦合区域20中实现高耦合效率。
图6所示为光耦合装置10，其中，倏逝波耦合被PIC波导120与玻璃块200之间的对接耦合方法所代替。玻璃块200再次用作模式转换器。玻璃块200的被动对准可能具有低损耗，因为垂直对准可以使用已知参考。在本示例中，使用硅衬底与氧化物包层的交界面。
SMF 300可以轻松与写入在玻璃块200中的波导220对准。在将波导写入玻璃块的同时，以及使用同一机器的情况下，可以在玻璃块(例如，V形槽)中限定机械特征。这可以通过使用飞秒激光器在玻璃块中诱发“损坏”来实现，这将会非常明显地增加合适化学物质中的蚀刻速率。在激光器写入过程完成之后，可以对晶圆进行化学处理以产生机械对准特征。
上述过程可以在晶圆级执行，以确保低成本。在形成波导和机械特征之后，可以将晶圆切割成单独的玻璃块。
最好是在芯片仍处于晶圆形式时将玻璃块对准并附接到平面光波电路芯片。在这种情况下，在切割硅光子晶圆并将芯片附接到板或附接在封装中之后，可以使用机械特征将光纤轻松对准并粘合在玻璃上的正确位置。或者，可在将芯片附接到板或封装之后，将光纤附接到玻璃块，并将玻璃块对准。这些选项可以描述为以下步骤。
定义机械特征；写入波导；抛光以垂直锥化波导；将玻璃块切割成单片；在该步骤之后，完成玻璃块切片并且可以选择以下两个选项：
在选项1中，在该步骤之后，将具有二氧化硅波导锥形的光子晶圆对准(无源)并键合到玻璃块，切割成单片管芯；将管芯安装到载体/PCB/封装中，引线接合；并对准(有源)和键合SMF光纤。
在选项2中，先将光纤附接到玻璃块，然后将具有二氧化硅波导锥形的光子晶圆切割成单片管芯；将管芯安装到载体/PCB/封装中/上，引线接合；以及将块与光纤对准(有源)和键合。
图7A和7B示意性地示出了具有布置在耦合元件200内的光路220的耦合元件200的制备。末段221以角度225相对于耦合元件200的底表面230倾斜。为了在底表面230处提供有效的光信号传输，从底表面230去除材料，直到光路的末段221在底表面230处形成锥形光耦合表面227。
为了将光从玻璃块绝热耦合到PLC上的波导，玻璃块中的波导可能需要渐缩为点。FLDW技术可以不写入如硅光子学一样的窄尖。该技术的细化是引入垂直锥形以及横向锥形。如果存在垂直锥形，则可以增加沿着锥形的有效折射率变化。提出以与表面成小角度写入波导，然后进行抛光，即从底表面230去除材料。这可以在晶圆级执行。
图8示意性地示出了图4所示的耦合区域的俯视图。光波导120和上包层123从左向右延伸，并且光波导120的末段128在相同方向上向端129渐缩。光路220从右向左延伸，并且末段228从右向左向端229渐缩。末段128和228在重叠区域中重叠。重叠区域(末段128、228)的长度可以约为2mm。
在重叠波导120和光路220的俯视图下方，示出了两个横截面图，分别指示在重叠区域中的不同位置处的波导120和光路220的轮廓。波导120与光路之间的间隙可以约为1μm。
在左下角，示出了玻璃块200内的光路220的末段具有3μm×3μm的横截面，并且示出了在波导120的上包层123和下包层124的横截面的正下方具有6μm×10μm的横截面。这表示在光路220的端229处的横截面。
在右下角，示出了在波导120的端129处的相反情况。在该端129处，波导120的横截面约为1.6μm×6μm，并且光路220的横截面为5μm×3μm。
鉴于波导120和光路220的锥形方向相反，从波导120到光路220的光信号传输效率会增加，反之亦然。
参考标号列表
10 光耦合装置(optical coupling arrangement)
20 耦合区域(coupling region)
100 光波电路(lightwave circuit)
110 第一表面区域(first surface area)
120 光波导(optical waveguide)
122 芯层(core)
123 上包层(upper cladding)
124 下包层(lower cladding)
125 第二凹槽(second recess)
126 第二填充材料(second filler material)
128 光波导的末段(end section of the optical waveguide)
129 上下包层的端(end of upper and lower cladding)
130 第一凹槽(first recess)
135 第一填充材料(first filler material)
200 耦合元件(coupling element)
202 第一接合区(first junction zone)
204 垂直偏移(perpendicular offset)
210 横向表面区域(lateral surface area)
220 光路径(optical path)
221 末段(end section)
225 倾斜角(inclination angle)
227 光耦合表面(optical coupling surface)
228 光路的末段(end section of optical path)
229 光路的端(end of optical path)
230 底表面区域(bottom surface area)
240 第二横向表面区域(second surface area)
300 光波导元件(optical waveguide element)
310 包层(cladding)
320 芯层(core)

Claims (15)

1.一种光耦合装置(10)，其特征在于，包括：
光波电路(lightwave circuit，LC)(100)；
耦合元件(200)；
光波导元件(300)；
其中，所述LC(100)具有第一表面区域(110)；
所述耦合元件(200)附接到所述第一表面区域(110)，使得光信号可以从所述LC(100)传输到所述耦合元件(200)；
所述光波导元件(300)在第一接合区(202)处附接到所述耦合元件(300)，使得所述光信号可以从所述耦合元件(200)传输到所述光波导元件(300)；
所述耦合元件(200)用于对从所述LC(100)传输到所述光波导元件(300)的所述光信号进行模式转换，具体而言，实现所述光信号到所述光波导元件(300)的绝热耦合。
2.根据权利要求1所述的光耦合装置(10)，其特征在于：
所述接合区(202)布置在所述耦合元件(200)的横向表面区域(210)处；
所述耦合元件(200)的所述横向表面区域(210)垂直于所述LC(100)的所述第一表面区域(110)延伸。
3.根据权利要求1或2所述的光耦合装置(10)，其特征在于：
所述耦合元件(200)是一种包括至少一个光路(220)的元件，所述至少一个光路(220)将所述接合区(202)与所述LC(100)的所述第一表面区域(110)光学连接。
4.根据权利要求3所述的光耦合装置(10)，其特征在于：
所述至少一个光路(220)垂直于所述横向表面区域(210)并沿着所述耦合元件(200)的底表面区域(230)延伸。
5.根据任一前述权利要求所述的光耦合装置(10)，其特征在于：
所述耦合元件(200)是一种用作所述LC(100)与所述光波导元件(300)之间的模式转换器的玻璃块。
6.根据任一前述权利要求所述的光耦合装置(10)，其特征在于：
光波导(120)布置在所述LC(100)的所述第一表面区域(110)处，所述耦合元件(200)和耦合区域(20)用于将光信号传输到所述光波导(120)；
所述光波导(120)包括：芯层(122)、上包层(123)和下包层(124)；
所述上包层(123)的折射率低于所述耦合元件(200)中的所述光路(220)的折射率。
7.根据权利要求6所述的光耦合装置(10)，其特征在于：
所述光波导(120)至少部分地沿着所述耦合元件(200)的底表面区域延伸。
8.根据权利要求6或7所述的光耦合装置(10)，其特征在于：
所述光波导的末段(128)朝向所述光波导(120)的端(129)渐缩；
优选地，所述芯层(122)的末段(128)朝向所述光波导(120)的所述端(129)渐缩；
优选地，所述光路(220)的末段(228)朝向所述光路(220)的端(229)渐缩。
9.根据权利要求8所述的光耦合装置(10)，其特征在于：
所述光路(220)的所述末段(228)和所述光波导(120)的所述末段(128)布置在耦合区域(20)中，在所述耦合区域(20)中光从所述光路(220)和所述光波导(120)中的一个耦合到另一个。
10.根据权利要求7至9中的一项所述的光耦合装置(10)，其特征在于：
在所述LC(100)的所述第一表面区域(110)中形成第一凹槽(130)，并且第一填充材料(135)嵌入在所述第一凹槽(130)中；
所述第一填充材料(130)的折射率低于所述上包层(123)和/或下包层(124)的折射率；
所述第一填充材料(135)至少部分地沿着所述耦合元件(200)的底表面区域(230)延伸。
11.根据权利要求6至10中的一项所述的光耦合装置(10)，其特征在于：
所述光波导(120)的所述上包层(123)包括第二凹槽(125)，并且所述耦合元件(200)布置在所述第二凹槽(125)中。
12.根据权利要求6至11中的一项所述的光耦合装置(10)，其特征在于：
所述光波导(120)的所述上包层(123)包括第二凹槽(125)，并且第二填充材料(126)布置在所述第二凹槽(125)中；
所述第二填充材料(126)的折射率高于所述上包层(123)和下包层(124)的所述折射率。
13.根据权利要求6所述的光耦合装置(10)，其特征在于：
光路(220)通过所述耦合元件(200)从所述接合区(202)延伸到所述耦合元件(200)的相反的第二横向表面区域(240)；
所述光波导(200)光耦合到所述第二横向表面区域(240)；
所述耦合元件(200)用于经由所述光路(220)将光信号从所述第二横向表面区域(240)传输到所述第一接合区(202)。
14.一种用于生产用于光耦合装置(10)的耦合元件(200)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在由透明介电材料制成的三维块内提供光路(220)；
所述光路相对于所述由透明介电材料制成的三维块的底表面区域(230)倾斜；
从所述底表面区域(230)移除材料，直到所述光路(220)在所述底表面区域(230)处从所述由透明介电材料制成的三维块离开。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：
所述光路(220)的末段(221)是线性的，并且以5°到45°之间的倾斜角(225)与所述底表面区域(230)相交。
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