CN114041076A

CN114041076A - 模扩展波导和包括这种模扩展波导的用于引导与光纤耦合的光斑尺寸转换器

Info

Publication number: CN114041076A
Application number: CN202080048454.XA
Authority: CN
Inventors: 姜伟; D·T·阮; D·A·诺兰; A·R·扎哈里安
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2019-05-29
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2022-02-11
Also published as: EP3977186A1; KR20220011709A; US20220260785A1; WO2020242821A1

Abstract

一种波导，包括：锥形宽度第一波导部分和第二波导部分以及第三波导部分，使得沿第一方向，第一波导部分和第二波导部分的宽度朝向第三波导部分的第一端逐渐增大，并且第一波导部分与第二波导部分之间在第二方向上的距离从第一波导部分的第二端到第一波导部分的第一端逐渐减小，其中第二方向垂直于第一方向；并且第一波导部分的第二端与第二波导部分的第二端之间的最大距离Gmax大于0.2μm且小于0.48μm；并且波导在1550nm波长处具有在2到4之间的折射率。

Description

模扩展波导和包括这种模扩展波导的用于引导与光纤耦合的光斑尺寸转换器

背景

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119要求于2019年5月29日提交的美国临时申请序列第62/854013号的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开总体涉及光纤与光波导之间的光斑尺寸转换器，并且更具体地涉及包括连接到第三波导部分的第一波导部分和第二波导部分的光斑尺寸转换器，其中第一波导部分与第二波导部分之间的距离逐渐减小，而第一波导部分和第二波导部分的宽度逐渐增加，并且该光斑尺寸转换器可以用于例如将单模光纤耦合到绝缘体上硅(SOI)平台上的硅基光子集成电路(光子集成电路，PIC)芯片的光硅带波导。

背景

随着高速且大容量的光学通信技术的发展，光集成设备中的关键技术是实现波导与光纤之间的有效耦合。例如，光波导可以是用于硅基PIC芯片的硅带波导。

光信号需要从单模光纤耦合到硅基PIC芯片中的硅波导。然而，硅波导的横截面的宽度在亚微米级，并且普通单模光纤的直径在数微米级。即，硅波导的横截面的尺寸比普通单模光纤的芯直径小得多。另外，硅基PIC芯片中的硅波导芯层具有相对高的折射率。硅波导和普通单模光纤的光斑尺寸与有效折射率之间的不匹配，以及模场直径(MFD)不匹配引起硅基PIC芯片与光学器件之间的大的耦合损耗。

例如，典型的硅带波导为约200nm-220nm(0.2微米至0.22 微米)厚和400nm-500nm(0.4微米至0.5微米)宽，而典型的单模光纤的芯直径为约8微米。该尺寸不匹配导致单模光纤的MFD和硅带波导的 MFD之间的大的不匹配。例如，典型的标准单模光纤具有为约10μm的MFD，并且纳米光子硅带波导具有小于约1μm的MFD。

由于该不匹配，标准单模光纤与纳米光子硅带波导(MFD＜ 1μm)之间直接的端到端耦合导致大于20dB的耦合损耗。

端面耦合是用于降低硅基PIC芯片与光纤之间的耦合损耗的方法。在端面耦合中，光斑尺寸转换器(SSC)被设计和制造在硅基PIC 芯片的边缘处。SSC中的模场耦合到外部单模光纤中的模场，并且SSC中的光模斑的尺寸可以随着其从SSC的一端传播到另一端而改变。然而，使硅基PIC芯片与单模光纤之间的耦合损耗最小化的典型的端到端SSC制造起来困难且昂贵。

更具体地，由于常规SSC需要亚微米特征并且需要将特征尺寸控制在数十纳米内，因此常规光学深紫外(deep UV)光刻被认为不适合于对这些SSC波导结构进行图案定义。由于需要高分辨率，因此电子束光刻是用于研究目的和原型制作的最常用技术。使用聚焦电子束将结构直接写入光刻胶的该电子束光刻工艺可以能够限定极小的特征。然而，由于一切以串行方式写入，典型的电子束工艺通常非常缓慢，并且因此是昂贵的且不适合于大批量制造。此外，常规单尖端SSC波导提供仅为约3微米或 4微米的扩展MFD(即，最大MFD)。

不承认本文所引用的任何参考构成现有技术。申请人明确保留质疑任何所引用文件的准确性和相关性的权利。

发明内容

本公开的一个实施例涉及光波导，包括：锥形宽度第一波导部分(301)、锥形宽度第二波导部分(302)和第三波导部分(303)，使得第三波导部分(303)的第一端连接到第一波导部分(301)的第一端和第二波导部分(302)的第一端；并且沿第一方向，第一波导部分和第二波导部分的宽度朝向第三波导部分的第一端逐渐增大，并且第一波导部分与第二波导部分之间在第二方向上的距离从第一波导部分的第二端到第一波导部分的第一端逐渐减小，其中第二方向位于波导所在的平面上，并且第二方向垂直于第一方向；并且其中，第一波导部分(301)的第二端与第二波导部分(302)的第二端之间的距离Gmax大于0.2μm且小于0.48μm；并且波导在1550nm波长处具有在2到4之间的折射率。

根据一些实施例，一种光斑尺寸转换器包括：

基板层；第一覆盖层，该第一覆盖层设置在基板层上方，其中第一覆盖层包括第一材料；单级波导(300)，该单级波导(300)设置为与第一覆盖层接触，其中波导包括第三材料；其中波导包括锥形宽度第一波导部分(301)、锥形宽度第二波导部分(302)和第三波导部分(303)，第三波导部分(303)的第一端连接到第一波导部分(301)的第一端和第二波导部分(302)的第一端；并且沿第一方向，第一波导部分和第二波导部分 (301、302)的宽度朝向第三波导部分(303)的第一端逐渐增大，并且第一波导部分(301)与第二波导部分(302)之间在第二方向上的距离从第一波导部分(301)的第二端到第一波导部分(301)的第一端逐渐减小，其中第二方向位于波导(300)所在的平面上，并且第二方向垂直于第一方向；并且其中第一波导部分(301)的第二端与第二波导部分(302)的第二端之间的距离Gmax大于0.2μm且小于0.48μm；

并且第三材料相对于第一材料的Δ％>25％。根据一些实施例，第三材料相对于第一材料的Δ％>50％。

根据一些实施例，间隙位于第一波导部分与第二波导部分之间。根据一些实施例，间隙具有梯形横截面。根据一些实施例，间隙具有 V形横截面。根据一些实施例：(i)波导是硅波导，(ii)第一波导部分的第二端与第二波导部分的第二端之间的距离G从第一波导部分和第二波导部分的第二端到第一波导部分和第二波导部分的第一端变窄，从而形成锥形间隙，该锥形间隙具有长度为Lt的锥形，使得300微米<Lt<5000微米，其中锥形间隙的最小距离Gmin在50nm到150nm之间，并且最大距离 Gmax在300nm到480nm之间(例如，350nm到450nm，或400nm到 450nm)。根据一些实施例，第三波导部分的宽度在约400nm到约500nm 之间(例如，450nm到500nm)，并且第三波导部分的厚度在200nm到 225nm之间。

本公开的附加实施例涉及一种光斑尺寸转换器(SSC)，包括：

基板层；

第一覆盖层，该第一覆盖层设置在基板层上方，其中第一覆盖层包括第一材料；

中间层，该中间层设置在基板层与第一覆盖层之间，其中可选的中间层(203)包括第二材料；以及

单级波导(300)，该单级波导(300)设置在第一覆盖层内部，其中波导包括第三材料；其中波导包括锥形宽度第一波导部分(301)、锥形宽度第二波导部分(302)和第三波导部分(303)，第三波导部分(303)的第一端连接到第一波导部分(301)的第一端和第二波导部分(302)的第一端；使得锥形间隙位于第一波导部分与第二波导部分之间；并且

沿第一方向，第一波导部分和第二波导部分(301、302)的宽度朝向第三波导部分(303)的第一端逐渐增大，并且第一波导部分(301)与第二波导部分(302)之间在第二方向上的距离从第一波导部分(301)的第二端到第一波导部分(301)的第一端逐渐减小，其中第二方向位于波导(300) 所在的平面上，并且第二方向垂直于第一方向；并且其中

第一波导部分(301)的第二端与第二波导部分(302)的第二端之间的距离Gmax大于0.2μm且小于0.48μm；并且

第三材料相对于第一材料的Δ％>25％(例如，>50％)。

本公开的附加实施例涉及一种光斑尺寸转换器(SSC)，包括：

基板层；

单级波导(300)，该单级波导(300)设置在第一覆盖层内部，其中波导包括第三材料；其中波导包括锥形宽度第一波导部分(301)、锥形宽度第二波导部分(302)和第三波导部分(303)，第三波导部分(303)的第一端连接到第一波导部分(301)的第一端和第二波导部分(302)的第一端；以及

第三材料相对于第二材料的Δ％>25％(例如，>50％)。

根据一些示例性实施例，波导被构造为在耦合到单模光纤时提供<2dB(例如，<1dB，或≤0.5dB)，并且在1550nm处具有模场直径(MFD)，使得MFD≥7微米。根据一些实施例，波导被构造为提供<1.5dB的耦合损耗，并且MFD≥7微米。根据一些实施例，波导被构造为在耦合到单模光纤时提供<1dB的耦合损耗，并且MFD≥7微米。根据一些实施例，波导被构造为在耦合到单模光纤时提供<1dB的耦合损耗，并且在1550nm处具有 MFD≥8微米。根据一些实施例，波导被构造为在耦合到单模光纤时提供 <1dB的耦合损耗，并且在1550nm处7.5微米≤MFD≤10微米。

根据SSC的一些实施例，在1550nm波长处，第二材料的折射率n2与第一材料的折射率n1之间的差的绝对值小于0.1，和/或在1550nm 波长处，第三材料的折射率n3与第一材料的折射率n1之间的差为 0.5<n3-n1<2.5。

根据一些实施例：

波导(300)的长度为L1，

第一波导部分(301)和第二波导部分的长度为L2，并且第三波导部分的长度为L3；

第一波导部分(301)的厚度、第二波导部分(302)的厚度和第三波导部分(303)的厚度为H1，

第一波导部分(301)和第二波导部分(302)的最小宽度分别为W1min 和W2min，第三波导部分(303)的第二端的宽度为W3，并且波导(300) 与基板层(201)顶部或可选的中间层(203)的底部之间的距离为H3，其中0<L1≤500μm，0<L3≤200μm，0<H1≤400nm，H3>2μm(例如， H3≥3μm，或在一些实施例中H3≥5μm)，50nm<W1min≤100nm，50 nm<W2min≤100nm，并且200nm≤W3≤550nm。根据一些实施例， 0<L1≤500μm，0<L3≤200μm，H1+H3>3μm，并且H3>2.5μm(例如， H3>3μm或H3≥5μm)，70nm<W1min≤90nm，70nm<W2min≤90nm 并且400nm≤W3≤500nm。根据一些实施例，第一波导部分(301)与第二波导部分(302)之间的最大间隙宽度Gmax为200nm≤Gmax≤450nm。根据一些实施例，第一波导部分(301)与第二波导部分(302)之间的最大间隙宽度Gmax为300nm≤Gmax≤450nm，或200nm≤Gmax≤400nm。

有利地，具有本文公开的多尖端波导的SSC可使用具有小于 100微米的小尖端宽度(W1、W2)的波导来制造，并且制造此类SSC不需要昂贵的高分辨率光刻。

将在随后的详细描述中阐述附加特征以及优点，通过描述这些特征以及优点部分地对所属领域的技术人员显而易见，或通过实施如书面描述所描述以及此处的权利要求以及附图所描述的实施例识别这些特征以及优点。

应当理解的是，前述的大体描述和以下的详细描述两者仅为示例性的，并且它们旨在提供用于理解权利要求书的本质和特性的概述或框架。

各个附图被包括以提供进一步理解，各个附图被收入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图图示一个或多个实施例，并与说明书一起用来解释各实施例的原理和操作。

附图说明

图1A是根据本发明的实施例的光斑尺寸转换器的示意图；

图1B是根据本发明的实施例的光斑尺寸转换器的示意图；

图2是根据本发明的实施例的光斑尺寸转换器的波导的平面图；

图3A是根据一个实施例的光斑尺寸转换器的a-a'所位于的横截面的端面示意图；

图3B是根据与图3A相对应的实施例的光斑尺寸转换器的 b-b'所位于的横截面的端面示意图；

图4示意性地示出了耦合到光纤和光波导的图2的波导；

图5A示出了双尖端波导300的一个示例性实施例；

图5B示出了在图5A的波导的一个实施例中的光斑尺寸的模拟光模扩展，其中模扩展是由于波导的输入区段内部的间隙区域的逐渐变窄；

图6示出了图4的示例性单模光纤的模分布(ψ_SMF(r)和ψ_SSC(r))，以及图2和图5A的光波导的输入区段(面向光纤的区段)的模分布；

图7A-7B示出了用于制造图1A、图1B和图2的波导的工艺 (工艺1)的一个示例性实施例；

图7C-7E示出了用于制造图1A、图1B和图2的波导的工艺 (工艺2)的另一示例性实施例；以及

图8示出了图2的波导的计算出的光功率转换效率。

具体实施方式

定义：

“相对折射率百分比”定义为

Δ％＝100×[n²–n_参考 ²)]/n²,

其中n是感兴趣区域中的材料的折射率，并且n_参考是参考材料的折射率。除非另外指明，否则相对折射率百分比是在1550nm处定义的。在一个方面，折射率n_参考是针对在1550nm处具有为约1.45的折射率的二氧化硅玻璃。如本文使用的，除非另外指明，否则相对折射率百分比(本文中也称为相对折射率)由Δ表示，并且相对折射率百分比的值以“％”为单位给出。在区域的折射率小于参考指数n_参考的情况下，相对指数百分比为负，并且该区域被称为凹陷区域或凹陷指数。在其中区域的折射率大于参考指数n_参考的情况下，相对指数百分比为正，而且可以说该区域是提高的或具有正指数。

例如，硅波导(相对于纯二氧化硅玻璃)的相对折射率百分比为

Δ％＝100×[n²–n_参考 ²)]/2n²＝100×(3.48²+1.45²)/2×3.48²＝82.6％。

“上掺杂剂”在本文中被认为是相对于纯未掺杂SiO₂具有提高折射率的倾向的掺杂剂。“下掺杂剂”在本文中被认为是相对于纯未掺杂SiO₂具有降低折射率的倾向的掺杂剂。当伴随有一种或多种不是上掺杂剂的其他掺杂剂时，上掺杂剂可存在于具有负相对折射率的光纤区域中。同样地，不是上掺杂剂的一种或多种其他掺杂剂可存在于具有正相对折射率的光纤区域中。当伴随有一种或多种不是下掺杂剂的其他掺杂剂时，下掺杂剂可存在于具有正相对折射率的光纤区域中。

具有模场直径MFD₁和MFD₂的两个波导之间的耦合效率α被定义为：

α＝4×(MFD₁ ²×MFD₂ ²)/(MFD₁ ²+MFD₂ ²)²

具有模场直径MFD₁和MFD₂的两个波导之间的耦合损耗η被定义为：

η＝1-α

当以db计算时，耦合损耗η(dB)被计算为

10 log 10(η)

出于描述和限定本公开的目的，应注意，在本文中使用术语“约”和“近似”来表示可以归因于任何定量比较、数值、测量、或其他表示的固有不确定度。本文还使用术语“约”和“近似”来表示定量表示可以与所述参考不同而不会导致所讨论主题的基本功能的发生变化的程度。

将通过以下示例进一步阐述各种实施例。

示例1A：

图1A是根据本发明的实施例的光斑尺寸转换器(SSC)的示意图。图1A所示的光斑尺寸转换器200包括：(a)基板层201(例如，硅、或Y₂O₃透明陶瓷(在1550纳米处折射率n＝1.88+/-5％))；(b)设置在基板层201上方的第一覆盖层202，其中第一覆盖层包括第一材料(例如，玻璃，诸如二氧化硅SiO₂)；(c)设置在基板层201与第一覆盖层 202之间的可选中间层203，其中中间层包括第二材料(例如，二氧化硅、或掺杂的二氧化硅玻璃、或Y₂O₃掺杂的陶瓷)；(d)以及设置在第一覆盖层内部的SSC波导300。图1A的波导300至少部分地被第一覆盖层202 封围。第一材料和第二材料可以是例如二氧化硅基玻璃(例如，纯二氧化硅或掺杂的二氧化硅)，并且可以具有相同或相似的成分。根据一些实施例，波导300是二氧化硅波导。基板层201包括第四材料(例如，硅)，并且根据一些实施例，第三材料和第四材料的成分可以是相同或基本相同的。

例如，基板层201可以是二氧化硅。第一覆盖层202可以是纯二氧化硅SiO₂，波导可以是硅或氮化硅，并且可选层可以是Y₂O₃掺杂的陶瓷。

示例1B：

图1B是根据本发明的实施例的光斑尺寸转换器的示意图。光斑尺寸转换器是包括光波导的光学部件，该光波导被构造为扩展或改变通过波导传播的光信号的模场直径(MFD)的尺寸。图1A所示的光斑尺寸转换器200 包括：基板层201(例如，硅)；(b)设置在基板层201上方的第一覆盖层202，其中第一覆盖层包括第一材料；(c)设置在基板层201与第一覆盖层202之间的可选中间层203，其中中间层包括第二材料；以及设置在第一覆盖层之上的SSC波导300。基板层201包括第四材料(例如，硅或Y₂O₃透明陶瓷(在1550nm处的折射率为1.88+/-5％))，并且根据一些实施例，第三材料和第四材料的成分可以是相同或基本相同的。例如，基板层201可以是二氧化硅。第一覆盖层202可以是纯二氧化硅SiO₂，波导300 可以是硅或氮化硅，并且可选层可以是Y₂O₃掺杂的陶瓷。

波导300。

波导300优选地基本上沿主轴对称并且包括第三材料。在一些实施例中，波导沿主轴对称。波导300具有多个尖端(例如，2个尖端)。图2示出了多尖端波导300的一个实施例。主轴由虚线指示。具体地，图2 所示的波导300的示例性实施例包括第一波导部分301(终止于第一尖端)、第二波导部分302(终止于第二尖端)、以及第三波导部分303。第一波导部分和第二波导部分是锥形的，即，其宽度沿其长度变化。第三波导部分 303的第一端连接到第一波导部分301的第一端和第二波导部分302的第一端。根据至少一些实施例，第一波导部分与第二波导部分之间的间隙区域 Gr(在本文中也称为间隙、Gr)是锥形的。即，间隙区域Gr在x-z平面中具有V形横截面或梯形横截面，即波导部分301与波导部分302之间的距离G(间隙区域Gr的宽度)是锥形的并且因此是不均匀的。根据一些实施例，锥形间隙区域Gr具有长度为Lt的锥形，使得300微米＜Lt＜2000微米。在图1A、图1B和图2所示的实施例中，第一波导部分301和第二波导部分302的宽度W1、W2沿第一方向(主轴方向)朝向第三波导部分303 的第一端逐渐增加，并且第一波导部分301与第二波导部分302之间的距离G(即，间隙Gr的宽度G)从第一波导部分或第二波导部分的第二端向第一波导部分301的第一端逐渐减小。即，第一波导部分301与第二波导部分302之间的间隙Gr在第二方向上的宽度G朝向第三波导部分303的第一端逐渐减小。该第二方向垂直于第一方向。图2进一步示出了Oxy坐标系，其中在此实施例中，第一波导部分301和第二波导部分302关于y轴对称或近似对称，并且间隙区域的宽度G是沿x轴测量的。

图3A示意性地示出了图2中的a-a'所位于的横截面。其示出了第一波导部分301的厚度和第二波导部分302的厚度为H1，第一波导部分301和第二波导部分302的最小宽度为W1min、W2min，并且从第一波导部分301的底部和第二波导部分302的底部到基板层201的顶部或中间层的底部的距离为H3。在图2的示例性实施例中，宽度W1和宽度W2相等(W1＝W2)。另外，假设a-a'所位于的横截面的平面是x-y平面。图3B 示意性地示出了图2中的b-b'所位于的横截面。图3B示出第三波导部分303 的厚度也为H1，并且第三波导部分303的宽度为W3。应注意，在本实施例中，W3等于或基本上等于、或近似等于W1、W2与G的和。例如，在图2所示的实施例中，W3＝W1+W2+G。因此，在本实施例中，W3＝ W1min+W2min+Gmax。

优选地，为了在1550nm波长处提供更高效的耦接，第二材料的折射率与第一材料的折射率之间的差的绝对值优选地不大于0.1(即，│n2-n1│≤0.1)，和/或第三材料的折射率与第四材料的折射率之间的差不小于0.5(例如，n3-n1>0.5)。例如，│n2-n1│可以是0、0.02、0.05、0.075、 0.09或在它们之间。此外，例如，在1550nm波长处，n3-n1可以是1.5、1.8、2、2.5或在它们之间。第三材料可以是硅或氮化硅，即，波导300可由硅或氮化硅制成。第四材料(即，基板层材料)可在1550nm波长处具有折射率n4。在一些实施例中，n4＝n3(例如，波导300和基板两者都由二氧化硅制成)。在本文描述的实施例中，n4>n2，例如，n4-n2≥0.5，并且在一些实施例中，n4-n2>1。例如，如果第二材料是二氧化硅基玻璃(例如，n2在1.8≥n2>1.45之间)，并且第四材料是硅，使得4≥n4≥3.5，则n4-n2可以在约1.5与约3之间。

因此，根据一些实施例，光斑尺寸转换器200包括第一波导部分301、第二波导部分302和第三波导部分303，这些部分一起可在波导 300内形成锥形间隙。优选地，如图2所示，波导300内的间隙Gr在x-z 平面中具有梯形横截面或V形横截面。光斑尺寸转换器可用于实现光纤(例如，单模光纤)与光波导(例如，硅带波导)之间的光斑尺寸转换，并且光纤与光波导之间的耦合损耗可通过使用光斑尺寸转换器来减小。

在本实施例中，光斑尺寸转换器200可以添加并连接到光波导的一端。具体地，光斑尺寸转换器可以通过使用第三波导部分303的第二端来连接到光波导500。例如，如图4所示，第三波导部分303的第二端可以直接连接到光波导500，并且两个光波导部分301、302的第二端可以连接或耦合到光纤400。也可以使用将光斑尺寸转换器200连接到光波导 500的其他方法。

在图4的实施例中，光波导500的横截面是矩形的，光波导 500的宽度为W4，且高度或厚度为H4。光波导500可以是，例如光硅带波导500'。在一些实施例中，光硅带波导500'可具有为0.4微米至约0.5微米的宽度W4和为约0.2微米至约0.22微米的高度或厚度H4。

应注意，在本文描述的实施例中，横截面是指垂直于长度方向的截面。替代地，应理解，横截面是垂直于第一方向的截面。

图2进一步示出了Oxz坐标系。可以理解，第一方向是z轴的正方向。另外，第一波导部分301和第二波导部分302的宽度W1、W2 沿z轴的正方向逐渐增加。优选地，第一波导部分301和第二波导部分302 的边缘是直的。

优选地，如图2所示，第三波导部分303的横截面形状是矩形的，并且第三波导部分在第三波导部分303的第一端处的宽度与在第三波导部分303的第二端处的宽度相等。在图2的实施例中，波导部分303 的宽度是恒定的或基本上恒定的(即，其变化不超过其最大宽度的5％，并且优选地不超过其最大宽度的2％)。

另外，假设波导300的长度为L1，波导部分301、302的长度为L2，并且第三波导部分303的长度为L3。假设第一波导部分301和第二波导部分302的宽度为W1和W2，并且第三波导部分303的第二端的宽度为W3。假设第一波导部分301的厚度、第二波导部分302的厚度和第三波导部分303的厚度都是H1。例如，在一些实施例中，0.2微米≤H1≤0.22 微米。例如，在一些实施例中，H1在0.2微米与0.5微米之间(例如，0.2 微米至0.3微米)。

假设波导300的底部与基板层201的顶部之间的距离为H3。优选地，H3>2微米，并且在一些实施例中，H3≥3微米(例如，2微米≤ H1≤10微米、3微米≤H1≤10微米或3微米≤H1≤6微米)。例如，在一些实施例中，H1在0.2微米与0.5微米之间(例如，0.2微米至0.3微米)，并且H3≤5微米。在一些实施例中，2微米≤H3≤10微米、3微米≤H3≤10 微米或3微米≤H3≤6微米。在一些实施例中，H1≤5微米。例如，在一些实施例中，2微米≤H3≤4微米，或2微米≤H3≤3.5微米。在一些实施例中，H1在0.2微米与0.5微米之间(例如，0.2微米至0.3微米)，并且H3小于10微米。在一些实施例中，H1在0.2微米与0.5微米之间(例如，0.2微米至0.3微米)，并且H3小于6微米或5微米。在一些实施例中，H1在0.2微米与0.5微米之间(例如，0.2微米至0.3微米)，并且H3 在2微米与4微米之间。

可以理解，在本实施例中，长度是在坐标轴的z-轴方向上的尺寸，并且宽度是在坐标轴的x-轴方向上的尺寸。相应地，厚度是坐标轴的y-轴方向(即，图2中的向外方向)上的尺寸。

前述参数的示例性范围可以如下：H3>2μm(例如，在2.5μm 与3.5μm之间)，0.1<H1≤300nm(并且优选地为200-250nm)，100μm <L1(例如，100μm<L1≤5000μm，100μm<L1≤2000μm，或例如1000 μm或500μm)，200<L2≤2000μm(例如，200μm至1500μm，L2<L1， L3>0μm(例如，200μm≤L3≤500μm)，波导尖端具有的宽度为10nm< W1min≤100nm并且10nm≤W2min≤100nm(例如，10nm至40nm)，并且200nm≤W3≤500nm(例如，400nm≤W3≤500nm)。波导部分301、 302的第二端(尖端)处的典型的尖端宽度W1min、W2min可以是约30nm 至约40nm，但是可以更小(例如，15nm、20nm或25nm)或更大(例如 45nm、50nm、60nm、70nm、80mm、90nm、100nm或在它们之间)。在一些实施例中，基板层201的厚度H_s为约600μm至约700μm，第一覆盖层202的厚度H_c为约2μm至约10μm(例如，对于图1A所示的实施例为约4μm至10μm，并且对于图1B所示的实施例为2μm至5μm)，并且可选中间层203(如果存在该层)的厚度H_O大于约8μm(例如，10μm 至400μm)。

另外，第一波导部分301的第一端与第二波导部分302的第一端之间的距离(Gmin)可以是90微米至150微米，例如90微米至110 微米，优选地为95微米至105微米，或95微米至100微米。另外，第一波导部分301的第二端与第二波导部分302的第二端之间的距离(Gmax)可以是200nm至480nm(例如，350nm至460nm、375nm至460nm、 375nm至460nm，或400nm至450nm)。例如，距离Gmax(即，间隙区域Gr的最大宽度)可以是220nm、320nm、350nm、400nm、425nm 或450nm、460nm或在它们之间。

可选地，在图1A和图1B所示的光斑尺寸转换器200中，基板层201的材料可以是硅，第一材料可以是二氧化硅，第二材料可以是二氧化硅或另一种材料，并且第三材料可以是硅或氮化硅。

在本实施例中，基板层201用于支撑波导300。第一覆盖层 202用于限制光模向波导300的传播。可选中间层203也可用于限制光模向波导300的传播，使得传播通过波导300的光模不耦合到基板层201中。

由波导300提供的模扩展是基于利用两个锥形波导部分301、 302来形成将传播通过单模光纤(例如，可从纽约州康宁市康宁公司获得的 SMF-

光纤)的具有较大模宽度(较大MFD)的扩展光模。波导300的 MFD通过由锥形间隙区域Gr将两个波导部分301、302分开而扩展，因此波导300具有两个腿部和两个小端部。分离Gmax越大，位于邻近或靠近光纤的波导部分301、302的第二端处的波导300的MFD就越大。因此，波导300通过采用两个波导部分301、302将来自光波导500的小模场直径 MFD转换为单模光纤400的大尺寸模场直径(MFD)。

根据一些实施例，光斑尺寸转换器200包括波导300，波导 300被构造为在耦合到单模光纤时提供<2dB的耦合损耗，并且在1550nm 处具有一模场直径(MFD)，使得该模场直径MFD≥7微米。根据一些实施例，波导300被构造为提供<1.5dB的耦合损耗，并且在1550nm的波长处具有≥7微米的MFD。根据一些实施例，波导300被构造为(在耦合到单模光纤时)提供<1dB的耦合损耗，并且在1550nm处MFD≥7微米。根据一些实施例，波导300被构造为提供<1dB的耦合损耗，并且7.5微米≤MFD≤10微米。根据一些实施例，波导300被构造为提供在0.2dB与1dB 之间的耦合损耗，并且7.5微米≤MFD≤10微米。根据一些实施例，波导被构造为提供在0.2dB与0.5dB之间的耦合损耗，并且在1550nm处7.5 微米≤MFD≤10微米。

图4示意性地示出了位于光纤400与光波导500之间的光斑尺寸转换器200的波导300。可以理解，对于图1A、图1B和图2所示的波导300，第三波导部分303的第二端的宽度W3可以等于光波导500的宽度W4，即，优选的是W3与W4大致相同，或者甚至更优选的是W3＝W4。第三波导部分303的厚度H1可以等于光波导500的厚度H4，即，H1＝H4。

更具体地，波导300的一端耦合到光纤400，并且波导300 的另一端耦合到光波导500。以此方式，当将来自光纤400(例如，单模光纤)的输出光信号通过波导300的波导部分301、302的第二端输入到光斑尺寸转换器200，传播通过波导300的光能可以分布在第一波导部分301(波导300的第一腿部)和第二波导部分302(300的第二腿部)之间。然后，光能可以耦合到第三波导部分303中，并且光信号随后耦合到光波导500 中。

类似地，当通过将光波导500耦合到第三波导部分303来将光波导500的输出光信号提供给光斑尺寸转换器200时，光信号传播通过第三波导部分303并且可以随后通过形成在波导300的第一波导部分301 与第二波导部分302之间的光场而由第一波导部分301和第二波导部分302 提供给光纤。

图5A示出了示例性波导300的一个实施例。在本实施例中，波导300具有以下参数：W3＝500nm；W1＝W2＝t；W1min＝W2min＝40nm， L1＝2000μm，L2＝1000μm；H1＝220nm；Gmin＝100nm；Gmax＝420nm。波导300的该示例性实施例由硅制成。

图5B示出了图5A的示例性波导300中的模拟模扩展。图 5B示出了该波导300内的光模扩展(其对应于MFD扩展)。图5B示出了在波导部分301、302的第二端处(即，在这些波导的尖端处，图4所示的位置A，其中t＝W1min＝W2min＝40nm)，波导300的MFD为约8-9微米。这也是单模光纤400的典型MFD。因此，波导300可以有利地以最小耦合损耗耦合到单模光纤400。相比之下，具有单尖端锥形波导的典型光斑尺寸转换器实现为仅2-3微米的MFD，并且因此其与典型的单模光纤的连接导致高得多的损耗。

图5B还示出了在光模行进通过波导300时，它们在直径上扩展(即，波导的MFD扩展)。例如，在本实施例中宽度W1＝W2＝100nm 的位置B(参见图4)处，波导300的MFD为约3-4微米，并且在波导宽度W1＝W2为150微米的位置C(更接近波导部分301、302的前端)处，波导300的MFD为约1微米。在波导300的第二端(其中W3＝500nm) 处，MFD甚至可以更小(例如，0.8微米或0.9微米)。

由于波导300的输入区段(即，面向光纤400的区段)内部的间隙区域Gr的宽度G逐渐变窄，在波导300内发生光模扩展。更具体地，波导部分301、302的宽度的逐渐变窄导致第一波导部分与第二波导部分之间的宽度G的锥形间隙区域。在一些实施例中，宽度W3在400nm与500 nm之间，而锥形间隙区域Gr的宽度G从约100nm的最小距离或宽度Gmin (例如，90nm、95nm、100nm、110nm或120nm的Gmin)变到大于200 nm的最大距离或宽度Gmax。例如，在一些实施例中，Gmin为约100nm 或更小，并且Gmax>300nm，并且在一些实施例中，Gmax>350nm。在一些实施例中，Gmax>400nm。在一些实施例中，500nm>Gmax>300nm。在一些实施例中，500nm>Gmax>350nm。在一些实施例中，500nm> Gmax>400nm。这些波导维度(或宽度)可以经由下面描述的相对低分辨率的互补金属氧化物半导体(CMOS)深紫外光刻(DUVL)工艺来实现。相比之下，典型的商业光斑尺寸转换器使用单尖端波导(其中波导是锥形的，锥形宽度从500nm减小到数十纳米的尖端宽度，并且用较低分辨率 CMOS DUVL工艺非常难以制造出达到所需规格的此类单尖端波导)。因此，制造此类单尖端锥形波导需要高分辨率光刻工艺，从而使它们的生产更加昂贵。

此外，波导300的实施例具有双尖端，该双尖端有助于实现比由常规锥形单尖端光斑尺寸转换器波导实现的MFD扩展更大/更强的 MFD扩展(扩展到5微米或更大，例如，6μm至10μm)，因此相对于通常由传统锥形单尖端波导实现的光纤到芯片耦合效率，有利地实现了更好 (更高)的光纤到芯片耦合效率。更具体地，我们的建模分析表明由波导 300的示例性实施例提供到典型的单模光纤400的MFD几乎是由具有相同尺寸的尖端宽度(例如，尖端宽度为40微米)的单尖端光斑尺寸转换器波导提供的MFD的两倍大。

此外，大MFD双尖端光斑尺寸转换器波导300与单模光纤 (MFD～8μm至10μm)之间的高效的低损耗耦合可以以比在将常规单尖端锥形光斑尺寸转换器波导耦合到同一光纤时所需的未对准容差宽松得多的未对准容差来实现。

例如，当单模光纤的尖端没有透镜时(有透镜的光纤是通过在光纤的端部创建透镜来制造的，通常这样做是为了在光纤与光斑尺寸转换器波导之间实现更好的耦合)，在将双尖端光斑尺寸转换器波导300耦合到此类单模光纤(MFD～8μm至10μm)时的未对准容差比将常规单尖端锥形光斑尺寸转换器波导耦合到同一单模光纤所需的最大容差更宽松5 至15倍。此外，例如，在将双尖端光斑尺寸转换器波导300耦合到典型的 (没有透镜的)单模光纤(光纤MFD～8μm至10μm)的未对准容差仍比分配用于将常规单尖端锥形光斑尺寸转换器波导耦合到有透镜的单模光纤光纤(有透镜的单模光纤光纤是经修改为具有拥有为约2.5μm至4μm的 MFD的有透镜光纤尖端的单模光纤，这样做是为了改善光纤与常规单尖端锥形光斑尺寸转换器波导之间的耦合损耗)所需的最大容差更宽松2至3 倍。因此，与将具有单尖端锥形波导的常规光斑尺寸转换器SSC耦合到相同或类似的光纤相比，波导300与单模光纤之间的耦合工艺耗时较少且更便宜。

此外，因为双尖端波导300中的MFD可以扩展以匹配单模光纤的MFD，因此将波导300直接耦合到单模光纤400可以以低损耗实现并且无需附加结构。例如，波导300是“单级”波导，并且用于耦合到单模光纤的光斑尺寸转换器(SSC)200不需要双级波导光斑尺寸转换器(SSC) 结构(即，由位于彼此顶部的重叠波导制成的结构)。

图6示出了与波导部分301、302的第二端相邻的波导300 的端部处的归一化光功率分布相对于横向尺寸(微米)(实线)，以及单模光纤400的归一化光功率分布相对于横向尺寸(虚线)。更具体地，图6 示出了具有尖端宽度t＝W1min＝W2min＝40nm的SMF-

光纤的模分布ψ_SMF(r)和双尖端SSC波导300的模分布ψ_SSC(r)(在功率上归一化∫ψ(r)rdr＝1)。如图6所示，大部分光功率位于约10微米宽度的光斑内，该光斑以约62.5 微米的横向位置为中心。典型的单模光纤具有为约125微米的无涂层光纤直径(即，包层直径)。因此，在本实施例中，纤芯的中心位于62.5微米的横向位置处，并且如图6所示，由波导300提供给光纤400的大部分功率耦合到纤芯。对于耦合到单模光纤400的光波导300，通过对两个归一化光功率分布的重叠部积分(即，通过对两个归一化功率的重叠部积分)，计算出波导300与单模光纤400之间为约95％的耦合系数。

因此，根据一个实施例，用于光传输的设备包括如上所述的光斑尺寸转换器200，该光斑尺寸转换器200包括光波导300。根据一些实施例，光斑尺寸转换器200配置为将光信号耦合到光波导500，其中光信号是从光纤400输入的。根据一些实施例，光斑尺寸转换器200通过使用第三波导部分303的第二端连接到光波导500，并且第三波导部分的第二端的宽度等于光波导500的宽度W4。

可以理解，在本实施例中，波导300可以通过使用电子束光刻(EBL)或用与深紫外光刻(DUVL)的CMOS兼容工艺来形成。优选地，波导300可以通过利用相对低分辨率COMS兼容的制造技术来去除波导的输入区段内部的锥形区域以创建波导300的两个波导部分301、302之间的锥形间隙Gr而制造。利用CMOS兼容的制造技术来制造波导300是有利的，因为这样可以导致生产更便宜的光斑尺寸转换器200。

如图5B所示并且如上所述，锥形Gr的大的端部的宽度 Gmax越大，可实现的模扩展就越大，并且因此波导300与光纤400的耦合就越好。

相比之下，常规SSC(光斑尺寸转换器)具有带有单个尖端的锥形波导，并且典型的单尖端波导的锥形尺寸从约500nm减小到约100 nm的尖端。具有较小锥形尺寸(例如，在10nm与90nm之间)单尖端 SSC波导不能用传统的CMOS DUVL SSC制造工艺来制造，因为常规的 SMOS DUVL技术具有相对低的光刻分辨率。此外，常规单尖端SSC波导具有约100nm的尖端尺寸，并且提供仅为约3微米或4微米的扩展MFD (即，最大MFD)。制作具有较小尖端尺寸的单尖端SSC波导需要高分辨率光刻，并且此类SSC波导制造起来非常昂贵。

根据一个实施例，波导300也可以通过DUVL或EBL和各向异性等离子体干式蚀刻在标准SOI(隔离器上硅)晶片上制造，以限定形成锥形间隙Gr和波导部分301、302的双尖端的内锥形区域。此外，波导300还可以通过使用光刻技术来形成。

一旦制造了波导300，就可以通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积)在波导300之上沉积氧化物层(例如，二氧化硅，SiO₂)。第一覆盖层202直接位于波导300旁边，并且用作支撑和包含波导300内的(信号)光传播的包层。覆盖层202的材料(包层材料)具有小于波导 300的材料(芯材料)的折射率的折射率。

由于300波导的输入区段内部的锥形间隙Gr，波导300有利地适合于耦合SOI波导(诸如波导500)和单模光纤400。该锥形间隙例如通过基于光刻的制造技术来创建。更重要的是，波导300具有多个尖端(例如，双尖端)，该多个尖端可以为MFD提供更大的扩展(例如，最大MFD≥8 微米)，并且进一步实现与单模光纤400的低损耗耦合，而无需额外的级或附加的(多个)波导结构。

本文描述的光斑尺寸转换器(SSC)200可以通过基于DUVL (深紫外光刻)的CMOS兼容的工艺或EBL来制造。图7A-图7E示出用于制造多尖端光斑尺寸转换器200的工艺的两个示例性实施例。这些方法在波导300的输入区段内部创建锥形区域Gr，例如，优选地使用图7A和图7B所示的两个示例性CMOS兼容的工艺(例如，单步Si蚀刻)，或图 7C-图7E所示的两步(Si)蚀刻实施例。根据本文描述的实施例，本文描述的波导300和光斑尺寸转换器(SSC)200可以通过使用商业CMOS兼容的工艺来制造。

深紫外光刻工艺(DUVL)利用具有不大于300nm的波长的深紫外射束，例如，所述波长小于260nm，例如为150nm至225nm，或 200nm至255nm。例如，DUVL的照射波长可以是248nm、246nm、193 nm或157nm。DUVL工艺中使用的掩模可由铬或铝制成，并且DUVL工艺中使用的曝光时间可以为例如小于10分钟，并且优选地为3分钟或更短 (例如，1秒-3分钟)。

第一工艺(图7A、图7B所示的工艺1)。

第一工艺的总结：

在第一工艺期间，抗蚀剂材料被旋涂到晶片600(例如，SOI晶片)上，或者以其他方式沉积到晶片上。抗蚀剂材料是与DUVL兼容的光刻胶或与EBL兼容的电子束抗蚀剂。在(例如，通过DUVL或EBL)曝光和显影之后，波导的图案例如经由等离子体干式蚀刻转移到波导材料层(例如，硅层)。然后例如通过氧等离子体清洁来移除抗蚀剂残留物。最后，氧化物(包层材料，例如，SiO₂)的顶部包层可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积在所得的波导300之上。下面描述了该工艺的一个实施例的细节。

首先，在步骤1期间，包括三个层602、604、606的晶片600 (例如，SOI晶片)被制造或提供用于该工艺的步骤2。层602由波导材料制成，层604在本文中被称为绝缘体层，并且层606作为晶片基板层。

绝缘体层604可以是例如二氧化硅基玻璃(例如，SiO₂)。根据一些实施例，层602和层606是硅层。根据其他实施例，层602和层 606中的至少一者是氮化硅。根据一些实施例，层602或层606中的一者可以是硅，并且另一层可以是氮化硅。

在本实施例的步骤2期间，抗蚀剂材料610'被旋涂到晶片600 (例如，SOI晶片)上，从而产生抗蚀剂层610。抗蚀剂材料610'可以是例如可从瑞翁公司(Zeon Corporation)获得的ZEP520A电子束抗蚀剂材料，或光刻工艺中使用的另一蚀刻剂材料(例如，DUV光刻胶)。这种类型的抗蚀剂材料被认为是“正性抗蚀剂材料”，即，在曝光和显影之后被移除的抗蚀剂材料，并且未曝光区域保留。

步骤3可通过DUVL或EBL来执行。

如果在步骤3中使用EBL，则只将需要移除的抗蚀剂区域曝光于电子束，然后由电子束兼容的显影剂显影以移除抗蚀剂材料的不想要的区段并且形成抗蚀剂转移图案610”。所得抗蚀剂转移图案610”为波导300 的形状。

如果在步骤3中使用DUVL，则将光刻显影工艺施加到抗蚀剂层610以形成抗蚀剂层转移图案610”。例如，在抗蚀剂层610曝光于深紫外射束并且用DUVL兼容的显影剂显影抗蚀剂材料之后，期望的图案从掩模被转移到抗蚀剂层610上，从而在抗蚀剂材料中形成波导300的形状 (即，以波导300的形状形成抗蚀剂转移图案610”)。即，抗蚀剂材料的不想要的部分被移除，并且剩余的抗蚀剂材料具有波导300的形状。

步骤3之后是步骤4，步骤4包括：除了位于抗蚀剂转移图案610”下方的部分之外，从晶片移除波导材料，并且由此形成波导300。例如，干式等离子体蚀刻(步骤4)用于：除了层602的位于抗蚀剂转移图案610”下方的部分602'之外，蚀刻和移除(蚀刻掉)层602，由此形成位于转移图案610”下方并且在绝缘体层604(其对应于光斑尺寸转换器200 的层202)之上的波导300。绝缘体层604具有小于4，优选地小于3，例如1.5至2.5，或1至2.5的介电常数(D_k)。绝缘体层604可以是例如纯 SiO₂玻璃或另一种玻璃(例如，硼硅酸钾锂)。

在步骤5中，随后(例如，通过氧等离子体清洁)移除抗蚀剂残留物(位于(多个)部分602'之上的抗蚀剂图案610”)，从而曝光位于绝缘体层604之上的波导300。这样的波导和包括该波导的光斑尺寸转换器例如在图1B中示出。

最后(并且可选地)，在步骤6中，氧化物(例如，二氧化硅)或类似的包层材料的顶部包层608例如通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积)沉积在所得硅波导300之上，从而导致波导300被层202覆盖，如图1A所示。

第二工艺(图7C-图7E所示的工艺2)。

第二工艺的总结：工艺2是两步图案化工艺。在该工艺期间，光刻胶或电子束抗蚀剂材料被旋涂在晶片600(例如SOI晶片)上，并且例如经由DUVL或EBL工艺曝光于深紫外射束或电子束。在抗蚀剂材料的显影之后，波导图案(例如，带波导图案)例如经由各向异性等离子体干式蚀刻转移到波导材料层602(例如，硅层)。在移除抗蚀剂残留物之后，新的抗蚀剂层被再次旋涂在晶片上。波导部分301与波导部分302之间的波导内波导锥形(即，间隙区域Gr)由第二DUVL或EBL来图案化。如果使用DUVL工艺，则结合高精度掩模对准来执行对波导部分301和波导部分302之间的波导区域的图案化。随后，(例如，通过硅干式蚀刻)形成波导部分301、302的锥形结构。最后，氧化物(例如，SiO₂或另一种玻璃)的顶部包层可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积在硅波导之上。下面描述了该工艺的一个示例性实施例的细节。

更具体地，在步骤1期间，包括三个层602、604、606的晶片600(例如，绝缘体上硅晶片，SOI)被制造或提供用于示例性工艺2的步骤2。绝缘体层604可以是例如二氧化硅基玻璃(例如，SiO₂)。根据一些实施例，层602、606中的一者可以是硅，并且另一层可以是氮化硅。

在步骤2期间，抗蚀剂材料610'被旋涂到晶片600(例如， SOI)上，从而产生抗蚀剂层610。抗蚀剂材料610'可以是例如可从瑞翁公司获得的ZEP520A材料或另一种合适的抗蚀剂材料。

随后经由两步图案化工艺创建波导300。在第一图案化步骤 (第二工艺的步骤3)期间，通过光刻工艺在抗蚀剂材料中创建初始波导形状。工艺2的步骤3可通过DUVL或EBL来执行。

如果在步骤3中使用EBL，则首先只将需要移除的抗蚀剂区域曝光于电子束，然后由电子束兼容的显影剂显影，以便移除抗蚀剂材料的不想要的区段并且在层602上形成第一抗蚀剂转移图案610”A(在本文中也称为部分波导图案)。

如果在步骤3中使用DUVL，则将光刻显影工艺施加到抗蚀剂层610以形成第一抗蚀剂层转移图案610”A。第一掩模放置在抗蚀剂层之上，并且在抗蚀剂层610曝光于深紫外射束并且用DUVL兼容的显影剂显影抗蚀剂材料之后，抗蚀剂材料的不想要部分被移除并且波导的期望图案(部分波导图案)从掩模被转移到抗蚀剂层610上，从而在抗蚀剂材料中形成波导300的初始形状(即，形成抗蚀剂转移图案610”A)。

步骤3之后是步骤4。步骤4包括：除了位于抗蚀剂转移图案610”下方的波导材料的部分之外，从晶片移除波导材料。更具体地，步骤4用于：除了位于抗蚀剂图案610”下方的层602的部分602'之外，蚀刻和移除层602的材料，以形成初始波导。步骤4可以是例如各向异性等离子体干法蚀刻步骤。

在步骤4之后，抗蚀剂残留物(即，位于(多个)部分602' 之上的剩余的抗蚀剂图案610”A)可以例如通过氧等离子体清洁来可选地移除。

应注意，在工艺2实施例中，在执行步骤3之后，所得抗蚀剂图案610”(部分波导图案)不包括与波导300的间隙区域Gr相对应的间隙区域。因此，位于抗蚀剂图案610”下方的波导材料层602的部分602'形成初始波导，该初始波导不包括位于两个波导部分之间的内部间隙Gr。

在图7D中所示的示例性工艺2的步骤5期间，抗蚀剂材料 610'被再次施加(例如，旋涂)在部分602'之上和层604的经曝光部分之上，从而产生第二抗蚀剂层610。用于第二抗蚀剂层610的抗蚀剂材料610'可以是例如可从瑞翁公司获得的ZEP520A材料或另一种合适的抗蚀剂材料。该抗蚀剂材料可以是例如如上所述的正性抗蚀剂材料，或“负性抗蚀剂材料”，例如，可从MicroChem公司获得的ma-N 2400。负性抗蚀剂材料保留在其经曝光的基板表面上，并且显影剂溶液仅移除未曝光的区域。

随后通过第二图案化步骤将波导部分301、302的锥形和波导 300内部的间隙区域Gr图案化在初始波导内部。第二图案化(工艺2的步骤6)可通过DUVL或EBL来执行。

如果在步骤6中使用EBL(利用对电子束的高精度对准)，则只将需要移除的抗蚀剂区域曝光于电子束，然后由电子束兼容的显影剂显影，以移除抗蚀剂材料的不想要的区段并且形成抗蚀剂转移图案610”。在本实施例中，从波导材料层602的部分602'移除在形状上与间隙Gr的形状相对应的层602材料。

替代地，抗蚀剂材料可以是负性光刻抗蚀剂材料(NR)，并且可以结合掩模615A的高精度对准来执行第二光刻步骤(工艺2的步骤6)，如图7E示意性地示出的。例如，在工艺2的步骤6中，掩模615A位于处于部分602'之上的第二抗蚀剂层610(负性抗蚀剂材料层)的部分之上。然后，未被掩模覆盖的负性抗蚀剂层610被紫外光束(例如，具有约248nm 或更小的波长、例如150nm≤λ≤197nm的波长的深紫外射束)辐照。因为光刻显影剂仅移除负性抗蚀剂材料的未曝光区域，并且掩模615A防止抗蚀剂区域的部分曝光于深紫外辐射，因此显影剂随后移除负性抗蚀剂材料的梯形区段(因为该梯形区段位于掩模下方)，以在负性抗蚀剂材料中形成间隙区域Gr形状的梯形间隙图案。

随后在该工艺的步骤7中蚀刻位于掩模615的间隙部分下方的波导材料(例如，硅)。这导致在波导300和分离的波导部分301、302 内的间隙区域Gr的形成。即，所得的波导300的内部部分通过波导部分301 与波导部分302之间的波导材料蚀刻(例如，移除硅)来图案化。掩模615A 是锥形的(例如，梯形的)，即，掩模615A具有锥形的宽度。掩模615A 的形状与间隙区域Gr的形状相对应。与间隙区域的小侧相对应的掩模的小侧处的掩模特征为例如约100nm(并且可以在从大于90-100nm至约150 nm的范围内)(这与最小间隙宽度Gmin相对应)。掩模的大侧优选地大于400nm。即，掩模615A(第二掩模)具有锥形的宽度，具有在90nm与 150nm之间的最小宽度Gmin和在350nm与450nm之间的最大宽度(与最大间隙区域宽度Gmax相对应)。因此，波导300的两个波导部分301、 302之间的最小间隙宽度Gmin为约90-100nm，这对应的掩模615A的最小特征尺寸可以用标准工业(低分辨率)CMOS DUVL工艺来实现，并且这可以导致例如小于90nm的尖端宽度。

更具体地，在图7E和图7D所示的实施例中，干式等离子体蚀刻步骤(步骤7，部分A)用于：除了与波导300相对应的部分602'之外，蚀刻掉并移除波导材料层602。在步骤7(部分B)中，随后(例如，通过氧等离子体清洁)移除抗蚀剂残留物(位于(多个)部分602'之上的剩余的抗蚀剂图案610”)，从而形成位于层604之上的波导300。应注意，层 604将与光斑尺寸转换器200的层202相对应。这样的光斑尺寸转换器例如在图1B中示出。最后(并且可选地)，在步骤8中，二氧化硅(SiO₂)的顶部包层608通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积)沉积在所得硅波导之上，从而导致波导300被层202覆盖，如图1A所示。结合掩模615A 使用第二(负性)抗蚀剂材料层可以产生具有100nm或更小、例如20nm 至90nm、10nm至90nm或20nm至60nm的尖端宽度W1min、W2min 的波导300。

替代地，在工艺2的步骤6期间，第二抗蚀剂材料可以是正性抗蚀剂材料(PR)，并且可以结合掩模615B执行第二光刻步骤(工艺2 的步骤6)，如图7E中示意性地示出的。掩模615B包含梯形形状的间隙。在掩模615B位于处于部分602'之上的第二(正性)抗蚀剂层610的部分之上之后，不位于掩模615B的间隙区段下方的正性抗蚀剂层610被紫外光束 (例如，具有约248nm或更短波长的深紫外射束)辐照。如上所述，正性抗蚀剂材料是在曝光和显影之后被移除的抗蚀剂材料，并且未曝光区域保留。因此，光刻工艺被施加到正性抗蚀剂层610以从正性抗蚀剂材料移除间隙区域Gr的形状的梯形图案。然后蚀刻位于所移除的抗蚀剂材料下方的波导材料(例如，硅)。这导致位于波导300内并位于分离的波导部分301、 302中的间隙区域Gr的形成。即，所得的波导300的内部部分通过波导部分301与波导部分302之间的波导材料蚀刻(例如，移除硅)来图案化。结合掩模615B使用第二(正性)抗蚀剂材料层可产生具有90nm至100nm 或更大的尖端宽度的波导300。如上所述的，可以通过使用带有掩模615A 的负性抗蚀剂层来实现更小的波导尖端宽度。

总而言之，第一工艺(工艺1)使用单步骤(Si)蚀刻直接图案化波导300的双尖端。为了用第一工艺实现小于90nm或100nm(例如，70nm、50nm或40nm)的窄尖端宽度W1min、W2min，需要非常高的光刻分辨率。因此，第一工艺应当使用EBL来实现这样的小尖端宽度。

然而，在第二工艺实施例(工艺2，该工艺使用两步蚀刻) 中，多尖端波导300的双尖端配置通过经由第二(Si)蚀刻步骤创建锥形间隙区域而被创建(图案化)，其中锥形掩模615A的最小尺寸为约90-100 nm或更大。因此，更优选(且更便宜)的是通过使用标准工业CMOS 193-nm DUVL，其中掩模615A的最小特征尺寸在约90nm或100nm至约150nm 的范围内(掩模615的最小特征尺寸与最小间隙宽度Gmin相对应)，采用第二工艺来用于光斑尺寸转换器200的大规模生产。这允许实现低于90nm 或100nm(例如，80nm、75nm、70nm、60nm、50nm、45nm、40nm、 30nm、20nm、或10nm至50nm、或20nm至50nm)的窄尖端宽度W1min、 W2min，而无需使用非常高的光刻分辨率，或无需使用EBL。

图8示出了双尖端SSC(光斑尺寸转换器)波导300的示例性实施例在1550nm传输波长处的计算出的光功率转换效率。双尖端SSC (光斑尺寸转换器)波导300由200nm深乘500nm宽的Si(硅)波导部分303和两个波导部分301、302组成。在本实施例中，波导部分301和波导部分302是锥形的，并且每个波导部分301、302具有220nm深且90nm 宽的尖端，导致波导尖端之间的320nm的分离(Gmax)。在本实施例中， Si波导300位于低折射率(1.44-1.46)掩埋的氧化物层上并且被沉积在顶部的具有类似折射率的低温硅氧化物覆盖。锥形间隙的初始宽度(Gmin) 为100nm。图8示出了大于0.9的光功率转换效率(本文中也称为耦合效率α)(即，损耗小于～0.5dB)可以以大于600微米的长度Lt来实现。因此，波导300的设计允许实现具有与约100nm的Gmin相对应的最小特征尺寸的高效且紧凑的模转换器(光斑尺寸转换器200)，这种尺寸完全在 DUVL CMOS工艺的当前能力范围内。因此，光斑尺寸转换器200可以有利地通过工艺2的实施例来制造。

可选地，在一个实施例中，当光波导500的宽度W4为500nm 并且光波导500的厚度H4为H4＝220nm时，光斑尺寸转换器200的波导 300的参数值可以如表1所示。

表1

在表1的实施例中，光斑尺寸转换器200包括波导300，波导300具有第一波导部分301、第二波导部分302和第三波导部分303。表 1的光斑尺寸转换器200可用于实现光纤400与光波导300之间的光斑尺寸转换，并且光纤400与光波导300之间的耦合损耗可以通过使用光斑尺寸转换器200来减小。

例如，如果图1A或图1B所示的光斑尺寸转换器200设置在光纤400与光波导500之间，则从光纤400输出的光信号可以耦合到光斑尺寸转换器200。存在分布在第一波导部分301与第二波导部分302之间的光场。然后，光信号可以耦合到第三波导部分303，并且进一步耦合到后光波导500，如图4所示。

可选地，例如，光斑尺寸转换器的参数使用表1中所示的值。 SMF-

示例性单模光纤400的外直径为约125μm，并且其芯直径为约8.2 μm。从光纤400输出的光信号的模场(归一化模分布)在图6中示出并且可被理解为光斑尺寸转换器200的输入光信号的模场。模场的光斑直径为约10μm(即，由本实施例的波导300提供的MFD为约10μm)。因此，当与本实施例中提供的该光斑尺寸转换器200一起使用单模光纤时，存在相对大的对准容差。因此，通过使用本实施例中提供的光斑尺寸转换器200 而不是常规光斑尺寸转换器，可以大大放松光纤400与光斑尺寸转换器200 之间的对准要求。

可以理解，在前述实施例中，光斑尺寸转换器200中的波导在结构上是对称或基本上对称的，并且对称平面是垂直于宽度方向的平面，或者对称平面可以被理解为y-z平面。

因此，本公开的一个实施例涉及光学波导，包括：锥形宽度第一波导部分(301)、锥形宽度第二波导部分(302)和第三波导部分(303)，第三波导部分(303)的第一端连接到第一波导部分(301)的第一端和第二波导部分(302)的第一端；并且沿主轴的第一方向，第一波导部分和第二波导部分的宽度朝向第三波导部分的第一端逐渐增大，并且第一波导部分与第二波导部分之间在第二方向上的距离从第一波导部分的第二端到第一波导部分的第一端逐渐减小，其中第二方向位于波导所在的平面上，并且第二方向垂直于第一方向；并且其中，第一波导部分(301)的第二端与第二波导部分(302)的第二端之间的距离Gmax大于0.2μm且小于0.48μm；并且波导在1550nm波长处具有在2到4之间的折射率。

根据一些实施例，一种光斑尺寸转换器包括：

基板层；第一覆盖层，该第一覆盖层设置在基板层上方，其中第一覆盖层包括第一材料；单级波导(300)，该单级波导(300)被设置为与第一覆盖层接触，其中波导沿主轴对称或近似对称，并且波导包括第三材料；其中，波导包括锥形宽度第一波导部分(301)、锥形宽度第二波导部分(302) 和第三波导部分(303)，第三波导部分(303)的第一端连接到第一波导部分(301)的第一端和第二波导部分(302)的第一端；并且沿主轴的第一方向，第一波导部分和第二波导部分(301、302)的宽度朝向第三波导部分(303)的第一端逐渐增大，并且第一波导部分(301)与第二波导部分(302)之间在第二方向上的距离从第一波导部分(301)的第二端到第一波导部分(301)的第一端逐渐减小，其中第二方向位于波导(300)所在的平面上，并且第二方向垂直于第一方向；并且第一波导部分(301)的第二端与第二波导部分(302)的第二端之间的距离Gmax大于0.2μm且小于0.48μm；以及

第三材料相对于第一材料的Δ％大于25％。根据一些实施例，第三材料相对于第一材料的Δ％大于50％。

根据一些实施例，间隙位于第一波导部分与第二波导部分之间。根据一些实施例，间隙具有梯形横截面。根据一些实施例，间隙具有 V形横截面。根据一些实施例：(i)波导是硅波导，(ii)第一波导部分的第二端与第二波导部分的第二端之间的距离G从第一波导部分和第二波导部分的第二端到第一波导部分和第二波导部分的第一端变窄，从而形成锥形间隙，该锥形间隙具有的长度为Lt的锥形，使得300微米<Lt<5000微米，其中，锥形间隙的最小距离/宽度Gmin在50nm到150nm之间，并且最大距离/宽度Gmax在300nm到480nm之间(例如，350nm到450nm，或400nm到450nm)。根据一些实施例，第三波导部分的宽度在约400nm 到约500nm之间(例如，450nm到500nm)，并且第三波导部分的厚度在200nm到225nm之间。

本公开的附加实施例涉及一种光斑尺寸转换器(SSC)，包括：

基板层；

单级波导(300)，该单级波导(300)设置在第一覆盖层内部，其中波导沿主轴对称(或近似对称)，并且波导包括第三材料；其中，波导包括锥形宽度第一波导部分(301)、锥形宽度第二波导部分(302)和第三波导部分(303)，第三波导部分(303)的第一端连接到第一波导部分(301) 的第一端和第二波导部分(302)的第一端；使得锥形间隙位于第一波导部分与第二波导部分之间；并且

沿主轴的第一方向，第一波导部分和第二波导部分(301、302)的宽度朝向第三波导部分(303)的第一端逐渐增大，并且第一波导部分(301) 与第二波导部分(302)之间在第二方向上的距离从第一波导部分(301) 的第二端到第一波导部分(301)的第一端逐渐减小，其中第二方向位于波导(300)所在的平面上，并且第二方向垂直于第一方向；并且其中

第一波导部分(301)的第二端与第二波导部分(302)的第二端之间的最大距离(最大宽度)Gmax大于0.2μm且小于0.48μm；并且

第三材料相对于第一材料的Δ％>25％(例如，>50％)。

本公开的附加实施例涉及一种光斑尺寸转换器(SSC)，包括：

基板层；

单级波导(300)，该单级波导(300)设置在第一覆盖层内部，其中波导沿主轴对称，并且波导包括第三材料；其中，波导包括锥形宽度第一波导部分(301)、锥形宽度第二波导部分(302)和第三波导部分(303)，第三波导部分(303)的第一端连接到第一波导部分(301)的第一端和第二波导部分(302)的第一端；以及

第三材料相对于第二材料的Δ％>25％(例如，>50％)。

根据一些示例性实施例，波导被构造为提供到单模光纤的 <2dB(例如，<1dB，或≤0.5dB)的耦合损耗，且在1550nm处具有模场直径(MFD)，使得MFD≥7微米。根据一些实施例，波导被构造为提供<1.5 dB的耦合损耗，并且MFD≥7微米。根据一些实施例，波导被构造为提供 <1dB的耦合损耗，并且MFD≥7微米。根据一些实施例，波导被构造为当耦合到单模光纤时在1550nm处提供<1dB的耦合损耗，并且在1550nm处具有MFD≥8微米。根据一些实施例，波导被构造为在耦合到单模光纤时提供<1dB的耦合损耗，并且在1550nm处7.5微米≤MFD≤10微米。

根据一些实施例：

波导(300)的长度为L1，

第一波导部分(301)和第二波导部分(302)的最小宽度分别为W1min 和W2min，第三波导部分(303)的第二端的宽度为W3，并且波导(300) 与基板层(201)的顶部或可选的中间层(203)的底部之间的距离为H3，其中0<L1≤500μm，0<L3≤200μm，0<H1≤400nm，H3>2μm(例如， H3≥3μm，或在一些实施例中H3≥5μm)，50nm<W1min≤100nm，50 nm<W2min≤100nm，并且200nm≤W3≤550nm。根据一些实施例， 0<L1≤500μm，0<L3≤200μm，H1+H3>3μm，并且H3>2.5μm(例如， H3>3μm或H3≥5μm)，70nm<W1min≤90nm，70nm<W2min≤90nm 且400nm≤W3≤500nm。根据一些实施例，第一波导部分(301)与第二波导部分(302)之间的最大间隙宽度Gmax为200nm≤Gmax≤450nm。根据一些实施例，第一波导部分(301)与第二波导部分(302)之间的最大间隙宽度Gmax为300nm≤Gmax≤450nm，或200nm≤Gmax≤400nm。

对本领域技术人员显而易见的是在不背离本发明的精神或范围的情况下可以作出各种修改和变化。由于所属技术领域的技术人员可以想到包括本发明的精神和实质的所公开的各实施例的修改、组合、子组合和变体，因此，本发明应当被理解为包括所附权利要求书以及它们的等效内容的范围的一切。

Claims

1.一种单级波导(300)，包括：

锥形宽度第一波导部分(301)、锥形宽度第二波导部分(302)和第三波导部分(303)，使得

所述第三波导部分(303)的第一端连接到所述第一波导部分(301)的第一端和所述第二波导部分(302)的第一端；并且

沿第一方向，所述第一波导部分和所述第二波导部分(301、302)的宽度朝向所述第三波导部分(303)的所述第一端逐渐增大，并且

所述第一波导部分(301)与所述第二波导部分(302)之间在第二方向上的距离从所述第一波导部分(301)的第二端到所述第一波导部分(301)的所述第一端逐渐减小，

其中所述第二方向位于所述波导(300)所在的平面上，并且所述第二方向垂直于所述第一方向；并且其中所述第一波导部分(301)的所述第二端与所述第二波导部分(302)的第二端之间的最大距离Gmax大于0.2μm且小于0.48μm；并且所述波导在1550nm波长处具有在2到4之间的折射率。

2.如权利要求1所述的波导，其特征在于，所述第一波导部分与所述第二波导部分之间的间隙区域具有梯形横截面。

3.如权利要求1或权利要求2所述的波导，其特征在于：

(i)所述波导是硅波导，

(ii)所述第一波导部分(301)的所述第二端与所述第二波导部分(302)的第二端之间的距离G从所述第一波导部分和所述第二波导部分的所述第二端到所述第一波导部分和所述第二波导部分的所述第一端变窄，从而形成锥形间隙区域，所述锥形间隙区域具有长度为Lt的锥形，使得300微米<Lt<2000微米，并且最小值，并且其中

所述锥形间隙区域的最小距离Gmin在50nm到150nm之间，并且最大距离Gmax在300nm到450nm之间。

4.如权利要求1、2或3所述的波导，其特征在于：

(i)所述第三波导部分具有宽度W3，并且所述第三波导部分的所述宽度W3为约450nm到约500nm，并且

(ii)所述第三波导部分具有厚度H1，并且所述第三波导部分的所述厚度H1在200nm到225nm之间。

5.一种光斑尺寸转换器，其特征在于，所述光斑尺寸转换器包括：

基板层；

第一覆盖层，所述第一覆盖层设置在基板层上方，其中所述第一覆盖层包括第一材料；

单级波导(300)，所述单级波导(300)设置为与所述第一覆盖层接触，其中所述波导包括第三材料；其中，所述波导包括锥形宽度第一波导部分(301)、锥形宽度第二波导部分(302)和第三波导部分(303)，所述第三波导部分(303)的第一端连接到所述第一波导部分(301)的第一端和所述第二波导部分(302)的第一端；并且

沿第一方向，所述第一波导部分和所述第二波导部分(301、302)的宽度朝向所述第三波导部分(303)的所述第一端逐渐增大，并且所述第一波导部分(301)与所述第二波导部分(302)之间在第二方向上的距离从所述第一波导部分(301)的第二端到所述第一波导部分(301)的所述第一端逐渐减小，其中

所述第二方向位于所述波导(300)所在的平面上，并且所述第二方向垂直于所述第一方向；并且其中，

所述第一波导部分(301)的所述第二端与所述第二波导部分(302)的第二端之间的距离Gmax大于0.2μm且小于0.48μm；并且

所述第三材料相对于所述第一材料的Δ％>25％。

6.如权利要求5所述的光斑尺寸转换器，其特征在于，所述第三材料相对于所述第一材料的Δ％>50％。

7.如权利要求5所述的光斑尺寸转换器，其特征在于，所述波导(i)被构造为在耦合到单模光纤时提供小于2dB的耦合损耗；并且(ii)在1550nm波长处具有一模式场直径(MFD)，使得MFD≥7微米。

8.如权利要求7所述的光斑尺寸转换器，其特征在于：所述波导被构造为在所述波导耦合到所述单模光纤时在1550nm处提供小于1.5dB的耦合损耗。

9.如权利要求8所述的光斑尺寸转换器，其特征在于：(i)所述波导被构造为在所述波导耦合到所述单模光纤时在1550nm处提供小于1dB的耦合损耗。

10.如权利要求8所述的光斑尺寸转换器，其特征在于，所述波导被构造为在所述波导耦合到单模光纤时在1550nm处提供小于1dB的耦合损耗；并且7.5微米≤MFD≤10微米。

11.如权利要求10所述的光斑尺寸转换器，其特征在于，所述波导被构造为在1550nm处提供0.2dB到1dB之间的耦合损耗。

12.如权利要求5所述的光斑尺寸转换器，所述第三材料的折射率n3与所述第一材料的折射率n1之间的差为2.5>n3-n1>0.5。

13.如权利要求5-12中任一项所述的光斑尺寸转换器，其特征在于：

所述单级波导的长度为L1，所述第一波导部分(301)的长度为L2，所述第二波导部分的长度为L2，并且所述第三波导部分的长度为L3；

所述第一波导部分的厚度、所述第二波导部分(302)的厚度和所述第三波导部分的厚度为H1，所述第一波导部分和所述第二波导部分的最小宽度为W1min和W2min，所述第三波导部分(303)的所述第二端的宽度为W3，并且所述波导(300)与基板层之间的距离为H3，其中

0μm<L1≤500μm；0μm<L3≤200μm；

0μm<H1≤400nm；H3>2μm；

50nm<W1min≤100nm；50nm<W2min≤100nm；并且200nm≤W3≤550nm。

14.如权利要求13所述的光斑尺寸转换器，其特征在于：

200μm<L1≤500μm；H3>3μm；70nm<W1min≤90nm；以及400nm≤W3≤500nm。

15.如权利要求5-14中任一项所述的光斑尺寸转换器，其特征在于，所述第一波导部分与所述第二波导部分之间的最大间隙宽度Gmax为200nm≤Gmax≤450nm。

16.如权利要求13所述的光斑尺寸转换器，其特征在于，Gmax＝W3-2W1min。

17.如权利要求9-16中任一项所述的光斑尺寸转换器，其特征在于，所述基板层(201)所使用的材料为硅，所述第一材料为二氧化硅，并且所述第三材料为硅或氮化硅。

18.如权利要求13-15中任一项所述的光斑尺寸转换器，进一步包括设置在所述基板层与所述第一覆盖层之间的可选的中间层，其中所述可选的中间层(203)包括第二材料；并且其中所述第三材料相对于所述第二材料的Δ％>25％。

19.如权利要求18所述的光斑尺寸转换器，其特征在于，所述第三材料相对于所述第二材料的Δ％>50％。

20.一种光斑尺寸转换器，其特征在于，所述光斑尺寸转换器包括：

基板层；

第一覆盖层，所述第一覆盖层设置在所述基板层上方，其中所述第一覆盖层包括第一材料；

可选的中间层，所述可选的中间层设置在所述基板层与所述第一覆盖层之间，其中所述可选的中间层(203)包括第二材料；以及

单级波导(300)，所述单级波导(300)设置为与所述第一覆盖层接触，其中所述波导包括第三材料；

其中所述波导包括锥形宽度第一波导部分(301)、锥形宽度第二波导部分(302)和第三波导部分(303)，所述第三波导部分(303)的第一端连接到所述第一波导部分(301)的第一端和所述第二波导部分(302)的第一端；并且

沿第一方向，所述第一波导部分和所述第二波导部分(301、302)的宽度朝向所述第三波导部分(303)的所述第一端逐渐增大，并且所述第一波导部分(301)与所述第二波导部分(302)之间在第二方向上的距离从所述第一波导部分(301)的第二端到所述第一波导部分(301)的所述第一端逐渐减小，其中所述第二方向位于所述波导(300)所在的平面上，并且所述第二方向垂直于所述第一方向；并且其中

所述第三材料相对于所述第二材料的Δ％>25％。

21.如权利要求5-20中任一项所述的光斑尺寸转换器，其特征在于，所述第三材料相对于所述第二材料的Δ％>50％。

22.一种用于光传输的装置，其特征在于，所述装置包括：

如权利要求5-20中任一项所述的光斑尺寸转换器；

光波导；并且

所述光斑尺寸转换器被配置为将光信号耦合到所述光波导，其中所述光信号是从光纤输入的。

23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述光斑尺寸转换器通过使用第三波导部分的第二端连接到所述光波导，并且所述第三波导部分的所述第二端的宽度等于所述光波导的宽度。

24.如权利要求22或权利要求23所述的装置，其特征在于，所述第三波导部分的厚度H1等于所述光波导的厚度H4。