CN112331726A - 包括掩埋式光波导和输出耦合器的光学器件 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例针对用于光耦合器的技术和构造，该光耦合器包括用于将光导引至光纤的光波导。在实施例中，光波导包括锥形段，以将所接收的光传播到光纤。在实施例中，锥形段被掩埋在半导体衬底的表面下方，以将半导体衬底内的所接收的光从第一光模式转变为第二光模式，以减少在所接收的光从光波导到光纤的传播期间的光损失。在实施例中，半导体衬底的表面包括硅光子芯片的底部平面表面，其包括无源或有源光子部件中的至少一个或多个。可以描述和/或要求保护其他实施例。

Description

包括掩埋式光波导和输出耦合器的光学器件
技术领域
本公开的实施例总体上涉及光电子学领域，并且更具体地，涉及用于提供硅光波导和输出耦合器的技术和构造。
背景技术
硅光子学通常被认为是用于成本高效的光电集成的基于平面光子学电路的最流行且成功的技术平台之一。通常在绝缘体上硅(SOI)晶圆上制造基于光波导的光子学器件，例如激光器、调制器和检测器。在SOI光子系统中，通常将光限制在晶圆(或芯片)平面内。硅波导通常设计为具有亚微米的横截面，从而允许有源和无源器件的密集集成，以实现更高的速度和更低的驱动功率。光模式转换器(OMC)通常用于改善光波导和光纤之间的光耦合。
然而，硅光子波导与光纤之间的光耦合可能具有挑战性，因为光通常在波导中被非常紧密地限制，而在光纤中被更松散地限制(例如，支持的光模式尺寸可以在从硅波导中的亚微米到光纤中的大约10微米(μm)的范围内)。波导或光纤的数值孔径(NA)是关键指标，因为它决定了光将发散多少。薄/窄波导将具有高NA和高发散度，而宽/厚的波导将具有较低的NA和较低的发散度。请注意，NA越高，与波导相关联的模式数量越多。波导的低NA可能是期望的，以实现与光纤的有效耦合；然而，具有足够低的NA的波导通常需要相对较厚的膜，例如，约为～10微米(μm)的半导体膜，由于应力、形貌和产量方面的考虑，这可能对工艺造成挑战。
附图说明
通过以下具体实施方式并结合附图，将容易理解实施例。为了促进该描述，相似的附图标记表示相似的结构元件。在附图的图中，通过示例而非限制的方式示出了实施例。
图1是根据本文所述的一些实施例的光电系统的框图，该光电系统包括光学器件，该光学器件包括光耦合器，该光耦合器具有掩埋在半导体衬底的表面下方的光波导。
图2A是根据一些实施例的更详细示出的图1的光学器件的一部分的俯视图的框图200。
图2B示出了根据实施例的图2A的示例性光学器件的一部分的截面侧视图。
图3是描述根据实施例的形成诸如图1的光学器件的光波导之类的光波导的过程300的流程图。
图4A-图4I示出了根据实施例的在与过程300相关联的各个阶段中的半导体衬底的截面侧视图和端视图。
图4J和图4K示出了根据各种实施例的处于与形成光学边缘耦合器相关联的各个阶段中的半导体衬底的截面侧视图和端视图。
图5、图6A、图6B和图7示出了根据实施例的各种类型的光耦合器，包括图1-图4K的光波导。
图8示出了根据各种实施例的示例性计算设备，其可以包括图1-图7的具有光耦合器的光学器件。
具体实施方式
本公开的实施例描述了用于光学装置的技术和构造，该光学装置包括掩埋在半导体衬底的表面(例如，硅晶圆的平面)下方的锥形段，并且被形成为将在光波导处接收的光的光模式转变为接近光纤的光模式。在实施例中，光学装置包括用于将光导引到光纤的光波导，并且包括第一端和第二端，其中第一端用于接收从光源输入的光，并且第二端包括用于将所接收的光传播到光纤的锥形段。在实施例中，锥形段被掩埋在硅衬底的表面下方，以将硅衬底内的光从第一光模式转变为第二光模式，以减少在所接收的光从光波导到光纤的传播期间的光损失。
在下面的描述中，将使用本领域技术人员通常采用以向本领域其他技术人员传达其工作的实质的术语来描述说明性实施方式的各个方面。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以仅利用所描述的方面中的一些来实践本公开的实施例。为了解释的目的，阐述了具体的数字、材料和构造，以提供对说明性实施方式的透彻理解。对于本领域的技术人员将显而易见的是，可以在没有具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其他实例中，省略或简化了众所周知的功能，以免使说明性实施方式难以理解。
在下面的具体实施方式中，参考形成其一部分的附图，其中，贯穿全文，类似的附图标记表示类似的部分，并且在附图中以例示的方式示出了可以实践本公开的主题的实施例。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑改变。因此，下面的具体实施方式不能以限制性意义理解，并且实施例的范围由所附权利要求及其等同物限定。
为了本公开的目的，短语“A和/或B”表示(A)、(B)或(A和B)。为了本公开的目的，短语“A、B和/或C”表示(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或(A、B和C)。
该描述可以使用基于透视图的描述，例如顶部/底部、入/出、之上/之下等。这样的描述仅用于方便讨论，而并非旨在将本文描述的实施例的应用限制于任何特定的取向。
该描述可以使用短语“在实施例中”，其可以指代相同或不同实施例中的一个或多个。此外，关于本公开的实施例使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的。
本文中可以使用术语“与...耦合”及其派生词。“耦合”可以表示以下一个或多个。“耦合”可以表示两个或更多个元件直接物理或电接触。然而，“耦合”还可以表示两个或更多个元件彼此间接接触，但是仍然彼此协作或相互作用，并且可以表示一个或多个其他元件被耦合或连接在被说成彼此耦合的元件之间。术语“直接耦合”可以表示两个或更多个元件直接接触。
在各个实施例中，短语“形成、沉积、或以其他方式设置在第二层上的第一层”可以表示第一层形成、沉积、生长、接合或以其他方式设置在第二层之上，并且第一层的至少一部分可以与第二层的至少一部分直接接触(例如，直接物理和/或电接触)或间接接触(例如，在第一层和第二层之间具有一个或多个其他层)。
图1是根据一些实施例的光电系统100的框图，该光电系统100包括光耦合器，该光耦合器包括掩埋在半导体衬底的表面下方的光波导。在实施例中，光波导包括掩埋在半导体衬底(例如，硅衬底)的表面下方的锥形段，以将在光波导的第一端处接收的光从第一光模式转变为第二光模式，以减少将光波导光学耦合到光纤的光损耗。在实施例中，该表面是半导体光子集成电路芯片(例如，硅光子芯片)的平面表面，其中硅光子芯片包括波导、激光器、光电检测器、调制器、分束器和其他无源或有源光子部件中的至少一个或多个。在实施例中，平面表面是硅光子芯片的第一或第二表面。在实施例中，平面表面是硅光子芯片的底部平面表面。
光电系统100可以用于例如在数据中心中的机架之间、或者在数据存储设施、数据中心等之间的长距离经由光纤传送用数据信号调制的光信号。在实施例中，光电系统100可以是包括光学装置的光通信系统。在实施例中，光学装置包括或为光学器件102，例如光子电路或光子芯片，其包括半导体衬底207的底表面188，在底表面188下方掩埋包括波导124的光耦合器170(其可以用作光模式转换器(OMC))。在实施例中，光波导124耦合到(或可以包括)输出耦合器126。在一些实施例中，光学器件102包括光发射器、光接收器或光收发器。因此，在实施例中，光学器件102包括波导、激光器、光电检测器、调制器、分束器和其他无源或有源光子部件中的至少一个或多个。例如，如图所示，光学器件102包括一个或多个光源(例如，激光器件)104，以向相应的调制器106提供光信号118(例如，恒定的光强度信号)，以根据要传送的数据信号来调制输入光。
光源104和对应的调制器106的每种组合可以包括通信信道110、112、114。在一些实施例中，调制器106可以将调制的光信号120输出到分束器107和复用器111，其中信号可以形成要输入到光耦合器170的组合信号122。在实施例中，光耦合器170包括光波导124，该光波导124包括掩埋在平面半导体衬底下方的锥形段，以将半导体衬底内的光从第一光模式转变为第二光模式，以有助于降低在所接收的光从光波导到光纤的传播期间的光损耗。
替代地，来自通信信道110、112和114的信号(例如120)可以直接输入到光耦合器170。光耦合器170可以提供从信道110、112、114到光通信信道(例如，光纤电缆或可以包括耦合光学器件之后跟随光纤的其他构造)130的接口，并且可以被配置为将光信号127传输到光通信信道130，以由另一光学器件134接收。在一些实施例中，光学器件134还可以包括光波导，该光波导可以接收来自光纤的光并且包括掩埋在半导体衬底的表面下方的锥形段，以将半导体衬底内的所接收的光从第一光模式转变为第二光模式，从而减少在所接收的光从光波导到光纤的传播期间的光损耗。为了简化图1，未示出光学器件102和134的各种元件。例如，注意，在实施例中，光学器件134可以包括例如解复用器、光电检测器(例如116)和其他无源或有源光子部件。
图2A是根据一些实施例的示例性光学器件202(类似于器件102)的表面的一部分的俯视图的框图200，其更详细地描绘了光耦合器，该光耦合器包括掩埋在半导体衬底的表面下方的光波导。在实施例中，框图200示出了可以位于半导体衬底的表面203(例如，光学器件202的底表面)下方的区域248。如图所示，光耦合器270(例如，类似于光耦合器170)包括光波导201，其包括第一端和第二端，第一端接收来自光源280(例如，激光器104或光学器件102的其他部件)的光，第二端包括锥形段206，以将所接收的光传播到光纤。在实施例中，第一光模式包括所接收的光的光模式，并且第二光模式包括光纤的光模式。
在一些实施例中，光波导201耦合到输出耦合器部件126，例如反射镜和/或透镜，以将光240反射到例如光纤242。在其他实施例中，光耦合器270可以在没有反射镜或透镜的情况下(例如，如稍后将结合图5和图6A示出和讨论的)将光波导耦合到光纤，例如光纤245。例如，在实施例中，光波导201可以简单地包括直接耦合到光纤245的输出小面。
因此，图2B示出了图2A的示例性光学器件202的一部分289的截面侧视图。在图2B中，横截面侧视图更清楚地示出了锥形段206包括半导体材料207A并且被掩埋在例如硅衬底207的平面表面203下方。在实施例中，锥形段206的横截面尺寸(例如，如箭头210所示)具有接近或基本匹配光纤(例如，图2A的光纤242或245)的数值孔径(NA)的NA。在一些实施例中，横截面尺寸具有大约10微米的厚度。注意，在实施例中，锥形段206的长度215是800-1000微米。在实施例中，锥形段206形成为具有使所接收的光绝热地转变为接近光纤的光模式的长度和横截面尺寸。
如将关于图5、图6A和图7所示，在实施例中，光波导201的锥形段206耦合到输出小面以形成各种类型的光耦合器。在实施例中，输出小面在硅衬底(例如硅衬底207)内被蚀刻。
接下来，下文一起讨论图3和图4A-图4I。图3是根据实施例的描述形成类似于例如图2的光波导201的光波导的过程300的流程图，该光波导包括掩埋在硅衬底的平面表面下方的锥形段。在实施例中，图4A-图4I在图的左侧示出了在与过程300相关联的各个阶段中的半导体衬底407(“衬底407”)的侧视图，并且在图的右侧示出了衬底407的端视图。在实施例中，衬底407与图2的半导体衬底207相似或相同。注意，图4B-图4I包括与图4A和/或在该序列中的前面的图中所介绍的相同或相似的元件，并且因此，为了清楚起见，将仅重新介绍某些元件。
首先，在实施例中，在框301中，过程300包括提供半导体衬底并通过沿沟槽底部蚀刻锥形段的斜坡在半导体衬底(例如，硅晶圆)内部设置沟槽。因此，参考图4A，描绘了在朝着半导体衬底407的顶部提供包括包覆层415A和415B(例如，层间电介质层或ILD)的绝缘体上硅(SOI)晶圆之后的衬底407，该绝缘体上硅(SOI)晶圆可以在衬底407的左侧上最终形成光波导的直线段415。在实施例中，设置沟槽包括利用模拟光刻，例如灰度光刻工艺，以在衬底407内创建三维锥形“模具”。因此，如图4A所示，在一些实施例中，使用灰度蚀刻来蚀刻包括底部420和侧壁423的沟槽421。
返回图3，根据实施例，在框303处，过程300包括沿着沟槽的侧壁和底部沉积或生长绝缘体层。相应地，如图4B所示，绝缘体层430覆盖沟槽421的底部420并且在侧壁423之上，并且覆盖衬底407的顶表面427。在实施例中，绝缘体层430包括氮化硅(SiN)或具有类似特性的其他合适的绝缘体层。
接下来，在实施例中，在框305处，过程300包括从沟槽的底部去除绝缘体层。因此，如图4C所示，从沟槽421的底部420(以及顶表面427)去除绝缘体层430，例如SiN，而在包括侧壁423的沟槽421的各个部分上保持完整。在实施例中，使用定向蚀刻来从沟槽421的底部420去除绝缘体层430。在实施例中，与框305相关联的工艺可以包括间隔体工艺。
接下来，在实施例中，在框307处，过程300包括执行热氧化以在沟槽的底部形成氧化物层，该氧化物层将形成光波导的锥形段的包覆层。根据实施例，如对应的图4D所示，在执行热氧化之后，氧化物层433覆盖沟槽421的底部420。
在实施例中，在下一框309处，过程300包括选择性地蚀刻侧壁以去除绝缘体层(例如绝缘体层430)以暴露半导体侧壁423。因此，在图4E中，示出了在蚀刻以去除绝缘体层430之后的裸露的半导体侧壁423。
接下来，根据实施例，在框311处，过程300包括在沟槽421中外延生长半导体材料407A，以形成锥形段的主体。在实施例中，裸露的半导体侧壁423在硅外延生长工艺中进行籽晶生长以填充沟槽421。因此，如对应的图4F所示，半导体材料407A包括单晶硅并且覆盖沟槽421的底部420之上的氧化物层433。
在实施例中，下一框313包括抛光半导体材料以平坦化半导体材料407A(例如，单晶硅)的表面403。如对应的图4G所示，根据实施例，在抛光和/或可选的蚀刻之后，表面403与顶部包覆层415A齐平，该顶部包覆层415A将是光波导的直线部分。
接下来，在实施例中，在框315处，过程300包括蚀刻将形成光波导的实际侧壁的部分。在实施例中，参考图4H，使用硅蚀刻来限定光波导侧壁450A和450B。
接下来，在实施例中，在图3的最后的框317处，过程300包括沉积或生长氧化物以形成用于光波导侧壁450A和450B的侧壁包覆层，以形成光波导401。如图4I所示，氧化物485在侧壁450A和450B以及半导体材料407A的单晶硅的表面403之上形成层(参见例如层485A和485B)。因此，在实施例中，半导体材料407A的单晶硅形成掩埋在半导体衬底(例如，图4A的半导体衬底407)内的相对较大的低数值孔径(NA)波导。在实施例中，除了具有很少或零的折射率变化之外，单晶硅还可以对包括半导体衬底的硅晶圆增加很少的形貌或不增加形貌，并且对硅晶圆增加低的或最小的应力/弯曲。另外，如下所示，存在于硅晶圆内的光波导401能够集成硅反射镜、透镜和抗反射(AR)涂层，从而实现新的简化的光耦合架构。
因此，在实施例中，光波导401可以形成光学器件(例如，光子芯片)与光纤(例如，如图1和图2A所示)之间的光耦合器的基础。注意，在边缘耦合架构中，可以例如在过程300之后或在与形成光学器件102或202相关联的附加过程之后制造输出小面。图4J和图4K示出了与形成诸如光学边缘耦合器或V形槽耦合器(将分别结合例如图5和图6A/6B示出)之类的光耦合器相关联的另一过程。
在图4J中，在光波导401的锥形段406的半导体材料407A中垂直蚀刻出小面489。在实施例中，在小面489之上沉积抗反射涂覆(ARC)层。在实施例中，沉积ARC层491以减小从锥形段406输出的光的反射。在一些实施例中，ARC层491可以是氧化物-ARC层，并且可以减少由于在波导与另一种介质的界面处的反射而引起的光损耗。在一些实施例中，ARC层491可以包括氮化硅(SiN)或氮氧化硅(SiON)或其他合适的层以减少这种光学损失。
接下来，根据实施例，图4K示出了在蚀刻和锯切相结合以去除衬底407的端部部分之后的光波导401。在实施例中，小面489被暴露以允许光纤接近并与小面489对接耦合(或以其他方式耦合)(例如，参见图5和图6A/6B)。
现在参考图5-图7，在实施例中，光波导(类似于图4的光波导401)可以形成光耦合器的基础，该光耦合器例如是相应的输出边缘耦合器、V形槽耦合器或背面光耦合器。如图5的实施例中所示，光波导501形成光学边缘耦合器500的一部分，以将光纤530直接对接耦合到光波导501。如图所示，输出小面589耦合到光波导501的掩埋的锥形段506的输出端(注意，上面关于图4J和图4K描述和示出了与形成光学边缘耦合器500的实施例相关联的方法)。在实施例中，并且如结合图4J所指出的，输出小面589覆盖有AR涂层。注意，与先前讨论的附图一样，附图不一定按比例绘制。例如，输出小面(例如输出小面589)可以约为10μm见方，而耦合的光纤(例如光纤530)的直径通常可以为125μm。
接下来，图6A示出了侧视截面图，并且图6B示出了V形槽光耦合器600的端视截面图。在实施例中，光纤630位于硅衬底607的V形槽672中，以接收来自类似于图4K的光波导401的光波导601的光。在实施例中，V形槽光耦合器600包括蚀刻在例如半导体衬底607A中、光波导601的锥形段606的第二端或输出端处的输出小面(例如，689)。
现在参考图7，其示出了背面光耦合器700。在实施例中，背面光耦合器700包括光波导701，其耦合到蚀刻在半导体衬底707(类似于例如半导体衬底407)内的硅透镜，以接收从光波导的锥形段反射的光。如图7所示，在实施例中，背面光耦合器700包括反射镜773和透镜778，其使用灰度光刻技术被蚀刻到半导体衬底707中。因此，一旦行进通过厚的硅层(例如半导体材料707A)的例如光线777的光模式被扩展，就可以使用反射镜773和透镜778聚焦光线777。因此，反射镜773接收光，例如，光线777，以将一部分光通过硅晶圆的背面聚焦到透镜778，进入光纤730中。注意，在许多大批量应用中，可能有很强的动机去追求通过硅晶圆的背面的垂直耦合。例如，背面耦合特别地可以允许采用常规的倒装芯片集成电路架构，其中硅晶圆表面上的电输入/输出(I/O)与光学I/O相对设置。因此，在实施例中，透镜778可以是单片集成到例如图1的光学器件102或134或图2的光学器件202的半导体衬底的背面上的透镜。
图8示出了适合与诸如图1的光电系统100的各种部件一起使用的示例性计算设备800，图1的光电系统100包括例如与图1的光学器件102相似或相同的光学器件802。在实施例中，根据本文所述的各种实施例，光学器件802包括例如耦合器，该耦合器包括具有掩埋在半导体衬底内或光学器件802的表面下方的锥形段的光波导(例如，相应的图4K-图7的光波导401、501、601或701)。在实施例中，锥形段用于将半导体衬底内的所接收的光从第一光模式转变为第二光模式，以减少在所接收的光从光波导到光纤的传播期间的光损失。如图所示，计算设备800可以包括一个或多个处理器或处理器核803和系统存储器804。出于包括权利要求在内的本申请的目的，术语“处理器”和“处理器核”可以被认为是同义词，除非上下文以其他方式明确要求。处理器803可以包括任何类型的处理器，例如中央处理单元(CPU)、微处理器等。处理器803可以被所述为具有多核的集成电路，例如，多核微处理器。计算设备800可以包括大容量存储设备806(例如软盘、硬盘驱动器、易失性存储器(例如，动态随机存取存储器(DRAM)、压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字通用盘(DVD)))。通常，系统存储器804和/或大容量存储设备806可以是任何类型的临时和/或持久性存储装置，包括但不限于易失性和非易失性存储器、光学、磁性和/或固态大容量存储装置等。易失性存储器可以包括但不限于静态和/或动态随机存取存储器。非易失性存储器可以包括但不限于电可擦除可编程只读存储器、相变存储器、电阻存储器等。
计算设备800还可以包括输入/输出(I/O)设备808(诸如显示器(例如，触摸屏显示器)、键盘、光标控件、遥控器、游戏控制台、图像捕捉设备等等)和通信接口810(例如，网络接口卡、调制解调器、红外接收器、无线电接收器(例如，蓝牙)等)。在一些实施例中，通信接口810可以包括根据各种实施例的光学器件802或在其他情况下与该光学器件802耦合，该光学器件802包括光耦合器，该光耦合器包括光波导870，该光波导870具有掩埋在例如硅衬底的表面下方的锥形段，如上所述。
通信接口810可以包括通信芯片，该通信芯片可以被配置为根据全球移动通信系统(GSM)、通用分组无线业务(GPRS)、通用移动电信系统(UMTS)、高速数据包访问(HSPA)、演进的HSPA(E-HSPA)或长期演进(LTE)网络来操作设备800。通信芯片也可以被配置为根据GSM演进的增强数据(EDGE)、GSM EDGE无线接入网(GERAN)、通用陆地无线接入网(UTRAN)或演进的UTRAN(E-UTRAN)来进行操作。通信芯片可以被配置为根据码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、数字增强型无绳电信(DECT)、演进数据优化(EV-DO)、其派生物、以及被指定为3G、4G、5G及更高版本的任何其他无线协议来进行操作。在其他实施例中，通信接口810可以根据其他无线协议进行操作。
上述计算设备800的元件可以经由系统总线812彼此耦合，系统总线812可以代表一个或多个总线。在多条总线的情况下，它们可以由一个或多个总线桥(未示出)桥接。这些元件中的每一个可以执行其在本领域中已知的常规功能。特别地，可以采用系统存储器804和大容量存储设备806来存储用于光学器件802的操作的编程指令的工作副本和永久副本。各种元件可以由处理器803支持的汇编指令或可以编译成此类指令的高级语言来实施。
编程指令的永久副本可以通过例如诸如压缩盘(CD)的分发介质(未示出)、或通过通信接口810(来自分发服务器(未示出))放置在工厂或现场的大容量存储设备806中。即，可以采用具有代理程序的实施的一种或多种分发介质来分发代理并对各种计算设备编程。
元件808、810、812的数量、能力和/或容量可以变化，这取决于计算设备800被用作诸如机顶盒或台式计算机的固定计算设备还是用作诸如平板计算设备、便携式计算机、游戏控制台或智能电话的移动计算设备。它们的构成在其他方面是已知的，并且因此将不再进一步描述。
在实施例中，存储器804可以包括计算逻辑822，该计算逻辑822被配置为实践实施例的各方面，例如光学器件102(例如，发射器、接收器或收发器)的操作。对于一个实施例，处理器803中的至少一个可以与被配置为实践本文描述的光信号传输和接收的各方面的计算逻辑822封装在一起，以形成系统级封装(SiP)或片上系统(SoC)。
计算设备800可以包括光电系统，或以其他方式与之相关联，光电系统例如是实施光学器件的各方面的系统100，光学器件包括例如图1的170或图2的270的光耦合器，该光耦合器包括具有掩埋在光学器件102的半导体衬底下方的锥形段的光波导，如上所述。在一些实施例中，光电系统100的至少一些部件(例如，光学器件102和134)可以与计算设备800通信地耦合和/或被包括在计算设备800的部件(例如通信接口810)中的一个或多个中。注意，在一些实施例中，光学器件102可以包括在光学器件134中，以接收来自光纤的光，以将光从第一光模式转变为第二光模式。因此，在一些实施例中，锥形段用于减少在所接收的光从光纤到光波导的传播期间的光损失。
在各种实施方式中，计算设备800可以包括数据中心、膝上型计算机、上网本、笔记本、超级本、智能电话、平板电脑、个人数字助理(PDA)、超移动PC、移动电话或数码相机中的一个或多个。在其他实施方式中，计算设备800可以是处理数据的任何其他电子设备。
根据各种实施例，本公开描述了多个示例。
示例1可以包括一种光学装置，其包括：用于将光导引到光纤的光波导，其中，光波导包括第一端和第二端，其中，第一端接收从光源输入的光，并且第二端包括锥形段，以将所接收的光传播到光纤；以及半导体衬底，其中，所述锥形段被掩埋在所述半导体衬底的表面下方，以将所述半导体衬底内的所接收的光从第一光模式转变为第二光模式，以减少在所接收的光从光波导到光纤的传播期间的光损失。
示例2可以包括示例1的光学装置，其中，半导体衬底的表面包括硅光子芯片的底表面，并且其中，硅光子芯片包括无源或有源光子部件中的至少一个或多个，包括但不限于波导、激光器、光电检测器、调制器或分束器。
示例3可以包括示例1的光学装置，其中，第一光模式包括在光波导的第一端接收的光的光模式，并且第二光模式包括光纤的光模式。
示例4可以包括示例1的光学装置，其中，锥形段的横截面尺寸具有接近或基本匹配光纤的数值孔径(NA)的NA。
示例5可以包括示例1的光学装置，其中，锥形段在光波导的第二端处的横截面尺寸具有大约10微米的厚度。
示例6可以包括示例1的光学装置，其中，半导体衬底是硅衬底，并且光波导由掩埋在硅衬底内的外延生长的单晶硅形成。
示例7可以包括示例6的光学装置，其中，光波导的锥形段耦合到输出小面以形成光耦合器，并且该输出小面被蚀刻在硅衬底内。
示例8可以包括示例7的光学装置，其中，光耦合器是光学边缘耦合器或背面光耦合器中的至少一个以耦合到光纤。
示例9可以包括示例8的光学装置，其中，光耦合器包括输出边缘耦合器，并且将光纤直接耦合到锥形段。
示例10可以包括示例8的光学装置，其中，光耦合器包括背面光耦合器，并且包括蚀刻在硅衬底内的硅透镜，以接收从锥形段反射的光。
示例11可以包括示例1的光学装置，其中，半导体衬底的表面包括硅光子器件的平面表面。
示例12可以包括形成光学装置的光波导的方法，包括提供半导体衬底；以及在半导体衬底内部设置沟槽，该设置包括形成光波导的锥形段以将光传播到光纤，其中，该锥形段被掩埋在半导体衬底的表面下方以将在半导体衬底内传播的光转变为光纤的光模式，以减少在光从光波导到光纤的传播期间的光损失。
示例13可以包括示例12的方法，其中，设置沟槽包括在半导体衬底内沿着沟槽的底部蚀刻锥形段的斜率。
示例14可以包括示例13的方法，其中，设置沟槽还包括沿着沟槽的侧壁和底部沉积绝缘体层；从沟槽的底部去除绝缘体层；以及执行热氧化，以在沟槽的底部形成氧化物层，以形成光波导的包覆层。
示例15可以包括示例14的方法，还包括外延生长单晶硅以形成锥形段的主体；以及抛光单晶硅以平坦化半导体衬底。
示例16可以包括示例12的方法，还包括：蚀刻输出小面以接收传播的光，以帮助将光波导耦合到光纤。
示例17可以包括一种光通信系统，其包括至少一个光学装置，其中，该光学装置包括：光源；光波导，其用于将光导引至光纤并且包括第一端和第二端，其中，第一端用于接收从光源输入的光，并且第二端包括锥形段，以将所接收的光传播到光纤；以及半导体衬底，其中，锥形段被掩埋在半导体衬底的表面下方，以将半导体衬底内的所接收的光从第一光模式转变为第二光模式，以减少在所接收的光从光波导到光纤的传播期间的光损失。
示例18可以包括示例17的光通信系统，还包括透镜，该透镜包括在半导体衬底中，以形成背面光耦合器，以帮助将光波导耦合到光纤。
示例19可以包括示例17的光通信系统，其中，光通信系统包括发射器，并且光源包括激光器。
示例20可以包括示例17的光通信系统，其中，光通信系统包括光收发器，该光收发器包括至少一个光学装置，并且还包括一个或多个耦合到半导体衬底的光电检测器、调制器或分束器。
各种实施例可以包括上述实施例的任何适当的组合，包括上文以结合形式(和)描述的实施例的替代(或)实施例(例如，“和”可以是“和/或”)。此外，一些实施例可以包括一个或多个具有存储在其上的指令的制品(例如，非暂时性计算机可读介质)，该指令在被执行时导致上述任何实施例的动作。此外，一些实施例可以包括具有用于执行上述实施例的各种操作的任何适当单元的装置或系统。
包括在摘要中所描述的内容在内的所示出的实施方式的以上描述并不旨在是详尽的或将本公开的实施例限于所公开的精确形式。尽管本文出于说明性目的描述了特定的实施方式和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本公开的范围内可以进行各种等效的修改。
可以根据以上具体实施方式对本公开的实施例进行这些修改。所附权利要求中使用的术语不应解释为将本公开的各种实施例限制为说明书和权利要求中公开的具体实施方式。相反，范围应完全由以下权利要求来确定，以下权利要求应根据权利要求解释所确立的原则来理解。

Claims (20)

1.一种光学装置，包括：
光波导，其用于将光导引到光纤，其中，所述光波导包括第一端和第二端，其中，所述第一端用于接收从光源输入的光，并且所述第二端包括锥形段，所述锥形段将所接收的光传播到所述光纤；以及
半导体衬底，其中，所述锥形段被掩埋在所述半导体衬底的表面下方，以将所述半导体衬底内的所接收的光从第一光模式转变为第二光模式，以减少在所接收的光从所述光波导到所述光纤的传播期间的光损失。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述半导体衬底的所述表面包括硅光子芯片的底表面，并且其中，所述硅光子芯片包括无源或有源光子部件中的至少一个或多个，所述无源或有源光子部件包括但不限于波导、激光器、光电检测器、调制器或分束器。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一光模式包括在所述光波导的所述第一端处接收的光的光模式，并且所述第二光模式包括所述光纤的光模式。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述锥形段的横截面尺寸具有的数值孔径(NA)接近或基本匹配所述光纤的所述NA。
5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述锥形段在所述光波导的所述第二端处的横截面尺寸具有大约10微米的厚度。
6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述半导体衬底是硅衬底，并且光波导由被埋在所述硅衬底内的外延生长的单晶硅形成。
7.根据权利要求6所述的光学装置，其中，所述光波导的所述锥形段被耦合到输出小面以形成光耦合器，并且所述输出小面被蚀刻在所述硅衬底内。
8.根据权利要求7所述的光学装置，其中，所述光耦合器是光学边缘耦合器或背面光耦合器中的至少一个，以耦合至所述光纤。
9.根据权利要求8所述的光学装置，其中，所述光耦合器包括输出边缘耦合器，并且用于将所述光纤直接耦合到所述锥形段。
10.根据权利要求8所述的光学装置，其中，所述光耦合器包括背面光耦合器，并且包括被蚀刻在所述硅衬底内以接收从所述锥形段反射的光的硅透镜。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的光学装置，其中，所述半导体衬底的所述表面包括硅光子器件的平面表面。
12.一种形成光学装置的光波导的方法，包括：
提供半导体衬底；以及
在所述半导体衬底内部设置沟槽，所述设置包括形成所述光波导的锥形段以将光传播到光纤，其中，所述锥形段将被掩埋在所述半导体衬底的表面下方以将在所述半导体衬底内传播的光转变为所述光纤的光模式，以减少在所述光从所述光波导到所述光纤的传播期间的光损失。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，设置所述沟槽包括在所述半导体衬底内沿着所述沟槽的底部蚀刻所述锥形段的斜坡。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，设置所述沟槽还包括：
沿着所述沟槽的侧壁和所述底部沉积绝缘体层；
从所述沟槽的所述底部去除所述绝缘体层；以及
执行热氧化以在所述沟槽的所述底部形成氧化物层，以形成所述光波导的包覆层。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
外延生长单晶硅以形成所述锥形段的主体；以及
抛光所述单晶硅以平坦化所述半导体衬底。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括蚀刻出输出小面以接收所传播的光，以帮助将所述光波导耦合到所述光纤。
17.一种光通信系统，包括至少一个光学装置，其中，所述光学装置包括：
光源；
光波导，其用于将光导引至光纤并且包括第一端和第二端，其中，所述第一端接收从所述光源输入的光，并且所述第二端包括锥形段，所述锥形段将所接收的光传播到所述光纤；以及
半导体衬底，其中，所述锥形段被掩埋在所述半导体衬底的表面下方，以将所述半导体衬底内的所接收的光从第一光模式转变为第二光模式，以减少在所接收的光从所述光波导到所述光纤的传播期间的光损失。
18.根据权利要求17所述的光通信系统，还包括：透镜，所述透镜包括在所述半导体衬底中，以形成背面光耦合器，以帮助将所述光波导耦合至所述光纤。
19.根据权利要求17所述的光通信系统，其中，所述光通信系统包括发射器，并且所述光源包括激光器。
20.根据权利要求17-19中任一项所述的光通信系统，其中，所述光通信系统包括光收发器，所述光收发器包括所述至少一个光学装置，并且还包括耦合到所述半导体衬底的一个或多个光电检测器、调制器或分束器。
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