CN109791251A

CN109791251A - 光束斑点尺寸转换器

Info

Publication number: CN109791251A
Application number: CN201680089813.XA
Authority: CN
Inventors: F.特斯塔; M.罗马格诺尔; L.塔洛内; T.卡塞塞
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2016-08-02
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2019-05-21
Anticipated expiration: 2036-09-01
Also published as: EP3494424A1; US20190265410A1; WO2018024347A1; US10605988B2; EP3494424B1; CN109791251B

Abstract

提供一种具有主体的光束斑点尺寸转换器。该主体包含具有第一折射率的第一光波导以及各自具有高于第一折射率的第二折射率的多个第二光波导。第一光波导被布置成接收输入光束。第一光波导还被布置成使得来自输入光束的光从第一光波导被耦合到多个第二光波导中。主体还包含输出光波导以及被耦合到多个第二光波导和输出光波导的反射部分。反射部分被布置成将从多个第二光波导接收的光束聚焦成单个光束，其被引导至输出光波导。

Description

光束斑点尺寸转换器

技术领域

本发明涉及光束斑点尺寸转换器以及包含光束斑点尺寸转换器的光子系统芯片。

背景技术

硅光子技术的近期进展通过该技术与互补金属氧化物半导体（CMOS）生产技术的兼容性来实现，这已使片上光子系统（PSoC）成为现实。PSoC可在仅几个平方毫米的芯片上包含大量的专用光子电路。这意味着PSoC可用于生产大规模（high scale）光交换设备、高速多波长收发机或其它类型的光处理设备。

然而，PSoC具有光损耗，其随着芯片中集成的光子电路的数量而增加。在诸如数据中心或无线电接入网的许多应用中，被耦合到PSoC的光互连接口没有足够大的功率预算来容许这样的光损耗。虽然掺铒光纤放大器（EDFA）能够被用于增加PSoC输出的光信号的功率，但是由于成本，此解决方案是不可行的。

因此，希望有大致无损耗的PSoC。然而，因为硅材料不能够发光，所以由III-V材料制成的、采取半导体光放大器（SOA）的形式的光放大元件会需要被集成到硅光子芯片中。类似地，如果希望生产具有包括若干激光器的复杂多通道光收发机的PSoC，则有必要将采取具有III-V活性层的管芯的形式的激光器集成到硅芯片中。

已研究了用于将SOA/激光器集成到PSoC中的各种技术，例如，如Zhiping Zhou、Bing Yin和Jourgen Michel的“On-chip light sources for silicon photonics”（Light: Science and Applications (2015) 4, e358; doi: 10.1038/lsa.2015.131,2015）中详细描述的技术。一种可行的技术是基于III-V管芯（具有SOA和/或激光器功能）在硅衬底上的倒装芯片接合。在此技术中，将III-V管芯的接口对接耦合在硅波导的前面。然而，硅波导的光束斑点尺寸（一般是数百纳米）和III-V管芯的光束斑点尺寸是截然不同的。因此，为了实现低耦合损耗，需要使用光束斑点尺寸转换器（SSC）电路。

存在多种现有的SSC电路。在Shimizu T、Hatori N、Okano M、Ishizaka M、Urino Y等人的“High density hybrid integrated light source with a laser diode arrayon a silicon optical waveguide platform for interchip opticalinterconnection”（8^th IEEE International Conference on Group IV Photonics, IEEE2011第181-183页）；以及在Hirohito Yamada的“Analysis of Optical Coupling for SOIwaveguides”（PIERS Online Vol. 6, No. 2, 2010）中描述了第一类型的SSC。在图1中说明此第一类型的SSC 100。

SSC 100包含用富硅氧化物（SiO_x:）光波导芯层110包围的硅（Si）光波导105。硅光波导105和富硅氧化物光波导芯110由二氧化硅包层115包围，并且在被布置于硅（Si）衬底120上的隐埋氧化物（BOX）层116之上。硅光波导105具有沿着它的长度的一部分从硅光波导105的第一末端125延伸的倒锥形，因此，硅光波导105的宽度逐渐增加。例如从III-V管芯输入的光被限定在二氧化硅结构内部，并且光在它的传播期间改变它的振形，以便适应于硅光波导105。以此方式，从SSC 100输出的光具有与输入到SSC 100中的光不同的光束斑点尺寸。

然而，此SSC 100具有其长度为数百微米（μm）的缺点，这意味着SSC 100过大而不能在高集成度的PSoC中使用。此外，在理想的输入/输出对准的情况下，此SSC 100的耦合损耗超过2dB而在+-1μm的未对准（其对应于商用倒装芯片机的对准精确度）情况下，已测量到3dB的总耦合损耗。

Nobuaki Hatori等人在“A hybrid integrated light source on a siliconplatform using a trident spot size convertor”（IEEE JLT, Vol. 32, N.7 (2014)）中描述了第二类型的SSC，在图2中说明该SSC。此SSC 200包含以三齿叉的形状布置的三个锥形硅波导205。在硅衬底215上布置的隐埋氧化物（BOX）层211之上，这些硅波导205被二氧化硅包层210包围。如在第一类型的SSC 100中那样，例如从III-V芯片输入到SSC 200中的光被限定在二氧化硅结构内部，并且光在传播期间改变它的振形，以便适应于硅波导205。以此方式，从SSC 200输出的光具有与输入到SSC 200中的光不同的光束斑点尺寸。

然而，此第二类型的SSC 200具有与上述第一类型的SSC 100相似的缺点。图2中的SSC 200的长度仍约为150μm。此外，SSC 200具有与SSC 100的耦合损耗特性相似的耦合损耗特性。

申请人已理解，会希望提供具有比上述SSC更小的尺寸的光束斑点尺寸转换器，而不增加并且最好是减少耦合损耗和/或未对准公差。申请人还已理解，会希望提供易于以低成本进行大量生产的光束斑点尺寸转换器。有利地，这样的光束斑点尺寸转换器可用于在光子系统芯片中增加光子集成电路的密度。

发明内容

根据本发明，提供一种具有主体的光束斑点尺寸转换器（SSC）。SSC主体包含具有第一折射率的第一光波导以及各自具有高于第一折射率的第二折射率的多个第二光波导。第一光波导被布置成接收输入光束。此外，第一光波导被布置成使得来自输入光束的光从第一光波导被耦合到多个第二光波导中。主体还包含输出光波导以及被耦合到多个第二光波导和输出光波导的反射部分。反射部分被布置成将从多个第二光波导接收的光束聚焦成单个光束，所述单个光束被引导至输出光波导。

此布置具有如下优点：实施本发明的光束斑点尺寸转换器可比上述SSC 100、200更小，以及具体来说，可具有比上述SSC 100、200更短的长度。将光从第一光波导耦合到多个第二光波导中而不是仅耦合到一个第二光波导中，实现更快的耦合，因而光波导的长度可更短。此外，与上述SSC 100、200相比，此布置可提供相似或更低的耦合损耗/未对准公差。此外，有利地，可易于以相对低的成本大量生产实施本发明的光束斑点尺寸转换器。

在实施例中，第一折射率（因而还有第二折射率）高于主体的折射率。主体可以是二氧化硅主体。

第一光波导可由硅化合物制成，优选地由氮化硅制成。多个第二光波导可由硅制成。此构造可具有增加光从第一光波导耦合到多个第二光波导中的速度的优点，因而使波导能够甚至更短。此外，有利地，氮化硅以及硅与CMOS生产技术兼容。因此，此构造可促进制造。然而，应理解，其它适当的材料可用于第一和第二光波导。

此外，输出光波导可由硅制成。

在实施例中，多个第二光波导和输出光波导中的至少一个具有沿着它的长度的至少一部分的锥形。因此，光束的振形以及因此斑点尺寸可随它沿着相应的波导传播而改变。

在优选实施例中，第二光波导中的每个具有沿着它的长度的至少一部分向反射部分延伸的倒锥形。这意味着每个第二光波导的宽度随着靠近反射部分而增加。倒锥形可大致是指数型的。

额外地或备选地，在优选实施例中，输出光波导可具有沿着它的长度的至少一部分从反射部分延伸的锥形。这意味着输出光波导的宽度可随着远离反射部分而减小。

在实施例中，第一光波导是SSC主体的第一层的一部分，以及多个第二光波导是SSC主体的第二层的一部分。在第二层上面提供第一层，使得第一光波导的至少一部分被布置在多个第二光波导的至少一部分上面。

在优选实施例中，反射部分和输出光波导也是第二层的一部分。这可促进制造，因为可在集成的层（例如硅层）中形成反射部分、输出光波导和多个第二光波导。

反射部分可包含抛物线或其它形状的镜面。因此，可通过对此类硅层的蚀刻来简单地形成反射部分。然而，应理解，反射部分的其它实现是可行的。

在实施例中，第一光波导具有第一纵轴，并且多个第二光波导各自具有第二纵轴。第一纵轴和第二纵轴大致在同一方向。

在优选实施例中，输出光波导具有第三纵轴，并且输出光波导被布置成使得它的第三纵轴相对于第二纵轴成一定角度。此角度可近似是90度，并且优选地大于45度。因此，有利地，可限制光束斑点尺寸转换器的长度，以及光束斑点尺寸转换器可更加紧凑。

根据本发明，还提供一种包含如上所述的光束斑点尺寸转换器的光子系统芯片。

附图说明

已针对下面的附图来描述现有技术：

图1，其示出第一类型的已知斑点尺寸转换器（SSC）电路；以及

图2，其示出第二类型的已知斑点尺寸转换器（SSC）电路。

现在将仅通过举例参考下面的附图来描述本发明的实施例：

图3说明优选实施例的光束斑点尺寸转换器：图3a示出光束斑点尺寸转换器的俯视图；以及图3b示出光束斑点尺寸转换器的侧视图；

图4a到4c说明输入光在它通过图3中说明的光束斑点尺寸转换器传播期间振形以及因此斑点尺寸的改变；

图5仅通过举例说明可从具体激光器芯片输入到光束斑点尺寸转换器中的光的模尺寸；

图6示出图3中所示的氮化硅波导的示例设计参数；

图7示出图3中所示的硅层的示例设计参数；

图8示出图3中所示的输出光波导的示例设计参数；

图9示出图3中所示的锥形硅波导的示例设计参数；

图10示出图3中所示的光束斑点尺寸转换器的垂直结构的示例设计参数；

图11示出在具有图6到10中所示的示例设计参数的图3的光束斑点尺寸转换器的硅层的功率分布（对数标度）的数值有限差时域（FDTD）仿真的结果；

图12说明未对准对具有图6到10中所示的示例设计参数的图3的光束斑点尺寸转换器上的耦合效率的影响；以及

图13示出光子系统芯片。

具体实施方式

图3说明根据本发明的优选实施例的光束斑点尺寸转换器300（其可简称为斑点尺寸转换器SSC）。具体来说，图3a从俯视图示出光束斑点尺寸转换器300，以及图3b从侧（即，截面）视图示出光束斑点尺寸转换器300。如本领域技术人员会理解的，光束斑点尺寸转换器300能够转换或改变输入光束的斑点尺寸，由此，从光束斑点尺寸转换器300输出的对应光束具有与输入光束不同的斑点尺寸。

光束斑点尺寸转换器300包含第一光波导305、多个第二光波导310、反射部分315以及输出光波导320。如下面会更详细描述的，这些元件305、310、315和320被包含在主体325内，在此示例中主体325包含二氧化硅（SiO₂）。参考图3b，能够看到，在此示例中主体325由多个层组成，即，主体325是多层主体。在此示例中，SSC 300被布置在硅衬底330上。

第一光波导305被布置成接收输入光束，在此示例中是在它的末端部分345接收输入光束，它的末端部分345在主体325的表面335具有接口。在此示例中，第一光波导305具有比每个第二光波导310的宽度更大的宽度（尽管小于多个第二光波导310的总宽度）。第一光波导305可称作条（strip）。

第一光波导305还被布置成使得来自输入光束的光从第一光波导305被耦合到多个第二光波导310中。

因为多个第二光波导310具有高于第一光波导305的折射率（可称作第一折射率）的折射率（可称作第二折射率），所以使这种耦合成为可能。在此示例中，第一光波导305由硅化合物制成，具体来说，由氮化硅(Si₃N₄)制成，以及多个第二光波导310由具有比氮化硅更高的折射率的硅（Si）制成。然而，应当理解，其它材料可用于第一光波导305和/或第二光波导310。在此示例中，第一光波导305的第一折射率高于主体325的折射率，而低于第二光波导310的第二折射率。

更具体地说，在此示例中，如图3b中所示，第一光波导305被布置在主体325/SSC300的第一层326（即，作为第一层326的一部分），以及多个第二光波导310是主体325/SSC300的第二层328的一部分，在第一层326下面提供第二层328。特别是，在此示例中，在第二层328上面提供第一层326，使得第一光波导305的至少一部分被布置在多个第二光波导310的至少一部分上面。注意，第一光波导305和多个第二光波导310之间没有直接接触；在此示例中，二氧化硅介于其间。在此示例中，主体325包含隐埋氧化物BOX层上包围第一和第二光波导305、310的二氧化硅包层。然而，应当理解，主体325可由任何适当的一种或多种材料构成。

在此示例中，第一光波导305的纵轴与多个第二光波导310的纵轴大致在同一方向。

在此示例中，存在七个第二光波导310，而且多个第二光波导310大致彼此平行。然而，应当理解，例如第二光波导310的数量能够变化，这例如取决于设计SSC 300以用于的输入光的振形。

在此示例中，如能够在图3b中所见，SSC 300被设计成从半导体激光器340接收光，与SSC 300的末端335相邻对接耦合所述半导体激光器340。更具体地说，半导体激光器340被布置成将光耦合到第一光波导305的第一末端部分345中。SSC 300和半导体激光器340都被定位在公共硅衬底330上。然而，SSC 300可备选地被设计成例如供半导体光放大器（SOA）或其它发光装置使用。

反射部分315被耦合到多个第二光波导310和输出光波导320。此外，反射部分315被布置成将从多个第二光波导310接收的光束聚焦成单个光束，该单个光束被引导至输出光波导320。

在此示例中，输出光波导320和反射部分315也由硅制成，以及反射部分315和输出光波导320是主体325的第二层328的一部分，所述第二层328包含第二光波导310。在此示例中，在集成硅层328中形成这些元件315、320、310。

在此示例中，反射部分315是通过以抛物线的形状蚀刻硅层的一部分来形成的抛物线镜面。然而，如本领域技术人员会理解的，反射部分315的其它实现是可行的。

在此示例中，输出光波导320在某一方向延伸，即，它具有纵轴（可称作第三纵轴），该纵轴与多个第二光波导310的纵轴大致成90度角度或旋转。然而，本领域技术人员会理解，SSC 300可被设计成使得相对于多个第二光波导310的纵轴成不同角度来布置输出光波导320的纵轴。以此方式，如会在下面进一步解释的，可提供更紧凑的光束斑点尺寸转换器。

在此示例中，多个第二光波导310中的每个以及输出光波导320具有沿着其长度的至少一部分的锥形。然而，在其它实施例中，可能例如多个第二光波导310中的仅一个以及输出光波导320具有锥形。如本领域技术人员会理解的，当光束沿着相应的波导传播时，这样的锥形可起作用以转换光束的振形，并因而转换光束的斑点形状。

在此示例中，如能够在图3a中所见，第二光波导310中的每个具有沿着其长度的一部分（即，沿着它的纵轴）向反射部分315延伸的倒锥形。这意味着，每个第二光波导310的宽度向着反射部分315增加。在此示例中，倒锥形大致沿着每个第二光波导310的整个长度延伸。然而，有可能倒锥形仅沿着第二光波导310的长度的一部分延伸。在此示例中，倒锥形大致是指数型的。然而，取决于所期望的振形/SSC 300的光束斑点尺寸转换，其它布置是可能的。

在此示例中，如再次能够在图3a中所见，输出光波导320具有沿着其长度的一部分（即，沿着它的纵轴）从反射部分315延伸的锥形。因此，输出光波导320的宽度随着远离反射部分315而减小。

图4说明输入到SSC 300中的光在其通过SSC 300传播期间振形的改变以及因此其斑点尺寸的改变。图5示出可从激光器或SOA输入到SSC 300的光的示例斑点尺寸。图4a示出在图3中所示的参考轴350、在第一光波导305接收的光的振形。此光被耦合到多个第二光波导310中。在沿着第二光波导310传播期间，相应光束的模被转换。图4b示出从第二光波导310输出（即，输入到反射部分315）的光束的振形。然后，反射部分315将从第二光波导310接收的模转换后的光束聚焦成单个光束，以便耦合到输出光波导320中。图4c中说明此输出的单个光束的振形。如上所述，当单个光束沿着输出光波导320传播时，波束的振形也可被转换。因此，输入光的振形以及因此斑点尺寸可由SSC 300转换。

此外，有利地，由于SSC 300的布置，可使用能够比上述现有的SSC 100、200小得多的SSC 300来实现斑点尺寸转换。因此，SSC 300可适合供高集成度PSoC使用。此外，耦合损耗和未对准公差可能比上述现有的SSC 100、200的耦合损耗和未对准公差更好或与之相同。此外，SSC 300的布置可适用于例如通过使用CMOS制造工艺来以低成本进行大量生产。

图6示出第一光波导305的示例设计参数。第一光波导305具有2700nm的宽度以及仅12600nm的芯长度和仅2500nm的锥形尖端长度。如虚线所示，第二光波导310的尖端410（在第一光波导305下面的层上）起始于与第一光波导305的输入端345相距1498nm之处。

图7示出硅层328的示例设计参数，硅层328包含多个第二光波导310（在此示例中是7个）、反射部分315和输出光波导320。多个第二光波导310的总宽度是4920nm，第二光波导310的相邻对的尖端之间有820nm。第二光波导310的长度是13954nm，因此仅稍长于第一光波导305。反射部分315（沿着y轴）的总长度是8334nm。因此，硅层700和当被布置在硅层之上时的第一光波导305层的总长度大约是23786nm（即，23.786μm）。因此，SSC 300能充分地小于具有数百μm左右的长度的上述现有SSC 100、200。

在此示例中，如上所述，输出光波导320与第二光波导310的纵轴（此处是在y轴上）大约成直角延伸。因此，输出光波导320不会增加SSC 300的长度。图8中示出输出光波导320的示例设计参数。在此示例中，由具有不同尺寸的两个三角形形成输出光波导320以形成锥形。输出光波导320的总长度小于12744nm（12.744μm）。因此，硅层700/第一光波导305层的总宽度为大约18000nm（即，仍仅为大约18μm）。因此，SSC 300可以是紧凑的。

图9示出具有大致指数型的倒锥形的第二光波导320的一个示例的设计参数。纵轴（y轴）的每侧上的锥形是对称的，并且从50nm的宽度开始。倒锥形遵循等式。

图10示出SSC 300的截面的设计参数（即，SSC 300的高度或厚度）。在此示例中，硅层328被布置在二氧化硅（SiO₂）BOX层1000上，在此示例中，该硅层328具有220nm的厚度，220nm是取决于所使用的晶圆的定值。BOX层1000也具有3000nm的定值，这取决于所使用的晶圆。包围硅层328的二氧化硅层1005具有345nm的高度，因而延伸至硅层328上方152nm处。在此二氧化硅层1005之上提供第一光波导305。因此，在此示例中，在第一光波导305和多个第二光波导310之间存在125nm的二氧化硅。在此示例中，第一光波导305具有80nm的厚度。另外的二氧化硅层1010包围第一光波导320，并且在此示例中，SSC 300的总高度是6000nm（6μm）。

申请人已进行了在具有上面详细描述的示例设计参数的上述SSC 300的硅层328的功率分布（对数标度）的有限差时域（FDTD）仿真。图11中示出结果。能够看到，当光功率从第一光波导305被耦合到多个第二光波导310中时，相应的第二光波导310中的光束的强度增加。与第一光波导305最靠近的那些第二光波导310携带比那些更远的第二光波导310更高强度的光束。然而，会看到，那些更远的第二光波导310确实仍从第一光波导310接收光，并因而携带光束。然后，已沿着第二光波导310传播的这些光束被反射部分315聚焦成单个光束，反射部分315引导光束，使得它沿着输出光波导320传播。

图12示出此示例中激光器340/SSC 300未对准对耦合效率的影响。在此示例中，耦合效率大约是75%，相当于1.25dB的损耗，这等于或优于上述现有的SSC 100、200的耦合效率。此外，会看到，对于1dB的损耗变动，横向定位公差高于+-1μm，这又等于或优于上述现有的SSC 100、200。

图13说明包含如上所述的SSC（未示出）的光子系统芯片1300。可例如在光子系统芯片1300内的硅衬底330上提供SSC 300。SSC 300可例如被对接耦合到激光器或半导体光放大器（SOA）或任何其它发光装置。

因而，本发明的实施例可提供具有比上述现有的SSC 100、200更小的尺寸的光束斑点尺寸转换器，而不增加耦合损耗和/或未对准公差。有利地，本发明的实施例也可提供易于以低成本大量生产的光束斑点尺寸转换器。有利地，此类光束斑点尺寸转换器可被用于增加片上硅光子系统（PSoC）中光子集成电路的密度。

Claims

1.一种光束斑点尺寸转换器，具有

主体，所述主体包含：

具有第一折射率的第一光波导；

各自具有高于所述第一折射率的第二折射率的多个第二光波导；

其中，所述第一光波导被布置成接收输入光束，以及其中，所述第一光波导被布置成使得来自所述输入光束的光从所述第一光波导被耦合到所述多个第二光波导中；

输出光波导；以及

被耦合到所述多个第二光波导和所述输出光波导的反射部分；

其中，所述反射部分被布置成将从所述多个第二光波导接收的光束聚焦成单个光束，所述单个光束被引导至所述输出光波导。

2.如权利要求1所述的光束斑点尺寸转换器，其中，所述第一折射率高于所述主体的折射率。

3.如权利要求1或2所述的光束斑点尺寸转换器，其中，所述第一光波导由硅化合物制成。

4.如权利要求3所述的光束斑点尺寸转换器，其中，所述硅化合物是氮化硅。

5.如任一项前述权利要求所述的光束斑点尺寸转换器，其中，所述多个第二光波导由硅制成。

6.如任一项前述权利要求所述的光束斑点尺寸转换器，其中，所述输出光波导由硅制成。

7.如任一项前述权利要求所述的光束斑点尺寸转换器，其中，所述多个第二光波导和所述输出光波导中的至少一个具有沿着它的长度的至少一部分的锥形。

8.如权利要求7所述的光束斑点尺寸转换器，其中，所述第二光波导中的每个具有沿着它的长度的至少一部分向所述反射部分延伸的倒锥形。

9.如权利要求8所述的光束斑点尺寸转换器，其中，所述倒锥形大致是指数型的。

10.如任一项前述权利要求所述的光束斑点尺寸转换器，其中，所述输出光波导具有沿着它的长度的至少一部分从所述反射部分延伸的锥形。

11.如任一项前述权利要求所述的光束斑点尺寸转换器，其中，所述第一光波导是所述主体的第一层的一部分，以及所述多个第二光波导是所述主体的第二层的一部分，其中，在所述第二层上面提供所述第一层，使得所述第一光波导的至少一部分被布置在所述多个第二光波导的至少一部分上面。

12.如权利要求11所述的光束斑点尺寸转换器，其中，所述反射部分和所述输出光波导也是所述第二层的一部分。

13.如任一项前述权利要求所述的光束斑点尺寸转换器，其中，所述第一光波导具有第一纵轴，以及所述多个第二光波导各自具有第二纵轴，其中，所述第一纵轴和所述第二纵轴大致在同一方向。

14.如权利要求13所述的光束斑点尺寸转换器，其中，所述输出光波导具有第三纵轴，以及其中，所述输出光波导被布置成使得它的第三纵轴相对于所述第二纵轴成一定角度。

15.一种光子系统芯片，包含根据任一项前述权利要求的光束斑点尺寸转换器。