CN111273397A - 光波导结构 - Google Patents

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CN111273397A CN201910026858.8A CN201910026858A CN111273397A CN 111273397 A CN111273397 A CN 111273397A CN 201910026858 A CN201910026858 A CN 201910026858A CN 111273397 A CN111273397 A CN 111273397A
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Abstract

本发明公开一种光波导结构，其包括底层、中间波导层及上包覆层。中间波导层配置于底层上。上包覆层配置于中间波导层上，且覆盖中间波导层。中间波导层的折射率大于底层的折射率，且大于上包覆层的折射率。光波导结构具有第一末端区与第二末端区，在第一末端区中的中间波导层具有宽度随着靠近第二末端区而递减的第一末端，在第二末端区中的上包覆层具有宽度随着远离第一末端区而递减的第二末端。

Description

光波导结构
技术领域
本发明涉及一种光学结构，且特别是涉及一种光波导结构。
背景技术
硅光子技术是未来降低高速计算机和数据中心耗电量的关键技术。硅光子芯片的光信号需要传导至光纤达到双向信号传导的目的，而如何克服硅波导和光纤间巨大的尺寸差异以及实现高密度通道数且同时光耦合对准，需要平面单模光波导排线高超的桥接设计。常见光纤的外径约为125微米，而硅波导的宽度约小于0.5微米，如果硅波导以光纤间距对准将会占用大量的芯片面积，损失数倍以上的输出端与输入端数量。因此，平面单模光波导排线为了同时连接高密度的硅波导通道与低密度的光纤排线，可以有扇形布线提供桥接。此平面单模光波导排线若是柔性可弯曲，则可以提供多种类型的对位封装选择，从而降低芯片封装成本。
有机光波导材料则为柔性可弯曲光波导排线的制造提供可能的解决方案。在制造上，平面单模光波导排线必须提供与光纤和硅波导的对位封装结构设计。光纤端是通过精密制造的光纤连接头对准封装，而硅波导端的对位封装方法至今仍然是全球硅光子科研或相关企业的研究重点。技术困难点在于硅波导的尺寸和平面光波导通道尺寸差异太大，单模光信号模态要从硅波导到平面光波导双向来回转换需要通过高超的光耦合结构设计，才能同时满足低耦光损失和高容许位准误差。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种光波导结构，包括底层、中间波导层及上包覆层。中间波导层配置于底层上。上包覆层配置于中间波导层上，且覆盖中间波导层。中间波导层的折射率大于底层的折射率，且大于上包覆层的折射率。光波导结构具有第一末端区与第二末端区，在第一末端区中的中间波导层具有宽度随着靠近第二末端区而递减的第一末端，在第二末端区中的上包覆层具有宽度随着远离第一末端区而递减的第二末端。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
图1A为本发明的一实施例的光波导结构的上视示意图；
图1B为图1A的光波导结构的剖面示意图；
图2为具有图1A的光波导结构的光子芯片装置的剖面示意图；
图3为本发明的光波导结构的另一应用实施例的示意图；
图4为图1A的光波导结构的左半部的示意图；
图5是图4的光波导结构的一比较例的示意图；
图6A与图6B为图4中的有机光波导相对于中间波导层产生横向错位的情形的示意图；
图7为图4的实施例与图5的比较例中的有机光波导相对于中间波导层或硅波导层产生横向错位时的光耦合强度变化曲线图；
图8为本发明的另一实施例的光波导结构的剖面示意图；
图9为本发明的又一实施例的光波导结构的剖面示意图；
图10A是图4的光波导结构在不同的上包覆层的折射率之下，从有机光波导到中间波导层的光耦合强度的折线图；
图10B是图4的光波导结构在不同的上包覆层的折射率之下，从中间波导层到有机光波导的光耦合强度的折线图。
符号说明
50：光排线
60：连接器
100、100a、100b、300：光波导结构
105：基板
110、320：底层
120：中间波导层
130：上包覆层
140、330：有机光波导
150、160：披覆层
200：光子芯片装置
210：主机板
220：光子芯片
310：硅波导层
A1：第一末端区
A2：第二末端区
E1：第一末端
E2：第二末端
G：间距
G1：间隙
R1、R2：区域
T1：最大厚度
W1：宽度
W1m、W2m：最小宽度
W2：宽度
X：中心轴
具体实施方式
请参考以下实施例及随附附图，以便更充分地了解本发明，但是本发明仍可以通过多种不同形式来实践，且不应将其解释为限于本文所述的实施例。而在附图中，为求明确起见对于各构件以及其相对尺寸可能未按实际比例绘制。
图1A为本发明的一实施例的光波导结构的上视示意图，图1B为图1A的光波导结构的剖面示意图，图2为具有图1A的光波导结构的光子芯片装置的剖面示意图。请参考图1A、图1B及图2，本实施例的光波导结构100包括底层110、中间波导层120及上包覆层130。在本实施例中，底层110例如为配置于基板105上的光波导层。然而，在其他实施例中，底层110也可以是可传递光的基板。
中间波导层120配置于底层110上。中间波导层120的材料包括硅或硅的化合物。在本实施例中，中间波导层120例如是适于传递近红外光的硅波导层。上包覆层130配置于中间波导层120上，且覆盖中间波导层120。在本实施例中，上包覆层130可包覆中间波导层120的上表面与侧面。中间波导层120的折射率大于底层110的折射率，且大于上包覆层130的折射率。举例而言，波长为1310纳米的近红外光信号可在中间波导层120与上包覆层130中传递，而中间波导层120对此近红外光信号的折射率大于底层110对此近红外光信号的折射率，且大于上包覆层130对此近红外光信号的折射率。举例而言，上包覆层130的折射率大小系介于中间波导层120的折射率与底层110的折射率之间。
上包覆层130的材料可以是氮氧化硅(silicon oxynitride,SiON)、氧化硅(silicon oxide)或其他适于传递近红外光的材料，但不以此为限。光波导结构100具有第一末端区A1与第二末端区A2，在第一末端区A1中的中间波导层120具有宽度W1随着靠近第二末端区A2而递减的第一末端E1。在第二末端区A2中的上包覆层130具有宽度W2随着远离第一末端区A1而递减的第二末端E2。在本实施例中，在第二末端区A2中上包覆层130存在于光波导结构100的中心轴X位置。详细来说，在第二末端区A2中，已不存在中间波导层120，而取而代之的则是上包覆层130。
在本实施例中，光波导结构100还包括有机光波导140，有机光波导140的一端配置于第二末端E2上但未与第一末端E1重叠，亦即有机光波导140仅覆盖第二末端区A2而并未设置在配置有中间波导层120的区域。有机光波导140的至少其中一侧可以有披覆层150，在本实施例中例如是有机光波导140的上下两侧分别有披覆层150与披覆层160。此外，披覆层150也可以被基材所取代。在本实施例中，有机光波导140的此端接触第二末端E2。在本实施例中，底层110、中间波导层120、及上包覆层130可为光子芯片(photonic chip)220(如图2绘示)的一部分，光子芯片220例如是硅光子芯片。详细来说，在图1A与图1B中，对应左方与右方各可为光子芯片220。光子芯片220可配置于基板105上，其例如为承载板。而基板105可再配置于光子芯片装置200的主机板210上。图1A与图1B所绘示的光波导结构100可以是如图2的区域R1中的相邻的光子芯片220之间的光传递结构。其中，有机光波导140可以是可弯曲的或是呈直线状态的。然而，在其他实施例中，光波导结构100也可以是同一基板105上的光传递结构。在本实施例中，来自基板105上的光子芯片220的光信号可以经由中间波导层120传递至第一末端E1，然后进入到上包覆层130，经由第二末端区A2中的上包覆层130的第二末端E2提供光模态转换的功能后，以较大的传输功率进入有机光波导140中。在有机光波导140中传递的光信号则可通过第二末端区A2中的上包覆层130的第二末端E2提供光模态转换的功能后，以较大的传输功率进入中间波导层120。如此一来，相对于图1A中左方的光子芯片220中，光信号可以依序经由中间波导层120、上包覆层130的第二末端E2、有机光波导140、上包覆层130的第二末端E2及中间波导层120而传递至图1A中右方的光子芯片220。反之，图1A中右方的光子芯片220的光信号也可以依序经由中间波导层120、上包覆层130的第二末端E2、有机光波导140、上包覆层130的第二末端E2及中间波导层120而传递至图1A中左方的光子芯片220。如此便能够达到双向传输。
此外，由于在第一末端区A1中的中间波导层120具有宽度W1随着靠近第二末端区A2而递减的第一末端E1，因此可以使中间波导层120在第一末端区A1中的有效折射率减小而与上包覆层130的折射率更为匹配，以提升光耦合效率。另一方面，由于在第二末端区A2中的上包覆层130具有宽度W2随着远离第一末端区A1而递减的第二末端E2，因此可以使上包覆层130在第二末端区A2中的有效折射率减小而与有机光波导140的折射率更为匹配，以提升光耦合效率。
另一方面，如图3所绘示，相对图3左方的光子芯片220的光信号也可以依序经由中间波导层120、上包覆层130的第二末端E2及有机光波导140而传输至光排线50，并通过光排线50传输至外界。另一方面，来自外界的光信号也可以经由光排线50、有机光波导140、上包覆层130的第二末端E2及中间波导层120而传输至光子芯片220。此处的光传输结构可以是位于图2中的区域R2处的结构。有机光波导140与光排线50之间的光耦合可以通过各种连接器60来达成。详细来说，在本实施例中，有机光波导140仅一端接触基板105上的第二末端E2，另一端则通过连接器60而与光排线50进行光耦合。在一实施例中，光排线50可为光波导或是光纤。在本实施例中，第一末端E1的最小宽度W1m大于0.01微米。举例而言，第一末端E1的最小宽度W1m大于0.01微米且小于0.2微米。在本实施例中，第二末端E2的最小宽度W2m大于0.01微米。举例而言，第二末端E2的最小宽度W2m大于0.1微米且小于2微米。在本实施例中，上包覆层130的最大厚度T1小于3微米。举例而言，上包覆层130的最大厚度T1小于1微米。要注意的是，所述上包覆层130的最大厚度T1系指上包覆层130直接覆盖在底层110的厚度。
在本实施例中，第一末端区A1与第二末端区A2之间存在间距G。如此一来，当有机光波导140在覆盖于第二末端E2时，可以有一个裕度不至于覆盖第一末端E1。在本实施例中，间距G落在0.1微米至200微米的范围内。
再者，在本实施例中，在第一末端区A1中的中间波导层120具有宽度W1随着靠近第二末端区A2而递减的第一末端E1，但在第一末端区A1中的中间波导层120的厚度(即在图中最大厚度T1的方向上的厚度，或是在与宽度W1垂直的方向上的厚度)则可以是维持不变的。此外，在第二末端区A2中的上包覆层130具有宽度W2随着远离第一末端区A1而递减的第二末端E2，但在第二末端区A2中的上包覆层130的厚度可以是维持不变的。也就是说，第一末端E1与第二末端E2可以是一个二维渐缩的结构，而可以不是三维渐缩(即连厚度都递减)的结构，因此本实施例的光波导结构100可以通过简单的制作工艺制作完成，且可达到良好的光耦合效率。
图4为图1的光波导结构的左半部的示意图。在一实施例中，请参照图4，利用RsoftBeamPROP 2017年版本软件模拟计算光波导结构100在1310纳米波长的光耦合效率，计算条件如下：
1.中间波导层120：宽0.45微米、厚度0.22微米、第一末端E1的最小宽度W1m为0.12微米、第一末端E1的长度(即第一末端区A1在中心轴X的方向上的延伸量)为450微米、折射率3.5；
2.上层包覆层130：材料为氮氧化硅(SiON)，宽3微米、厚度0.5微米、第二末端E2的最小宽度W2m为1微米、第二末端E2的长度(即第二末端区A2在中心轴X的方向上的延伸量)为600微米、折射率1.67；
3.底层110：材料为二氧化硅(SiO2)，宽6微米、厚度2微米、折射率1.4468；
4.有机光波导140：宽6微米、厚度6微米、折射率1.569；
5.披覆层150(或基材)：宽8微米、厚度6微米、折射率1.54；
6.背景折射率1.54、光信号的偏振模态:TE模态。
经由上述软件与参数的计算，可得到光信号从中间波导层120传递至有机光波导140的光耦合效率为83％，而光信号从有机光波导140传递至中间波导层120的光耦合效率为65％。
图5是图4的光波导结构的一比较例。请参照图5，在图5的比较例中，光波导结构300不具有上包覆层130，而硅波导层310的第一末端E1与有机光波导330的一端接触。至于其余结构则与图4的光波导结构100类似。利用Rsoft BeamPROP 2017年版本软件模拟计算光波导结构300在1310纳米波长的光耦合效率，计算条件如下：
1.硅波导层310，宽0.35微米、厚度0.145微米、第一末端E1的最小宽度0.12微米、第一末端E1的长度450微米、折射率3.5；
2.底层320：材料为二氧化硅(SiO2)，宽6微米、厚度2微米、折射率1.4468；
3.有机光波导330：宽6微米、厚度6微米、折射率1.56；
4.有机光波导330的披覆层或基材：宽8微米、高6微米、折射率1.55；
5.背景折射率1.46、光信号的偏振模态：TE。
经由上述软件与参数的计算，可得到光信号从硅波导层310传递至有机光波导330的光耦合效率为35％，而光信号从有机光波导330传递至硅波导层310的光耦合效率为31％。比较图4的实施例与图5的比较例的计算结果可知，本发明的图4的实施例的确在双向都有良好的光耦合效率。
图4的实施例的另一组模拟计算参数的计算条件如下(其利用Rsoft BeamPROP2017年版本软件模拟计算光波导结构100在1310纳米波长的光耦合效率)：
1.中间波导层120：宽0.35微米、厚度0.145微米、第一末端E1的最小宽度W1m为0.12微米、第一末端E1的长度450微米、折射率3.5；
2.上层包覆层130：材料为氮氧化硅(SiON)，宽3微米、厚度0.5微米、第二末端E2的最小宽度W2m为1微米、第二末端E2的长度600微米、折射率1.67；
3.底层110：材料为二氧化硅(SiO2)，宽6微米、厚度2微米、折射率1.4468；
4.有机光波导140：宽6微米、厚度6微米、折射率1.56；
5.披覆层150(或基材)：宽8微米、厚度6微米、折射率1.55；
6.背景折射率1.46、光信号的偏振模态:TE模态。
经由上述软件与参数的计算，可得到光信号从中间波导层120传递至有机光波导140的光耦合效率为68％，而光信号从有机光波导140传递至中间波导层120的光耦合效率为44％。这样的光耦合效率也优于图5的比较例的光耦合效率。
图6A与图6B绘示图4中的有机光波导140相对于中间波导层120产生横向(即垂直于中间波导层120的延伸方向如中心轴X的方向)错位的情形，而图7为图4的实施例与图5的比较例中的有机光波导140与330相对于中间波导层120或硅波导层310产生横向错位时的光耦合强度变化曲线图。标示为比较例的曲线是属于图5的比较例的曲线，而标示为本实施例的曲线是属于本发明的图4的实施例的上述另一组模拟计算参数的曲线。由此两曲线可明显看出，图4的实施例的光耦合强度不易受横向错位量的影响。因此，本实施例的光波导结构100在有机光波导330与第二末端E2耦合时，具有较大的位置公差。
图8为本发明的另一实施例的光波导结构的剖面示意图。请参照图8，本实施例的光波导结构100a与图4的光波导结构100类似。要注意的是，在本实施例的光波导结构100a中，有机光波导140的一端与第二末端E2之间保持间隙G1，且第二末端E2渐逝耦合(evanescently coupled)至有机光波导140。此外，间隙G1例如是大于0且小于等于1微米。
在一实施例中，利用Rsoft BeamPROP 2017年版本软件模拟计算光波导结构100在1310纳米波长的光耦合效率，计算条件如下：
1.中间波导层120：宽0.45微米、厚度0.22微米、第一末端E1的最小宽度W1m为0.12微米、第一末端E1的长度450微米、折射率3.5；
2.上层包覆层130：材料为氮氧化硅(SiON)，宽3微米、厚度0.5微米、第二末端E2的最小宽度W2m为1微米、第二末端E2的长度600微米、折射率1.67；
3.底层110：材料为二氧化硅(SiO2)，宽6微米、厚度2微米、折射率1.4468；
4.有机光波导140：宽6微米、厚度6微米、折射率1.569；
5.披覆层150(或基材)：宽8微米、厚度6微米、折射率1.54；
6.背景折射率1.54、光信号的偏振模态:TE模态。
经由上述软件与参数的计算，可得到下表的计算结果：
Figure BDA0001942807010000091
在间隙G1中可填有空气或是粘着胶，两者都可达到上层包覆层130与有机光波导140之间的渐逝耦合(evanescent coupling)。
图9为本发明的又一实施例的光波导结构的剖面示意图。本实施例的光波导结构100b与图4的光波导结构100类似。要注意的是，在本实施例的光波导结构100b中，有机光波导140的一端包覆第二末端E2，亦即同时包覆了第二末端E2的上表面与侧表面。如此仍然可使来自中间波导层120的光信号经由第二末端E2传递至有机光波导140，且也可使来自有机光波导140的光信号经由第二末端E2传递至中间波导层120。
请再参照图4，以下模拟图4的光波导结构100在有机光波导140的折射率不同时，上包覆层130采用不同的折射率时所产生的不同的光耦合效率。
在一实施例中，利用Rsoft BeamPROP 2017年版本软件模拟计算光波导结构100在1310纳米波长的光耦合效率，计算条件如下：
1.中间波导层120：宽0.45微米、厚度0.22微米、第一末端E1的最小宽度W1m为0.12微米、第一末端E1的长度450微米、折射率3.5；
2.上层包覆层130：材料为氮氧化硅(SiON)，宽3微米、厚度0.5微米、第二末端E2的最小宽度W2m为1微米、第二末端E2的长度600微米、折射率1.67或1.65；
3.底层110：材料为二氧化硅(SiO2)，宽6微米、厚度2微米、折射率1.4468；
4.有机光波导140：宽6微米、厚度6微米、折射率1.569或1.544；
5.披覆层150(或基材)：宽8微米、厚度6微米、折射率1.54或1.537；
6.背景折射率1.54或1.537、光信号的偏振模态:TE模态。
经由上述软件与参数的计算，可得到图10A与图10B的结果。图10A是图4的光波导结构在不同的上包覆层的折射率之下，从有机光波导到中间波导层的光耦合强度的折线图。图10B是图4的光波导结构在不同的上包覆层的折射率之下，从中间波导层到有机光波导的光耦合强度的折线图。请参照图4、图10A与图10B，当有机光波导140的折射率从1.569变为1.544，且其披覆层150的折射率从1.54变为1.537时，本实施例的光波导结构100的架构可以让设计者不用为了维持光耦合效率而重新制作用以定义上包覆层130的图案的光掩模，而可以简单通过改变上包覆层130的制作配方来改变上包覆层130的折射率。由图10A与图10B可知，当上包覆层130的折射率为1.65时，其对折射率为1.544的有机光波导140有良好的光耦合效率，而当上包覆层130的折射率落在1.63至1.66的范围内时，其对折射率为1.544的有机光波导140有稳定的光耦合效率
综上所述，在本发明的实施例的光波导结构中，除了在第一末端区中的中间波导层具有宽度随着靠近第二末端区而递减的第一末端之外，在第二末端区中的上包覆层具有宽度随着远离第一末端区而递减的第二末端，因此第二末端可作为光信号的模态转换器而连接其他光波导(例如是有机光波导)，以提升与其他光波导的光耦合效率。此外，在本发明的实施例的光波导结构中，由于在第一末端区中的中间波导层具有宽度随着靠近第二末端区而递减的第一末端，因此可以使中间波导层在第一末端区中的有效折射率减小而与上包覆层的折射率更为匹配，以提升光耦合效率。另一方面，由于在第二末端区中的上包覆层具有宽度随着远离第一末端区而递减的第二末端，因此可以使上包覆层在第二末端区中的有效折射率减小而与其他光波导(例如有机光波导)的折射率更为匹配，以提升光耦合效率。
虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (13)

1.一种光波导结构，其特征在于，包括：
底层；
中间波导层，配置于该底层上；以及
上包覆层，配置于该中间波导层上，且覆盖该中间波导层，其中该中间波导层的折射率大于该底层的折射率，且大于该上包覆层的折射率，该光波导结构具有第一末端区与第二末端区，在该第一末端区中的该中间波导层具有宽度随着靠近该第二末端区而递减的第一末端，在该第二末端区中的该上包覆层具有宽度随着远离该第一末端区而递减的第二末端。
2.如权利要求1所述的光波导结构，其中该第一末端区与该第二末端区之间存在间距。
3.如权利要求2所述的光波导结构，其中该间距落在0.1微米至200微米的范围内。
4.如权利要求1所述的光波导结构，其中该底层为基板或配置于基板上的光波导层。
5.如权利要求1所述的光波导结构，其中该中间波导层的材料包括硅或硅的化合物。
6.如权利要求1所述的光波导结构，其中在该第二末端区中该上包覆层存在于该光波导结构的中心轴位置。
7.如权利要求1所述的光波导结构，其中该第一末端的最小宽度大于0.01微米且小于0.2微米。
8.如权利要求1所述的光波导结构，其中该第二末端的最小宽度大于0.1微米且小于2微米。
9.如权利要求1所述的光波导结构，其中该上包覆层的最大厚度小于3微米。
10.如权利要求1所述的光波导结构，还包括有机光波导，其中该有机光波导的一端配置于该第二末端上但未与该第一末端重叠。
11.如权利要求10所述的光波导结构，其中该有机光波导的该端接触该第二末端。
12.如权利要求10所述的光波导结构，其中该有机光波导的该端包覆该第二末端。
13.如权利要求10所述的光波导结构，其中该有机光波导的该端与该第二末端之间保持间隙，且该第二末端渐逝耦合至该有机光波导。
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