CN113544920B - 超模式滤波波导发射器 - Google Patents
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Abstract
一种光学设备，包括半导体衬底和设置在半导体衬底上的超模式滤波波导(SFW)发射器。SFW发射器包括第一光波导、间隔层、以及通过间隔层与第一光波导隔开的第二光波导。第二光波导与第一光波导倏逝耦合，并且被配置为与第一波导一起仅选择性地传播多种光学模式中的第一模式。SFW发射器还包括设置在第一光波导和第二光波导中的一者中的光学有源区。
Description
技术领域
本公开中呈现的实施例总体涉及由两个以上垂直堆叠的波导形成的单模式波导发射器，更具体地涉及通过横向辐射滤除不需要的模式的波导发射器。
背景技术
相干调制格式是长途和城域应用的主要关注点，并且在较短距离和数据中心互连(DCI)应用中受到越来越多的关注。然而，由于同时调制相位和振幅，硅中的相干调制器固有地存在高损耗。对于即将到来的600GB、800GB、和1TB应用，相干调制器的发射机插入损耗估计为25-29dB。同时，进入光纤所需要的发射机输出功率在0到+3dBm之间。
附图说明
为了能够详细理解本公开的上述特征，可以参考实施例(其中一些实施例在附图中示出)给出上文简要概述的本公开的更具体的描述。然而，应当注意的是，附图仅示出了本公开的典型实施例，因此不应被视为限制本公开的范围，因为本公开可以覆盖其他等效实施例。
图1是根据一个或多个实施例的具有安装在硅光子芯片上的SCOW发射器的发射机的俯视图。
图2是根据一个或多个实施例的具有量子点层的示例性组件的晶片级视图。
图3是根据一个或多个实施例的包括多个对准特征的示例性组件的晶片级视图。
图4是根据一个或多个实施例的具有布置在脊中的光学有源区的超模式滤波波导发射器的横截面图。
图5A和5B是根据一个或多个实施例的使用超模式滤波波导发射器对光学模式进行滤波的示意图。
图6是根据一个或多个实施例的使用超模式滤波波导发射器对光学模式进行传播的示意图。
图7-12示出了根据一个或多个实施例的超模式滤波波导发射器的替代实施方式。
图13和14示出了根据一个或多个实施例的改变光学模式的限制。
图15是根据一个或多个实施例的安装在硅光子芯片上的超模式滤波波导发射器的侧视图。
图16是根据一个或多个实施例的制造SCOW发射器的方法。
为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的参考标号来表示图中共有的相同元件。可以预见到，在一个实施例中公开的元件可以有益地用于其他实施例而无需具体叙述。
具体实施方式
概述
本公开中呈现的一个实施例是一种光学设备，包括半导体衬底和设置在半导体衬底上的超模式滤波波导(SFW)发射器。SFW发射器包括第一光波导、间隔层、以及通过间隔层与第一光波导隔开的第二光波导。第二光波导与第一光波导倏逝耦合，并且被配置为与第一光波导一起仅选择性地传播多种光学模式中的第一模式。SFW发射器还包括设置在第一光波导和第二光波导中的一者中的光学有源区。
本公开中呈现的另一个实施例是制造超模式滤波波导(SFW)发射器的方法。该方法包括：在半导体衬底之上形成第一包覆层，在第一包覆层上方形成第一光波导，在第一光波导上方形成间隔层，以及在间隔层上方形成第二光波导。第二光波导被配置为与第一光波导一起仅选择性地传播多种光学模式中的第一模式。该方法还包括：在第一光波导和第二光波导中的一者中形成光学有源区，以及在第二光波导上方形成第二包覆层。
本公开中呈现的另一个实施例是一种光学系统，包括：光子芯片，包括相对于光子芯片的第一表面具有预定高度的光学部件；半导体衬底，具有第二表面；以及超模式滤波波导(SFW)发射器，接触第二表面。SFW发射器包括第一光波导、间隔层、和通过间隔层与第一光波导隔开的第二光波导。第二光波导与第一光波导倏逝耦合，并且被配置为与第一光波导一起仅选择性地传播多种光学模式中的第一模式。SFW发射器还包括设置在第一光波导和第二光波导中的一者中的光学有源区。当第二表面接触第一表面时，第一光波导和第二光波导中的一者在至少一个维度上与光学部件光学对准。
示例实施例
为了满足上面提到的所需要的发射机输出功率，集成可调谐激光器组件(Integrated Tunable Laser Assembly，ITLA)需要达到+25至30dBm甚至或高达1瓦的输出。这种激光器的成本和功耗可能会高昂得令人难以接受。目前，可调谐激光器的输出功率仅为+18dBm。
可以使用内联放大器(例如，微掺铒光纤放大器(EDFA))来放宽对所需要的来自激光器的输入功率的要求。然而，添加内联放大器会在调制信号中引入过量噪声，这会显著缩短传输距离。随着调制格式复杂性的增加，需要更高的输出光信噪比(OSNR)。对于1TB的光链路，需要大于45dB的OSNR。因此，由于内联放大器引入的噪声，无法实现超过3-4dB的增益。
在将激光源和其他光学有源部件与基于半导体的光子芯片集成时，会遇到一些额外的挑战。例如，激光源和光子芯片之间的高效光耦合可能需要复杂且昂贵的光学对准工艺。为了支持更高的数据速率(例如，通过更快的调制和/或更多的光信道)，可以将激光源放大到更高的功率水平。在某些情况下，可能需要额外的光学部件(例如，透镜和隔离器)来防止光反馈。在某些情况下，可能需要在与光子芯片集成之前将激光源附接到子底座(submount)，这增加了制造成本并降低了总体制造成品率。
根据本文讨论的实施例，光学设备包括半导体衬底和设置在半导体衬底上的超模式滤波波导(SFW)发射器。SFW发射器包括第一光波导、间隔层、以及通过间隔层与第一光波导隔开的第二光波导。第二光波导与第一光波导倏逝耦合，并且被配置为与第一光波导一起仅选择性地传播多种光学模式中的第一模式。SFW发射器还包括设置在第一光波导和第二光波导中的一者中的光学有源区。
有益地，光学设备可以更容易地与基于半导体的光子芯片集成。由于模式尺寸较大，SFW发射器提供了改进的耦合效率。此外，由于SFW发射器的大模式尺寸以及低固有损耗和低光学限制因子，SFW发射器可以扩展到更高的光功率。光学设备能够实现支持单一光学模式传播的大型光波导。在某些情况下，可以通过SFW发射器的选定材料的堆叠来控制光学模式的形状。在某些情况下，可以通过改变SFW发射器的脊的宽度来控制光学模式的尺寸。
此外，光学设备包括第一光波导和第二光波导之间的间隔层。间隔层可以用作蚀刻停止层，其可以简化制造工艺并降低制造光学设备的成本。此外，SFW发射器可以直接与硅衬底集成，从而消除了对单独子底座的需要。硅衬底提供附加特征，例如，硅通孔(TSV)、精确机械特征(例如使用光刻和湿法蚀刻来获得)、高导热性、与光子芯片匹配的热膨胀系数(CTE)。此外，使用硅衬底可以实现晶片级处理、测试、和烧焊。尽管特别针对硅衬底进行了讨论，但其他实施方式也是可能的。例如，SFW发射器可以生长在磷化铟(InP)衬底上，然后焊接到氮化铝载体上，并封装在密封的“金盒(gold box)”中。
图1是根据本文所述的一个实施例的具有安装在硅光子芯片110上的SFW发射器125的发射机100的俯视图。发射机100包括与硅光子芯片110的输入光学接口115对准的激光器105。在一个实施例中，激光器105是输出连续波(continuous wave，CW)光信号的可集成可调谐激光器组件(ITLA)，但其他类型的光源也是可预见的。即，激光器105输出未调制光信号。然而，在某些情况下，激光器105的输出功率不足以执行相干调制。
硅光子芯片110中的第一波导160A(例如，亚微米波导)将CW光信号路由到光斑大小转换器120A。由于第一波导160A中的CW光信号的模式可能远小于SFW发射器125中的波导的模式尺寸，因此当CW光信号通过光斑尺寸转换器120A传播时，光斑尺寸转换器120A增大光学模式的尺寸，以更好地匹配由SFW发射器125形成的波导的模式。因此，硅光子芯片110和SFW发射器125之间的光耦合效率得到提高。
在图1中，硅光子芯片110限定了蚀刻袋(etched pocket)130，其中SFW发射器125的至少一部分布置在该蚀刻袋中。也就是说，图1提供了硅光子芯片110的俯视图，其中，蚀刻袋130沿进入页面的方向被蚀刻。蚀刻袋130(其可替代地为以任何适当方式形成的袋或凹槽)提供一个空间，SFW发射器125的波导部分可设置在该空间中，以在SFW发射器125的输入接口处与第一光斑尺寸转换器120A对准并在SFW发射器125的输出接口处与第二光斑尺寸转换器120B对准。第二光斑尺寸转换器120B接收来自SFW发射器125的光信号，并减小该光信号的模式尺寸使得该光信号更好地匹配与第二光斑尺寸转换器120B光耦合的第二波导160B的模式尺寸。尽管光斑尺寸转换器120A、120B被示为分别物理耦合到第一和第二波导160A、160B，但是光斑尺寸转换器120A、120B中的一者或两者可能是倏逝地耦合到第一和第二波导160A、160B。
由SFW发射器125生成的经放大的CW光信号经由第二波导160B被提供给执行相干调制的相干调制器135。相干调制器135调制数据并输出能够支持600G、800G、和1TB应用等的高带宽信号。尽管本文中的实施例描述了使用SFW发射器125放大CW光信号以执行相干调制，但实施例不限于此。例如，SFW发射器125可用于在CW光信号被发送到以较低速度发送数据的其他类型的调制格式之前放大CW光信号。这样做可以允许使用低功率激光器105，从而可以降低制造成本。
尽管本文的实施例描述了在发射机100中使用SFW发射器125，但光斑大小转换器120A、120B和SFW发射器125可用于其他硅光子应用，例如，激光器、前置放大器、增压放大器，或有损光子集成电路(PIC)内部的放大器(例如，高端口数开关)。在这些示例中，SFW发射器125的输出可以耦合到与相干调制器135不同的光学部件。
由相干调制器135生成的经调制的光信号被输出到第三波导160C上，该第三波导160C在硅光子芯片110的输出光学接口140处与光纤150光学耦合。尽管未示出，硅光子芯片110也可以在输入光学接口115和/或输出光学接口140处包括光斑尺寸转换器(例如，类似于光斑尺寸转换器120A、120B)，因为激光器105生成的光信号的模式尺寸和光纤150的波导的模式尺寸可能与光子芯片110中的波导160A、160B、160C的模式尺寸显著不同。在另一个实施例中，发射机100可以在输入光学接口115和/或输出光学接口140处包括透镜，以补偿不同的模式尺寸。
图2是根据一个或多个实施例的具有量子点层235的示例性组件200的晶片级视图。组件200可以与其他实施例结合使用，例如，用于制造图1的SFW发射器125。如截面详图205所示，组件200包括半导体晶片210、设置在半导体晶片210之上的基底层215、设置在基底层215之上的第一包覆层220A、设置在第一包覆层220A之上的波导层225、设置在波导层225之上的第二包覆层220B、以及设置在第二包覆层220B之上的接触层240。尽管未示出，但在一些实施例中，组件200可以在第一包覆层220A和波导层225之间包括一个或多个附加波导层和/或一个或多个间隔层。
波导层225包括设置在第一包覆层220A之上的第一波导层230A、布置在第一波导层230A之上的量子点层235、以及设置在量子点层235之上的第二波导层230B。半导体晶片210和各种层在横截详图中未按比例绘制。相反，普通技术人员将理解的是，可以选择半导体晶片210和各种层的绝对和/或相对尺寸以满足各种应用的需要。
半导体晶片210包括半导体衬底，可以从该半导体衬底生长、图案化、蚀刻、沉积、或共晶结合各种光学和电气部件。在一些实施例中，半导体晶片210包括体硅(Si)衬底，其中，在该衬底中预处理用于将要生产的有源光学器件(例如，激光器、检测器、调制器、吸收器)的一个或多个特征或材料。在各种实施例中，半导体晶片210的直径可以在大约50毫米(mm)至大约200毫米之间，且厚度可以在大约0.3毫米至大约1毫米之间。然而，半导体晶片210的尺寸可以改变，以考虑Si(或其他半导体材料)制造行业中所期望的新直径和厚度。
在一些实施例中，基底层215包括与半导体晶片210结合的III-V半导体材料的薄膜。基底层215包括预定厚度(例如，约10纳米(nm)至约1000纳米厚)的所选择的III-V半导体材料。
在一些实施例中，通过直接或间接(即，通过一个或多个中间层)将III-V半导体材料的薄片结合到半导体晶片210来形成基底层215。在一些实施例中，薄片的直径基于半导体晶片210的直径(例如，在晶片直径的+/-5％范围内)，并且薄片的厚度可以独立于半导体晶片210的厚度而变化(即，更厚、更薄、或与半导体晶片210的厚度相同)。在其他实施例中，薄片的直径独立于半导体晶片210的直径。例如，若干小薄片可以与具有更大直径的半导体晶片210结合(例如，若干50mm的薄片与300mm的半导体晶片210结合)。可以使用本领域普通技术人员所熟知的各种方法将薄片与半导体晶片210结合。根据薄片的特定III-V半导体材料以及是否使用任何中间层，结合薄片的方法可能不同。薄片的III-V半导体材料的一些非限制性示例包括选自硼族的材料(即，第III族材料：硼、铝、镓、铟、铊)和选自氮族的材料(即，第V族材料：氮、磷、砷、锑、铋)，例如：氮化硼(BN)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、和磷化铟(InP)。
在一些实施例中，中间层(未示出)的尺寸可以与半导体晶片210的直径基本匹配(例如，+/-1％)。在一些实施例中，中间层的厚度在大约1nm到大约1000nm之间。在中间层中使用的材料的一些非限制性示例包括电介质，例如，氧化硅(例如，SiO2)、聚合物、金属、和半导体。本领域普通技术人员将熟悉可用作中间层的合适材料。
此外，基底层215的III-V半导体材料、中间层的材料、和半导体晶片210的材料中的任何一种材料可以掺杂各种其他材料，以提供所需要的物理和/或电特性。例如，诸如硅、碳、锌、锗、锡、镉、硫、硒、碲、铍、和/或镁等掺杂剂可用于掺杂基底层215的III-V半导体材料，以在半导体部件中使用时用作电子发射器或电子收集器。此外，可以在与半导体晶片210结合之前或之后对薄片进行掺杂。在另一非限制性示例中，可以将硼和/或磷用作半导体晶片210中的掺杂剂。
在一些实施例中，在与半导体晶片210结合后，从薄片中去除多余材料，从而为基底层215提供所需厚度。例如，可以使用化学方法、机械方法、或其组合从半导体晶片210中去除多余材料。
在一些实施例中，第一包覆层220A和第二包覆层220B(也可称为基质层)包括与基底层215的III-V半导体材料晶格匹配的材料。例如，当砷化镓被用于基底层215时，砷化铝镓(AIGaAs)可以被用于第一包覆层220A。晶格匹配材料的其他非限制性示例包括含砷化镓的磷化铟镓(InGaP)和砷化铝镓铟(AIGalnAs)、砷化铝铟(AllnAs)、砷化铟镓(InGaAs)、砷化镓锑(GaAsSb)、和磷化铟镓砷(InGaAsP)。本领域普通技术人员将能够选择与所选择的基底层215的III-V半导体材料一起使用的晶格匹配材料。
在一些实施例中，第一包覆层220A和第二包覆层220B围绕波导层225和量子点层235外延生长。在其他实施例中，第一包覆层220A和第二包覆层220B分别形成，例如，第一包覆层220A从基底层215生长，第二包覆层220B从第二波导层230B生长。
波导层225的第一波导层230A和第二波导层230B包括围绕量子点层235生长的III-V半导体材料，该III-V半导体材料提供结构化增益介质，在量子点层235中产生的光在该结构化增益介质中被放大并且在一个或多个方向上被从量子点层235向外引导。在一些实施例中，包括第一波导层230A和第二波导层230B的III-V半导体材料与基底层215的III-V半导体材料相同，但也可以由不同的III-V半导体材料制成(例如，当GaAs用于基底层215时，使用AIGaAs)和/或可以不同于基底层215被掺杂。在一些实施例中，第一波导层230A和第二波导层230B围绕量子点层235外延生长。在其他实施例中，第一波导层230A从第一包覆层220A生长，第二波导层230B从量子点层235生长。
量子点层235包括多个量子点，这些量子点在受到外加电流刺激时发射光子。量子点是一种基于量子力学效应的纳米结构，具有各种特性(例如，光生成)。量子点层235的量子点被波导层225的第一波导层230A和第二波导层230B包围，并且由比波导层225的材料具有更窄的带隙的材料制成。量子点充当嵌入波导层225中的零维实体，其能够三维捕获所激发的电子(即，防止电子移动)。相比之下，量子阱是由第一材料的薄层形成的二维结构，该第一材料被更宽带隙的材料包围，并且仅允许一个维度的电子捕获(允许电子的平面二维运动)。本领域普通技术人员将理解的是，量子点的材料组成和尺寸将影响所生成的光的特性。
接触层240由III-V半导体材料制成。在一些实施例中，接触层240由与基底层215相同的III-V半导体材料形成，并且被与基底层215不同地掺杂以形成相反的半导体材料。例如，当基底层215被p掺杂时，接触层240被n掺杂，反之亦然。接触层240形成距离半导体晶片210的最远层，并且与基底层215一起包围量子点层235、波导层225、第一包覆层220A、以及第二包覆层220B。当横跨接触层240和基底层215施加足够的电压时，电流将流过量子点层235并生成光。
将理解的是，可以应用各种附加工艺来将半导体晶片210和各种层蚀刻成所需形状或轮廓，添加一个或多个光子元件，和/或处理量子点层235，这些将在本公开的其他地方更详细地讨论。类似地，可以在结合和/或生长各种层之前或之后对半导体晶片210执行各种晶片工艺。例如，一个或多个硅通孔(TSV)和/或机械对准特征可以被添加到半导体晶片210，半导体晶片210可以被切割成单独的部件等，这些将在本公开的其他地方更详细地讨论。
图3是根据一个或多个实施例的包括多个对准特征310的示例性组件200的晶片级视图300。更具体地，晶片级视图300描绘了组件200的外表面305，例如，半导体晶片210的、与基底层215相对的表面。如图所示，多个对准特征310被形成在外表面305。多个对准特征310可用于在晶片级处理期间对准组件200，以及用于对准随后从组件200形成(例如，切割)的单个部件。
多个对准特征310可具有相对于外表面305的任何适当布置的任何适当形式。多个对准特征310可包括但不限于：适用于光学成像系统的基准标记(例如，在已知位置设置两到三个对准点)、机械止动、金属化标记、防松动特征(例如，后续制造步骤的通止特征)、环氧槽、和其他识别特征(例如，十字准线、快速响应(QR)代码、和部件标注/标签)。
多个对准特征310可包括从外表面305凸起的一个或多个特征和/或凹陷(例如，蚀刻)进外表面305的一个或多个特征。如图所示，多个对准特征310包括多个排列成行的不同形状的特征。然而，其他实施例可以包括相同形状的特征和/或不同的规则或不规则布置。
图4是根据一个或多个实施例的SFW发射器400的横截面图，该SFW发射器400具有布置在脊部410中的光学有源区445。SFW发射器400可以与其他实施例结合使用，例如作为图1所示的SFW发射器125的一个示例性实施方式。
在SFW发射器400中，脊部410从基部405延伸。通常，基部405比脊部410宽很多(例如，沿x维度)。如图所示，脊部410包括第二包覆层220B的一部分和第二光波导440。基部405包括布置在第一包覆层220A上方的第一光波导415。第一光波导415被配置为在横向维度(例如，沿x维度)上无限延伸(或延伸远宽于脊部的距离)。第一光波导415可具有任何合适的实施方式。例如，在第一包覆层220A包括磷化铟(InP)半导体材料的情况下，第一光波导415可由磷化镓铟砷化物(GalnAsP)、铝镓铟砷化物(AIGalnAs)、或其他合适的四元化合物半导体材料形成。在另一示例中，在第一包覆层220A包括铝砷化镓(AIGaAs)半导体材料的情况下，第一光波导415可由砷化镓(GaAs)、具有较低比例铝的AlGaAs等形成。
第一光波导415具有沿y维度的总厚度(t)。在一些实施例中，如图4所示，第一光波导415包括单个光波导层，该光波导层布置在第一包覆层220A上方并且具有沿y维度的高度(h2)。在一些实施例中，单个光波导层的高度(h2)等于第一光波导415的总厚度(t)，但这不是必须的。例如，图7描绘了具有被间隔层分隔的两个光波导层的第一光波导415，图10描绘了具有高折射率和低折射率光波导层(例如，稀释波导)的交替布置的第一光波导415。
脊部410包括与第一光波导415隔开的第二光波导440。第二光波导440可具有任何合适的实施方式。例如，在第二包覆层220B包括磷化铟(InP)半导体材料的情况下，第二光波导440可由磷化镓铟砷化物(GaInAsP)、铝镓铟砷化物(AIGaInAs)、或其他合适的四元化合物半导体材料形成。在另一示例中，在第二包覆层220B包括铝砷化镓(AIGaAs)半导体材料的情况下，第二光波导440可由砷化镓(GaAs)、铝比例较低的AlGaAs等形成。在一些实施例中，第二光波导440用与第一光波导415相同的材料实现，但这不是必须的。在一些实施例中，第二光波导440形成在波导层225中。
在一些实施例中，如SFW发射器400所示，光学有源区445设置在第二光波导440中。在替代实施例中(例如，如图8所示)，有源区445设置在第一光波导415中。可在光学有源区445中使用任何合适的光学增益材料，例如，可电泵浦和/或光泵浦的量子阱、量子点、量子线等。
第一光波导415和第二光波导440被间隔层420隔开，并形成倏逝耦合的波导布置。如图所示，第一光波导415和第二光波导440“垂直堆叠”，但也可以进行其他相对布置。这样，应适当选择独立的第一光波导415和第二光波导440的模式的有效折射率，以创建由SFW发射器400选择性传播的期望超模式。可通过改变第一光波导415和/或第二光波导的几何结构(例如，宽度和厚度)或材料(体折射率)来改变有效折射率。也可选择间隔层420的材料和厚度来影响超模式特性。第一光波导415和第二光波导440的布置可以(并且通常将)支持多个超模式。然而，由于SFW发射器400的设计，基本超模式被限制在脊部410中，并且所有其他(不需要的)超模式通过辐射到第一光波导415的横向范围而被滤除。因此，可以由SFW发射器400选择性地传播单个模式。
还参考图2，对于在波导层225中形成第二光波导440的那些实施例，第一波导层230A表示利用第一导电类型掺杂的第一区域，第二波导层230B表示利用不同的第二导电类型掺杂的第二区域。有源区445(例如，量子点层235)设置在第一波导层230A和第二波导层230B之间。第一光波导415可具有任何合适的掺杂或者可以不掺杂。
在一些实施例中，波导层225由III-V半导体材料或合金形成，其厚度在大约1到2微米之间。在一些实施例中，脊部410沿x维度的宽度(w)在大约3到8微米之间。通过这样的尺寸设计，光学模式的直径可以为大约4到5微米，这比大多数支持单模式放大的半导体光放大器(SOA)大得多。随着模式尺寸的增加，光信号通常具有多种模式。然而，由于(一个或多个)第一波导415的区域405A、405B远离脊部410，SFW发射器400可以具有大模式尺寸并且仍然支持单模式放大。当在SFW发射器400中传播的光信号生成附加模式时，这些模式被发送到区域405A和405B中并被区域405A和405B滤除。以这种方式，SFW发射器400支持其他SOA支持的更大模式尺寸的单模式操作。在一个实施例中，SFW发射器400是基本模式的垂直模式尺寸大于2.5微米1/e2直径的多模式放大器，其可具有比任何其他高阶模式显著更高的模式增益。在一个实施例中，SFW发射器400是单模式放大器，其基本模式的模式尺寸大于2.5微米1/e2直径；由于对区域405A和405B的辐射损耗，波导支持的其他模式经历净损耗。关系1/e2是描述高斯光束的尺寸的典型度量。
间隔层420设置在第一光波导415和第二光波导440之间。间隔层420可具有任何合适的实施方式，例如InP或合适的四元化合物半导体材料。此外，间隔层420可具有任何合适的掺杂或者可以不掺杂。间隔层420具有沿y维度的高度。
第一光波导415、第二光波导440、和/或间隔层420的尺寸和布置使得第一光波导415和第二光波导440倏逝耦合。通过倏逝耦合，第一光波导415和第二光波导440的组合被配置为传播代表第一光波导415和第二光波导440的模式之和的耦合超模式。
在一些实施例中，第二光波导440被配置为传播多个光学模式(图示为有效折射率图425、430、435)，并且第一光波导415被配置为选择性地传播多种光学模式中的第一模式。以另一种方式描述，基本耦合模式(由有效折射率图425示出)具有大于第一光波导415的有效折射率，并且更高阶耦合模式(由有效折射率图430、435示出)具有小于第一光波导415的有效折射率。由第一光波导415呈现的有效折射率在图5的图表505、510中示出。在图表505中，对于与SFW发射器400的脊部410相对应的区域508中的基本耦合模式507，有效折射率506更大。在图表510中，对于区域508中的更高阶耦合模式512，有效折射率511更小。因此，基本耦合模式(例如，同相光学模式)被第一光波导415限制，而更高阶耦合模式(例如，异相光学模式)被第一光波导415辐射离开。
根据倏逝耦合波导的耦合模式理论，两个波导的耦合系统支持两种超模式(同相模式和异相模式)，它们的场分布由单独波导模式的叠加近似描述。这些模式的有效折射率可用等式neff +＝n+[Δn2+K2]1/2(同相)和neff -＝n-[Δn2+K2]1/2(异相)描述，其中，n是两个波导的平均有效折射率，Δn是两个波导的有效折射率之差的一半，K与两个波导之间的耦合强度有关。对于蚀刻掉上波导的区域内的SFW，模式有效折射率近似等于仅下波导的有效折射率，表示为neff I＝n+/-Δn(符号取决于波导有效折射率之间的差是多少)。显然，对于K2>0，neff+>neff+>neff-。由于一般情况下模式被拉入具有较高折射率的区域，因此同相模式被限制在脊部410中，然而，异相模式被拉入横向区域(上波导被蚀刻掉)，在横向区域中异相模式从脊部410向外辐射，光功率损失。根据该原理，期望的同相模式被限制在脊部410，而不需要的异相超模式通过辐射被滤除。
还参考图6，图600示出了使用SFW发射器400的光学模式的正面视图。在一些实施例中，脊部410沿x维度的宽度(w)大于4微米，并且SFW发射器400的耦合波导几何结构具有沿y维度大于4微米的厚度(例如，h1+s+t)。也可以预见到SFW发射器400的其他尺寸。第一光学模式部分605通过第二光波导440传播，第二光学模式部分610通过第一光波导415传播。因此，SFW发射器400支持传播沿x维度大于5微米且沿y维大于4微米的光学模式。
有利的是，光学模式的大尺寸允许更好的耦合效率和对准公差，从而实现SFW发射器400的被动对准和结合。光学模式的大尺寸允许生成非常高的光功率水平，例如，100毫瓦到1瓦或更大，这大约比传统的二极管激光器大一个数量级。此外，由SFW发射器400生成的放大可以补偿数据速率增加时所遭受的更高损失。例如，SFW发射器400可用在具有大于50GHz的光信号且支持100Gbps和1Tbps之间的数据速率的发射机中。
可以选择第一光波导415和/或第二光波导440的组成和几何结构来控制光学模式的尺寸和/或形状。图7-10示出了SFW发射器400的替代实施方式。虽然每个替代实施方式示出了许多不同于SFW发射器400的特征，但预见到了这些特征的任何适当组合。
例如，在图7的SFW发射器700中，第一光波导415包括与第二光波导层715隔开的第一光波导层705、以及布置在第一光波导层705和第二光波导层715之间的第二间隔层710。第一光波导层705和/或第二光波导层715可以具有任何合适的实现，例如，GaInAsP、AlGaInAs、GaAs、铝比例较低的AlGaAs、或适当的四元化合物半导体材料。在一些实施例中，第一光波导层705和/或第二光波导层715是用与第一光波导415和/或第二光波导440相同的半导体材料实现的，但这不是必须的。此外，第一光波导层705和/或第二光波导层715可以具有任何适当的掺杂或者可以不掺杂。
第二间隔层710可具有任何适当的实现，例如，InP或适当的四元化合物半导体材料。在一些实施例中，第二间隔层710是用与间隔层420相同的半导体材料实现的，但这不是必须的。此外，第二间隔层710可以具有任何适当的掺杂或者可以不掺杂。
第一导电接触层720布置在第二包覆层220B(例如，上包覆层)上方。第二导电接触层725布置在第一包覆层220A(例如，下包覆层)下方。在这种情况下，波导层225的第二包覆层220B和第二波导层230B可以被利用第一导电类型掺杂。第一包覆层220A、波导层225的第一波导层230A、和/或第一光波导层705和第二光波导层715可以被利用不同的第二导电类型掺杂。在一些实施例中，间隔层420还被掺杂为是导电的。
在图8的SFW发射器800中，光学有源区445设置在第一光波导415中(即，在基部405中)。第一光波导415的第一光波导层805布置在间隔层420下方和光学有源区445上方，并且第一光波导415的第二光波导层810布置在光学有源区445下方和第一包覆层220A上方。
第一光波导层805和/或第二光波导层810可具有任何合适的实现，例如，GaInAsP、AlGaInAs、GaAs、铝比例较低的AlGaAs、或合适的四元化合物半导体材料。在一些实施例中，第一光波导层805和/或第二光波导层810是用与第一光波导415和/或第二光波导440相同的半导体材料实现的，但这不是必须的。
第一导电接触层720布置在第二包覆层220B上方，第二导电接触层725布置在第一包覆层220A下方。在这种情况下，第一光波导层805、波导层225、和第二包覆层220B可以利用第一导电类型来掺杂，并且第二光波导层810和第一包覆层220A可以利用不同的第二导电类型来掺杂。
在图9的SFW发射器900中，第一导电接触层720布置在第二包覆层220B上方，第二导电接触层905布置在间隔层420上方。在第二导电接触层905内，导电接触件910A、910B布置在脊部410的相反侧。有利地，由于穿过间隔层420到波导层225的第一波导层230A的导电路径中的光场相对较低，因此在某些情况下，第一光波导415可以不掺杂，这降低了第一光波导415中的光损耗。
在图10的SFW发射器1000中，第一光波导415包括稀释波导，其具有高有效折射率层1005A、1005B、1005C和低有效折射率层1010A、1010B的交替布置。尽管示出了三(3)个高有效折射率层1005A、1005B、1005C和两(2)个低有效折射率层1010A、1010B，但也预见到了任何替代数目。此外，可以控制高有效折射率层1005A、1005B、1005C和低有效折射率层1010A、1010B(例如，沿y维度)的尺寸设计，以提供光学模式的期望尺寸和形状。
在图11的SFW发射器1100中，第一导电接触层720布置在第二包覆层220B上方，第二导电接触层1105布置在第一包覆层220A的顶表面110上方。在该实施方式中，已经通过间隔层420和第一光波导415执行了蚀刻，这限定了间隔层420和第一光波导415的侧壁1115，并且暴露出了顶表面110。
在图12的SFW发射器1200中，已经部分通过第一光波导415执行了蚀刻，使得第一光波导415定义了布置在更宽的第二部分1205上方的更窄的第一部分1210。在此实施方式中，较窄的第一部分1210改进了光被推入第一光波导415时对光的横向限制。尽管示出为单个较窄的第一部分1210，但替代实施方式可包括布置在较宽的第二部分1205上方的较窄的第一部分1210、较窄的第一部分1210和较宽的第二部分1205之间的渐缩过渡段等的多个“台阶”。
图13和图14示出了根据一个或多个实施例的改变光学模式的限制。图1300、1400中所示的特征可与其他实施例结合使用，例如与SFW发射器400、700、800、900、1000、1100、1200中的任何一个结合使用。
在图1300(例如，表示SFW发射器的第一横截面视图)中，脊部410和第二光波导440具有沿x维度的宽度W1。在图1400中(例如，表示SFW发射器的第二横截面视图)，脊部410和第二光波导440具有小于宽度W1的宽度W2。具有宽度W1的SFW发射器在第二光波导440中提供相对较大的限制，从而导致第一光学模式部分605的相对较大的光强度、以及第二光学模式部分610的相对较小的光强度。具有宽度W2的SFW发射器在第二光波导440中提供相对较小的限制(与宽度W1相比)，从而导致第一光学模式部分605的相对较小的光强度、以及第二光学模式部分610的相对较大的光强度。|
以这种方式，第二光波导440沿着脊部410的长度具有不同宽度(如图所示，延伸到页面内外)。因此，通过调整脊部410和第二波导440的宽度，SFW发射器可用于提供可变限制SOA，例如，其中一个区域需要高光增益，而另一个区域需要高光功率。另外，通过调整脊部410和第二波导440的宽度，SFW发射器可用于提供在外部接口处具有大光学模式且在光学设备的主体中具有小光学模式的光学设备。
图15是根据一个或多个实施例的安装在硅光子芯片110上的SFW发射器125的侧视图1500。侧视图1500中描绘的特征可与其他实施例结合使用，例如，与SFW发射器400、700、800、900、1000、1100、1200中的任何一个结合使用。
硅光子芯片110包括设置在硅衬底1510(例如，单晶硅衬底)上的绝缘层(例如，层间电介质(ILD))。在制造期间，对绝缘层1505进行处理以形成光斑尺寸转换器120A、120B，其中，光斑尺寸转换器120A、120B将光信号传输到SFW发射器125以及波导160A、160B(例如，氮化硅或氧氮化硅波导)并从它们接收经放大的光信号。
如图所示，SFW发射器125布置在绝缘层1505中形成的蚀刻凹槽130内，使得SFW发射器125中的波导1520的各端(通常由虚线示出)与光斑大小转换器120A、120B对准。如图所示，蚀刻袋130完全延伸穿过绝缘层1505去往硅衬底1510的表面1525。然而，在其他实施例中，蚀刻袋130仅部分延伸穿过绝缘层1505。SFW发射器125包括脊部410和光学有源区445(例如，形成于量子点层中)，该光学有源区将光信号限制在波导1520内并提供光放大。以上更详细地讨论了这些部件的功能。
如图所示，诸如硅衬底的子底座1535设置在绝缘层1505上方。当将SFW发射器125与光斑尺寸转换器120A、120B对准时，子底座1535的外表面1330与硅光子芯片110的外表面1515(例如，绝缘层1505的上表面)接触。尽管未示出，但可使用粘合剂将子底座1535固定到外表面1515，从而保持波导1520和光斑尺寸转换器120A、120B之间的对准。
在一个实施例中，SFW发射器125包括至少两个导电接触件，用于提供功率以便对通过波导1520传播的光信号执行光放大。在一个示例中，两个导电接触件设置在子底座1535的顶面上(例如，蚀刻袋130外)并与硅光子芯片110或另一芯片上的电源进行线连接或以其他方式电耦合。在另一示例中，至少一个导电接触件设置在子底座1535的顶面上，而另一个电极设置在脊部410的底面上(例如，脊部410朝向表面1525的一侧)。在这种情况下，硅光子芯片110可包括表面1525上的电极，该电极随后被焊接或以其他方式与设置在脊部410的底面上的导电接触件电耦合，以向SFW发射器125提供功率。
图16是根据一个或多个实施例的制造SFW发射器的方法1600。方法1600可与其他实施例结合使用，例如，制造SFW发射器400、700、800、900、1000、1100、1200中的任何一个。
方法1600从框1605开始，在框1605处，在半导体衬底上方形成第一包覆层。在框1615，在第一包覆层上方形成第一光波导。在框1625，在第一光波导上方形成间隔层。在块1635，在间隔层上方形成第二光波导。在框1645，在第一光波导和第二光波导中的一者中形成光学有源区。在一些实施例中，框1645作为框1635的一部分被执行：第二光波导的下部形成在间隔层上方，光学有缘区形成在下部上方，并且第二光波导的上部形成在光学有源区上方。在框1655，在第二光波导上方(例如，在第二光波导的上部上方)形成第二包覆层。在块1665处，形成从厚板延伸的脊。在一些实施例中，使用蚀刻工艺来形成脊，并且间隔层用作蚀刻停止层。在框1675，形成一个或多个导电接触件。在一些实施例中，一个或多个导电接触件形成在第二包覆层上方(例如，在脊上)，并且(1)形成在间隔层上方或(2)形成在第一包覆层下方(例如，在与半导体衬底分离之后)。方法1600在框1675完成后结束。
在上文中，参考了本公开中呈现的实施例。然而，本公开的范围不限于具体描述的实施例。相反，所描述的特征和元件的任何组合，无论是否与不同的实施例相关都被预见到用于实现和实践预见到的实施例。此外，尽管本文所公开的实施例可以实现优于其他可能的解决方案或现有技术的优点，但无论特定优点是否由给定实施例实现，都不限制本公开的范围。因此，前述方面、特征、实施例、和优点仅为说明性的，并且不被视为所附权利要求的要素或限制，除非在权利要求中明确叙述。
参考根据本公开中呈现的实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图插图和/或框图来描述本公开的各个方面。应当理解的是，流程图插图和/或框图的每个块以及流程图插图和/或框图中的框的组合可以通过计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可提供给通用计算机、专用计算机、或其他可编程数据处理设备的处理器以产生机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或框图中指定的功能/动作的方法。
这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以指示计算机、其他可编程数据处理设备、或其他设备以特定方式工作，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实现流程图和/或框图中指定的功能/动作的指令的制品。
计算机程序指令也可加载到计算机、其他可编程数据处理设备、或其他设备上，以在计算机、其他可编程设备、或其他设备上执行一系列操作步骤，用于产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现流程图和/或框图中指定的功能/动作的过程。
图中的流程图和框图示出了根据各种实施例的系统、方法、和计算机程序产品的可能实现的架构、功能、和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以代表代码的模块、段、或部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应注意的是，在一些替代实施方式中，在框中示出的功能可能会以不同于图中记录的顺序执行。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者有时可以根据所涉及的功能以相反顺序执行这些框。还将注意到，框图和/或流程图插图的每个框以及框图和/或流程图插图中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。
鉴于上述情况，本公开的范围由以下权利要求确定。
Claims (20)
1.一种光学设备，包括：
半导体衬底；以及
超模式滤波波导(SFW)发射器，设置在所述半导体衬底上，所述SFW发射器包括：
第一光波导；
间隔层；
第二光波导，通过所述间隔层与所述第一光波导隔开，其中，所述第二光波导与所述第一光波导倏逝耦合，并且被配置为与所述第一光波导一起仅选择性地传播多种光学模式中的第一模式；以及
光学有源区，设置在所述第一光波导和所述第二光波导中的一者中，
其中，所述第一光波导包括第一光波导层和第二间隔层，所述第一光波导层与第二光波导层隔开，所述第二间隔层布置在所述第一光波导层和所述第二光波导层之间。
2.根据权利要求1所述的光学设备，
其中，所述SFW发射器被形成为从基部延伸的脊部，
其中，所述第一光波导设置在所述基部中，并且
其中，所述第二光波导设置在所述脊部中。
3.根据权利要求2所述的光学设备，其中，所述基部中的所述第一光波导的尺寸被设计为滤除所述多种光学模式中的一种或多种其他模式。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的光学设备，其中，所述光学有源区设置在所述脊部中。
5.根据权利要求2至3中任一项所述的光学设备，其中，所述光学有源区设置在所述基部中。
6.根据权利要求2至3中任一项所述的光学设备，
其中，所述第二光波导沿所述脊部的长度具有不同宽度，并且
其中，当光信号通过所述第二光波导传播时，所述不同宽度改变所述第一模式的限制。
7.根据权利要求1所述的光学设备，还包括：
上包覆层，布置在所述间隔层上方；
第一导电接触层，布置在所述上包覆层上方；
下包覆层，布置在所述第一光波导下方；以及
第二导电接触层，布置在以下位置之一：(1)所述间隔层上方，(2)所述下包覆层上方，以及(3)所述下包覆层下方。
8.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一光波导包括高有效折射率层和低有效折射率层的交替布置。
9.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一光波导包括布置在较宽的第二部分上方的较窄的第一部分。
10.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述光学有源区包括量子阱、量子点、和量子线中的一者或多者。
11.一种制造超模式滤波波导(SFW)发射器的方法，所述方法包括：
在半导体衬底之上形成第一包覆层；
在所述第一包覆层上方形成第一光波导；
在所述第一光波导上方形成间隔层；
在所述间隔层之上形成第二光波导，其中，所述第二光波导被配置为与所述第一光波导一起仅选择性地传播多种光学模式中的第一模式；
在所述第一光波导和所述第二光波导中的一者中形成光学有源区；以及
在所述第二光波导之上形成第二包覆层，
其中，所述第一光波导包括第一光波导层和第二间隔层，所述第一光波导层与第二光波导层隔开，所述第二间隔层布置在所述第一光波导层和所述第二光波导层之间。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述第二光波导还包括：
形成从基部延伸的脊部，
其中，所述第一光波导设置在所述基部中，并且
其中，所述第二光波导设置在所述脊部中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述基部中的所述第一光波导的尺寸被设计为滤除所述多种光学模式中的一种或多种其他模式。
14.根据权利要求12至13中任一项所述的方法，其中，形成所述脊部包括：
至少通过所述第二包覆层对所述间隔层进行蚀刻。
15.根据权利要求12至13中任一项所述的方法，
其中，所述第二光波导沿所述脊部的长度形成为不同宽度，并且
其中，当光信号通过所述第二光波导传播时，所述不同宽度改变所述第一模式的限制。
16.一种光学系统，包括：
光子芯片，包括相对于所述光子芯片的第一表面具有预定高度的光学部件；
半导体衬底，具有第二表面；以及
超模式滤波波导(SFW)发射器，接触所述第二表面，所述SFW发射器包括：
第一光波导；
间隔层；
第二光波导，通过所述间隔层与所述第一光波导隔开，其中，所述第二光波导与所述第一光波导倏逝耦合，并且被配置为与所述第一光波导一起仅选择性地传播多种光学模式中的第一模式；以及
光学有源区，设置在所述第一光波导和所述第二光波导中的一者中，
其中，所述第一光波导包括第一光波导层和第二间隔层，所述第一光波导层与第二光波导层隔开，所述第二间隔层布置在所述第一光波导层和所述第二光波导层之间，
其中，当所述第二表面接触所述第一表面时，所述第一光波导和所述第二光波导中的一者在至少一个维度上与所述光学部件光学对准。
17.根据权利要求16所述的光学系统，其中，所述SFW发射器被形成为从基部延伸的脊部，
其中，所述第一光波导设置在所述基部中，并且
其中，所述第二光波导设置在所述脊部中。
18.根据权利要求16至17中任一项所述的光学系统，其中，所述半导体衬底限定了相对于所述第二表面的一个或多个机械特征，
其中，当所述一个或多个机械特征与所述光子芯片的相应部分接触时，所述第一光波导和所述第二光波导中的所述一者与所述光学部件光学对准。
19.根据权利要求16至17中任一项所述的光学系统，
其中，所述第一表面由所述光子芯片的绝缘层限定，并且其中，所述光学部件形成在所述绝缘层中。
20.根据权利要求19所述的光学系统，其中，从所述第一表面在所述绝缘层中形成空腔，
其中，所述第二表面在所述空腔的相反侧与所述第一表面接触，并且
其中，所述SFW发射器设置在所述空腔中。
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