CN107111056B - 两级绝热耦合的光子系统 - Google Patents

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Abstract

在一个实例中，耦合系统包括第一波导、至少一个第二波导和中介件。第一波导具有第一折射率n1和锥形端。至少一个第二波导各自具有第二折射率n2。中介件包括具有第三折射率n3和耦合器部分的第三波导，其中n1>n2>n3。第一波导的锥形端绝热耦合至至少一个第二波导中的一个的耦合器部分。至少一个第二波导中的一个的锥形端绝热耦合至中介件的第三波导的耦合器部分。耦合系统被构造为在第一波导和至少一个第二波导之间以及在至少一个第二波导和第三波导之间绝热耦合光。

Description

两级绝热耦合的光子系统
技术领域
本文所讨论的实施方案涉及两级绝热耦合光子系统。
背景技术
除非另有说明，否则本文所述的材料对于本申请中的权利要求来说不是现有技术，并且不因为包含在本节中就承认其为现有技术。
将光耦合进或出硅(Si)光子集成电路(PIC)有两种常见的方案。例如，Si PIC上的表面光栅耦合器可将光耦合进或出Si PIC。然而，许多表面光栅耦合器高度依赖波长并且可具有相对小的通带。
作为另一个实例，可以从Si PIC的边缘进行边缘耦合以将光耦合进或出Si PIC。然而，边缘耦合可能要求Si PIC具有切割小面(facet)，并且一些制造厂/制造商可能不能或不愿意试验这种工艺。
本文要求保护的主题不限于解决任何缺点或只在诸如上述环境中工作的实施。相反，仅提供该背景以说明可以实践本文描述的一些实施的一个示例性技术领域。
发明内容
提供本发明内容来以简化形式引入一些概念，这些概念在下面的详细描述中进一步描述。本发明内容不是旨在确定所要求保护的主题的主要特征或基本特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
本文描述的一些示例性实施方案一般地涉及两级绝热耦合的光子系统。
在一个示例性实施方案中，耦合系统可以包括第一波导、至少一个第二波导和中介件。第一波导可以具有第一折射率n1和锥形端。至少一个第二波导可以各自具有第二折射率n2。中介件可以包括具有第三折射率n3和耦合器部分的第三波导。第一波导的锥形端可以绝热耦合至至少一个第二波导中的一个的耦合器部分。至少一个第二波导中的一个的锥形端可以绝热耦合至中介件的第三波导的耦合器部分。第一折射率n1可以大于第二折射率n2，二者都可以大于第三折射率n3。耦合系统可以被构造为在第一波导和至少一个第二波导之间以及在至少一个第二波导和第三波导之间绝热耦合光。
本发明的附加特征和优点将在下面的描述中阐述，并将从该描述部分地变得显而易见，或者可以通过本发明的实践来获知。本发明的特征和优点可以通过所附权利要求中特别指出的仪器和组合来实现并获得。本发明的这些和其他特征从以下描述和所附权利要求将变得更加显而易见，或者可以通过下文阐述的本发明的实践来获知。
附图说明
为了进一步阐明本发明的上述和其他优点和特征，将通过参考附图中所示的其具体实施方案对本发明进行更具体的描述。应当理解，这些附图仅描绘了本发明的典型实施方案，因此不应认为是限制其范围。将通过使用附图以额外的特征和细节来描述和解释本发明，其中：
图1是示例性光电子系统(以下称为“系统”)的透视图；
图2是图1的示例性两级绝热耦合的光子系统(以下称为“光子系统”)的侧视图；
图3A至3B包括图1和图2的光子系统的部分的多种视图；
图4包括图3A至3B的从Si波导到SiN波导的TM偏振光的模拟耦合效率的图形表示；
图5A至5B包括在参考线2处的图3A至3B的SiN波导中的TM和TE偏振光的模拟光模式的图形表示；
图6包括图3A至3B的从SiN波导到中介件波导的TM偏振光和TE偏振光的模拟耦合效率的图形表示；
图7是另一示例性两级绝热耦合的光子系统(以下称为“光子系统”)的侧视图。
图8A至8B包括图7的光子系统的部分的多种视图；
图9是另一示例性两级绝热耦合的光子系统(以下称为“光子系统”)的侧视图。
图10包括与图9的光子系统相关的多种模拟；
图11是另一示例性两级绝热耦合的光子系统(以下称为“光子系统”)的侧视图。
图12A和12B包括另一示例性光电子系统(以下称为“系统”)的俯视图和纵向剖视图。
图13是另一示例性光电子系统(以下称为“系统”)的俯视图。
图14是可以使用SiN形成为无源光学器件如WDM组件的示例性阵列波导光栅(AWG)的俯视图；
图15是可以使用SiN形成为无源光学器件如WDM组件的示例性级联的MZ干涉仪的俯视图；
图16是另一示例性两级绝热耦合的光子系统(以下称为“光子系统”)的侧视图；
图17是限定了蚀刻窗口的示例性Si PIC的透视图；
图18包括可以在图17的蚀刻窗口内耦合至图17的Si PIC的中介件的一部分的实施的仰视图和侧视图；
图19A和19B是描绘了图18的中介件和图17的Si PIC的对齐和附接的侧视图；
图20是描绘了另一中介件和Si PIC的对齐的侧视图；
图21是描绘了另一中介件和Si PIC的对齐的侧视图；
图22包括具有中介件对齐脊和虚拟中介件岛的中介件的另一布置的侧视图和仰视图；
图23A是包括Si PIC、中介件和光纤端接头2306(以下称为“接头”)的另一示例性两级绝热耦合的光子系统(以下称为“光子系统”)的侧视图；
图23B是图23A的中介件的透视图；
图24是另一示例性光子系统(以下称为“光子系统”)的透视图；
图25A和25B示出了RX对TX SiN波导的两种不同偏移构造；
图26包括氮氧化硅(SiON)中介件的侧视图和仰视图；
图27是描绘了图26的SiON中介件与图17的Si PIC的对齐的侧视图。
图28示出了在玻璃中介件上各自包含至少一种聚合物的两个示例性光电子系统(以下称为“系统”)。
图29A示出了示例性的玻璃中介件上的聚合物和Si PIC；
图29B示出了另一示例性的玻璃中介件上的聚合物；
图30示出了示例性Si PIC的剖视图；
图31A示出了另一示例性Si PIC；
图31B示出了图31A的Si PIC的第一至第三模拟；
图32示出了多模SiN-至-Si绝热耦合器区域(以下称为“耦合器”)。
图33A至33D包括具有多种不同参数设置的图32的耦合器的多种模拟；
图34A和34B示出了解复用器系统的实施方案(统称为“解复用器”)；
图35是对于绝热耦合器区域的Si和SiN波导中的TE和TM偏振，作为Si波导宽度的函数的有效折射率(effective index)的模拟的图形表示；
图36是对于180nm和150nm的Si波导尖端宽度，作为Si波导锥形长度的函数的TE和TM偏振耦合效率的模拟的图形表示；
图37是对于三个不同波长信道的160nm的Si波导尖端宽度，作为Si波导锥形长度的函数的TE和TM偏振耦合效率的模拟的图形表示；
图38A至38C示出了示例性Si PIC偏振分路器或合路器(以下统称为“偏振分路器”)；
图39A和39B包括描绘了高折射率(index)玻璃中介件(以下称为“中介件”)和图17的Si PIC的对齐和附接的侧视图。
图40A包括另一高折射率玻璃中介件(以下称为“中介件”)的倒置透视图；并且
图40B包括绝热耦合至Si PIC 4008的图40A的中介件的透视图，
所有这些都根据本文所述的至少一个实施方案进行布置。
具体实施方式
本文描述的一些实施方案一般地涉及光从硅(Si)波导到中间氮化硅(SixNy，本文一般称为SiN)波导然后从SiN波导到中介件波导(例如聚合物或高折射率玻璃波导)的绝热耦合，反之亦然。为了便于以下讨论的参考，绝热耦合通常在单个Si波导到SiN波导到中介件波导耦合的上下文中讨论，其理解是在给定的系统中可以包括多个这种耦合。
Si波导可以具有第一光学模尺寸，SiN波导可以具有显著大于第一光学模尺寸的第二光学模尺寸，聚合物或另一些中介件波导可以具有显著大于第二光学模尺寸的第三光学模尺寸。例如，第一光学模尺寸可以是约0.3μm，或在0.25μm和0.5μm之间的范围内；第二光学模尺寸可以为约1μm，或在0.7μm和3μm之间的范围内；第三光学模尺寸可以为约10μm，或在8μm和12μm之间的范围内。第三光学模尺寸可以基本类似于标准单模光纤的光学模尺寸。例如，标准单模光纤可以具有约10μm的光学模尺寸，其基本类似于第三光学模尺寸。
Si波导可以逆向渐变至约80纳米(nm)的宽度，以增加光模的尺寸并将其输出到Si波导的包层中。SiN波导可以在包括Si波导的Si光子集成电路(PIC)上制造。SiN波导可以接收来自Si倒锥的光。类似于Si波导，SiN波导可以逆向渐变至80nm至300nm的宽度。具有大约3至8(μm)芯的中介件波导可以被放置成与SiN波导紧密光学接触。来自Si波导倒锥的光可以绝热耦合至SiN波导，然后沿着传播方向逐步绝热耦合至中介件波导，并且可以完全或基本上完全地转换到它。中介件波导可以在单独的刚性或柔性基底上加工，并且可以使用包括热机械附接的多种技术或通过使用折射率匹配粘合剂将其附接到SiN波导。Si PIC可以在Si基底上在绝缘体上Si(例如，二氧化硅(SiO2)隐埋氧化物层上的硅)中包括调制器、波导、检测器、耦合器和另一些光学组件。集成电路(IC)可以在Si PIC的远离SiN波导和中介件波导可以位于的耦合区域的一部分中被倒装芯片接合(例如由铜柱)在Si PIC上。中介件波导可以包括在可以是透明的和/或具有对齐标记的中介件中，以便容易地使Si PIC上的SiN波导与中介件上的中介件波导光学对齐。中介件波导和SiN波导可以被动或主动对齐。
SiN波导或波导可以在Si PIC的制造过程中进行限定，向所述Si PIC的制造过程添加SiN/SiO2层段用于耦合和无源功能。标准Si光子堆叠层具有Si基底、SiO2氧化物层(称为BOX或SiO2隐埋氧化物)和Si波导层，其中Si波导被SiO2包层包围以限制光。本文描述的实施方案可以向该标准堆叠添加SiN层，用于两级耦合和可选的无源光学功能。SiN层具有由SiO2包层包围的SiN芯波导区域以限制光。SiN具有Si和聚合物的折射率之间的中间折射率，因此允许两层之间的有效的绝热耦合，其中锥形宽度在一些标准互补金属氧化物半导体(CMOS)制造厂的临界尺寸内。与Si和SiO2相比，SiN的低损耗和SiN相对于SiO2包层较低的芯/包层折射率差允许制造具有更好性能的无源组件。例如，SiN中的波分复用器(WDM复用器)和解复用器(WDM解复用器)具有比在Si中更高的信道隔离度。此外，SiN中的无源组件相对于Si中相同组件具有5乘以小的随温度的峰值波长漂移。
在一些实施方案中，Si PIC上的发射(TX)和接收(RX)Si波导可以在一个平面中或在Si PIC的一个平界面处可进入，而用于平行单模光纤的MT连接器可以通过其中TX阵列在一行中且RX阵列位于其下方的行中多的源协议(MSA)以具有多个构造。TX和RX也可能在同一行中，但是是分开的。本文描述的实施方案包括中介件，其可以从Si PIC的平面中的SiN波导输入/输出连接并且呈现到例如MT连接器，两个垂直分开的输入/输出行。
在一些实施例中，可以将波分复用或另一些无源光学功能集成在其中形成SiN波导的相同的SiN/SiO2层中。与在另一些层和/或材料中实现这样的光学功能相比，使用SiN/SiO2层可以是有利的，因为其可以由于较低的SiN损耗和较小的芯和包层之间的折射率差而提供更低的损耗、更好的信道隔离度。
本文描述的一些实施方案在一定的操作范围内可以是波长独立的。例如，本文描述的一些实施例在1310nm标准长距离(LR)标准的操作范围内可以是波长独立的，而表面光栅耦合器可以具有相对窄的20nm至30nm的通带。
Si波导和SiN波导包括在Si PIC的不同层中。Si波导可以包括Si作为波导芯，所述波导芯被作为波导包层的SiO2包围。类似地，SiN波导可以包括SiN作为波导芯，所述波导芯被作为波导包层的SiO2包围。
在一些实施方案中，包括SiN波导的Si PIC的层在包括Si波导的Si PIC层下方并在中介件波导的下方。为了制造与标准Si光子工艺(目前可能不包括SiN波导的层)兼容的Si/SiO2与SiN/SiO2，可以使用晶片接合来制造其中SiN在下层的具有完全加工的Si(所谓的前段制程(FEOL)和后段制程(BEOL))的结构。给定这种结构和可以蚀刻用于耦合的窗口，可以实现SiN波导和中介件波导之间的光学耦合。因此，从Si波导传播到SiN波导到中介件波导的光可以从Si波导向下到SiN波导，然后向上进入到中介件波导中，然后可以将其耦合到光纤等中，或者光可以在反向路径上传输。在这些和另一些实施方案中，中介件波导可以包括聚合物或具有接近1.5的类似包层折射率的高折射率玻璃波导。
无论包括SiN波导的Si PIC的层是在包括Si波导的Si PIC的层下方或上方，SiN波导都可以包括在在Si PIC中包括波分复用(WDM)组件的Si PIC的区域中。或者或另外，包围SiN波导的SiO2包层可以相对较厚，和/或SiN波导可以具有正方形截面轮廓以使SiN波导偏振不敏感。
在其中包括SiN波导的Si PIC的层在包括Si波导的Si PIC的层下方的一些实施方案中，具有基于磷化铟(InP)的增益元件或基于InP的pin探测器的半导体芯片可以晶片接合至包括Si波导的Si PIC的层上方的Si PIC。在基于InP的增益元件的情况下，由基于InP的增益元件发出的光可以光学耦合到Si波导中，然后进入SiN波导，然后进入中介件波导，然后进入例如光纤。在基于InP的pin探测器的情况下，接收到中介件波导中的光可以耦合到SiN波导中，然后到Si波导中，然后到基于InP的pin探测器中。
在一些实施方案中，Si PIC的顶层至少在限定要被蚀刻为用于聚合物(或其他材料)波导带的刻蚀窗口的面积的区域中可以包括金属“虚拟物”，所述聚合物(或其他材料)波导带包括中介件波导，例如，在该实施例中为聚合物波导。金属“虚拟物”是电介质堆叠中的金属填充孔的阵列，其功能是在BEOL工艺中化学机械抛光(CMP)之后平均地在晶片上产生机械平坦的表面。其为所谓的虚拟物，因为其不起电触点的作用，而BEOL过程中的其他金属可在PIC的多个触点与输出电气端口之间起电气连接的作用。顶层和任何中间层下至包括SiN波导的Si PIC的层可以被刻蚀直到穿过包括SiN波导的层，以在蚀刻窗口中接收聚合物波导带并允许聚合物波导光学耦合至SiN波导。在一些实施方案中，可以提供聚合物脊、锚窗口和/或虚拟聚合物岛，以促进Si PIC和包括聚合物波导的聚合物中介件之间的对齐和机械连接。
在一些实施方案中，包括在Si PIC中的WDM组件可以是偏振敏感的。例如，WDM组件如基于SiN的中阶梯光栅(Echelle grating)的可以呈现出偏振相关的滤波功能。特别地，这种WDM组件的滤波功能可以使光的一种偏振位移多于光的另一种偏振，这可以导致在接收器处的信道的串扰。例如，基于SiN的中阶梯光栅可以将1310n m波长信道上的TE偏振偏移到也在不同波长信道处接收TM偏振的输出导，导致两个信道之间的串扰。
因此，Si PIC可以另外包括偏振分路器。通常，偏振分路器可以使用SiN/Si绝热耦合器，其包括两个SiN波导和至少一个具有两个锥形端的Si波导。Si波导的锥形端可以具有这样的尖端宽度，其有利于光的两种偏振中一种的绝热耦合，优于另一种。例如，TM偏振可以以比TE偏振更窄的Si尖端宽度从SiN耦合到Si。Si尖端宽度可以选择为通常将TE偏振从第一SiN波导通过Si波导绝热耦合到第二SiN波导，同时TM偏振通常保留在第一SiN波导中。
在下面的讨论中，公开了多个实施方案。除非上下文另有说明，否则多个实施方案不是相互排斥的。例如，除非上下文另有说明，否则一个或更多个实施方案的一部分或全部可以与一个或更多个其他实施例的一部分或全部组合。
现在将参考附图来描述本发明的示例性实施方案的多个方面。应当理解，附图是这些示例性实施方案的图解和示意性表示，并不限制本发明，也不一定按比例绘制。
图1是根据本文所述的至少一个实施方案布置的示例性光电子系统100(以下称为“系统100”)的透视图。如所示，系统100包括Si PIC 102、中介件104、三维(3D)堆叠区域106和倒装芯片接合的集成电路(IC)108。Si PIC 102和中介件104一起形成两级绝热耦合的光子系统200(以下称为“光子系统200”)。
通常，Si PIC 104可以在绝缘体上硅基底中包括一个或更多个光学元件如调制器、波导、耦合器或另一些光学元件。
通常，3D堆叠区域106可以为Si PIC 104的一个或更多个有源光学组件提供电连接。因此，3D堆叠区域106可以包括例如金属化柱、迹线(trace)和/或触点以及绝缘电介质和/或另一些材料和元件。
通常，倒装芯片接合的IC 108可以包括一个或更多个有源和/或无源电器件，其可以通过3D堆叠区域106通信耦合到Si PIC 104的一个或更多个有源光学组件。
中介件104可以机械耦合到Si PIC 102。中介件104的中介件波导以及Si PIC 102的SiN波导和Si波导可以被构造为将光绝热耦合进或出Si PIC 102。如本文所使用，在转换交互区域(有时在本文中称为绝热耦合器区域)中，光可以从一个光学组件或器件(这里我们称为“初始状态”波导)绝热耦合到另一个(这里称为最终状态波导)。为了将光功率从初始状态波导传递到最终状态波导，初始状态波导和最终状态波导之一或两者的一种或更多种光学特性如宽度、高度、有效折射率等沿光轴变化。这里，初始状态和最终状态波导在转换交互区域内形成一个系统，并且在物理上从初始状态波导传输到最终状态波导时，光保持为联合系统的单模。初始状态和最终状态波导可以分别对应于Si波导和SiN波导，反之亦然。或者或另外，初始和最终状态波导可以分别对应于SiN波导和中介件波导，反之亦然。或者或另外，当两个组件如本文所述构造以形成绝热耦合器区域时，两个部件可以被称为绝热耦合在一起或彼此绝热耦合。
此外，本文中通常使用的光是指任意合适波长的电磁辐射，并且可以包括波长为例如约800nm至900nm、2200nm至1360nm、1360nm至1460nm、1530nm至1565nm或另一些合适的波长的光。光还可以具有TE或TM偏振。
在这些和另一些实现中，Si PIC 102中的SiN波导可以与Si PIC 102中的Si波导对齐并且光学耦合至Si PIC 102中的Si波导。另外，中介件104中的中介件波导可以与SiNSi PIC 102中的SiN波导对齐并且光学耦合至SiN Si PIC 102中的SiN波导。Si波导可以具有第一折射率n1。SiN波导可以具有第二折射率n2。中介件波导可以具有第三折射率n3。通常，SiN波导的第二折射率n2可以介于Si波导的第一折射率n1和中介件波导的第三折射率n3之间。另外，n1>n2>n3。在一些实施方案中，对于具有三个波导的两级绝热耦合的光子系统来说，每个具有折射率n1、n2、n3中的相应之一，第一折射率n1可以在3至3.5的范围内，第二折射率n2可以在1.8至2.2的范围内，第三折射率n3可以在1.49至1.6的范围内。
中介件104中的中介件波导可以另外与一个或更多个光信号的输入和/或输出对齐并且光学耦合至一个或更多个光信号的输入和/或输出。示例性输入源可以包括光信号源(例如，激光器)、光纤、光纤端连接器、透镜或另一些光学组件或器件，来自所述输入源的入射光信号(例如，朝向Si PIC 102的信号)被提供给中介件104以输入到Si PIC 102。可以发送输出的示例输出器件可以包括激光器、光学接收器(例如，光电二极管)、光纤、光纤端连接器、透镜或另一些光学组件或器件，输出信号(例如，离开Si PIC 102的信号)可以通过中介件104提供至所述输出器件。Si PIC 102的一个或更多个有源光学组件可以产生或以其他方式成为通过Si波导、SiN波导和中介件波导从光子系统200输出的输出信号源。或者或另外，Si PIC 102的一个或更多个有源光学组件可以被构造为接收并处理通过中介件波导、SiN波导和Si波导输入到光子系统200的输入信号。
图2是根据本文所述的至少一个实施方案的图1的光子系统200的侧视图。光子系统200包括Si PIC 102和中介件104。图2另外示出了3D堆叠区域106。Si PIC 102包括Si基底202、SiO2隐埋氧化物204、包括一个或更多个SiN波导208的第一层206，以及包括一个或更多个Si波导212的第二层210。在所示实施方案中，第一层206和第二层210都形成在SiO2隐埋氧化物204的上方。特别地，第一层206形成在第二层210上(或至少形成在第二层210上方)，第二层210形成在SiO2隐埋氧化物204上(或至少形成在SiO2隐埋氧化物204上方)。或者或另外，至少在Si波导212光学耦合到SiN波导208的区域中，可以在第一层206和第二层210之间形成SiN的板214。在一个示例性实施方案中，SiN波导208包括作为波导芯的Si3N4，沿着所述波导芯的长度在至少两侧所述波导芯被SiO2或其他合适的波导包层包围。
尽管图2中未示出，但是Si PIC 102还可以包括形成在第二层210中的一个或更多个有源光学组件。在这些和另一些实施方案中，Si PIC 102还可包括形成在第二层210上和/或上方的一个或更多个介电层216，以及形成在介电层216中的一个或更多个金属化结构218。金属化结构218可以从Si PIC 102的顶部延伸通过介电层216，以与形成在Si PIC102中的第二层210或别处的有源光学组件电接触。介电层216可以包含SiO2或另一些合适的介电材料。介电层216和金属化结构218一起为3D堆叠区域106的实例。
结合参考图1和图2，倒装芯片接合的IC 108可以倒装芯片接合到3D堆叠区域106。倒装芯片接合的IC可以包括一个或更多个有源和/或无源电子器件，其可以通过3D堆叠区域123通信耦合至形成在Si PIC 102的第二层210中的一个或更多个有源光学组件。
中介件104可以包括中介件基底220和形成在中介件基底220上和/或耦合到中介件基底220的波导带222。波导带222包括一个或更多个中介件波导224。每个中介件波导224包括具有不同的折射率的中介件芯224A和中介件包层224B。中介件波导224的耦合器部分可以设置在第一层206中SiN波导208的锥形端上方并且与SiN波导208的锥形端对齐，如以下更详细的描述。
Si波导212(或更具体地，Si波导212的芯)可以具有上述的第一折射率n1。SiN波导208(或更具体地，SiN波导208的芯)可以具有上述的第二折射率n2。中介件波导224(或更具体地，中介件波导224的中介件芯224A)可以具有上述的第三折射率n3，其中n1>n2>n3。
图3A至3B包括根据本文所述的至少一个实施方案布置的图2的光子系统200的部分的多种视图。具体地，图3A包括俯视图300A和纵向剖视图300B，图3B包括分别由图3A中的参考线1至4表示的位置处的横向剖视图300C至300F。
图3A的俯视图300A示出了根据设置在图3A的视图300A至300B的每个中以及设置在本文的另一些图中的任意定义的x-y-z坐标轴，多个部件相对于彼此的相对x轴和z轴对齐。由于所有四个视图300C至300F具有相同的取向，因此为图3B的所有四个视图300C-300F提供了x-y-z坐标轴的单个实例。有时x方向可以被称为侧面或横向方向，并且诸如宽度、侧面、横向、侧、侧边等术语可用于表示例如x方向上的尺寸、相对位置和/或运动，除非上下文另有说明。有时y方向可以被称为垂直方向，并且诸如高度、厚度、垂直、垂直地、上方、下方、向上、向下等可以用于指例如在y方向上的尺寸、相对位置和/或者移动，除非上下文另有说明。有时z方向可以被称为纵向或光传播方向，并且诸如长度、纵向、上游、下游、向前，向后，前部、后部等的术语可用于指例如在z方向上的尺寸、相对位置和/或移动，除非上下文另有说明。
图3A的纵向剖视图300B示出了用于多个组件的示例性材料堆叠。图3A的俯视图300A包括材料堆叠中的不同级别的多个组件的轮廓或所占区域(footprint)，当从上方观察时其可能不一定是可见的，但是示出为轮廓或所占区域以示出多个组件相对于彼此x和y对齐。
在图3A的视图300A中示出的光子系统200的部分包括Si波导212的锥形端。Si波导212的锥形端在参考线1处比在参考线2处相对较宽。可以认为Si波导212的锥形端具有结构上相当的锥形或倒锥形。如本文所使用的，可以认为波导如图3A的Si波导212相对于入射光信号(例如在波导的相对较窄部分进入波导并传播通过波导朝向波导的相对较宽部分的光信号)具有锥形。相比之下，可以认为波导如图3A的Si波导212相对于出射光信号(例如在从较宽到较窄的方向传播通过波导以离开波导的光信号)具有倒锥形。为了以下讨论的简便，术语“锥形”及其变体应被广泛地解释为波导宽度沿光轴变化。在一些实施方案中，有利的是沿着光轴线性地或非线性地或以线性和非线性变化的分段改变波导的宽度。可以改变围绕初始状态和最终状态波导的交互区域的锥形的宽度，以优化耦合或减小耦合区域的长度以产生物理上较小的器件。
包括锥形端的Si波导212可以形成在第二层210中并且位于包括SiN波导208的第一层206的下方。例如，第二层210可以位于SiN板214的下方，SiN板214又位于第一层206的下方。在第二层210内，SiO2通常可以邻近Si波导212的侧面设置(例如，在x正方向和x负方向上)，以形成用作芯的Si波导212的包层，如图3B视图300C和300D所示。在一些实施方案中，Si PIC 102的Si波导212和/或另一些Si波导的厚度tSi(例如，在y方向上)可以为约0.3μm，折射率可以为约3.4。本文提供的折射率、厚度、宽度、长度的具体值和其他值仅作为示例提供，并且除了明确表述的那些之外的值可以落在所描述的实施方案的范围内。
如图3A所示，SiN板214可以形成在或以其他方式位于包括Si波导212的第二层210上。在一些实施方案中，SiN板214的厚度(例如，在y方向上)可以为约0至50nm。
图3A的视图300B还示出了SiN波导208。SiN波导208包括耦合器部分和锥形端二者。SiN波导208的耦合器部分通常包括SiN波导208的在参考线1和2之间的部分，SiN波导208的锥形端通常包括SiN波导208的在参考线3和4之间的部分。锥形SiN波导208的锥形端在参考线3处比在参考线4处相对较宽。在第一层206内，SiO2通常可以邻近SiN波导208的侧面设置(例如，在x正方向和x负方向上)，以用作SiN波导208的包层，如图3B的视图300C至300F所示。在一些实施方案中，第一层206的SiN波导208和/或另一些SiN波导的厚度可以为约0.5μm至1μm(例如在z方向上)并且折射率可以为约1.99。
从图3A可以看出，尽管SiN波导208在y方向从Si波导212移位，但是Si波导212的锥形端在x和z方向上与SiN波导208的耦合器部分对齐，使得Si波导212的锥形端在x和z方向上与SiN波导208的耦合器部分重叠(如视图300A所示)并且与其平行(如视图300B所示)。
图3A另外示出了中介件波导224。中介件波导224包括芯224A和包层224B。此外，中介件波导224包括耦合器部分和从耦合器部分延伸的端。中介件波导224的耦合器部分通常包括中介件波导224在参考线3和4之间的部分，并且该端远离耦合器部分延伸(例如，向图3A中的右侧)。中介件波导224可以连同可能存在的一个或更多个其他中介件波导耦合至图2的中介件基底220。在一些实施方案中，图2的中介件104的中介件波导224和/或另一些中介件波导的厚度tI(例如，在y方向上)可以为约3μm，宽度wI(例如，在x方向上)可以为约4μm，并且中介件芯224A的折射率可以为约1.51，内插层包层224B的折射率可以为约1.5。更一般地，如果中介件芯224A的折射率大于中介件包层224B的折射率，则中介件芯224A的折射率可以在1.509至1.52的范围内。注意，中介件的折射率范围的低端值由SiN制造工艺提供的最小锥形尖端宽度确定，此处假定其为约200nm。例如，SiN波导的最小锥形尖宽度可以是180nm。如果该工艺使SiN的尖端宽度更小，则允许相应较低的中介件折射率。这是因为当SiN波导和中介件波导的有效折射率基本相同时，发生绝热耦合转换。减小SiN尖端宽度(例如通过使用更复杂的工艺)降低了SiN波导的有效折射率，从而允许更小的中介件材料折射率。
从图3A可以看出，尽管中介件波导224在y方向上从SiN波导208移位，但是中介件波导224的耦合器部分仍然在x和z方向上与SiN波导208的锥形端对齐，使得中介件波导224的耦合器部分与SiN波导208的锥形端重叠(如视图300A所示)并且与其平行(如视图300B所示)。
图3B的视图300C至300F描绘了Si波导212和SiN波导208中的每一者分别在图3A的参考线1至4处的锥形端的宽度(例如，在x方向上)。例如，从视图300C和300D可以看出，Si波导212的宽度从参考线1处的约0.32μm的宽度wSi1逐渐缩减到参考线2处的约0.08μm(或80nm)的宽度wSi2。此外，从视图300E和300F可以看出，SiN波导208的宽度从参考线3处的约1.0μm的宽度wSiN1逐渐缩减到参考线4处的约0.20μm(或200nm)的宽度wSiN2。作为另一设计实例，宽度wSiN1在参考线3处可以为约1.5μm，逐渐缩减到参考线4处的为约0.08μm的宽度wSiN2。
Si波导212和SiN波导208的锥形端为从Si波导212到SiN波导208以及从SiN波导208到中介件波导224的光信号提供绝热转换，或者为相反方向传输的光信号提供绝热转换。可以通过以足够慢的方式改变Si波导212和SiN波导208的锥形端的结构和/或有效折射率来实现绝热转换，使得当光入射到锥形端时光不会从其模式散射，并且当其离开锥形端并进入SiN波导208或中介件波导224的耦合部分时以相同的模式继续传播。也就是说，光可能在Si波导212或SiN波导208的锥形端与SiN波导208或中介件波导224的y轴位移和相邻的耦合器部分之间经历逐渐转换，使得该模式不变，并且不发生明显的光散射。因此，与SiN波导208的耦合器部分组合的Si波导212的锥形端是绝热耦合器区域的实例。SiN波导208的锥形端和中介件波导224的耦合器部分是绝热耦合器区域的另一实例。
在操作中，光学介质的结构、折射率和/或另一些特点可以确定光学介质的有效折射率。有效折射率类似于量子力学中的能级。较高的有效折射率类似于较低的能级。因此，对于具有不同有效折射率的两个相邻的光学介质来说，光趋于以较高的有效折射率传播通过介质。
在本文描述的实施方案中，并且特别参考图3A和3B，Si波导通常可以具有比SiN波导更高的有效折射率，并且SiN波导通常可以具有比聚合物波导更高的有效折射率。通过使Si波导的端发生渐变，有效折射率可以沿锥形端的长度减小，直到Si波导的有效折射率近似匹配或甚至变得小于y轴移位的SiN波导的有效折射率，如图3A和3B所示。因此，通过Si波导212传播并通过其锥形端离开的光可以在Si波导212的锥形端的有效折射率与SiN波导208的有效折射率匹配的点处离开Si波导212的锥形端并进入SiN波导208。类似地，SiN波导208可以在其端发生渐变，直到其有效折射率近似匹配或甚至变得小于y轴移位的聚合物波导的有效折射率，如图3A和3B所示。因此，通过SiN波导208传播并通过其锥形端离开的光可以在SiN波导208的锥形端的有效折射率与中介件波导224的有效折射率匹配的点处离开SiN波导208的锥形端并进入中介件波导224。
另一些绝热耦合系统包括单一绝热耦合器区域或阶段，其中聚合物波导或高折射率玻璃(或另一些中介件)波导从Si波导的锥形端直接接收光。这样的系统通常需要非常薄的Si波导(例如，在图3A-3B的y方向上为190nm至200nm厚)和/或使Si波导渐变到非常薄的宽度(例如，在x方向上为为40nm宽)以达到足够小以匹配聚合物或高折射率玻璃波导的有效折射率的有效折射率。这种精细尺寸可能对于一些制造厂/制造商来说无法实现，和/或可能与这些制造厂/制造商的现有工艺不一致。此外，较小的Si波导通常具有比相对较大的Si波导更高的插入损耗，这使得其变得不利。Si波导和聚合物波导之间的绝热耦合长度可以约为2mm，超过该值这样窄的Si波导将引入不期望的光损耗。相比之下，本文所述的一些实施方案实现两级绝热耦合，其中SiN波导具有介于Si波导的折射率和中介件波导的折射率之间的中间折射率，使得通过制造较大尺寸的SiN波导和/或其锥形端(可通过制造厂/制造商实现)，Si波导的有效折射率可以匹配于SiN波导的有效折射率，并允许使用更大的较低损耗的SiN波导。这里，从Si波导到SiN波导的绝热耦合长度可以非常小，例如约50μm至200μm。在这种情况下，小的约80nm宽的Si波导的较高的损耗不会引起显着的损耗，并且损耗明显小于如上所述的2mm以上的较窄的Si波导。SiN波导和中介件波导之间的绝热耦合器区域可以是大约2mm，其中与Si和中介件波导之间的直接绝热耦合相比，SiN波导相对于Si波导的较低损耗得到更少的损耗。
图4包括根据本文所述的至少一个实施方案布置的从图3A至3B的Si波导212到SiN波导208的光的TM偏振的模拟耦合效率的图形表示。图4的横轴是SiN波导208的高度或厚度tSiN(例如，在图3A至3B的y方向上)，纵轴是耦合效率。从图4可以看出，耦合效率随着SiN波导208的高度或厚度tSiN的增加而增加。在1μm的高度或厚度tSiN处，TM偏振光的耦合效率为约96％。
图5A至5B包括根据本文所述的至少一个实施方案布置的图3A至3B参考线2处的SiN波导208中的TM和TE偏振光的模拟光模的图形表示。对于图5A至5B的模拟，假设SiN波导208的高度或厚度tSiN(例如，在y方向上)为约1μm，宽度wSiN1(例如，在x方向上)为约1.5μm。
如图5A所示，在图3A至3B中的参考线2处，大多数TM偏振光已经移动到SiN波导208中，尽管一些仍然保留在Si波导212的锥形端的尖端中。如图5B所示，在图3A至3B中的参考线2处，几乎所有的TE偏振光已经移出Si波导212并进入SiN波导208。
图5A至5B进一步示出了作为单光模的光。然而，SiN波导208在一些情况下可以支持多模光。当单模光从Si波导212绝热耦合到SiN波导208时，在一些实施方案中，仅可以激发SiN波导208的单模并且光可以保持为单模。在另一些实施方案中，Si-SiN绝热耦合器区域可以被构造为支持多模光在期间的透射，如下所述。在另一些实施方案中，SiN波导可以被构造为仅支持单模。
图6包括根据本文所述的至少一个实施方案布置的从图3A至3B的SiN波导208到中介件波导224的TM偏振光和TE偏振光(图6中分别标记为“TM”和“TE”)的模拟耦合效率的图形表示。图6的横轴是SiN波导208的锥形端的长度(例如，在图3A至3B的z方向上)，纵轴是耦合效率。从图6可以看出，TE偏振光的耦合效率通常更好，并且随着SiN波导208的锥形端的长度增加，TE和TM偏振光二者的耦合效率增加。
图7是根据本文所述的至少一个实施方案布置的另一示例性两级绝热耦合光子系统700(以下称为“光子系统700”)的侧视图。光子系统700包括Si PIC 702和中介件704。与光子系统200类似，光子系统700通常可被构造为将光绝热耦合进和/或出光子系统700。
Si PIC 702包括Si基底706、SiO2隐埋氧化物708、包括SiN波导712的第一层710和包括Si波导716的第二层714。在所示实施方案中，第一层710形成在SiO2隐埋氧化物708上(或至少形成在SiO2隐埋氧化物708上方)，并且第二层714形成在第一层710上(或至少形成在第一层710上方)。或者或另外，SiN的板718可以至少在Si波导716光学耦合至SiN波导712的区域中形成在第一层710和第二层714之间。在一个示例性实施方案中，SiN波导712包括作为波导芯的Si3N4，沿着其长度的至少两侧被SiO2或其他合适的波导包层包围。
如图7所示，Si PIC 702还可以包括一个或更多个形成在第二层714中的有源光学组件720、一个或更多个形成在第二层714上和/或上方的介电层722，以及一个或更多个形成在介电层722中金属化结构724。金属化结构724可以从Si PIC 702的顶部延伸通过介电层722以与有源光学组件720电接触。介电层722可以包含SiO2或其他合适的介电材料。介电层722和金属化结构724共同为可以包括于Si PIC(如图7的Si PIC 702)中的3D堆叠区域的示例。或者或另外，包括有源光学组件720的Si PIC 702的区域可以被称为Si PIC 702的有源区域(在图7中标记为“有源”)，而没有这种有源光学组件720的Si PIC 702的单个区域或多个区域可以被称为Si PIC 702的无源区域(图7中标记为“无源”)。
Si PIC 702可以限定穿过Si PIC 702的下到第一层710的层的蚀刻窗口725，包括通过图7的实例中的介电层722、第二层714和SiN板718。
中介件704可以包括中介件基底726以及形成在聚合物基底上和/或耦合至聚合物基底的波导带728。波导带728包括一个或更多个中介件波导730。每个中介件波导730包括具有不同折射率的中介件芯和中介件包层。每个中介件波导730的耦合器部分设置在SiPIC 702的蚀刻窗口725内的每个SiN波导712的锥形端上方，并且与对应的SiN波导712的锥形端对齐，如以下更详细的描述。
图7的Si PIC 702、中介件704、Si基底706、SiO2隐埋氧化物708、第一层710、SiN波导712、第二层714、Si波导716、SiN板718、有源光学组件720、介电层722、金属化结构724、中介件基底726、波导带728和中介件波导730中的每一者可以通常分别与本文公开的另一些Si PIC、中介件、Si基底、SiO2隐埋氧化物、第一层、SiN波导、第二层、Si波导、SiN板、有源光学组件、介电层、金属化结构、中介件基底、波导带和中介件波导中的任一者相似或相同，除非本文另有说明。
图8A至8B包括根据本文所述的至少一个实施方案布置的图7的光子系统700的部分的多种视图。特别地，图8A包括俯视图800A和纵向剖视图800B，图8B包括分别在由图8A中的参考线1至4指示的位置处的横向剖视图800C至800F。
图8A的俯视图800A示出了多个组件相对于彼此相对x轴和z轴对齐。图8A的纵向剖视图800B示出了用于多个组件的示例性材料堆叠。图8A的俯视图800A包括材料堆叠中的不同级别的多个组件的轮廓或所占区域，当从上方观察时其可能不一定是可见的，但是示出为轮廓或所占区域以示出多个组件相对于彼此x和z对齐。
在图8A的视图800A中示出的光子系统700的部分包括Si波导716的锥形端。Si波导716的锥形端在参考线1处比在参考线2处相对较宽。包括锥形端的Si波导716可以形成在第二层714(图7)中在包括SiN波导712的第一层710(图7)上或上方。例如，第二层714可以形成在第一层710上方的SiN板718上。在第二层714内，如图8B的视图800C和800D所示，SiO2可以通常邻近Si波导716的侧面设置(例如，在x正方向和x负方向上)，以形成用于作为芯的Si波导716的包层。Si波导716的厚度和/或折射率可以与上述Si波导212的厚度和/或折射率相同或不同。
如图8A所示，SiN板718可以形成或以其他方式位于包括SiN波导712的第一层710(图7)上。SiN板718的厚度可以与上述SiN板214的厚度相同或不同的。
图8A的视图800B还示出了SiN波导712。SiN波导712包括耦合器部分和锥形端二者。SiN波导712的耦合器部分通常包括SiN波导712在参考线1和2之间的部分，SiN波导712的锥形端通常包括SiN波导712在参考线3和4之间的部分。SiN波导712的锥形端在参考线3处比在参考线4处相对较宽。在第一层710(图7)内，SiO2可以通常邻近SiN波导712的侧面布置，以用作SiN波导712的包层(例如，在x正方向和x负方向上)，如图8B的视图800C至800F所示。第一层710的SiN波导712和/或其他SiN波导可以具有与上述SiN波导208的厚度和/或折射率相同或不同的厚度(例如，在y方向上)和/或折射率。
从图8A可以看出，尽管SiN波导712在y方向上从Si波导716移位，但是Si波导716的锥形端在x和z方向上与SiN波导712的耦合器部对齐，使得Si波导716的锥形端在x和z方向上与SiN波导712的耦合器部分重叠(如视图800A所示)并且与SiN波导712的耦合器部分平行(如视图800B所示)。
图8A另外示出了中介件波导730。中介件波导730包括中介件芯730A和插入层包层730B。此外，中介件波导730包括耦合器部分和从耦合器部分延伸的端。中介件波导730的耦合器部分通常包括中介件波导730在参考线3和4之间的部分，并且端远离耦合器部分延伸(例如，图8A中向右)。中介件波导730可以连同可能存在的一个或更多个其他中介件波导耦合至图7的中介件基底726。在一些实施中，图7的中介件704的中介件波导730和/或另一些中介件波导可以具有上述中介件波导224的厚度、宽度和/或折射率相同或不同的厚度(例如，在y方向上)、宽度(例如，在x方向上)和/或折射率。
从图8A可以看出，尽管中介件波导730在y方向上从SiN波导712移位，但是中介件波导730的耦合器部分仍然在x和z方向上与SiN波导712的锥形端对齐，使得中介件波导730的耦合器部分与SiN波导712的锥形端重叠(如视图800A所示)并且与其平行(如视图800B所示)。
Si波导716、SiN波导712、其锥形端和/或中介件波导730可以具有与上述Si波导212、SiN波导208、其锥形端和/或中介件波导224的宽度(例如，在x方向上)和/或长度(例如，在z方向上)相同或不同的宽度和/或长度。或者或另外，Si波导716和SiN波导712的锥形端可以为从Si波导716到SiN波导712以及从SiN波导712到中介件波导730的光信号提供绝热转换，如以上关于Si波导212、SiN波导208和中介件波导224所述。
图9是根据本文所述的至少一个实施方案布置的另一示例性两级绝热耦合的光子系统900(以下称为“光子系统900”)的侧视图。光子系统900在许多方面与上述讨论的光子系统700类似，包括Si PIC 902和中介件704。Si PIC 902在许多方面与上述Si PIC 702相似，包括例如SiO2隐埋氧化物708、第二层714、Si波导716、有源光学组件720、介电层722和金属化结构724，并且Si PIC 902另外限定了蚀刻窗口925。
Si PIC 902还包括类似于图7的第一层710的第一层910。特别地，第一层910包括具有耦合器的第一SiN波导912A，其与以上讨论的具有耦合器的SiN波导712相似。特别地，如关于Si波导716和SiN波导712所述，Si波导716的锥形端和第一SiN波导912A的耦合器部分彼此对齐，以便将来自Si波导716的光绝热耦合到第一SiN波导912A，反之亦然。
Si PIC 902的第一层910另外包括通常以914表示的WDM组件。WDM组件914可以用作例如WDM复用器或WDM解复用器。WDM组件914可以包括一个或更多个级联的Mach-Zehnders、中阶梯光栅或阵列波导光栅(AWG)。WDM组件914根据光的波长将第一SiN波导912A光学耦合到一个或更多个第二SiN波导912B、912C。或者或另外，WDM组件914可以将可以承载具有不同波长的光信号的第二SiN波导912B、912C中的一者或每者光学耦合到一个或更多个第一SiN波导912A，所述一个或更多个第一SiN波导912A又被耦合到一个或更多个Si波导716。第二SiN波导912C可以包括锥形端，以将光绝热耦合到中介件波导730中，如以上关于SiN波导712和中介件波导730所述。
为了减少和/或消除WDM组件914的偏振依赖性，第一和第二SiN波导912A至912C(以下一般称为“SiN波导912”)中的一个或更多个可以具有相同的光的TE和TM偏振的有效折射率和分组折射率。为了构造具有相同的光的TE和TM偏振的有效折射率和分组折射率的SiN波导912，SiN波导912可以设置有对称的正方形截面并且可通常被SiO2包围。
例如，在图9中，至少SiN波导912B可具有沿着其长度或沿着其长度的至少一部分的正方形截面。沿着SiN波导912B的长度的至少一部分的正方形截面可以为约500nm×约500nm。在侧面，SiN波导912B可以具有与其相邻的SiO2。在垂直方向(例如，y方向)上，SiN波导912B可以具有在其下面并与其相邻的SiO2隐埋氧化物708或另外的SiO2层，其中SiO2隐埋氧化物708或另外的SiO2层的厚度至少为200nm。此外，SiN波导912B可以具有在其上方并与其相邻的一个或更多个SiO2层，例如第二层714和/或介电层722。在SiN波导912B上方并与其相邻的一个或更多个SiO2层在图9中的合计厚度可以大于330nm。
图10包括根据本文所述的至少一个实施方案布置的与图9的实施方案相关联的多种模拟1000A至1000C。模拟1000C描绘了作为SiN波导912B的宽度的函数的图9的SiN波导912B的有效折射率/分组折射率，其中假定SiN波导912B的厚度为500nm。在模拟1000C中，曲线1002A和1002B表示分别对于光的TE和TM偏振的SiN波导912B的分组折射率，而曲线1004A和1004B表示分别对于光的TE和TM偏振的SiN波导912B的有效折射率。从模拟1000C可以看出，在500nm处出现光的TE和TM偏振的相同分组折射率和有效折射率，例如，其中SiN波导912B的宽度等于500nm厚。这可产生零双折射操作。
图10另外包括表1006，其列出由模拟1000C确定的SiN波导912B的500nm×500nm截面测量以及SiN波导中使用的SiN和SiO2的折射率。
图10的模拟1000A和1000B假设表1004中列出的参数。从模拟1000A和1000B可以看出，在沿着SiN波导912B的长度全部四个侧面上被SiO2包围的500nm×500nm的SiN波导912B发生零双折射操作。
图11是根据本文所述的至少一个实施方案布置的另一示例性两级绝热耦合的光子系统1100(以下称为“光子系统1100”)的侧视图。光子系统1100在许多方面与上述讨论的光子系统900类似，并且尤其包括中介件704和具有SiO2隐埋氧化物708的Si PIC 1102、包括一个或更多个SiN波导1112A至1112C(下文称为“SiN波导1112”)和WDM组件1113的第一层1110、包括一个或更多个Si波导1116的第二层、一个或更多个介电层1122和金属化结构1124。第一层1110、SiN波导1112、WDM组件1113、第二层1114、Si波导1116、介电层1122和金属化结构1124通常可以分别与本文公开的另一些第一层、SiN波导、WDM组件、第二层、Si波导、介电层和金属化结构中的任一者相似或相同，除非本文另有说明。
光子系统1100与例如光子系统900之间的一个区别是图11的Si PIC 1102的第一层1110和第二层1114与图9的Si PIC 902的第一层910和第二层714相比被转换。特别地，在图11中，包括Si波导1116的第二层1114在包括SiN波导1112的第一层1110的下方。电介质层1122可以设置在第一层1110上方并与第一层1110接触，并且厚度可以大于800nm。第二层1114可以设置在第一层1110下面并与第一层1110接触，并且厚度可以大于330nm。
另外地，Si PIC 1102可以通常类似于图9的Si PIC 902。例如，以与上述相似的方式，光可以从Si波导1116绝热耦合到SiN波导1112A，反之亦然，并且可以从SiN波导1112C绝热耦合到中介件波导730，反之亦然。另外，SiN波导1112B可以具有相同的光的TE和TM偏振的有效折射率和分组折射率。
图12A和12B包括另一示例性光电子系统1200(以下称为“系统1200”)的俯视图和纵向剖视图，所述光电子系统1200包括由根据本文所述的至少一个实施方案布置的图3A至3B的Si波导212、SiN波导208和中介件波导224构成的两个绝热耦合器区域。
系统1200还包括分布式反馈(DFB)激光器1202或其他半导体激光器、第一透镜1204、光学隔离器1206和第二透镜1208，全部安装于激光底座1210。第一透镜1204可以位于从DFB激光器1202输出的光信号的光路中。光学隔离器1206可以位于第一透镜1204之后的光路中。第二透镜1208可以位于光学隔离器1206之后的光路中。如图所示，中介件波导224的一端可以位于第二透镜1208之后的光路中。
图13是根据本文描述的至少一些实施方案布置的另一示例性光电子系统1300(以下称为“系统1300”)的俯视图。系统1300包括被构造为发射不同波长λ1至λN的光信号的N(N>＝2)个DFB激光器1302A至1302D，其中在图13的实例中N为4。DFB激光器1302A至1302D中的每一个通过相应的第一透镜1306A至1306D、相应的光学隔离器1308A至1308D和相应的第二透镜1310A至1310D光学耦合到相应的中介件波导1304A至1304D，如关于图12A至12B所述。
DFB激光器1302A至1302D中的每一个的输出由相应的中介件波导1304A至1304D(每个由中介件芯和中介件包层构成并形成在中介件基底上)中之一接收，并且从相应的中介件波导1304A至1304D绝热耦合到图13的系统1300中包括的Si PIC的第一层中包括的相应的SiN波导1312A至1312D中。系统1300的Si PIC可以与本文所描述的其他Si PIC中的一个或更多个相似或相同。绝热耦合如上所述完成，例如通过提供具有锥形端的SiN波导1312A-1312D，其与相应的中介件波导1304A-1304D的对应耦合器部分在两个正交维度对齐。不是SiN波导1312A至1312D立即绝热耦合由N个DFB激光器1302A至1302D输出的N个光信号中的相应中的一个到Si PIC的在第一层上方或下方垂直移位的第二层中的相应Si波导中，而是将SiN波导1312A-1312D在Si PIC的第一层内光学耦合到包括于图13的Si PIC的第一层中的无源光学器件1314。
在图13的实例中，无源光学设备1314包括WDM组件，例如WDM复用器。WDM复用器可以包括级联的Mach-Zehnder(MZ)干涉仪、阵列波导光栅(AWG)、中阶梯光栅或其他合适的WDM复用器。更一般地，无源光学器件1314可以包括适于在SiN中形成的任何无源光学器件。
由N个DFB激光器1302A至1302D输出的N个光信号由SiN波导1312A至1312D引导到无源光学器件1314中。无源光学器件1314将N个光信号复用为输出到包括在图13的Si PIC的第一层中的公共SiN输出波导1316的复用的光信号。公共SiN输出波导1316可以被构造为与本文所述的其他SiN波导相似或相同。复用的光信号从公共SiN输出波导1316绝热耦合到形成与Si PIC的第二层中的Si波导1318中。绝热耦合如上所述完成，例如通过提供具有锥形端的Si波导1318，所述锥形端与公共SiN输出波导1316的耦合器部分在两个正交维度对齐。
图14是根据本文所述的至少一个实施方案布置的示例性AWG 1400的俯视图，其可以在例如Si PIC 102、702、902、1102的第一层206、710、910、1110中使用SiN形成为无源光学器件如WDM组件(例如，WDM复用器或WDM解复用器)。Si PIC的第一层可以包括SiN波导1402、AWG1400和SiN波导1404A至1404D。中介件的中介件波导1406与SiN波导1402形成绝热耦合器区域。形成在Si PIC的第二层中的Si波导1408A与SiN波导1404A形成绝热耦合器区域。尽管在图14中未示出，但是形成在Si PIC的第二层中的其他Si波导可以与其他SiN波导1404B至1404D形成绝热耦合器区域。
在一些实施方案中，AWG 1400是WDM解复用器，在这种情况下，复用光信号从中介件波导1406绝热耦合到SiN波导1402中，并提供给AWG 1400，AWG 1400将复用的光信号解复用为多个输出信号(例如分离的波长信道)分别输出到SiN波导1404A至1404D。然后，每个输出信号可以从相应的SiN波导1404A至1404D绝热耦合到相应的Si波导中，例如在SiN波导1404A的情况下，绝热耦合到Si波导1408A中。
在一些实施方案中，AWG 1400是WDM复用器，在这种情况下，多个输入信号(例如，分离的波长信道)中的不同的一个从相应的Si波导(例如Si PIC的Si波导1408A或其他Si波导)绝热耦合到相应的SiN波导1404A至1404D。SiN波导1404A至1404D向AWG 1400提供其各自的输入信号，AWG 1400将多个输入信号复用为输出到SiN波导1402的复用的光信号。然后复用的光信号可以从SiN波导1402绝热耦合到中介件波导1406。
在图14(和图13)中，SiN波导1402和1404A至1404D中的每一个可以从相对宽的SiN波导向下渐变为相对窄的SiN波导，其TE和TM的有效折射率是相同的。因此，图14的基于SiN的AWG 1400可以基于零双折射SiN波导。
图15是根据本文所述的至少一个实施方案布置的示例级联的MZ干涉仪1500的俯视图，其可以使用例如Si PIC 102、702、902、1102的第一层206、710、910、1110中的SIN形成为无源光学器件如WDM组件(例如，WDM复用器)。级联的MZ干涉仪1500可以包括或对应于图13的无源光学器件1314。尽管图15的级联MZ干涉仪1500被示出为接受N(N>＝2)个输入光信号并输出一个复用的光信号的WDM复用器，但是级联MZ干涉仪1500可以替代地被实现为接收一个复用的光信号并输出N个单独的光信号的WDM解复用器。
级联的MZ干涉仪1500可以包括MZ干涉仪的第一级1502，第一级1502的每个MZ干涉仪的一个臂中延迟为ΔL；MZ干涉仪的第二级1504，其中第二级1504的每个MZ干涉仪的一个臂中延迟为2·ΔL；具有一个MZ干涉仪的第三级1506，其中第三级1506的MZ干涉仪的一个臂中延迟为4·ΔL。每级的每个MZ干涉仪的输入可以包括2×2多模干涉(MMI)耦合器，并且每级的每个MZ干涉仪的输出可以包括1×2MMI耦合器。每级的每个MZ干涉仪的输入可以替代地包括50/50定向耦合器。
MZ干涉仪的第一级1502可以具有耦合到SiN波导1508的输入。类似于图13的SiN波导1312A，图15的SiN波导1508可以形成具有对应的中介件波导的绝热耦合器区域，以将不同波长通道从对应的光信号源如图13的DFB 1302A至1302D中相应之一绝热耦合到级联的MZ干涉仪1500。
MZ干涉仪的第三级1506可以具有耦合到SiN波导1510的输出。类似于图13的SiN波导1316，图15的SiN波导1510可以形成具有Si波导的绝热耦合器区，以将复用的输出信号从级联的MZ干涉仪1500绝热耦合到Si波导中。
图16是根据本文所描述的至少一个实施方案布置的另一示例性两级绝热耦合光子系统1600(以下称为“光子系统1600”)的侧视图。光子系统1600包括Si PIC 1602、中介件704和半导体芯片1604。
Si PIC 1602包括Si基底1606；SiO2隐埋氧化物1608；具有一个或更多个SiN波导1612A、1612B的第一层1610；以及具有一个或更多个Si波导1616A、1616B的第二层1614。Si基底1606；SiO2隐埋氧化物1608；第一层1610；SiN波导1612A、1612B；第二层1614以及Si波导1616A、1616B通常可以分别与本文公开的任何其他Si基底、SiO2隐埋氧化物、第一层、SiN波导、第二层和Si波导相似或相同，除非本文另有说明。例如，与以上一般所述类似的方式，Si波导1616B可以绝热耦合到SiN波导1612A，并且SiN波导1612B可以绝热耦合到中介件波导730。在一些实施方案中，第一层110可以包括WDM组件和/或如本文别处所描述的另一些特征。
半导体芯片1604可以晶片接合至Si PIC 1602的第二层1614上方的Si PIC 1602。半导体芯片1604可以包括有源光学器件1605，如形成激光器或基于InP的pin探测器需要的基于InP的增益元件或增益区域。半导体芯片1604的有源光学器件1605可以光学耦合到Si波导1616A或Si波导1616B中之一或二者。或者，Si波导1616A和1616B可以包括相同Si波导的相反端。因此，光可以在有源光学器件1605与Si波导1616A或1616B中之一或二者之间相互交换。在一个示例性实施中，Si波导1616B包括锥形端，以将光绝热耦合进(或出)SiN波导1612A，并且与Si波导1616B的锥形端相反的一端可以包括可以绝热耦合至半导体芯片1604的有源光学器件1605的Si波导1616A。所谓的混合激光器结构可以通过InP增益元件和Si通过在InP增益区域的任一侧上的Si中加入反射分布布拉格反射器(DBR)来形成。InP增益区域的任一侧中的Si DBR形成具有增益的光腔，因此产生激光。
在本文描述的一些Si PIC中，Si PIC可以包括用于与Si PIC的有源光学组件电接触的金属层和/或金属化结构。这种有源光学组件可以以所谓的后段制程(BEOL)工艺制造。此外，为了在如本文所述的Si PIC和中介件之间耦合光，可以形成穿过一个或更多个上层下至包含SiN波导的层的蚀刻窗口，以露出SiN波导用于耦合至包括在中介件中的中介件波导。在这些和另一些实施中，Si PIC的顶层可以包括金属虚拟物，以在CMP之后保持平坦度。金属虚拟物可能必须保持一定的填充因子。蚀刻窗口的面积可以由金属虚拟填充因子确定，并且可以限制为几平方毫米(mm2)。
图17是根据本文所述的至少一个实施方案布置的限定了蚀刻窗口1702的示例性Si PIC 1700的透视图。Si PIC 1700包括第一层1710，所述第一层1710具有多个SiN波导1712，其锥形端在蚀刻窗口1702中可见。Si PIC 1700、蚀刻窗口1702、第一层1710和SiN波导1712通常可以与本文公开的其他Si PIC、蚀刻窗口、第一层和SiN波导相似或相同，除非本文另有说明。Si PIC 1700可以另外包括与关于本文公开的一个或更多个其他Si PIC的描述的那些相似的一个或更多个其他组件或元件。
Si PIC 1700另外包括在第一层1710上方的一个或更多个介电层1722，该介电层可以与本文公开的其他介电层相似或相同。蚀刻窗口1702可以通过蚀刻穿过介电层1722到第一层1710而形成。因此，蚀刻窗口1702可以通过介电层1722限制在三个侧面(其中两个在图17中可见)上。至少最顶部的一个介电层1722至少在在三个侧面上限制蚀刻窗口1702的区域中包括金属虚拟物1704。或者，金属虚拟物1704可以从最顶部的一个介电层1722向下延伸到所有介电层1722或其一些部分。
在一个示例性实施方案中，SiN波导1712的每个锥形端可以是约2.2毫米(mm)长，使得蚀刻窗口1702也至少那么长，介电层1722可以是约5μm至6μm厚，使得蚀刻窗口1702蚀刻通过介电层1722至少那么深，并且SiN波导1712可以具有约50μm的间距，并且蚀刻窗口1702可以具有400μm的宽度。根据期望的实施，另一些特定值是可能的。
图18包括根据本文所述的至少一个实施方案布置的中介件704的部分的实施的仰视图1800A和侧视图1800B，所述中介件可以耦合到蚀刻窗口1702内的图17的Si PIC 1700。在图18的实施方案中，中介件704包括中介件基底726和耦合至其的波导带728。波导带728包括多个中介件波导730，其中的每一者包括中介件芯730A和中介件包层730B。在图18的实例中，中介件704可以包括聚合物中介件，使得中介件基底726、中介件芯730A和中介件包层730B分别包括聚合物基底、聚合物芯和聚合物包层。
中介件基底726的厚度tis可以大于或等于约100μm。中介件包层730B的厚度t包层可以为约14μm。中介件芯730A的间距p，例如中介件芯730A的标称芯中心到芯中心间隔可以为约50μm，或者更一般地为Xμm。每个中介件器芯730A的宽度w芯可以为约8μm。每个中介件芯730A的厚度t芯可以小于或等于中介件704待耦合到的相应的Si PIC的相应蚀刻窗口的深度。波导带728的宽度wws可以为约N乘以X，其中N是中介件芯730A的数量，并且X是间距p或标称芯中心到芯中心间隔。相应蚀刻窗口的最小宽度也可以是N乘以X。根据期望的实施，另一些特定值是可能的。
在图18的视图1800A和1800B中，中介件芯730A包括聚合物波导730的耦合器部分。图18中可见的耦合器部分可以如上所述与通过相应的蚀刻窗口可进入的相应的SiN波导的锥形端对齐。耦合器部分沿着其长度在四个侧面中的三个上露出，其中中介件包层730B沿着耦合器部分的长度与四个侧面中的剩余的一个相邻地设置。或者，耦合器部分可以仅在底侧露出，或者沿着底侧仅在一个或两个垂直侧部分地露出。然而，在这些和另一些实施方案中，对于未设置在相应的蚀刻窗口内的中介件704的部分(未示出)，中介件芯730A通常可以被中介件包层730B沿着其长度在所有四个侧面上包围。
图19A和19B是示出了根据本文所述的至少一个实施方案布置的图18的中介件704和图17的Si PIC 1700的对齐和附接的侧视图。如图19A所示，中介件704的波导带728与蚀刻窗口1702对齐，其中中介件芯730A通常在x和z方向上与SiN波导1712对齐，以形成绝热耦合器区域，如本文别处所述。蚀刻窗口1702可以至少部分地填充有环氧树脂底部填料1902。然后，如图19A中的箭头1904所示，中介件704可以朝向Si PIC 1700(或反之亦然)移动，直到中介件芯730A直接或者至少紧密接触SiN波导1712，如图19B所示。如本文所使用的，两个组件或元件之间的直接接触意味着两个组件实际上彼此接触。本文所使用的紧密接触意味着两个部件足够接近以使光从一个组件光学耦合到另一个组件。这种紧密接触的组件可以任选地在两个组件之间包含环氧树脂或另一些粘合剂。涉及直接接触的本文的任何描述也可以包括紧密接触，所述紧密接触可以包括例如粘合剂的薄层。如图19B所示，可能有足够的底部填料环氧树脂1902以溢出蚀刻窗口1902，以便将介电层1722的顶部用环氧树脂胶合到中介件704的中介件包层730B。
图19A和19B另外示出了包括在Si PIC 1700中的Si波导1906，其通常可以在x和z方向上与SiN波导1712对齐以形成如本文别处所描述的绝热耦合器区域。
图20是描绘了根据本文所述的至少一个实施方案布置的另一中介件2002与SiPIC 2004对齐的侧视图。图20的实例实现多窗口几何结构以满足最大窗口尺寸和金属虚拟物填充因子约束，并且可以以其他方式类似地被构造到上述讨论的其他实施方案(包括如本文所讨论的两级绝热耦合的实施)。在该实施方案和另一些实施方案中，中介件2002可以包括多个波导带2006，并且Si PIC 2004可以包括多个蚀刻窗口2008。波导带2006和蚀刻窗口2008中的每一者通常可以与本文公开的任何其他波导带和蚀刻窗口相似或相同。通常，中介件2002的至少在中介件2002耦合到Si PIC 2004的区域中的下表面可以互补于Si PIC2004的至少在Si PIC2004耦合到聚合物中介件2002区域中的上表面。
图21是描绘了根据本文所述的至少一个实施方案布置的另一中介件2102与SiPIC 2104对齐的侧视图。中介件2102包括一个或更多个波导带2106，同时Si PIC 2104包括一个或更多个蚀刻窗口2108。另外，图21的实例实现了一个或更多个中介件对齐脊2110和相应的Si PIC锚窗口2112和/或一个或更多虚拟中介件岛2114，并且以其他方式类似地构造到上述讨论的其他实施方案(包括如本文所讨论的两级绝热耦合的实施)。
在一些实施方案中，中介件对齐脊2110可以由与中介件2102的中介件芯、中介件包层或中介件基底相同的材料形成。或者或另外，每个中介件对准脊2110可以为约100μm至200μm宽并且具有与中介件芯相同或不同的厚度。
锚窗口2112可以刻蚀通过Si PIC 2104的位于相应的Si PIC 2104的第一层之上的一个或更多个介电层，Si PIC 2104的第一层包括待被光学耦合到包括在波导带2106中的中介件波导的SiN波导2116。锚窗口2112的形状和位置可以与中介件对齐脊2110的形状和位置互补。当将聚合物中介件2102附接到Si PIC 2104时，中介件对齐脊2110可以与锚窗口2104对齐，其又将波导带2106的中介件波导的露出的耦合器部分对齐到SiN波导2116。然后，如图21中的箭头2118所示，中介件2102可以朝向Si PIC 2104(或反之亦然)移动直到中介件芯与SiN波导2116直接或至少紧密接触以形成相应的绝热耦合器区域。
在一些实施方案中，虚拟中介件岛2114可以由与中介件2102的中介件芯、中介件包层或中介件基底相同的材料形成。或者或另外，每个虚拟中介件岛2114可以具有与中介件对齐脊2110相同的或不同的宽度以及与中介件芯相同或不同的厚度。蚀刻窗口2108的宽度可足以在其中容纳虚拟中介件岛2114和波导带2106(或更具体地是其中包括的中介件波导的耦合器部分)。虚拟中介件岛2114可以与最近的中介件波导分开足够的距离，以便不扰乱最近的中介件波导中的光学模。例如，每个虚拟中介件岛2114可以与相应的波导带2106的最近的中介件波导分开至少30μm。一般来说，虚拟中介件岛2114可以提供相对大且平坦的表面，以便于中介件2102和Si PIC 2104之间的机械附接工艺。
图22包括根据本文所述的至少一个实施例布置的具有中介件对齐脊2204和虚拟中介件岛2206的中介件2202的另一布置的侧视图2200A和仰视图2200B。与本文公开的其他中介件类似，中介件2202可以包括中介件基底2208、中介件包层2210和中介件芯2212。在一些实施方案中，中介件2202包括聚合物中介件，其中中介件基底2208、中介件包层2210和中介件芯2212中的每一个包含聚合物。如俯视图2200B所示，至少在中介件2202的待在Si PIC的蚀刻窗口中被接收的区域2214中，中介件包层2210可以从中介件波导2212的底部和/或侧面移除。在中介件2202的未在蚀刻窗口中被接收的区域2216中，中介件包层2210可沿其长度包围中介件波导2212的所有侧面。
图23A是根据本文所述的至少一个实施方案布置包括Si PIC 2302、中介件2304和光纤端连接器2306(以下称为“连接器2306”)的另一示例性两级绝热耦合的光子系统2300(以下称为“光子系统2300”)的侧视图。Si PIC 2302和中介件2304可以分别与本文公开的任何其他Si PIC和中介件相似或相同，除非本文另有说明。
例如，Si PIC 2302可以包括形成在Si PIC的第一层中的一个或更多个SiN波导2308和形成在位于第一层下方(在另一些实施方案中位于第一层上方)的Si PIC的第二层中的一个或更多个Si波导2310。每个Si波导2310可以包括在两个正交方向上与SiN波导2308中相应的一个的耦合器部分对齐的锥形端以形成绝热耦合器区域。类似地，每个SiN波导2308可以包括在两个正交方向上与包括在中介件2304中的一个或更多个中介件波导2312中对应的一个的耦合器部分对齐的锥形端以形成另一个绝热耦合器区域。
中介件2304可以包括高折射率玻璃波导块或高折射率玻璃波导中介件。因此，在该实施例中，中介件波导2312可以包括可以例如通过离子交换法、紫外(UV)辐射激光写入或另一些合适的折射率变换辐射或工艺被写入高折射率玻璃波导块中的高折射率玻璃波导。
每个中介件波导2312通常可以相对于SiN波导2308中对应的一个有源或无源地对齐以形成绝热耦合器区域。可以在制造工艺中实现每个SiN波导2308与相应的Si波导2310的对齐以形成绝热耦合器区域。
可以在中介件2304和Si PIC 2302之间设置环氧树脂底部填料2314以在其间形成机械附接。
连接器2306可以包括多纤维推入(MPO)连接器或另一些合适的光纤端连接器。
中介件2304可以耦合到连接器2306，连接器2306又可以耦合到一个或更多个光纤(未示出)。光可以从光纤耦合到中介件2304的中介件波导2312中和/或从中介件2304的中介件波导2312耦合到光纤中。
图23B是根据本文所述的至少一个实施方案布置的图23A的中介件2304的透视图。在这些和另一些实施中，中介件2304可以包括一个或更多个对齐引导件或螺纹开口2316，以接收连接器2306的突起或螺纹紧固件，以将连接器2306耦合到中介件2304和/或使中介件2304的中介件波导2312与光纤光学对齐。
在一些实现中，中介件波导2312可以被划分成两个或更多个子组或组。在图23B的实例中，中介件波导2312被分成中介件波导2312的第一子组2318A和中介件波导2312的第二子组2318B。中介件波导2312可以根据其预期功能被划分。例如，中介件波导2312的第一子组2318A可以用于将来自光纤的入射光通过连接器2306传送到Si PIC 2302，并因此可以被称为接收(RX)中介件波导2312。类似地，中介件波导2312的第二组2318B可以用于将来自Si PIC 2302的输出光通过连接器2306传送到光纤，并因此可以被称为发射(TX)中介件波导2312。Si PIC 2302的第二层中的Si波导和/或Si PIC 2302第一层中的SiN波导也可以根据其所发挥的功能被描述为RX或TX波导。
如图23B所示，在中介件2304的输入/输出表面2320处，第一组2318A中的RX中介件波导2312的端可以通常彼此平行布置且共面，而第二组2318B中的TX中介件波导2312的端也可以通常彼此平行布置且共面。或者或另外，在输入/输出表面2320处，在双层布置中，第一组2318A的RX中介件波导2312的端可以从第二组2318B的TX中介件波导2312的端移位并与第二组2318B的TX中介件波导2312的端平行，如图23B所示。
中介件2304的输入/输出表面2320可以耦合到图23A的连接器2306。输入/输出表面2320处的第一组2318A的RX中介件波导2312和第二组2318B的TX中介件波导2312的双层布置可以匹配图23A的连接器2306可以耦合至的RX光纤和TX光纤的布置。可以实施RX和TX中介件波导2312的另一些布置，以通过连接器2306匹配RX和TX光纤的另一些布置。
图24是根据本文所述的至少一个实施方案布置的包括Si PIC 2402、中介件2404和光纤端连接器2406的另一示例性光子系统2400(以下称为“光子系统2400”)的透视图。光子系统2400还包括Si PIC 2402和光纤端连接器2406。Si PIC 2402、中介件2404和连接器2406可以分别与本文公开的任何其他Si PIC、中介件和连接器相似或相同，除非本文另有说明。
例如，Si PIC 2402可以包括形成在Si PIC的第一层中的一个或更多个SiN波导2408和形成在位于所述第一层下方(在另一些实施方案中位于上方)的Si PIC的第二层中的一个或更多个Si波导(未示出)。每个Si波导可以包括在两个正交方向上与SiN波导2408中的相应之一的耦合器部分对齐的锥形端以形成绝热耦合器区域。类似地，每个SiN波导2408可以包括在两个正交方向上与包括在中介件2404中的一个或更多个中介件波导中的相应之一的耦合器部分对齐的锥形端以形成另一绝热耦合器区域。
中介件2404可以包括具有柔性聚合物基底和在其上形成的一个或更多个聚合物波导的聚合物中介件。中介件2404的聚合物波导可以被划分为RX聚合物波导的第一子组和TX聚合物波导的第二子组，其中聚合物波导的端布置成双层布置，其中其连接到连接器2406，类似于关于与图23B描述的双层布置。
通常，光可以在Si PIC 2402的平面界面(例如包括Si PIC 2402的SiN波导2408的Si PIC 2402的SiN/SiO2层)耦合出或耦合进Si PIC 2402。与TX Si波导相比，Si PIC 2402中的SiN波导2408的锥形端的位置并因此Si PIC 2402的Si波导的锥形端的位置可以在光传播方向上相对RX Si波导偏移，以从彼此获得更好隔离入射光和出射光。
例如，图25A和25B示出了根据本文所述的至少一个实施方案布置的RX SiN波导相对TX SiN波导的两种不同偏移构造。在图25A和25B的每一个中，RX SiN波导RX1和RX2的锥形端终止于一般z位置(以下称为“第一z位置”)，并且TX SiN波导TX1和TX2的锥形端终止于与RX1和RX2不同的一般z位置(以下称为“第二z位置”)。在图25A中，RX Si波导的锥形端与TX Si波导的锥形端交替。相比之下，在图25B中，作为群组的RX SiN波导的锥形端位于紧邻作为群组的TX SiN波导的锥形端。
由于图25A和25B中的RX SiN波导之间和TX SiN波导之间的z偏移，用于将光耦合进或出包括图25A至25B的RX SiN波导和TX SiN波导的Si PIC的中介件的RX部分和TX部分可以彼此分离。例如，中介件的RX中介件波导可以在图25A中的2502A和图25B中的2502B中通常表示的区域中耦合至Si PIC，同时中介件的TX中介件波导可以在图25A中的2504A和图25B中的2504B中通常表示的区域中耦合至Si PIC。尽管在SiN波导/中介件波导绝热耦合器区域的上下文中讨论了图25A和25B，但是也可以将相同的原理应用于Si波导/中介件波导绝热耦合器区域。
本文中讨论的一些中介件已被描述为包括聚合物或高折射率玻璃。用于中介件的另一些材料是可能的。例如，图26包括根据本文所述的至少一个实施方案布置的氮氧化硅(SiON)中介件2602的侧视图2600A和仰视图2600B。
SiON中介件2602包括具有多个SiON波导2606的SiON波导带2604，每个SiON波导2606包括SiON芯2608和SiON包层2610。SiON芯2608可以在SiON中介件2602的待在相应的SiPIC的蚀刻窗口中被接收的耦合区域内的至少一个表面上露出(例如，不被SiON包层2610包围)，以便与Si PIC的相应SiN波导对齐并且与Si PIC的相应SiN波导直接或至少紧密接触。
在所示的实施方案中，SiON中介件2602包括在SiO2基底2612或其他基底上的SiON。通过改变SiON中介件2602的SiON部分中的O和N比例的生长条件，SiON具有可以为约1.46的SiO2折射率与约1.99的SiN的折射率之间变化的折射率。可以实现为约1.51的折射率以形成SiON包层2610，并且例如可以实现稍高的1.516的折射率以形成SiON波导2606的SiON芯2608。
SiO2基底2612的宽度ws可以在2mm至7mm的范围内。SiON芯2608的间距p可以在50μm至250μm的范围内。根据SiON芯2608的数量和间距p，波导带2604的宽度wws可以在400μm至1.5mm的范围内。SiON包层2610的厚度t包层可以大于或等于15μm。SiON芯2608的厚度t芯和宽度w芯可以各自在6μm至8μm的范围内。根据期望的实施，另一些特定值是可能的。
在图26的实例中，SiON包层2610可以与SiON芯2608的顶表面(其在图26的视图2600A的取向中为底表面)齐平(在生长方向上)。SiON波导2606可以在两个正交方向上与SiPIC的相应SiN波导对齐以形成绝热耦合器区域。可以蚀刻SiON中介件2602的SiON以形成插头以适配Si PIC中相应的蚀刻窗口，如图27所示。
图27是描绘了根据本文所述的至少一个实施方案布置的图26的SiON中介件2602与图17的Si PIC 1700对齐的侧视图。如图27所示，SiON中介件2602的SiON波导带2604与SiPIC 1700的蚀刻窗口1702对齐，其中SiON芯1608通常在x和z方向上以上述方式与Si PIC1700的SiN波导1712对齐以形成绝热耦合器区域。蚀刻窗口1702可以至少部分地填充有环氧树脂底部填料1902。然后，如箭头2702所示，SiON中介件2602可以朝着Si PIC 1700(或反之亦然)移动，直到SiON芯2608与Si PIC 1700的SiN波导1712直接或至少紧密接触。
图28示出了根据本文所述的一个实施方案布置的两个示例性光电子系统2800A和2800B(以下称为“系统2800”)，其各自在玻璃中介件2802A、2802B、2802C上包含至少一种聚合物(统称“玻璃中介件2802上的聚合物”)。玻璃中介件2802上的聚合物通常可以与本文公开的任何其他中介件相似或相同，除非本文另有说明。系统2800中的每一个包括多信道光电模块(以下称为“模块”)2804A或2804B，如4信道并行单模4(PSM4)收发器。模块2804A和2804B中的每一个包括具有一起形成一个或更多个绝热耦合器区域的一个或更多个Si波导和一个或更多个SiN波导的Si PIC。
在光子系统2800A中，模块2804A被构造为通过输入连接器2808A从光学网络接收多个光信号2806A。光信号2806A可以通过玻璃中介件2802A上的聚合物和模块2804A的SiPIC的一个或更多个SiN波导和Si波导以如上通常所述方式绝热耦合到模块2804A的Si PIC中。
在光子系统2800B中，模块2804B被构造为通过输出连接器2808B将多个光信号2806B传输到光学网络。一个或更多个光信号2806B可以通过玻璃中介件2802C上的聚合物(标记为“玻璃插头上的聚合物”)和模块2804B的Si PIC的一个或更多个SiN波导和Si波导以如上通常所述方式从光发射器2810绝热耦合到模块2804A的Si PIC。光信号还可以通过通过模块2804B的Si PIC的一个或更多个Si波导和玻璃中介件2802B上的聚合物以如上通常所述方式绝热耦合出Si PIC并耦合到输出连接器2806B中。
图29A示出了根据本文所述的至少一个实施方案布置的示例性的玻璃中介件2900A上的聚合物和Si PIC 2902。玻璃中介件2900A上的聚合物可以在例如图28的系统2800中的任一个或两个中实施为玻璃中介件2802A至2802C上的聚合物中的一个或更多个。
在所示实施方案中，Si PIC 2902限定了蚀刻窗口2904。Si PIC 2902还包括Si基底2906、SiO2隐埋氧化物2908、具有多个SiN波导2912的第一层2910、具有多个Si波导2916的第二层2914，以及在包括SiN波导2912的第一层2910上方的一个或更多个介电层2918。SiPIC 2902、蚀刻窗口2904、Si基底2906、SiO2隐埋氧化物2908、第一层2910、SiN波导2912、第二层2914、多个Si波导2916和介电层2918通常可以分别与本文公开的任意其他Si PIC、蚀刻窗口、Si基底、SiO2隐埋氧化物、第一层、SiN波导、第二层、Si波导和介电层相似或相同，除非本文另有说明。例如，SiN波导2912和Si波导2916可以相对于彼此布置以将光从Si波导2916绝热耦合到SiN波导2912，反之亦然，如本文别处所述。Si PIC 2902还可以包括如本文别处所描述的一个或更多个其他组件、层、特征或方面。
蚀刻窗口2904可以通过蚀刻穿过介电层2918到第二层2914来形成。在一些实施方案中，蚀刻窗口2904通过介电层2918在三个侧面(其中两个在图29A中可见)上界定。介电层2918中至少最上面的一个至少在在三个侧面上界定蚀刻窗口2904的区域中包括金属虚拟物2920。
玻璃中介件2900A上的聚合物包括玻璃基底2922和耦合至其的聚合物波导带。玻璃基底2922可以包括UV透明玻璃，并且是中介件基底的具体实例。聚合物波导带是波导带的具体实例，并且包括多个聚合物波导2924，每个聚合物波导2924包括聚合物芯2926和聚合物包层2928。聚合物包层2928耦合至玻璃基底2922。聚合物芯2926耦合至聚合物包层2928。聚合物波导2924包括被构造为在两个正交方向(例如，x和z方向)上与SiN波导2912的锥形端对齐的如上所述的耦合器部分，使得聚合物波导2924的耦合器部分在两个正交方向上与SiN波导2912的锥形端重叠并平行于SiN波导2912的锥形端。在该布置中，光可以从SiN波导2912绝热耦合到聚合物波导2924，反之亦然。
如所示，聚合物芯2926彼此平行。聚合物芯2926可以具有250微米的间距。或者，聚合物芯2926的间距可以在290微米至500微米的范围内，或者一些其他值。至少对于在蚀刻窗口2904内接收的聚合物芯2926的长度的一部分来说，聚合物芯2926和/或玻璃中介件2900A上的聚合物在z方向上的长度可以在1毫米至4毫米的范围内。每个聚合物芯2926的y方向上的高度或厚度可以小于或等于蚀刻窗口2904的y方向的深度。在另一些实施方案中，每个聚合物芯2926的y方向上的高度或厚度可以大于蚀刻窗口2904的y方向的深度。在一个示例性实施方案中，聚合物芯2926的高度在4μm至7μm的范围内。玻璃中介件2900A上的聚合物的x方向的宽度可以在1mm至2mm的范围内。
在一些实施方案中，蚀刻窗口2904可以至少部分地填充有环氧树脂底部填料2930。为了将玻璃中介件2900A和Si PIC 2902上的聚合物组装在一起，如箭头2932所示，玻璃中介件2900A上的聚合物可以朝向Si PIC 2902移动直到聚合物芯2926与SiN波导2912直接接触或至少紧密接触。在一些实施方案中，可能有足够的环氧树脂底部填料2930以溢出蚀刻窗口2904，以便将介电层2918的顶部用环氧树脂胶合到中介件2900A上的聚合物的聚合物包层2928。
图29B示出了根据本文所述的至少一个实施方案布置的另一示例性玻璃中介件2900B上的聚合物。玻璃中介件2900A上的聚合物可以在例如图28的系统2800中的任一个或两个中实施为玻璃中介件2802A至2802C上的聚合物中的一个或更多个。
玻璃中介件2900B上的聚合物包括玻璃基底2922和聚合物波导2924，所述聚合物波导包括聚合物芯2926和聚合物包层2928。玻璃中介件2900B上的聚合物还包括设置在聚合物波导2924的第一侧的一个或更多个第一聚合物对齐脊2934A和设置在聚合物波导2924的与所述第一侧相反的第二侧的一个或更多个第二聚合物对齐脊2934B。聚合物对齐脊2934A和2934B(统称为“聚合物对齐脊2934”)可以在相应的Si PIC的一个或更多个相应的蚀刻信道、窗口、凹部或另一些特征中被接收，以使玻璃基底2900B上的聚合物(并且更具体地，聚合物波导2924)与Si PIC(并且更具体地，Si PIC的SiN波导)对齐。
图29A和29B的玻璃中介件2900A和2900B上的聚合物和图29A的Si PIC 2902可以包括如本文别处所述的一个或更多个其他组件、层、特征或方面。
例如，玻璃基底2900B上的聚合物还可以包括一个或更多个虚拟聚合物岛，例如，聚合物芯2926和第一聚合物对齐脊2934A之间的第一虚拟聚合物岛，以及聚合物芯2926和第二聚合物对齐脊2934B之间的第二虚拟聚合物岛。在这些和另一些实施方案中，Si PIC2902的蚀刻窗口的宽度可能足以在其中容纳第一虚拟聚合物岛、聚合物波导2924中每个的耦合器部分和第二虚拟聚合物岛。
再次参考图3A和3B，并且如已经描述的，光可以从Si波导212耦合到SiN波导208，然后从SiN波导208耦合到中介件波导224。在其上形成SiO2隐埋氧化物204的Si基底(未示出)远离SiN波导208某一距离d(例如，在y方向上)。此处，距离d大约等于SiO2隐埋氧化物204的厚度加上第二层210的厚度。在一个示例性实施方案中，SiO2隐埋氧化物204的厚度为0.72微米，并且第二层210的厚度为约0.3微米，使得距离d可为约1.02微米。对于这些值，在SiN波导208中传播的一些光可以耦合到Si基底中并损耗。这种损耗可以称为基底泄漏(substrate leakage)。基底泄漏可以是显著的，因为SiN波导208中的光学模可以比Si波导212中的限制更少。
本文所述的一些实施方案通过增加SiN波导208和Si基底之间的距离d来减少基底泄漏。例如，SiO2隐埋氧化物204的厚度可以增加到大于0.72微米如2微米的厚度，或者2微米加或减10％的厚度。然而，将SiO2隐埋氧化物204的厚度增加到这样的程度可能与一些制造厂/制造商不兼容。
或者，可以进行一种或更多种其他修改。例如，可以增加SiN波导208在y方向上的厚度，以更好地限制传播光的垂直电场，从而减少基底泄漏。或者或另外，可以在第一层206和第二层210之间设置SiO2层，和/或可以增加这种层的厚度以增加SiN波导208和Si基底之间的距离d。随着距离d增加，Si-SiN TE耦合可降低从而减小基底泄漏。将相对于图30描述上述内容。或者或另外，可以如关于图31A和31B所描述的那样实现双层SiN结构。
图30示出了根据本文所述的至少一个实施方案布置的示例性Si PIC 3000的剖视图。Si PIC 3000通常可以与本文公开的任何其他Si PIC相似或相同，除非本文另有说明。图30的剖视图取自与图3B的剖视图300C类似的透视图，并且示出了Si PIC 3000的示例性层叠层(layer stackup)。与图3A和3B的实例相比，Si PIC 3000增加SiN波导的厚度并增加SiN波导与相应的Si基底之间的距离以减少基底泄漏。
如所示，Si PIC 3000包括Si基底3002、SiO2隐埋氧化物3004、包括SiN波导3008的第一层3006、SiN板3010，和包括Si波导3014的第二层3012。Si PIC 3000还可以包括第二层3012和SiN板3010之间的第一SiO2层3016和SiN板3010和第一层3006之间的第二SiO2层3018。Si波导3014和SiN波导3008可以被布置为形成绝热耦合器区域，如本文别处所述。
在一些实施方案中，Si PIC 3000的Si基底3002的顶部和包括SiN波导3008的第一层3006的底部之间的所有层的总厚度可以为至少1.2μm。例如，SiO2隐埋氧化物3004可以具有0.72μm的厚度或0.72μm加或减10％的厚度或一些其他厚度。SiN波导3008以及因此第一层3006可以具有0.7μm的厚度或0.7μm加或减10％的厚度或一些其他厚度。SiN波导3008正下方的第二SiO2层3018可以具有至少0.1μm的厚度，或者0.1μm至0.2μm或更大的厚度，或一些其他厚度。Si波导3014以及因此第二层3012可以具有0.3μm的厚度，或0.3μm加或减10％的厚度，或一些其他厚度。第一SiO2层3016可以完全省略，或者可以具有10nm至290nm的厚度。SiN板3010可以完全省略，或者可以具有0.04μm至0.07μm的厚度，或一些其他厚度。因此，在一些实施方案中，与图3A和3B的实施例中为约1μm相比，在图30的实施例中，Si基底3002和第一层3006之间的所有层可以具有至少1.2μm(例如，0.72+0.2+0.3＝1.22μm)的总厚度。
与图3A和3B的实例相比，光学模可以在相对较大的SiN波导3008中更加被限制。另外，与图3A和3B相比，Si基底3002和SiN波导3008之间的距离增加可以进一步将Si衬底3002与SiN波导3008光学隔离以减少基底泄漏。
图30另外示出了图30的Si PIC 3000的第一至第三模拟3020A至3020C，其中通过SiN波导3008的SiN传播损耗被忽略。第一模拟3020A包括沿着垂直轴的以分贝(dB)/厘米(cm)为单位的传播损耗或基底泄漏作为沿着水平轴的以纳米为单位的SiO2间隙厚度的函数的图。第一模拟3020A中的SiO2间隙厚度是指Si PIC 3000中的第二SiO2层3018的厚度。如第一模拟3020A所示，随着SiO2间隙厚度的增加，TM和TE光学模(在整个图30中标记为“TM”和“TE”)的传播损耗减小。例如，SiO2间隙厚度从0.1μm到0.2μm，TM光学模的传播损耗从约1.16dB/cm降至约0.55dB/cm，TE光学模的传播损耗从约0.91dB/cm降至约0.45dB/cm。
第二模拟3020B包括沿着垂直轴的SiN-Si耦合效率作为沿着水平轴的以μm为单位的Si锥形长度的函数的图。Si锥形长度是指Si波导3014的锥形端的长度。如第二模拟3020B所示，SiN-Si耦合效率通常随着Si锥形长度的增加而增加，并且在Si锥形长度约为250μm处，对于TE和TM光学模两者均为约97％或更高。
第三模拟3020C包括沿着垂直轴的聚合物-至-SiN耦合效率作为沿着水平轴以μm为单位的SiN线性锥形长度的函数的图。SiN线性锥形长度是指SiN波导3008的锥形端的长度。如第三模拟3020C所示，聚合物-至-SiN耦合效率通常随着SiN线性锥形长度的增加而增加，并且在SiN线性锥形长度为约2毫米(或2000μm)处，对于TE和TM光学模两者均为约95％或更高。
Si PIC 3000可以包括如本文别处所描述的一个或更多个其他组件、层、特征或方面。
图31A示出了根据本文所述的至少一个实施方案布置的另一示例性Si PIC 3100。Si PIC 3100通常可以与本文公开的任何其他Si PIC相似或相同，除非本文另有说明。图31A包括Si PIC 3100的剖视图3101A和俯视图3101B。图31A的剖视图取自与图3B的剖视图300C类似的透视图，并且示出了Si PIC 3100的示例性层叠层。Si PIC 3100实现了两层SiN结构以减少基底泄漏。
如所示，Si PIC 3100包括Si基底3102、SiO2隐埋氧化物3104、包括SiN波导3108的第一层3106、SiN板3110、包括Si波导3114的第二层3112和包括SiN转换波导3118的第三层3116。Si PIC 3100还可以包括第二层3112和SiN板3110之间、SiN板3110和第三层3116之间，和/或第三层3116和第一层3106之间的一个或更多个SiO2层。
在一些实施方案中，Si PIC 3100的在Si基底3102的顶部和包括SiN波导3108的第一层3106的底部之间的所有层的总厚度可以为至少1.2μm，例如1.6μm，或1.6μm加或减10％。更详细地，SiO2隐埋氧化物3104可以具有0.72μm的厚度，或0.72μm加或减10％的厚度，或一些其他厚度。Si波导3114以及因此第二层3112可以具有0.3μm的厚度，或者0.3μm加或减或10％的厚度，或一些其他厚度。第二层3112正上方的SiO2层3120可以完全省略，或者可以具有10nm至290nm的厚度，或一些其他厚度。SiN板3110可以具有0.04μm至0.07μm的厚度，或一些其它厚度。SiN转换波导3118以及因此第三层3116可以具有0.5μm的厚度，或0.5μm加或减10％的厚度，或一些其他厚度。SiN转换波导3118可以在除了一个或更多个其锥形端处之外的x方向上具有1μm至2μm的宽度，或一些其他宽度。SiN转换波导3118正下方的SiO2层3120可以具有0.04μm至0.07μm的厚度，或一些其他厚度。SiN波导3108以及因此第一层3106可以具有0.04μm至0.07μm的厚度，或一些其他厚度。SiN波导3108可以在除了一个或更多个其锥形端处之外的x方向上具有0.6μm至1μm的宽度，或一些其他宽度。SiN波导3108正下方的SiO2层3120可以具有0.05μm至0.2μm的厚度，或一些其他厚度。
俯视图3101B示出了Si PIC 3100的多个组件相对于彼此相对x轴和z轴对齐，并且包括参考线1、2、3和4。现在将描述Si波导3114、SiN转换波导3118和SiN波导3108以及每个前述波导的方面之间相对x轴和z轴对齐。如所示，SiN波导3108包括在参考线3和4之间的锥形端。尽管在图31A中未示出，但是SiN波导3108可以包括与图31A所示的锥形端相反的另一锥形端，以将光绝热耦合到相应的中介件波导或绝热接收来自中介件波导的光。
SiN转换波导3118包括在SiN转换波导3118的第一端处在参考线1和3之间的耦合器部分。SiN转换波导3118还包括在参考线3和4之间的与第一端相反的锥形端。SiN转换波导3118的锥形端与SiN波导3108的锥形端在两个正交方向(例如，在x和z方向上)上对齐，使得SiN转换波导3118的锥形端在两个正交方向上与SiN波导3108的锥形端重叠并平行于SiN波导3108的锥形端。
Si波导3114包括参考线2和3之间的锥形端。Si波导3114的锥形端与SiN转换波导3118的耦合器部分在两个正交方向(例如，在x和z方向上)上对齐，使得Si波导3114的锥形端在两个正交方向上与SiN转换波导3118的耦合器部分重叠并平行于SiN转换波导3118的耦合器部分。
如俯视图3101B所示，Si波导3114的锥形端可以终止于SiN波导3108的锥形端开始的位置，例如在参考线3处。或者或另外，其中SiN波导3108的锥形端和SiN转换波导3118重叠的区域可以被称为双锥形区域3122。双锥形区域3121在z方向上的长度可以为至少20μm，或至少30μm，或一些其他长度。
Si PIC 3100可以包括如本文别处所描述的一个或更多个其他组件、层、特征或方面。
图31B示出了根据本文所述的至少一个实施方案布置的图31A的Si PIC 3100的第一至第四模拟3124A至3124C。由于在图31A的实例中，SiN转换波导3118与Si基底3102分离大约1.1μm，所以对于传播通过SiN转换波导3118的光可能发生基底泄漏。然而，SiN转换波导3118在z方向上的总长度可能相对短如约100μm或更小，使得基底泄漏可能相对低。另一方面，SiN波导3108可以与Si基底3102分离1.2μm或更大或者甚至1.6μm或更大，使得传播通过SiN波导3108的光可能经历很少或没有基底泄漏，例如对于TE光学模为约0.1dB/cm，对于TM光学模为约0.35dB/cm。
第一模拟3124A和第二模拟3124B示出了分别从通常标记为“层1”的区域中的SiN转换波导3118到通常标记为“层2”的区域中的Si波导3118的TE和TM光学模的传播。
第三模拟3124C包括沿着垂直轴的从SiN转换波导3118到SiN波导3108的传输效率作为沿着水平轴的以μm为单位的双锥形长度的函数的图。双锥形长度是指双锥形区域3122的长度。如第三模拟3124C所示，传输效率随着双锥形长度的增加而增加，并且在双锥型长度为约20μm处对于TE和TM光学模两者为约90％或更高，并且在双锥型长度为约30μm处对于TE和TM光学模两者为约96％或更高。
一些Si PIC可以包括如本文别处所描述的WDM复用器或WDM解复用器，诸如Si PIC的SiN层中的中阶梯光栅。如本文所使用的，Si PIC的SiN层是指包括SiN的Si PIC的层，该层可以在SiN层内的多个位置中另外包括其他材料如SiO2。在WDM解复用器构造中，从WDM解复用器接收的入射光可以通过Si PIC的Si层中的Si波导从SiN波导耦合到包括在Si PIC的Si层中的基于Si/锗(Ge)的pin探测器。如本文所使用的，Si PIC的Si层是指包括Si的SiPIC的层，该层可以在Si层内的多个位置中另外包括其他材料如SiO2。一些WDM解复用器必须具有多模输出，以允许与WDM解复用器相关的滤波功能的平顶形状。例如，基于SiN的WDM解复用器可以使用TE00、TE01、TM00和TM01光学模。上述SiN-Si绝热耦合器区域中的一些可以容纳单模光。这种单模绝热耦合器区域可以降低具有多模输出的WDM解复用器的有效带宽，因为只有单模可以从SiN波导耦合到Si波导。
本文描述的一些实施方案可以包括多模SiN-Si绝热耦合器区域，以在不降低WDM解复用器的有效带宽的情况下接受WDM解复用器的解复用和/或多模输出。特别地，图32示出了根据本文所述的至少一个实施方案布置的多模SiN-Si绝热耦合器区域3200(以下称为“耦合器3200”)。耦合器3200可以在本文所描述的任意Si PIC中实现。这种Si PIC通常可以包括SiO2隐埋氧化物、包括SiN波导3202的形成在SiO2隐埋氧化物上方的第一层，以及形成在SiO2隐埋氧化物上方并在第一层上方或下方并且包括Si波导3204的第二层。
SiN波导3202包括非锥形端部分3206和始于非锥形端部分3206开始处的锥形端3208，非锥形端部分3206和锥形端3208在相反的方向上延伸。尽管图32中未示出，但是SiN波导3202可以向非锥形端部分3206的左侧延伸。非锥形端部分3206可以接收多模输入光信号3210，例如可以由基于SiN的WDM解复用器输出。
Si波导3204包括非锥形端部分3212和始于非锥形端部分3212开始处的锥形端3214，非锥形端部分3212和锥形端3214在相反方向上延伸。Si波导3204可以向非锥形端部分3212的右侧延伸。Si波导3204可以被构造为从SiN波导3202接受多模输入光信号3210。
在一些实施方案中，SiN波导3202的非锥形端部分3206与Si波导3204的锥形端3214在两个正交方向(例如，x和z方向)上对齐，使得SiN波导的非锥形端部分3206在两个正交方向上与Si波导3204的锥形端3214重叠并平行于Si波导3204的锥形端3214。另外，SiN波导3202的锥形端3208与Si波导3204的非锥形端部分3212在两个正交方向上对齐，使得SiN波导3202的锥形端3208在两个正交方向上与Si波导3204的非锥形端部分3212重叠并平行于Si波导3204的非锥形端部分3212。
其中SiN波导3202的非锥形端部分3206与Si波导3204的锥形端3214重叠的区域可以称为第一区域3216。其中SiN波导3202的锥形端3208与Si波导3204的非锥形端部分3212重叠的区域可以称为第二区域3218。可以调整第一区域3216和第二区域3218的长度和/或与耦合器3200相关的另一些参数，以优化从SiN波导3202到Si波导3204的多模耦合，如图33A至33D所示。
图33A至33D包括根据本文所述的至少一个实施方案布置的具有多组不同参数的图32的耦合器3200的多种模拟。
图33A包括参数的第一表3302、从图32的SiN波导3202到Si波导3204的模拟传输效率的第二表3304，以及模拟3306A和3306B。结合参考图32和33A，现在将描述在第一表3302中列出的图33A的参数。在该实施例中，第一区域3216的长度为90μm，并且第二区域3218的长度为10μm。在第一区域3216中，Si波导3204的锥形端3214的宽度沿着光传播方向从0.08μm渐变至1.5μm。在第二区域3218中，Si波导3204的非锥形端部分3212的宽度为1.5μm。在第一区域3216中，SiN波导3202的非锥形端部分3206的宽度为2μm。在第二区域3218中，SiN波导3202的非锥形端部分3208的宽度沿着光传播方向从2μm渐变至0.2μm。
第二表3304包括与第一表3302中列出的参数相关的TE00、TE01、TM00和TM01光学模的模拟传输效率。
模拟3306A和3306B包括沿着垂直轴的耦合器3200中传输效率作为五个不同波长信道的TE01光学模(模拟3306A)和TM01光学模(模拟3306B)沿水平轴的以μm为单位的Si锥形长度的函数的图。Si锥形长度是指第一区域3216的长度。在模拟3306A和3306B中，除了第一区域3216的长度之外的所有参数被假设为第一表3302中提供的参数。
图33B包括模拟3306C和3306D，其使用与图33A的模拟3306A和3306B相同的参数，不同之处在于SiN波导3202的非锥形端部分3206在第一区域3216具有1.5μm的宽度，并且在第二区域3218中SiN波导3202的锥形端3208从1.5μm渐变至0.2μm。
图33C包括模拟3306E和3306F，其使用与图33B的模拟3306C和3306D相同的参数，不同之处在于Si波导3204的锥形端3214在第一区域3216中从0.08μm渐变至1μm，并且Si波导3204的非锥形端部分3212在第二区域3218中具有1μm的宽度。如模拟3306E和3306F所示，在Si锥形长度(或第一区域3216长度)为90μm处，所有五个波长信道的TE01光学模的传输效率为约0.96，并且根据波长信道，TM01光学模的传输效率为约0.92至0.96。
图33D包括与上述模拟3306A至3306E类似的模拟3306G和3306H，不同之处在于使用表3308中列出的参数。如模拟3306G和3306H所示，在Si锥形长度(或第一区域3216长度)为100μm处，根据波长信道，TE01光学模的传输效率为约0.95至0.97，并且根据波长信道，TM01光学模的传输效率为约0.92至0.95。
本文描述的一个或更多个WDM组件可以具有偏振依赖滤波功能。在这些和另一些实施方案中，本文所述的一个或更多个Si PIC还可以包括一个或更多个Si PIC偏振分路器或合路器(以下称为“偏振分路器”)。Si PIC可以另外包括两个偏振特定的WDM组件，每个组件具有耦合到偏振分路器的不同输出的输入。可以针对TE偏振优化偏振特定WDM组件中的一个，可以针对TM偏振优化另一个。或者，可以针对相同的偏振优化每个偏振特定WDM组件，并且SI PIC可以另外包括耦合在偏振分路器的两个输出之一和偏振特定WDM组件之一的输入之间的偏振旋转器。偏振旋转器可以包括在Si PIC中一体形成的Si PIC偏振旋转器。
图34A和34B示出了根据本文所述的至少一个实施方案布置的解复用器系统3400A和3400B(统称为“解复用器系统3400”)的实施方案。解复用器系统3400中的一些或全部可以在Si PIC如上述的Si PIC中实现。解复用器系统3400各自包括Si PIC偏振分路器或合路器3402(以下称为“偏振分路器3402”)、第一WDM解复用器3404、第二WDM解复用器3406A或3406B(通常为“第二WDM解复用器3406”)、第一光电换能器3408、第二光电换能器3410和加法器3412(为简单起见，仅示出了其中的一个)。在图34A和34B的每一个中，另外的加法器3412由椭圆表示。图34B的解复用器系统3400B可另外包括偏振旋转器3414。
每一个解复用器系统3400中的偏振分路器3402包括输入3402A第一输出3402B和第二输出33402C，当实施为合路器时除外，在这种情况下，输入和输出可以颠倒。如下面更详细描述，偏振分路器3402通常可以包括形成在Si PIC的相应层中的第一和第二SiN波导，以及具有两个锥形端的形成在Si PIC的位于在其中形成第一和第二SiN波导的层上方或下方的另一层中的Si波导。在一些实施方案中，如本文别处所述，第一WDM解复用器3404和第二WDM解复用器3406可以在相同的Si PIC层中形成为Si偏振分路器3402的第一和第二SiN波导。
输入3402A可以包括第一SiN波导的第一端，第一输出3402B可以包括第一SiN波导的第二端，并且第二输出3402C可以包括第二SiN波导的第二端。在输入上，偏振分路器3402可以接收包括具有两个正交偏振(例如TE偏振和TM偏振)的N信道光信号(例如，具有N个波长信道λ1、λ2、λ3、...、λn的复用光信号)输入光束3415。输入光束3415可以根据偏振进行分离，其中TE偏振通常从第一输出3402B输出，TM偏振通常从第二输出3402C输出。
根据输入到第一WDM解复用器3404或第二WDM解复用器3406的光的偏振，第一WDM解复用器3404和第二WDM解复用器3406中的每一个可以针对两个偏振之一进行优化和/或特定于两个偏振之一进。例如，图34A和34B中的第一WDM解复用器3404和图34B中的第二WDM解复用器3406B可以针对TE偏振进行优化或特定于TE偏振。图34A中的第二WDM解复用器3406A可以针对TM偏振进行优化或特定于TM偏振。在这些和另一些实施方案中，第一WDM解复用器3404和第二WDM解复用器3406中的每一个可以包括具有偏振依赖滤波功能的中阶梯光栅。
第一WDM解复用器3404包括光学耦合到偏振分路器3402的第一输出3402B的输入3416。类似地，第二WDM解复用器3406A或3406B分别包括光学耦合到第二输出3402C或偏振分路器3402的输入3418或3420。
第一WDM解复用器3404还包括光学耦合到第一光电换能器3408的输出3422。类似地，第二WDM解复用器3406A或3406B分别包括光学耦合到第二光电换能器3410的输出3424或3426。第一光电换能器3408和第二光电换能器3410可各自包括至少N个PN二极管、雪崩光电二极管(APD)或另一些合适的光学接收器。
加法器3412电耦合到第一光电换能器3408和第二光电换能器3410的输出，其中每个加法器3412电耦合到第一光电换能器3408中的相应之一的输出，并电耦合到第二光电换能器3410中相应之一的输出。特别地，对于i＝1至N，加法器3412中的第i个可以电耦合到第一光电换能器3408中的第i个和第二光电换能器3410中的第i个，以将第i个第一光电换能器3408的电输出与第i个第二光电换能器3410的电输出相加，以产生第i个组合的电输出3428。
在图34A和34B中，在操作中，第一WDM解复用器3404接收输入光束3415的TE偏振，并将其解复用为输出到第一光电换能器3408的N个不同波长信道λ1、λ2、λ3、...、λN。第一光电换能器3408各自输出代表在第一光电换能器3408中的相应的一个接收的N个不同波长信道中的相应的一个的电信号。
在图34A中，在操作中，第二WDM解复用器3406A从偏振分路器3402的第二输出3402C接收N信道光信号的TM偏振，并将其解复用为输出到第二光电换能器3410的N个不同的波长信道。第二光电换能器3410各自输出代表在第二光电换能器3410中的相应的一个接收的N个不同波信道道中的相应的一个的电信号。
在图34B中，在操作中，偏振旋转器3414将从偏振分路器3402的第二输出3402C接收的TM偏振从TM偏振旋转为TE偏振。在这个和另一些实施方案中，偏振旋转器3414可以包括TM到TE偏振旋转器。更一般地，偏振旋转器3414可以将来自第一(或第二)偏振的偏振旋转为正交的第二(或第一)偏振。然后，第二WDM解复用器3406A从偏振旋转器3414接收偏振旋转的信号，并将其解复用为输出到第二光电换能器3410的N个不同的波长信道。第二光电换能器3410各自输出代表在第二光电换能器3410中的相应的一个接收的N个不同波信道道中的相应的一个的电信号。
在图34A和34B两者中，加法器3412然后组合来自第一光电换能器3408和第二光电换能器3410的合适输出，以产生代表来自在偏振分路器3402的输入3402A接收的输入光束3415的第i个波长信道的第i个组合电信号3428。特别地，第i个组合的电信号3428中的第一(或第二，或第三，或第N)个包括代表通过第一WDM解复用器3404输出的N个不同波长信道中的第一(或第二，或第三，或第N)个的第一电光换能器3408中的第一(或第二，或第三，或第N)个的电输出和代表通过第二WDM解复用器3406A输出的N个不同波长信道中的第一(或第二，或第三，或第N)个的第二电光换能器3410中的第一(或第二，或第三，或第N)个的电输出的总和。
通过从TM偏振中分离TE偏振，将每一个与另一个分别解复用，然后用加法器3412添加相应信道，图34A和34B的解复用器系统3400可以消除或至少显著地减少在具有偏振依赖滤波功能的WDM解复用器中出现的信道串扰。
现在将参照图35至37讨论与Si PIC偏振分路器如偏振分路器3402相关的多种原因和参数，随后参照图38A至38C讨论多个示例性Si PIC偏振分路器。
图35是根据本文所述的至少一个实施例布置的作为绝缘耦合器区域的Si和SiN波导中的TE和TM偏振的Si波导宽度的函数的有效折射率的模拟的图形表示3500。从图35的曲线3506和3508可以看出，SiN波导中TE和TM偏振的有效折射率不随Si波导宽度而变化，并且具有约1.7的值。从图35的曲线3502和3504可以看出，在130nm至180nm(或0.13μm至0.18μm)的区域中，Si波导中TE偏振的有效折射率(见曲线3502)小于1.7，并且跨越该区域增加，并且在130nm至180nm的区域中Si波导中的TM偏振的有效折射率(见曲线3504)大于1.7，并且跨越该区域增加。因此，如果Si波导的锥形端的尖端宽度在130nm至180nm之间，则TE和TM偏振将在绝热耦合器区域中必然具有不同的耦合效率。在图36和37中示出了130nm至180nm范围内多种尖端宽度的TE和TM耦合效率之间的差异。
Si波导中TM偏振的有效折射率(曲线3504)与SiN波导中TM偏振的有效折射率(曲线3508)交叉处的Si波导宽度在本文中可以被称为“TM最大锥形宽度”并且在图35中为约100nm。从图35可以看出，如果Si波导的锥形端的尖端宽度大于TM最大锥形宽度，则可以阻止Si波导和SiN波导之间TM偏振的绝热耦合相对于TE偏振的耦合效率具有高效率。类似地在Si波导中TE偏振的有效折射(曲线3502)与SiN波导中的TE偏振的有效折射率(曲线3506)交叉处的Si波导宽度在本文中可以被称为“TE最大锥形宽度“，并且在图35中为约180nm。从图35可以看出，如果Si波导的锥形端的尖端宽度小于TE最大锥形宽度，则可以允许Si波导和SiN波导之间TE偏振的绝热耦合相对于TM偏振的耦合效率具有高效率。
图36是根据本文所述的至少一个实施方案布置的TE和TM偏振耦合效率的模拟的图形表示3600，其作为尖端宽度为180nm和150nm的Si波导的Si波导锥形长度的函数。特别地，对于尖端宽度为180nm，曲线3602表示TE耦合效率，而曲线3604表示TM耦合效率。类似地，对于尖端宽度为150nm，曲线3606表示TE耦合效率，而曲线3608表示TM耦合效率。从曲线3602、3604、3606和3608可以看出，在两个尖端宽度下，TE偏振(曲线3602和3606)具有比TM偏振(曲线3604和3608)更好的耦合效率。曲线3602和3606倾向于表明，对于尖端宽度等于或大于180nm，TE耦合可以低于90％。曲线3604和3608倾向于表明，对于尖端宽度小于或等于150nm，TM耦合可以大于10％。
图37是根据本文所述的至少一个实施方案布置的作为1.35μm、1.31μm和1.27μm三个不同波长信道的尖端宽度为160nm的Si波导的Si波导锥形长度的函数的TE和TM偏振耦合效率的模拟的图形表示3700。选择160nm的尖端宽度作为150nm(低于其TM耦合可大于10％)和180nm(高于其TE耦合效率可小于90％)之间的折衷。对于尖端宽度为160nm和1.35μm的波长信道，曲线3702A表示TE耦合效率，而曲线3702B表示TM耦合效率。类似地，对于尖端宽度为160nm和1.31μm的波长信道，曲线3704A表示TE耦合效率，而曲线3704B表示TM耦合效率。类似地，对于尖端宽度为160nm和1.27μm的波长信道，曲线3706A表示TE耦合效率，而曲线3706B表示TM耦合效率。从曲线3702A、3702B、3704A、3704B、3706A和3706B可以看出，在所有三个波长信道，TE偏振(曲线3702A、3704A和3706A)具有比TM偏振(曲线3702B、3704B和3706B)更好的耦合效率。
图37另外包括具有在1.35μm、1.31μm和1.27μm的三个波长信道的多个TE和TM偏振耦合效率值的表3708，其中Si波导锥形长度为约200μm。对于每个波长信道，TE偏振耦合效率与TM偏振耦合效率的比例也以分贝(dB)为单位来提供。
图35至37的模拟表明，至少在一些实施方案中，可以使用包括尖端宽度为130nm至180nm或150nm至180nm或约160nm的Si波导的绝热耦合器区域，以选择性地将大部分TE偏振从Si波导耦合到SiN波导(反之亦然)，而不会将大部分TM偏振从Si波导耦合到SiN波导(反之亦然)。可以如关于图38A至38C更详细地描述的那样组合两个或更多个这种绝热耦合器区域，以形成Si PIC偏振分路器或合路器，例如上面讨论的偏振分路器3402。
图38A至38C示出了根据本文所述的至少一个实施方案布置的示例性Si PIC偏振分路器或合路器3800A、3800B和3800C(以下统称为“偏振分路器3800”)。偏振分路器3800可以包括或对应于图34A和34B的偏振分路器3402，并且可以在图34A和34B的解复用器系统3400中和/或其他系统或装置中实现。
图38A至38C各自包括偏振分路器3800A、3800B或3800C的俯视图。图38A至38C的俯视图包括在偏振分路器3800的材料堆叠中不同级别的偏振分路器3800的多个组件的轮廓或所占区域，当从上方观察时可能不一定是可见的，但是被示出为轮廓或所占区域以说明多个组件相对于彼此的x和z对齐。
每个偏振分路器3800包括第一SiN波导3802、与第一SiN波导3802间隔开的第二SiN波导3804和Si波导3806。第一SiN波导3802和第二SiN波导3804可以形成在Si PIC的第一层，例如本文所述的具有SiN波导的第一层中的任何一个。Si波导3806可以形成在Si PIC的位于Si PIC的第一层上方或下方的第二层中，例如本文所述的具有Si波导的第二层中的任何一个。
第一SiN波导3802包括耦合器部分3808，第二SiN波导3804包括耦合器部分3810，并且Si波导3806包括第一锥形端3812和第二锥形端3814。第一锥形端3812与第一SiN波导3802的耦合器部分3808在两个正交方向(例如，x和z)上对齐，使得第一锥形端3812在两个正交方向上与第一SiN波导3802的耦合部分3808重叠并平行于第一SiN波导3802的耦合部分3808。第一SiN波导3802的锥形端3812和的耦合器部分3808可以通常形成第一绝热耦合器区域3816。类似地，第二锥形端3814与第二SiN波导3804的耦合器部分3810在两个正交方向(例如，x和z)上对齐，使得第二锥形端3814在两个正交方向上与第二SiN波导3804的耦合器部分3810重叠并平行于第二SiN波导3804的耦合器部分3810。第二SiN波导3804的第二锥形端3814和耦合器部分3810通常可以形成第二绝热耦合器区域3818。
Si波导3806的第一锥形端3812和第二锥形端3814中的每一个可以被构造为输入光束3820的大部分第一偏振(例如，TE偏振)在Si波导3806的第一锥形端3812和第二锥形端3814中相应之一与第一SiN波导3802和第二SiN波导3804中相应之一之间绝热耦合，并阻止与第一偏振正交的输入光束3820的大部分第二偏振(例如，TM偏振)在第一锥形端3812和第二锥形端3814中相应之一与第一SiN波导3802和第二SiN波导3804中相应之一之间绝热耦合。前述可以通过提供Si波导3806的第一锥形端3812和第二锥形端3814中的每一个来实现，所述锥形端具有通常区分第一偏振和第二偏振的适当尖端宽度。
更详细地，Si波导3806的第一锥形端3812可以具有这样的尖端宽度，其被构造为将来自第一SiN波导3802的大部分第一偏振通过第一锥形端3812绝热耦合到Si波导3806，并且阻止大部分第二偏振进入Si波导3806。例如，第一锥形端3812可以具有130nm至180nm，或150nm至180nm，或约160nm的尖端宽度。类似地，Si波导3804的第二锥形端3814可以具有这样的尖端宽度，其被构造为将通过Si波导3806传播的第一偏振的部分的大部分从Si波导3806通过第二锥形端3814绝热耦合到第二SiN波导3804，并阻止通过Si波导3806传播的第二偏振的部分的大部分进入第二SiN波导3804。例如，第二锥形端3814可以具有130nm至180nm，或150nm至180nm，或约160nm的尖端宽度。因此，与图35至37一致，第一锥形端3812和第二锥形端814的尖端宽度可被构造为选择性地将输入光束3820的第一偏振的大部分从第一SiN波导3802耦合到第二SiN波导3804，而不将第二偏振的大部分从第一SiN波导3802耦合到第二SiN波导3804。
在图38A的实施例中，Si波导3806可以具有200nm的锥形长度(例如，第一锥形端3812和第二锥形端3814中的每一个在光传播方向上可以是200nm长)，并且第一锥形端3812和第二锥形端3814中的每一个可以具有150nm的尖端宽度。或者或另外，第一SiN波导3802和第二SiN波导3804可以各自具有1μm的宽度，并且第一锥形端3812和第二锥形端3814中的每一个可以具有320nm的最大宽度。在该实施例中，对于1.31μm的波长信道，第一绝热耦合器区域3816和第二绝热耦合器区域3818中的每一个可以将约98％的TE偏振和约10％的TM偏振从一个波导绝热耦合到下一个波导(例如，从第一SiN波导3802到Si波导3806或从Si波导3806到第二SiN波导3804)，并且可以阻止约2％的TE偏振和约90％的TM偏振从一个波导绝热耦合到下一个。因此，在图38A中，来自第一SiN波导3802的端3824的输出光束3822可以包括输入光束3820的约2％的TE偏振和约90％的TM偏振。因为来自第二SiN波导3804的端3828的输出光束3826通过第一绝热耦合器区域3816和第二绝热耦合器区域3818两者，所以输出光束3826可以包括输入光束3820的约96％的TE偏振和约1％的TM偏振。
在图38B和38C中，每个偏振分路器3800B和3800C另外包括第三绝热耦合器区域3830或3832，以提高来自第一SiN波导3802的端3824的输出光束3822中TE和TM偏振的分离比。第三绝热耦合器区域3830或3832可以由第一SiN波导3802的第二耦合器部分3834和第二Si波导3840或3842的锥形端3836或3838构成。第二Si波导3840或3842可以形成在Si PIC的与Si波导3806相同的层中，或者形成在Si PIC的与Si波导3806不同的层中。
或者或另外，第一SiN波导3802可以包括耦合器部分3808上游的锥形端3844。在一个示例性实施方案中，第一SiN波导3802的锥形端3844具有约50μm的锥形长度(例如，z方向上的长度)。根据本文所述的一些实施方案的Si PIC中的SiN波导通常可以具有约0.7μm或更小的宽度(例如，在x方向上)，并且可以被称为标准SiN波导。相比之下，Si PIC偏振分路器(例如本文所述的偏振分路器3402和3800)中的SiN波导可以具有与标准SiN波导不同的宽度，例如约1μm的宽度，并且可以被称为偏振分路器SiN波导。第一SiN波导3802的锥形端844可以用作从标准SiN波导到偏振分路器SiN波导第一SiN波导3802(其为偏振分路器SiN波导)的转换。
第二Si波导3840或3842的锥形端3836或3838与第一SiN波导3802的第二耦合器部分3834在两个正交方向(例如x和z)上对齐，使得第二Si波导3840或3842的锥形端3836或3838在两个正交方向上与第一SiN波导3802的第二耦合器部分3834重叠并平行于第一SiN波导3802的第二耦合器部分3834。图38B中的第二Si波导3840通常包括S形，而图38C中的第二Si波导3842通常包括U形。或者也可以实施另一些形状。在一些实施方案中，第二Si波导3840和3842中的每一个包括与锥形端3836或3838相反的第二锥形端3846或3848。在另一些实施方案中，第二Si波导3840和3842中的每一个终止于锗(Ge)PIN探测器而不具有第二锥形端3846或3848。
第二Si波导3840或3842的锥形端3836或3838中的每一个可以具有适当的尖端宽度以一般地区分第一偏振和第二偏振。更详细地，第二Si波导3840或3842的锥形端3836或3838可以具有这样的尖端宽度，其被构造为将来自第一SiN波导3802的大部分第一偏振通过锥形端3836或3838绝热耦合到第二Si波导3840或3842，并阻止大部分第二偏振进入第二Si波导3840或3842。例如，锥形端3836或3838可以具有130nm至180nm，或150nm至180nm，或约160nm的尖端宽度。在一些实施方案中，第二Si波导3840或3842的第二锥形端3846或3848可以类似地具有130nm至180nm，或150nm至180nm，或约160nm的尖端宽度。
在图38B和38C的实施例中，Si波导3806可以具有200nm的锥形长度，并且第一锥形端3812和第二锥形端3814中的每一个可以具有160nm的尖端宽度。或者或另外，第二Si波导3840或3842也可以具有200nm的锥形长度，锥形端3836或3838和第二锥形端3846或3848中的每一个可以具有160nm的尖端宽度，第一SiN波导3802和第二SiN波导3804可以具有1μm的宽度。或者或另外，Si波导3806的第一锥形端3812和第二锥形端3814、第二Si波导3840或3842的锥形端3836或3838，和/或第二Si波导3840或3842的第二锥形端3846或3848可以具有320nm的最大宽度。在该实施例中，对于1.31μm的波长信道，第一绝热耦合器区域3816、第二绝热耦合器区域3818和第三绝热耦合器区域3830或3832中的每一个可以将约97.7％的TE偏振和约6.7％的TM偏振从一个波导绝热耦合到下一个(例如，从第一SiN波导3802到Si波导3806，从Si波导3806到第二SiN波导3804，或者从第一SiN波导3802到第二Si波导3840或3842)，并且可以阻止约2.3％的TE偏振和约93.3％的TM偏振从一个波导绝热耦合到下一个。因此，由于输出光束3822通过第一绝热耦合器区域3816和第三绝热耦合器区域3830两者，所以来自第一SiN波导3802的端3824的输出光束3822可以包括输入光束3820的约0.05％的TE偏振和约87％的TM偏振。另外，由于来自第二SiN波导3804的端3828的输出光束3826通过第一绝热耦合器区域3816和第二绝热耦合器区域3818两者，所以输出光束3826可以包括输入光束3820的约95％的TE偏振和约0.5％的TM偏振。因此，在图38B和38C的实施例中，输出光束3822中的TM/TE的比例可以为约32dB，并且输出光束3826中的TE/TM的比例可以为约23dB。更一般地，Si波导3806的第一锥形端3812和第二锥形端3814中的一者或两者的尖端宽度可以被构造为使TM偏振的至少80％通过第一SiN波导3802，并使TE偏振的至少90％从第一SiN波导3802绝热通过到第二SiN波导3804。
或者或另外，一个或更多个偏振分路器3800可以实施为偏振合路器。在这些和另一些实施方案中，可以在第一SiN波导3802的端3824接收TM输入光束，并且可以在第二SiN波导3804的端3828接收TE输入光束。在该实施例中，Si波导3806的第二锥形端3814可以具有130nm至180nm，或甚至小于130nm尖端宽度。Si波导3806的第一锥形端3812可以具有130nm至180nm，或150nm至180nm，或约160nm的尖端宽度。TM输入光束可以从右到左传播通过第一SiN波导3802。TE输入光束可以从右到左传播通过第二SiN波导3804，并且可以通过绝热耦合器区域3818绝热耦合到Si波导3806中并通过绝热耦合器区域3816绝热耦合到第一SiN波导3802中，其中其与TM输入组合。
图39A和39B包括示出了根据本文所述的至少一个实施方案布置的高折射率玻璃中介件3900(以下称为“中介件3900”)和图17的Si PIC 1700的对齐和附接的侧视图。中介件3900包括高折射率玻璃波导块3902和一个或更多个中介件波导3904。中介件波导3904可以包括可以例如通过离子交换法、紫外(UV)激光写入或另一些合适的折射率变换辐射或工艺被写入高折射率玻璃波导块中的高折射率玻璃波导。
如图39A所示，中介件3900与Si PIC 1700的蚀刻窗口1702对齐，其中中介件芯3904通常以上述方式在x和z方向上与Si PIC 1700的SiN波导1712对齐，以形成绝热耦合器区域。蚀刻窗口1702可以至少部分地填充有环氧树脂底部填料1902。如图39A所示，如箭头3906所示，然后中介件3900可以朝向Si PIC 1700(或反之亦然)移动，直到中介件芯3904与Si PIC 1700的SiN波导1712直接或至少紧密接触。
在所示的实施方案中，高折射率玻璃波导块3902限定了一个或多更个孔或槽3908，所述孔或槽3908从高折射率玻璃波导块3902的底表面垂直延伸，例如在y正方向上。每个孔或槽3908可以具有15μm至20μm或一些其他的高度(例如，在y方向上)。每个孔或槽可以延伸被构造成在蚀刻窗口1702内被接收的中介件3900的一部分的长度(例如，在z方向上)。被构造成在蚀刻窗口1702内被接收的中介件3900的该部分在一些实施方案中长度可以为2mm至3mm。或者或另外，在一些实施方案中，中介件3900在x方向上的宽度可以为约1.5mm。
当中介件3900插入到Si PIC 1700的蚀刻窗口1702中时，中介件3900可以被充分地压靠在Si PIC 1700上以至少部分地使环氧树脂底部填料1902移位并变薄，因此在中介件波导3904和SiN波导1712之间存在相对较少的环氧树脂底部填料。例如，在图39B的附接结构中，环氧树脂底部填料1902的厚度(例如在y方向上)可以小于1μm。移位的环氧树脂底部填料1902可以至少部分地填充孔3908以实现中介件3900到Si PIC 1700的良好粘附。
图40A包括根据本文所述的至少一个实施方案布置的另一高折射率玻璃中介件4000(以下称为“中介件4000”)的倒置透视图。中介件4000包括高折射率玻璃波导块4002和一个或更多个中介件波导4004。中介件波导4004可以包括可以例如通过离子交换法、UV激光写入或另一些合适的折射率变换辐射或工艺被写入高折射率玻璃波导块中的高折射率玻璃波导。中介件波导4000另外限定了与中介件波导4004纵向相邻的V形槽4006。
图40B包括根据本文所述的至少一个实施方案布置的绝热耦合到Si PIC 4008的中介件4000的透视图。中介件4000在图40B中示出为透明的，以允许感应到通常位于中介件4000的底表面上的中介件波导4004和V形槽4006。从图40B可以看出，中介件波导4004通常设置在通过Si PIC 4008的第一层上方的Si PIC的一个或更多个介电层限定的蚀刻窗口4010内。第一层可以包括一个或更多个SiN波导，在蚀刻窗口4010内中介件波导4004绝热耦合至该一个或更多个SiN波导。
图40B另外示出了光纤4012，中介件波导4004可以光学耦合至该光纤4012。特别地，光纤的端可以剥离外壳和/或波导包层，使得光纤4012的光纤芯位于V形槽4006内。在V形槽4006通常可以与中介件波导4004光学对齐的范围内，定位光纤4012使得其光纤芯位于v形槽4006内通常可以将每根光纤4012与相应的一个中介件波导4004光学对齐。
基本上对于本文中使用的任何复数和/或单数术语，本领域技术人员可以在适用于上下文和/或应用的情况下，从复数转换为单数和/或从单数转换为复数。为了清楚起见，可以在本文中明确地阐述各种单数/复数置换。
在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他具体形式实施。所描述的实施方式在所有方面被认为仅是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是前面的描述来表示。落在权利要求的等同内容的含义和范围内的所有变化将被包括在本发明的范围内。

Claims (23)

1.一种耦合系统，包括：
第一波导，其具有第一折射率n1和锥形端；
至少一个第二波导，各自具有第二折射率n2；
中介件，其包括具有第三折射率n3和耦合器部分的第三波导，其中：
所述第一波导的所述锥形端绝热耦合至所述至少一个第二波导中的一个的耦合器部分；
所述至少一个第二波导中的一个的锥形端绝热耦合至所述中介件的所述第三波导的所述耦合器部分；
n1＞n2＞n3；并且
所述耦合系统被构造为在所述第一波导和所述至少一个第二波导之间以及在所述至少一个第二波导和所述第三波导之间绝热耦合光；并且
其中所述第一波导和所述至少一个第二波导在硅光子体系中并在相同的Si光子集成电路工艺中制造，其中所述中介件的所述第三波导在不同的材料体系中形成，并单独附接到Si光子集成电路。
2.根据权利要求1所述的耦合系统，其中：
所述第一波导具有第一光学模尺寸；
所述至少一个第二波导中的每个具有第二光学模尺寸；
所述中介件的所述第三波导具有第三光学模尺寸；
所述第一光学模尺寸显著小于所述第二光学模尺寸；并且
所述第二光学模尺寸显著小于所述第三光学模尺寸。
3.根据权利要求2所述的耦合系统，其中所述中介件的所述第三波导的所述第三光学模尺寸基本类似于标准单模光纤的模尺寸，从而为从所述第一波导到单模光纤的光提供有效的光学耦合。
4.根据权利要求1所述的耦合系统，其中所述第一波导包括硅芯和二氧化硅包层，使得所述第一波导包括Si波导，所述至少一个第二波导中的每个包括氮化硅芯和SiO2包层，使得所述至少一个第二波导包括SiN波导。
5.根据权利要求4所述的耦合系统，其中所述中介件的所述第三波导包含聚合物。
6.根据权利要求4所述的耦合系统，其中所述中介件的所述第三波导包括高折射率玻璃波导。
7.根据权利要求1所述的耦合系统，其中所述第一折射率n1的值在3至3.5的范围内，所述第二折射率n2的值在1.8至2.2的范围内。
8.根据权利要求7所述的耦合系统，其中所述中介件的所述第三折射率的值在1.49至1.6的范围内。
9.根据权利要求4所述的耦合系统，其中所述Si波导的所述锥形端的宽度从300至330纳米的第一宽度渐变到约80nm的尖端宽度，其中所述SiN波导的所述锥形端的宽度从600nm至1000nm的第一宽度渐变到170nm至230nm的尖端宽度。
10.根据权利要求1所述的耦合系统，还包括：
包括所述第一波导的多个第一波导，每个具有所述第一折射率n1、第一端和与所述第一端相反的锥形端；
包括所述至少一个第二波导的多个第二波导；
包括在所述中介件中的多个第三波导，每个具有所述第三折射率n3和耦合器部分，其中：
所述多个第一波导中的每个的所述锥形端绝热耦合至所述多个第二波导中相应的一个的所述耦合器部分；
所述多个第二波导中的每个的所述锥形端绝热耦合至所述多个第三波导中相应的一个的所述耦合器部分；
所述中介件包括在其中形成有所述多个第三波导的高折射率玻璃波导块；
所述多个第三波导包括多个接收中介件波导和多个发射中介件波导；
在所述高折射率玻璃波导块的构造为耦合至光纤端连接器的输入/输出表面处，所述多个接收中介件波导和所述多个发射中介件波导的端具有双层布置，其构造成匹配与所述光纤端连接器耦合的接收光纤和发射光纤的布置。
11.根据权利要求1所述的耦合系统，还包括：
半导体激光器；
第一透镜，其位于所述半导体激光器和所述中介件的所述第三波导的输入端之间的光路中；
光学隔离器，其位于所述第一透镜之后的光路中；以及
第二透镜，其位于所述光学隔离器之后的光路中；
其中所述耦合系统被构造为将由所述半导体激光器发射并在所述中介件的所述第三波导中接收的光从所述第三波导绝热耦合至所述至少一个第二波导并且从所述至少一个第二波导绝热耦合至所述第一波导。
12.根据权利要求1所述的耦合系统，其中：
所述耦合系统还包括多个第二波导，所述多个第二波导包括所述至少一个第二波导、多个第二输入波导和第二输出波导，各自具有所述第二折射率n2；
所述第二输出波导的耦合器部分绝热耦合至所述第一波导的锥形端；
所述耦合系统还包括：
波分复用器，其具有各自耦合至所述多个第二输入波导中相应的一个的多个输入以及耦合至所述第二输出波导的输出；
包括在所述中介件中的多个第三波导，各自具有所述第三折射率n3和耦合器部分，其中所述多个第三波导中的每个的所述耦合器部分绝热耦合至所述多个第二输入波导中的相应的一个的锥形端；
多个半导体激光器；
多个第一透镜，各自位于所述多个半导体激光器中的相应的一个和所述多个第三波导中的相应的一个的输入端之间的相应光路中；
多个光学隔离器，各自位于所述多个第一透镜中的相应的一个之后的相应光路中；以及
多个第二透镜，各自位于所述多个光学隔离器中的相应的一个之后的相应光路中。
13.根据权利要求1所述的耦合系统，其中：
所述耦合系统还包括多个第二波导，各自具有所述第二折射率n2；
所述多个第二波导中的第一个的锥形端绝热耦合至所述第三波导的耦合器部分；
所述耦合系统还包括：
阵列波导光栅，其具有耦合至所述多个第二波导中的第一个第二波导的第一输入或输出和各自耦合至所述多个第二波导的其他中的相应的一个的多个第二输出或输入，以及
包括所述第一波导的多个第一波导，各自具有所述第一折射率n1和锥形端，其中所述多个第一波导中的每个的所述锥形端绝热耦合至所述多个第二波导的其他中的相应的一个的耦合器部分。
14.根据权利要求1所述的耦合系统，其中所述第一波导和所述至少一个第二波导形成在硅光子集成电路中，所述耦合系统还包括接合至所述硅光子集成电路的半导体芯片晶片，其中：
所述半导体芯片包括光学耦合至所述第一波导的与所述第一波导的所述锥形端相反的端的有源光学器件；以及
所述有源光学器件包括基于磷化铟的增益元件或基于InP的pin探测器。
15.根据权利要求1所述的耦合系统，还包括硅光子集成电路，包括：
基底；
形成在所述基底上方的二氧化硅隐埋氧化物；
形成在所述二氧化硅隐埋氧化物上方的第一层，其中所述至少一个第二波导形成为至少一个氮化硅波导；
形成在所述二氧化硅隐埋氧化物上方且在所述第一层上方或下方的第二层，在所述第二层中所述第一波导形成为Si波导；以及
形成在所述第一层上方的多个介电层，其中：
所述硅光子集成电路限定了穿过所述多个介电层向下至所述第一层的蚀刻窗口，其中所述少一个第二波导的所述锥形端在所述蚀刻窗口中露出；
所述蚀刻窗口在三个侧上被所述硅光子集成电路的在所述第一层上方的所述介电层侧向限定；
包括在所述硅光子集成电路的所述介电层中的顶层包括至少在限定所述蚀刻窗口的所述顶层的区域中的多个金属虚拟物。
16.根据权利要求15所述的耦合系统，其中：
所述中介件包括中介件基底、中介件包层和中介件芯，所述中介件芯和所述中介件包层共同形成所述第三波导；
所述中介件芯的至少底表面沿着位于所述至少一个第二波导的所述锥形端上方的所述蚀刻窗口内的所述第三波导的所述耦合器部分露出并且没有所述中介件包层；
所述中介件还包括从所述中介件包层向下延伸并从所述第三波导侧向偏移的至少一个中介件对齐脊；
所述硅光子集成电路限定了从所述蚀刻窗口侧向偏移的至少一个锚窗口；并且
所述至少一个中介件对齐脊位于所述至少一个锚窗口内，以使所述第三波导与所述至少一个第二波导中的一个侧向对齐。
17.根据权利要求15所述的耦合系统，其中：
所述中介件包括高折射率玻璃波导块；
所述第三波导包括形成在所述高折射率玻璃波导块中的高折射率玻璃波导；
所述高折射率玻璃波导块限定了从所述高折射率玻璃波导侧向偏移的一个或更多个孔或槽；
所述一个或更多个孔或槽从所述高折射率玻璃波导块的底表面垂直向上延伸；
所述耦合系统还包括位于所述蚀刻窗口内在所述蚀刻窗口内的所述第一层的至少部分和所述高折射率玻璃波导块的底表面的至少部分之间的环氧树脂底部填料；
所述高折射率玻璃波导块的所述底表面与所述第一层之间的所述环氧树脂底部填料的厚度小于1微米；并且
所述一个或更多个孔或槽中的每个都填充有所述环氧底部填料。
18.根据权利要求15所述的耦合系统，
所述中介件包括高折射率玻璃波导块；
所述第三波导包括形成在所述高折射率玻璃波导块中的高折射率玻璃波导；
所述高折射率玻璃波导块限定了与所述高折射率玻璃波导纵向相邻的V形槽；并且
所述V形槽被构造为在其中接收光纤的至少一部分并使所述光纤与所述高折射率玻璃波导光学对齐。
19.根据权利要求1所述的耦合系统，其中所述中介件包括：
二氧化硅基底；
耦合至所述二氧化硅基底的氮氧化硅包层；以及
SiON芯，其在所述中介件的第一部分内所有侧被包围，在所述中介件的第二部分内至少一侧露出且没有SiON包层，其中所述SiON包层和所述SiON芯共同形成所述第三波导。
20.根据权利要求1所述的耦合系统，其中所述中介件包括玻璃中介件上的聚合物，包括：
玻璃基底；
耦合至所述玻璃基底的聚合物包层；以及
聚合物芯，其在所述中介件的第一部分内所有侧被聚合物包层包围，在所述中介件的第二部分内至少一侧露出且没有聚合物包层，其中所述聚合物包层和所述聚合物芯共同形成所述第三波导。
21.根据权利要求1所述的耦合系统，还包括硅光子集成电路，包括：
基底；
形成在所述基底上方的二氧化硅隐埋氧化物；
形成在所述二氧化硅隐埋氧化物上方的第一层，并且在所述第一层中形成所述至少一个第二波导和多个第二波导；
形成在所述二氧化硅隐埋氧化物上方且在所述第一层上方或下方的第二层，在所述第二层中所述第一波导形成为Si波导；以及
形成在所述第一层中的SiN波分解复用器，其中所述SiN波分解复用器的输入耦合至多个SiN波导中的一个，所述SiN波分解复用器的多个输出中的每个耦合至所述多个SiN波导中的相应的不同的一个。
22.根据权利要求21所述的耦合系统，还包括形成在所述Si光子集成电路中的Si光子集成电路偏振分路器，其中所述Si光子集成电路偏振分路器包括：
形成在所述Si光子集成电路的所述第一层中的所述多个SiN波导的第一SiN波导，其中所述第一SiN波导包括在所述第一SiN波导的第一端的耦合器部分；
形成在所述Si光子集成电路的所述第一层中并与所述第一SiN波导隔开的所述多个SiN波导的第二SiN波导，其中所述第二SiN波导在所述第二SiN波导的第一端包括耦合器部分；以及
形成在所述Si光子集成电路的所述第二层中的所述Si波导，其中：
所述第一波导的所述锥形端包括所述Si波导的第一锥形端，所述Si波导还包括与所述第一锥形端相反的第二锥形端；
所述Si波导的所述第一锥形端与所述第一SiN波导的所述耦合器部分在两个正交方向上对齐，使得所述Si波导的所述第一锥形端在所述两个正交方向上与所述第一SiN波导的所述耦合器部分重叠并平行于所述第一SiN波导的所述耦合器部分；
所述两个正交方向对应于所述第一SiN波导和所述第二SiN波导的长度方向和宽度方向；
所述Si波导的所述第二锥形端与所述第二SiN波导的所述耦合器部分在所述两个正交方向上对齐，使得所述Si波导的所述第二锥形端在所述两个正交方向上与所述第二SiN波导的所述耦合器部分重叠并平行于所述第二SiN波导的所述耦合器部分；
所述Si波导的所述第一锥形端和所述第二锥形端中的每个被构造为使输入光束的大部分TE偏振在所述第一锥形端和所述第二锥形端中相应的一个与所述第一SiN波导和所述第二SiN波导中相应的一个之间绝热耦合，并阻止所述输入光束的大部分TM偏振在所述第一锥形端和所述第二锥形端中相应的一个与所述第一SiN波导和所述第二SiN波导中相应的一个之间绝热耦合；
所述SiN波分解复用器包括第一SiN波分解复用器，其输入光学耦合至所述第一SiN波导的与所述第一SiN波导的所述第一端相反的第二端；并且
所述耦合系统还包括形成在所述Si光子集成电路的所述第一层中的第二SiN波分解复用器，其多个输出和输入光学耦合至所述第二SiN波导的与所述第二SiN波导的所述第一端相反的第二端。
23.根据权利要求22所述的耦合系统，还包括设置在所述第二SiN波导的第二端与所述第二SiN波分解复用器的输入之间的光路中的偏振旋转器。
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