CN108603982B

CN108603982B - 用于光耦合的波导结构

Info

Publication number: CN108603982B
Application number: CN201780010753.2A
Authority: CN
Inventors: 马汀·塔萨特
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2037-02-13
Also published as: US20180017732A1; WO2017137007A1; CN108603982A; EP3206062B1; EP3206062A1

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)包括嵌入在第一包层(102)中的第一波导(101)、至少两个第二波导(103a、103b)，所述至少两个第二波导(103a、103b)与所述第一波导(101)垂直分隔并嵌入在所述第一包层(102)上提供的第二包层(104)中。因此，所述第一和第二波导(101、103a、103b)均包括所述波导结构(100)的耦合区域(105)中的一个至少部分锥化的端截面，所述第一波导101的所述端截面与所述第二波导(103a、103b)的所述端截面相对锥化。此外，所述第一波导(101)横向，优选地居中，放置在所述耦合区域(105)中的所述至少两个第二波导(103a、103b)之间。

Description

用于光耦合的波导结构

相关申请案交叉申请

本申请要求2016年2月12日递交的发明名称为“用于光耦合的波导结构(WAVEGUIDE STRUCTURE FOR OPRICAL COUPLING)”的第16155525.5号欧洲专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容以引用的方式并入本文本中。

技术领域

本发明涉及用于光耦合的波导结构，并且涉及其制造方法。具体而言，波导结构可以通过一个设备到另一设备或到衬底的转印获得。波导结构以低损耗优选实现两个耦合设备之间的垂直光耦合。同时，波导结构允许设备之间存在大的对准容差。为此，波导结构采用波导“三叉戟”，其包括一个第一波导和两个或多个第二波导，以便传递光。

背景技术

作为应用范围广的通用技术平台，硅光子学正迅速受到重视。这类应用可以例如在电信、数据通信、互连或传感技术领域中使用。硅光子学的主要优势在于，其允许通过在高质量、低成本硅衬底上使用CMOS兼容晶圆级工艺来实施光子功能。此外，由于大规模硅生产的可用性，硅光子芯片的价格会极具优势，硅光子芯片有时集成数百个基础构建模块。这是非常重要的，尤其是对于设备成本是主要问题的短距离应用，像数据通信、互连或接入网络。

然而，由于硅是间接带隙材料的这一事实，很难单片集成有源组件。因此，对于传统集成有源组件，设备需要对接耦合或倒装片，这产生更昂贵的封装。替代性方案将使制造工序更加复杂和昂贵。

这个问题的第一种已知方案是增长硅上的锗。虽然该方案允许生产光电探测器和电吸收调制器，但是它们的制造工序变得相当复杂，并且所生产出的组件不如使用最新技术的III-V半导体技术制造的组件好。此外，放大器和激光器仍然不可能使用该方案实现。

第二种已知方案通过晶圆键合采用异构集成。虽然该方案已获得满意效果，但是其当前仍然是不切实际的，这是因为需要在硅晶圆上处理III-V半导体。

第三种已知方案利用中间衬底使用转移技术(例如转印)，这允许在衬底上进行成品(例如有源)设备的高吞吐量布置。该方案以及通常情况下的任何转移技术有可能显著降低硅光子芯片的成本，同时提高它们的性能。这首先是由于以下事实：所有III-V半导体处理都能够在专用III-V晶圆厂中且在具有高密度设备阵列的晶圆上进行。因为设备能够在晶圆上紧密封装在一起，所以每个设备的成本会相当低。此外，这类设备晶圆可以针对生产的设备类型充分优化，这比使用III-V半导体技术进行的单片集成更有优势。其次，转印是晶圆级工序，即，大量设备能够同时打印，这降低了集成成本。第三，由于设备从有源设备晶圆的顶部卸下，所以它们会与衬底上的底层电路非常紧密地集成，与异构集成相似，但是在200-300mm硅晶圆上进行晶圆键合和III-V半导体处理没有困难。

但是使用转移技术的第三种方案存在一个问题。即对准精度，这在例如转印过程限制为约3σ<1.5μm时会实现。因此，为了能够将第三种方案用于硅光子设备，在例如印制有源设备与衬底或其它设备上的底层硅光子电路之间需要有一个支持更大对准容差的接口。

在稍有不同的光纤到芯片耦合的技术领域中，波导对准对于该技术领域有时也很关键，所谓的三叉戟边缘耦合器是已知的。三叉戟耦合器由两个逆锥形并行波导组成，它们挨着彼此放置并将光输入模式转变为并行波导中的光偶阶模式。在光传播通过并行波导之后，偶阶模式被转换为第三单模波导中的基模，第三单模波导添加在这两个并行波导之间。第三波导从窄尖逐渐变为较宽波导形状，而两个并行波导削减为两个窄尖。

与传统边缘耦合器相比，这种三叉戟边缘耦合器允许轻微增强与入射光的模态重叠，并且在存在横向对准误差时也能如此。然而，三叉戟耦合器仅可用作边缘耦合器，不能用作所谓的倏逝耦合器，即，用于在不同垂直排列的设备层或设备之间传递光的耦合器。换言之，三叉戟耦合器无法用于利用转印技术获得的设备接口。

发明内容

鉴于上文提及的问题和缺点，本发明旨在改进已知方案。因此，本发明的目标是提供一种可以用作倏逝耦合器的波导结构及其制造方法。具体地，本发明想要提供一种波导结构，从而实现比传统方案更高的对准容差。所述波导结构具体可用于利用转印技术获得的垂直(设备)接口。也就是，将会实现一个设备的不同垂直层中的波导之间或者两个垂直耦合设备的波导之间的有效耦合。在这个意义上，对于相对大的对准误差(即，大约1μm)，通过低耦合损耗(即，<0.1dB)来实现有效耦合。

本发明的目的通过所附独立权利要求中提供的方案实现。本发明的有利实施方式在从属权利要求中进一步定义。

具体而言，本发明提议使用一种包括波导“三叉戟”的波导结构，以便提高设备层或设备之间的耦合效率，并且在对准被关闭时也能如此。因此，使用具有反向锥化的端截面的多个波导，以便在不同设备层或设备，特别是转印或倒装片设备之间(在垂直方向)传递光。

本发明的第一方面提供了一种用于光耦合的波导结构，包括嵌入在第一包层中的第一波导、与所述第一波导垂直分隔并嵌入在所述第一包层上提供的第二包层中的至少两个第二波导，其中，所述第一和第二波导均包括所述波导结构的耦合区域中的至少部分锥化的端截面，所述第一波导的所述端截面与所述第二波导的所述端截面相对锥化；所述第一波导横向，优选地居中，放置在所述耦合区域中的所述至少两个第二波导之间。

每当使用词语‘垂直地’时，都表示沿波导结构生长(或者制造或集成)方向的方向。‘垂直’方向是垂直于波导结构的波导所在的平面。每当使用词语‘横向地’时，都表示垂直于波导的延伸方向并且还垂直于‘垂直’方向的方向。每当使用词语‘纵向地’时，都表示沿着波导的延伸方向，即，垂直于‘横向’和‘垂直’方向的方向。

在第一方面的所提议波导结构中，存在至少两个包层(即，设备层)设置在彼此的上方。包层可以是相同类型或者不同类型。波导结构中的光可以在分别嵌入在两个包层中的波导之间传递。为了低耦合损耗，第一波导的光模式在绝热地传递到第二波导的光模式。第一波导的模式大小根据锥化端截面而增加。第二波导的模式大小比较大，因为其作为超模在至少两个波导上伸展，并且进一步根据锥化端截面而增加。因此，三个横向排列的波导的模式在一个较大的横向距离上伸展。因为第一波导还横向放置在第二波导之间，所以第一波导的模式与第二波导的模式之间的重叠仍然很大，即使是存在明显的横向对准误差时。因此，第一方面的波导结构允许两个包层(设备)之间的有效光耦合，即使是存在较大的横向对准误差时。此外，由于第一和第二波导的垂直对准仅根据包层的层厚度确定，而厚度在制造期间通常可以很好地控制，所以波导结构整体上具有非常好的对准容差。

具体通过优化第一波导与第二波导之间的距离，特别是锥化端截面的距离和形状，以及优化不同波导的宽度，波导结构垂直方向上的耦合能够优化到低于0.1dB的非常低的耦合损耗，即使是对于1μm量级的明显对准误差。该对准容差有利地使波导结构能够用于通过光子设备的转印获得的接口，因为其解决了例如将一个光子(有源)印制设备对准到衬底上的下方光子电路这一挑战。因为转印是晶圆级的且快速的工序，所以能够实现高产量，因此制造成本较低。此外，不同半导体技术能够更简单地组合，因此设备能变得更加复杂而无需增加太多成本。

根据如上所述第一方面，在所述波导结构的第一实施形式中，所述第二波导的所述端截面不在所述耦合区域的传递部分锥化，所述第一波导的所述端截面在所述传递部分锥化。

耦合区域的传递部分的这一设计更适合将光从第一波导经由第二波导耦合到第三单模波导。该设计允许波导的较大横向对准容差，因为偏向于耦合到第二波导的偶超模。

根据所述第一方面的所述第一实施形式，在所述波导结构的第二实施形式中，所述第一波导与每个所述第二波导之间的横向距离至少为0.7μm。

波导之间的这个优选最小距离确保了高横向对准容差。优选地，传递部分的长度选择得足够长，以提供波导之间的绝热转变(低损耗耦合)。最优选地，传递部分的长度大于120μm。

根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实施形式，在所述波导结构的第三实施形式中，所述第一和第二波导的所述排列设计为与所述耦合区域中的偶超模具有耦合，其中禁止任何奇超模。

这里，词语‘禁止’是指第二波导中的奇超模的振形发生改变，使得其基本不参与耦合。也就是，其与第一波导中的模式(轮廓)有非常小的重叠，特别是相比于偶模式与第一波导中的模式的重叠。禁止奇超模尤其有利于将光从单模第一波导经由第二波导耦合到第三单模波导。

根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实施形式，在所述波导结构的第四实施形式中，所述波导结构还包括优选地嵌入在所述第二包层中的第三波导，其中，所述第三波导与所述第一波导纵向分隔，并且优选地不与所述第二波导垂直分隔；所述第二和第三波导均包括所述波导结构的转换区域中的一个锥化端截面，所述第二波导的所述端截面与所述第三波导的所述端截面相对锥化；所述第三波导横向，优选地居中，放置在所述转换区域中的所述至少两个第二波导之间。

第三波导优选地是单模波导。通过第四实施形式的波导结构，光能够以非常低的耦合损耗从第一波导(优选地是单模波导)耦合到第三波导，即使在两个包层(即，设备层)之间存在高对准误差时。

根据所述第一方面的所述第二到第四实施形式，在所述波导结构的第五实施形式中，所述转换区域中的所述第二波导的所述端截面与所述耦合区域中的所述第二波导的所述端截面相对锥化。

第二波导和第三波导的锥化分别使得这些波导之间的绝热耦合具有低耦合损耗。

根据如上所述第一方面，在所述波导结构的第六实施形式中，所述第一和第二波导的所述端截面在所述耦合区域的传递部分锥化。

该设计适合于将光从第一波导经由第二波导耦合到多个波导或者耦合到一个多模波导或设备。第一和第二波导的锥化分别使得耦合性能提高，因为锥化将支持耦合到第二波导的偶和奇超模。

根据所述第一方面的所述第六实施形式，在所述波导结构的第七实施形式中，所述第一波导与每个所述第二波导之间的横向距离至少为0.7μm。

波导之间的这个优选最小距离确保了高对准容差。优选地，传递部分的长度足够长以提供波导之间的绝热转变(耦合)，最优选地，传递部分的长度大于80μm。

根据所述第一方面的所述第六或第七实施形式，在所述波导结构的第八实施形式中，所述第一和第二波导的所述排列设计为与所述耦合区域中的偶超模和奇超模具有耦合。

这里，第二波导的偶超模和奇超模都能够用于耦合到其中，即，无需禁止奇超模。因此，第一和第二波导各自的端截面的较强锥化是可能的，这使设备更紧凑。而且因此实现更高的对准容差。使用这两种超模有利于将光从第一波导经由第二波导耦合到多个波导或者耦合到一个多模波导或设备。

根据所述第一方面的所述第六至第八实施形式中的任一实施形式，在所述波导结构的第九实施形式中，所述第二波导耦合到所述耦合区域之外的两个独立波导中，其中所述独立波导优选地路由到光电探测器。

根据所述第一方面的所述第六至第八实施形式中的任一实施形式，在所述波导结构的第十实施形式中，所述第二波导耦合到所述耦合区域之外的多模波导或多模设备中，其中所述多模波导或多模设备优选地路由到光电探测器。

根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实施形式，在所述波导结构的第十一实施形式中，所述第一波导属于第一芯片或衬底，所述第二波导属于第二芯片，其中所述第二芯片转印或倒装片键合到所述第一芯片或衬底上。

本发明的波导结构非常适合在通过转印技术(和使用倒装片工序)获得的接口处使用，因为这些技术仅存在有限的对准精度，但波导结构具有非常好的对准容差。也就是，虽然对准精度受限，但是实现了低于1dB的非常低的耦合损耗。

本发明的第二方面提供了一种制造用于光耦合的波导结构的方法，包括以下步骤：形成嵌入在第一包层中的第一波导；形成与所述第一波导垂直分隔并嵌入在所述第一包层上提供的第二包层中的至少两个第二波导，其中，所述第一和第二波导均由所述波导结构的耦合区域中的至少部分锥化的端截面形成，所述第一波导的所述端截面与所述第二波导的所述端截面相对锥化形成；所述第一波导横向，优选地居中，放置在所述耦合区域中的所述至少两个第二波导之间。

根据如上所述第二方面，在所述方法的第一实施形式中，所述第二波导的所述端截面不在所述耦合区域的传递部分锥化形成，所述第一波导的所述端截面在所述传递部分锥化形成。

根据所述第二方面的所述第一实施形式，在所述方法的第二实施形式中，所述第一波导与每个所述第二波导之间的横向距离设置为至少0.7μm。

根据如上所述第二方面或根据所述第二方面的任一前述实施形式，在所述方法的第三实施形式中，所述第一和第二波导的所述排列设计为与所述耦合区域中的偶超模具有耦合，其中禁止任何奇超模。

根据如上所述第二方面或根据所述第二方面的任一前述实施形式，在所述方法的第四实施形式中，所述方法还包括形成优选地嵌入在所述第二包层中的第三波导，其中，所述第三波导与所述第一波导纵向分隔并且优选地不与所述第二波导垂直分隔；所述第二和第三波导均由所述波导结构的转换区域中的锥形端截面形成，所述第二波导的所述端截面与所述第三波导的所述端截面相对锥化形成；所述第三波导横向，优选地居中，放置在所述转换区域中的所述至少两个第二波导之间。

根据所述第二方面的所述第二到第四实施形式，在所述方法的第五实施形式中，所述转换区域中的所述第二波导的所述端截面与所述耦合区域中的所述第二波导的所述端截面相对锥化形成。

根据如上所述第二方面，在所述方法的第六实施形式中，所述第一和第二波导的所述端截面在所述耦合区域的传递部分锥化形成。

根据所述第二方面的所述第六实施形式，在所述方法的第七实施形式中，所述第一波导与每个所述第二波导之间的横向距离设置为至少0.7μm。

根据所述第二方面的所述第六或第七实施形式，在所述方法的第八实施形式中，所述第一和第二波导的所述排列设计为与所述耦合区域中的偶超模和奇超模具有耦合。

根据所述第二方面的所述第六至第八实施形式中的任一实施形式，在所述方法的第九实施形式中，所述第二波导耦合到所述耦合区域之外的两个独立波导中，其中所述独立波导优选地路由到光电探测器。

根据所述第二方面的所述第六至第八实施形式中的任一实施形式，在所述方法的第十实施形式中，所述第二波导耦合到所述耦合区域之外的多模波导或多模设备中，其中所述多模波导或多模设备优选地路由到光电探测器。

根据如上所述第二方面或根据所述第二方面的任一前述实施形式，在所述方法的第十一实施形式中，所述第一波导在第一芯片或衬底中形成，所述第二波导在第二芯片中形成，其中所述第二芯片转印或倒装片键合到所述第一芯片或衬底上。

所述第二方面及其实施形式的所述方法获得了一种根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任一实施形式的波导结构。因此，使用所述第二方面的所述方法能够实现上文提及的所有优势和效果。

须注意，本申请中描述的所有设备、元件、单元和构件都可以在软件或硬件元件或其任意类型的组合中实施。本申请中描述的各种实体执行的所有步骤和所描述的将由各种实体执行的功能旨在表明各个实体适于或用于执行各自的步骤和功能。即使在下文的特定实施例描述中，执行一特定步骤或功能的那个实体的特定详细元件的描述中未体现那个特定功能或步骤，其中，该特定功能或步骤将完全由永恒实体形成，技术人员也应清楚，这些方法和功能可以在各个软件或硬件元件或其任意类型的组合中实施。

附图说明

结合所附附图，下面具体实施例的描述将阐述上述本发明的各方面及其实现形式，其中：

图1示意性地示出了根据本发明一实施例的波导结构。

图2所示为根据本发明一实施例的波导结构的俯视图和横截面。

图3所示为针对根据图2的波导结构的锥长和不同对齐误差的模拟耦合传输。

图4所示为根据本发明一实施例的波导结构的俯视图和横截面。

图5所示为根据本发明一实施例的波导结构的俯视图和横截面。

图6所示为针对根据图4和图5的波导结构的锥长和不同对准误差的模拟耦合传输。

图7所示为根据本发明一实施例的制造方法的步骤的流程图。

具体实施方式

图1所示为根据本发明一实施例的示意波导结构100。波导结构100适用于光耦合，尤其适用于一个设备的不同层之间或者两个耦合设备之间的倏逝耦合(如示意性地示出)。波导结构100包括嵌入在第一包层102中的第一波导101，以及至少两个第二波导103a、103b，它们与第一波导101垂直分隔并嵌入在第一包层102上提供的第二包层104中。第二波导103a、103b优选地彼此不垂直分隔(图1中的小偏移仅为了说明两个第二波导)。

‘垂直’方向在示意坐标轴中(左上角)通过标为‘V’的轴指示。‘纵向’方向通过标为‘Lg’的另一个轴指示。‘横向’方向垂直于‘V’和‘Lg’两轴。

波导101、103a、103b可由硅或III-V材料等高折射率材料制成，或者由氮化硅或氮氧化硅等中等折射率材料制成。包层102、104可以由III-V材料等高折射率材料制成，或者由氧化硅或氮氧化硅等较低折射率材料制成。此外，波导可浅层或深层蚀刻。在浅度蚀刻的情况下，包层将包括波导材料与较低折射率包层材料的组合。在深度蚀刻的情况下，包层将仅包括包层材料。如图1所示，第一包层102可属于硅衬底或第一芯片106，第二包层104可属于第二芯片107。在这种情况下，第二芯片107优选地转印到第一芯片106上或者倒装片键合到第一芯片106。然而，包层102、104还可属于一个且相同的设备或芯片。也就是，波导结构100可以完全是单个设备或芯片的一部分，或者可以是两个(耦合)设备或芯片的一部分。还注意到，在图1的波导结构100中，显示两个波导103a、103b位于顶部(例如转印的)设备107中，显示第一波导101位于底部(衬底)设备106中。但是这一布置也可以颠倒，即，两个波导103a、103b可以位于底部(衬底)设备106中，第一波导101可以位于顶部(例如转印的)设备107中。

第一波导101和第二波导103a、103b均包括波导结构100的耦合区域105中的一个至少部分锥化的端截面。这意味着端截面可以部分锥化或完全锥化。唯一重要的是，第一波导101的端截面与第二波导103a、103b的端截面相对锥化，以便支持耦合区域105中的波导之间的绝热垂直耦合。端截面的锥化还增加了第一波导101和第二波导103a、103b的相应光模式大小。因此，增大了波导101、103a、103b的横向对准容差。耦合区域105是波导结构100的一部分，在耦合区域105中，光实际上从第一波导101中的一个模式(基本完全)耦合到第二波导103a、103b的一个模式，特别是耦合到第二波导103a、103b的至少一个超模。在纵向，耦合区域105大致定义为从第一波导101的锥化端截面的开始到其尖端的范围。

波导结构100中的波导排列是第一波导101横向放置(即，当从上面看时)在耦合区域105中的至少两个第二波导103a、103b之间。如果存在不止两个第二波导，那么它们的数量优选地是偶数，最优选地是这种情况下有四个或六个波导。然后，两个或三个第二波导分别横向排列在第一波导101的每侧。优选地，为了最佳耦合结果以及为了两个横向方向的最大对准容差，第一波导101在至少两个第二波导103a、103b之间居中。高对准容差是由于以下事实：第二波导103a、103b的超模在较大的横向区域中伸展，因此与第一波导101的模式会有较大的模态重叠，其中第一波导101横向位于第二波导103a、103b之间。

图2所示为波导结构100，以图1所示的波导结构为基础。图2中的波导结构100示为从顶部看(上部分)以及被视为横截面(下部分)。图2所示的波导结构100的设计有利于将光从第一单模波导101经由第二波导103a、103b耦合到第三单模波导，第三单模波导在图2中示为第三波导202。第三波导202优选地与第一波导101纵向分隔，并且优选地(如图2所示)与第二波导103a、103b不垂直分隔。

对于图2的俯视图，‘横向’方向在示意坐标轴中(左上方)通过标为‘Lt’的轴指示。‘纵向’方向通过标为‘Lg’的另一个轴指示。‘垂直’方向垂直于‘Lt’和‘Lg’两轴。对于图2的横截面，‘垂直’方向在示意坐标轴中(右下方)通过标为‘V’的轴指示。‘横向’方向通过标为‘Lt’的另一个轴指示。‘纵向’方向垂直于‘V’和‘Lt’两轴。

为了获得波导结构100的高对准容差，尤其是横向对准误差，提供了第一波导101和第二波导103a、103b的特定排列(“三叉戟”结构)。通过将第一波导101横向放置在至少两个第二波导103a、103b之间，以及通过为波导101、103a、103b分别提供相对锥化端截面，获得了第一波导中的模式与第二波导103a、103b中的至少一个超模之间的较大横向模式重叠以进行低损耗光耦合。该较大横向模式重叠使得在波导101、103a、103b对准到另一波导时的对准误差较高。

具体而言，图1的波导结构100的设计使得第一波导101在波导结构100的耦合区域105中从最初较宽的波导宽度锥化为较窄的波导宽度。从而扩大了第一波导101中的模式大小。因此，模式最终在三个波导101、103a、103b的整个排列上伸展，并与第二波导103a、103b中的模式有较大横向重叠。这样，光耦合到第二波导103a、103b。

图1的波导结构100特别设计为与耦合区域105中第二波导103a、103b的较大偶超模具有耦合，同时禁止了到任何奇超模的耦合(即，第一波导101中的模式与第二波导103a、103b中的奇超模之间的模态重叠较小，使得光将基本只耦合到偶超模)。为此，第二波导103a、103b的端截面不在耦合区域105的传递部分202中锥化，而第一波导101的端截面在传递部分202中锥化，以便扩大模式大小。在传递部分202中，光从第一波导101中的基模传递到第二波导103a、103b中的偶超模。

在光传递到第二波导103a、103b的偶超模中后，第二波导103a、103b被扩展，其中第二波导103a、103b的端截面与第一波导101相对锥化。因此，偶超模变得更局限于第二波导103a、103b。这在第一波导101最终在耦合区域105的末端结束时(以及在最终引入第三波导202时)有利地产生较低损耗，因为光将不会“看见”波导结构100中的这个突变，因此不会引起反射。

此后，至少两个波导103a、103b在波导结构100的转换区域203中再次锥化。具体而言，在该转换区域203中，第二波导103a、103b的端截面与耦合区域105中的第二波导103a、103b的端截面相对锥化。也就是，在传递部分201中扩展之后，第二波导103a、103b的宽度现再次变得较窄。在转换区域203中，第三波导202也包括锥化端截面。因此，第二波导103a、103b的端截面与第三波导202的端截面相对锥化。由于第三波导202还横向，优选地居中，放置在至少两个第二波导103a、103b之间，所以第二波导103a、103b中的偶超模与第三波导202中的单模有较大重叠，因此光从第二波导103a、103b传递到第三波导202。

总而言之，通过上述波导结构100，第一波导101的基模中的光能够经由至少两个第二波导103a、103b耦合到第三波导202中的基模，其中即使是对于参与波导的较大横向对准误差来说，耦合也是有效的。这类未对准误差可能由于将第一和第二包层102、104设置在彼此之上时，例如将第二芯片107转印到衬底或第一芯片107时(如图1所例示)产生的误差引起。

图3所示为针对刚刚结合图2描述的波导结构100的不同横向对准误差(不同曲线a至d分别对应于对准误差0.0μm、0.5μm、1.0μm和1.5μm)和锥长(对应于传递部分201的长度，在x轴示出)的模拟耦合传输(在y轴示出)。具体而言，例如，分别模拟了两个220nm厚的单模硅波导(如第一波导101和第三波导202)之间的耦合。传递部分201中的第一波导101的锥长至少应足以提供第一波导101与至少两个第二波导103a、103b之间的绝热转变(耦合)。优选地，第一波导101的锥长(定义传递部分201的长度)大于120μm。第一波导101与每个第二波导103a、103b之间的横向距离(横向中心到中心)优选地至少为0.7μm，更优选地至少为1.0μm，最优选地至少为1.5μm，例如用于图3所示的模拟的1.58μm。在传递部分201中，第二波导103a、103b的(基本恒定)宽度优选地为0.3μm或以下，更优选地为0.2μm或以下，例如用于图3所示的模拟的0.18μm，更优选地甚至为0.15μm或以下以禁止奇模式。

在传递部分201后，第二波导103a、103b的端截面的从其尖端到第一波导101所停止的点的锥长可以非常短，即，优选地在20-50μm的范围中。另外，第一波导101与第三波导202之间的纵向距离并不关键，优选地在20-50μm的范围中。转换部分203中的锥长同样可以很短，因为该部分通常不取决于横向对准误差(因为优选地，第二波导103a、103b和第三波导202都嵌入在第二包层104中)，并且优选地在20-50μm的范围中以进行优化传输。这些长度通过在每个部分假设绝热模式转变来获得。

模拟结果表明，对于传递部分201的大于120μm的长度，针对多达1μm的横向对准误差可以实现低于0.1dB的低耦合损耗。

图4和图5所示为波导结构100，以图1所示的波导结构为基础。波导结构100各自示为俯视图(上部分)以及横截面(下部分)。图4和图5所示为波导结构100，波导结构100的设计尤其用于将光从第一单模波导101经由第二波导103a、103b耦合到多个波导402a、402b中(如图4所示)或者到一个多模波导或设备502中(如图5所示)。对于这个设计，可实现的对准容差甚至更高。这是由于以下事实：光还能够从第一波导101中的模式耦合到第二波导103a、103b中的奇超模。换言之，第一和第二波导101、103a、103b的排列可设计为与耦合区域105中的奇超模和偶超模具有耦合。

所产生的与图2所示的波导结构100的不同是，可以使波导101、103a、103b的锥长更短。此外，因为无需禁止到奇超模的耦合，所以第一波导101和第二波导103a、103b的端截面都已经在耦合区域105的传递部分401(如图4所示)或501(如图5所示)中锥化。传递部分401、501中的锥化端截面扩展了第二波导103a、103b，因为这样将会与奇超模有较大重叠，以便提高整体耦合效率。

对于图4和图5中的俯视图，‘横向’方向在示意坐标轴中(左上方)通过标为‘Lt’的轴指示。‘纵向’方向通过标为‘Lg’的另一个轴指示。‘垂直’方向垂直于‘Lt’和‘Lg’两轴。对于图4和图5中的横截面，‘垂直’方向在示意坐标轴中(右下方)通过标为‘V’的轴指示。‘横向’方向通过标为‘Lt’的另一个轴指示。‘纵向’方向垂直于‘V’和‘Lt’两轴。

在图4中，第二波导103a、103b最终耦合到耦合区域105之外的两个独立波导402a、402b中。独立波导402a、402b优选地路由到光电探测器403。在图5中，第二波导103a、103b最终耦合到耦合区域105之外的多模波导502或多模设备中。多模波导502或多模设备优选地路由到光电探测器503。

图6所示为针对结合图4和图5所述的波导结构100的不同横向对准误差(不同曲线a至d分别对应于对准误差0.0μm、0.5μm、1.0μm和1.5μm)和锥长(对应于传递部分401、501的长度，在x轴示出)的模拟耦合传输(在y轴示出)。具体而言，针对一个220nm厚的第一硅波导101最终到两个220nm厚的独立波导402a、402b中的耦合给出了示例模拟结果。对于耦合传输的计算，考虑到波导103a和103b的偶超模和奇超模两者的传递功率。在这种情况下，传递部分401和501的长度优选地至少为80μm，其中所有三个波导101、103a和103b都在传递部分401和501中锥化。再次，第一波导101与每个第二波导103a、103b之间的横向(中心到中心)距离优选地至少为0.7μm，更优选地至少为1.0μm，最优选地至少为1.5μm，例如用于图6所示的模拟的1.55μm。对于传递部分401和501上的大于80μm的优选锥长，实现了对准容差耦合，其中对准误差容差多达1.5μm，模拟耦合损耗小于0.1dB。

图7所示为制造用于上述光耦合的波导结构100的方法700的步骤。方法700包括第一步骤701，形成嵌入在第一包层102中的第一波导101。在第二步骤702中，形成至少两个第二波导103a、103b，第二波导103a、103b与第一波导101垂直分隔并嵌入在第一包层102上提供的第二包层104中。因此，如指示为第三步骤703，利用波导结构100的耦合区域105中的至少部分锥化的端截面形成第一和第二波导101、103a、103b，其中特别是第一波导101的端截面与第二波导103a、103b的端截面分别相对锥化形成。此外，如指示为第四步骤704，将第一波导101横向，优选地居中，放置在波导结构100的耦合区域105中的至少两个第二波导103a、103b之间。

方法700可包括在衬底或第一芯片106中执行第一步骤701，在第二芯片107中执行第二步骤702，以及通过例如将第二芯片107转印到衬底或第一芯片106来实现第三和第四步骤703和704。

方法700还可以包括形成如图2所示的第三波导202，或者形成如图4和图5分别示出的独立波导402a、402b或多模波导502。因此，使用方法700能够实现上述波导结构100的所有优势和益处。

已经结合作为实例的不同实施例以及实施方案描述了本发明。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。在权利要求以及描述中，术语包括摂不排除其他元件或步骤，且一个摂并不排除复数可能。单个元件或其它单元可满足权利要求书中所叙述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

1.一种用于垂直光耦合的波导结构(100)，其特征在于，包括：

第一波导(101)，嵌入在第一包层(102)中；

至少两个第二波导(103a、103b)，与所述第一波导(101)垂直分隔并嵌入在所述第一包层(102)上提供的第二包层中(104)中，其中：

所述第一和第二波导(101、103a、103b)均包括所述波导结构(100)的耦合区域(105)中的一个至少部分锥化的端截面，所述第一波导(101)的所述端截面与所述第二波导(103a、103b)的所述端截面相对锥化，以及

所述第一波导(101)横向放置在所述耦合区域(105)中的所述至少两个第二波导(103a、103b)之间；

其中，所述第二波导(103a、103b)的所述端截面不在所述耦合区域(105)的传递部分(201)中锥化，以及

所述第一波导(101)的所述端截面在所述传递部分(201)中锥化；

所述波导结构(100)还包括第三波导(202)，嵌入在所述第二包层(104)中，其中：

所述第三波导(202)与所述第一波导(101)纵向分隔，并且不与所述第二波导(103a、103b)垂直分隔；

所述第二和第三波导(103a、103b、202)均包括所述波导结构(100)的转换区域(203)中的锥化端截面，所述第二波导(103a、103b)的所述端截面与所述第三波导(202)的所述端截面相对锥化，以及，

所述第三波导(202)横向放置在所述转换区域(203)中的所述至少两个第二波导(103a、103b)之间；所述第一和第二波导(101、103a、103b)的排列设计为与所述耦合区域(105)中的偶超模具有耦合，其中禁止任何奇超模。

2.根据权利要求1所述的波导结构(100)，其特征在于：

所述第一波导(101)与每个所述第二波导(103a、103b)之间的横向距离至少为0.7μm。

3.根据权利要求2所述的波导结构(100)，其特征在于：

所述转换区域(203)中的所述第二波导(103a、103b)的所述端截面与所述耦合区域(105)中的所述第二波导(103a、103b)的所述端截面相对锥化。

4.根据权利要求1至3之一所述的波导结构(100)，其特征在于：

所述第一波导(101)属于第一芯片或衬底(106)，以及

所述第二波导(103a、103b)属于第二芯片(107)，其中所述第二芯片(107)转印或倒装片键合到所述第一芯片或衬底(106)上。

5.根据权利要求1所述的波导结构(100)，其特征在于：

所述第一波导(101)横向居中放置在所述耦合区域(105)中的所述至少两个第二波导(103a、103b)之间；所述第三波导(202)横向居中放置在所述转换区域(203)中的所述至少两个第二波导(103a、103b)之间。

6.一种制造用于垂直光耦合的波导结构(100)的方法(700)，其特征在于，包括以下步骤：

形成(701)嵌入在第一包层(102)中的第一波导(101)，

形成(702)至少两个第二波导(103a、103b)，所述至少两个第二波导(103a、103b)与所述第一波导(101)垂直分隔并嵌入在所述第一包层(102)上提供的第二包层中(104)中，其中：

所述第一和第二波导(101、103a、103b)均由所述波导结构(100)的耦合区域(105)中的至少部分锥化的端截面形成(703)，所述第一波导(101)的所述端截面与所述第二波导(103a、103b)的所述端截面相对锥化形成，以及

所述第一波导(101)的所述端截面在所述传递部分(201)中锥化；

7.根据权利要求6所述的制造用于垂直光耦合的波导结构(100)的方法(700)，其特征在于：