CN114815054A - 二维光栅耦合器和其制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开一种用于光学耦合的装置和方法。在一个实例中，所描述的装置包含：平面层；光栅区，包括布置在平面层中以形成二维光栅的散射元件阵列；第一锥形结构，形成在平面层中，以将光栅区的第一侧连接到第一波导，其中第一锥形结构的形状是对于垂直于平面层中的光栅区的第一侧的任何线不对称的第一三角形；以及第二锥形结构，形成在平面层中，以将光栅区的第二侧连接到第二波导，其中第二锥形结构的形状是对于垂直于平面层中的光栅区的第二侧的任何线不对称的第二三角形，其中第一侧和第二侧大体上彼此垂直。
Description
技术领域
本发明的实施例是涉及一种二维光栅耦合器和其制造方法。
背景技术
光学光栅通常用于在波导与光纤之间耦合光。由于波导和光纤的尺寸极其不同，直接耦合将产生巨大的光损耗。耦合到波导的入射光通常处于未知且任意的偏振态，因此需要二维(two-dimensional；2D)光栅耦合器以从光纤提供横向磁(transverse magnetic；TM)或横向电(transverse electric；TE)偏振模式的偏振光到波导。
常规2D光栅耦合器包含耦合到2D光栅的两个对称锥形结构。为减小功率损耗且提高常规2D光栅耦合器的耦合效率，已经提出复杂的2D光栅设计来寻找恰当的输出场以匹配2D光栅耦合器的给定锥形设计，这花费大量硬件资源和模拟时间。
因此，有必要研发一种使用新颖锥形设计进行有效光学耦合的方法和装置。
发明内容
本发明实施例提供一种用于光学耦合的装置，包括：平面层；光栅区，包括布置在平面层中以形成二维(2D)光栅的散射元件阵列；第一锥形结构，形成在平面层中，以将光栅区的第一侧连接到第一波导，其中第一锥形结构的形状是对于垂直于平面层中的光栅区的第一侧的任何线不对称的第一三角形；以及第二锥形结构，形成在平面层中，以将光栅区的第二侧连接到第二波导，其中第二锥形结构的形状是对于垂直于平面层中的光栅区的第二侧的任何线不对称的第二三角形，其中第一侧和第二侧大体上彼此垂直。
本发明实施例提供一种二维(2D)光栅耦合器，包括：平面层；光栅区，包括布置在平面层中以形成二维光栅的散射元件阵列；第一锥形结构，位于平面层中，以将光栅区的第一侧连接到第一波导；以及第二锥形结构，位于平面层中，以将光栅区的第二侧连接到第二波导，其中第一锥形结构和第二锥形结构中的每一个具有使由于相对于二维光栅的光透射和光反射而导致的光功率损耗最小化的形状和尺寸。
本发明实施例提供一种形成光学耦合器的方法，包括：在半导体衬底上形成绝缘层；在所述绝缘层上外延生长半导体材料以形成半导体层；根据预定图案刻蚀所述半导体层以形成：所述半导体层中的刻蚀孔阵列以形成光栅区，从所述光栅区的第一侧延伸的第一锥形结构，其中所述半导体层中的所述第一锥形结构的形状是对于垂直于所述光栅区的所述第一侧的任何线不对称的第一三角形，以及从所述光栅区的第二侧延伸的第二锥形结构，其中所述半导体层中的所述第二锥形结构的形状是对于垂直于所述光栅区的所述第二侧的任何线不对称的第二三角形，其中所述第一侧和所述第二侧大体上彼此垂直；以及将介电材料沉积到所述刻蚀区阵列中以在所述半导体层中形成散射元件阵列，其中所述散射元件布置成形成二维(2D)光栅。
附图说明
当结合随附图式阅读时从以下详细描述最好地理解本公开的各方面。应注意，未必按比例绘制各种特征。实际上，为了说明的清楚起见，可任意地增大或减小各种特征的尺寸和几何结构。
图1示出根据本公开的一些实施例的器件的示例性框图。
图2A示出根据本公开的一些实施例的示例性二维(2D)光栅耦合器的俯视图。
图2B示出根据本公开的一些实施例的包括2D光栅耦合器中的散射元件阵列的示例性光栅区。
图2C示出根据本公开的一些实施例的以入射角耦合到2D光栅耦合器的示例性光纤。
图3A示出根据本公开的一些实施例的具有设计的锥形形状和尺寸的2D光栅耦合器的示例性图。
图3B示出根据本公开的一些实施例的具有设计的锥形形状和尺寸的另一2D光栅耦合器的示例性图。
图4A示出根据本公开的一些实施例的2D光栅耦合器的透视图。
图4B示出根据本公开的一些实施例的2D光栅耦合器的横截面图。
图5A到图5K示出根据本公开的一些实施例的在制造过程的各个阶段处的示例性光栅耦合器的横截面图。
图6示出根据本公开的一些实施例的用于制造示例性2D光栅耦合器的示例性方法的流程图。
图7A示出根据本公开的一些实施例的具有不同输入光波长的2D光栅耦合器的示例性光功率性能。
图7B示出根据本公开的一些实施例的2D光栅耦合器的输入光的示例性选定波长范围的放大图。
图8示出根据本公开的一些实施例的用于设计示例性2D光栅耦合器的示例性方法的流程图。
具体实施方式
以下公开内容描述用于实施主题的不同特征的各种示例性实施例。下文描述组件和布置的特定实例来简化本公开。当然，这些组件和布置仅为实例且并不意图为限制性的。举例来说，应理解，当元件被称为“连接到”或“耦合到”另一元件时，其可直接连接到或耦合到另一元件，或可存在一或多个介入元件。
由包覆层包围的波导可基于波导和包覆层中的材料之间的折射率对比度来限制光。举例来说，具有亚微米尺寸的硅波导可由于其与氧化硅包覆层的较强折射率对比度而限制红外光(具有大于约700nm或700nm的波长)，其中硅和氧化硅的折射率分别约为3.47和1.45。为接收或传输光信号，光需要在波导与光纤之间耦合。虽然来自硅波导的出射光通常处于横向电(TE)模式且可使用单偏振光栅耦合器竖直地耦合到光纤，但是到硅波导的入射光通常处于未知且为任意的偏振态，因此需要偏振分光光栅耦合器(polarizationsplitting grating coupler；PSGC)以从光纤提供横向磁(TM)或横向电(TE)偏振模式的偏振光到波导。在一实施例中，PSGC可为由几乎彼此垂直的两个单偏振光栅耦合器形成的二维(2D)光栅耦合器。每一单偏振光栅耦合器具有耦合到共同2D光栅区的锥形结构，所述共同2D光栅区包含在光栅线的交叉点处具有散射元件的光栅线。锥形结构的不同设计可以减小功率损耗且提高从光纤到2D光栅耦合器的光耦合效率。
在一实施例中，基于平面波扩展方法将光束传播模拟为到2D光栅耦合器的输入光，以基于模拟的光束传播确定输入光的波长范围，以最小化由于相对于2D光栅的光透射和光反射而导致的光功率损耗。在波长范围内，调整2D光栅耦合器的锥形结构的形状和尺寸以拟合来自2D光栅的输出光。举例来说，模拟每一锥形的长度和移位的逐渐增加的值以确定使光功率损耗最小化的最优锥形设计。
在一实施例中，2D光栅耦合器的两个锥形的形状是对于跨越光栅区的对角线彼此对称的两个全等三角形。但三角形并非等腰三角形且具有从顶点到与顶点相对的基底侧的垂直平分线的移位。每一三角形的长度和移位可基于耦合到2D光栅的光纤的位置和/或基于来自光纤的入射光的入射角而确定。
图1示出根据本公开的一些实施例的器件100的示例性框图。应注意，器件100仅为实例且不意图限制本公开。因此，应理解，额外功能块可设置在图1的器件100中或耦合到图1的器件100，且可仅在本文中简要地描述一些其它功能块。
参考图1，器件100包括电子管芯102、光源管芯104、光子管芯106、插入件110以及印刷电路板(printed circuit board；PCB)衬底114。电子管芯102、光源管芯104以及光子管芯106通过插入件110上的输入/输出接口(未绘示)耦合在一起。在一些实施例中，使用硅制造插入件110。在一些实施例中，插入件110包括以下中的至少一个：互连布线、硅穿孔(through silicon via；TSV)以及接触垫。在一些实施例中，插入件110将包含电子管芯102、光源管芯104以及光子管芯106的所有组件集成在一起。在某些实施例中，使用倒装芯片(C4)互连方法将管芯102/104/106中的每一个耦合到插入件110。在一些实施例中，使用高密度焊料微凸块将管芯102/104/106耦合到插入件110。此外，使用焊球通过线接合112或硅穿孔(TSV)116将插入件110耦合到PCB衬底114。TSV 116可包括竖直地延伸穿过插入件110且提供电子管芯102与PCB 114之间的电连接性的导电路径。在一些实施例中，PCB衬底114可包括用于器件100的支撑结构，且可包括用于隔离器件的绝缘和导电材料，以及经由插入件110为光子管芯106上的有源器件以及电子管芯102上的电路/器件提供电接触。此外，PCB衬底114可提供导热路径以带走由电子管芯102和光源管芯104中的器件和电路产生的热量。
在一些实施例中，电子管芯102包括包含放大器、控制电路、数字处理电路等电路(未绘示)，以及用于控制光源管芯104或光子管芯106中的元件的驱动器电路。在一些实施例中，光源管芯104包括多个组件(未绘示)，例如，至少一个发光元件(例如，激光或发光二极管)、传输元件、调制元件、信号处理元件、开关电路、放大器、输入/输出耦合器以及光感测/检测电路。在一些实施例中，光源管芯104在光子管芯106上。在一些实施例中，光子管芯106包括附接在其上的光纤阵列108、光学接口以及多个光纤到芯片(fiber-to-chip)光栅耦合器118。在一些实施例中，多个光纤到芯片光栅耦合器118配置成耦合光子管芯106和光纤阵列108。在一些实施例中，光纤阵列108包括多个光纤，且其中的每一个可为单模或多模光纤。在一些实施例中，光纤阵列108可被黏在(epoxied on)光子管芯106上。
在一些实施例中，多个光纤到芯片光栅耦合器118中的每一个能够在光纤阵列108与光源管芯102或光子管芯106上的对应光电检测器之间耦合光信号。多个光纤到芯片光栅耦合器118中的每一个包括多个光栅和设计为提高对应波导上的光纤之间的耦合效率的波导，这将在下文本公开的各种实施例中详细论述。
在操作期间，从附接在光纤阵列108的一端上的远程服务器接收到的光信号可通过附接到光纤阵列108的另一端的光纤到芯片光栅耦合器118耦合到光子管芯106上的对应光电检测器。替代地，从光源管芯104接收到的光信号可通过光纤到芯片光栅耦合器118耦合到光纤阵列108以进一步传输到远程服务器。在一实施例中，光纤到芯片光栅耦合器118可为二维(2D)光栅耦合器。
图2A示出根据本公开的一些实施例的示例性2D光栅耦合器200的俯视图。如图2A中所绘示，2D光栅耦合器200由几乎彼此垂直的两个单偏振光栅耦合器形成。每一单偏振光栅耦合器具有相应锥形结构和共享光栅区230。第一单偏振光栅耦合器包含第一锥形结构210和共享光栅区230；且第二单偏振光栅耦合器包含第二锥形结构220和共享光栅区230。光栅区230包括布置在平面层中以形成2D光栅的散射元件232的阵列(也可称为散射元件阵列)。
在一实施例中，第一锥形结构210、第二锥形结构220以及共享光栅区230均形成在平面层中，所述平面层可为半导体层，例如绝缘体上硅(silicon-on-insulator；SOI)衬底上的硅层。在一实施例中，第一锥形结构210形成在平面层中，以将2D光栅230的第一侧212连接到平面层中的第一波导218；且第二锥形结构220形成在平面层中，以将2D光栅230的第二侧222连接到平面层中的第二波导228。第一侧212和第二侧222大体上彼此垂直。
图2B示出根据本公开的一些实施例的包括2D光栅耦合器中的散射元件232的阵列的示例性光栅区230的放大图。如图2B中所绘示，光栅区230的形状在平面层中可为方形。在一实施例中，散射元件阵列布置在平面层中位于第一组直线216与第二组直线226交叉的多个交叉点处。第一组直线216中的每一个平行于光栅区230的第一侧212；且第二组直线226中的每一个平行于光栅区230的第二侧222。可使用任何数目的直线216、直线226和每一直线上的任何数目的散射元件232且在本公开的范围内。如图2A和图2B中所绘示，散射元件阵列中的每一散射元件232在平面层中具有大小相同的相同圆形形状。在另一实施例中，散射元件阵列中的每一散射元件在平面层中具有大小相同的相同方形形状。如图2A和图2B中所绘示，散射元件232的阵列均匀分布在平面层中，以使沿垂直于光栅区230的第一侧212的第一方向(X方向)或垂直于光栅区230的第二侧222的第二方向(Y方向)在每两个相邻散射元件232的中心之间具有相同距离。
返回参考图2A，2D光栅耦合器200可沿–X方向在垂直于第一侧212的方向上散射从第一波导218接收到的入射光；且还可沿–Y方向在垂直于第二侧222的方向上散射从第二波导228接收到的入射光。
在一实施例中，2D光栅耦合器200散射从具有附接到2D光栅的光纤模式250的光纤接收到的入射光。在一实施例中，耦合器200的2D光栅230配置成用于以入射角292从光纤290接收入射光，如图2C中所绘示。入射角292是在光纤290的轴线与Z方向(垂直于平面层的方向)之间的入射平面中测量的。入射平面是含有平面层的表面法线和入射光的传播向量的平面。也就是说，入射平面是由Z方向和X方向形成的平面。在一实施例中，入射角292为非零的。光纤290和2D光栅耦合器200两者可附接到衬底上的光子管芯或包含于衬底上的光子管芯中。2D光栅耦合器200包含光子管芯上的散射元件232的阵列，用于在光子管芯与光纤290之间传输光。
2D光栅耦合器200可配置成用于将从平面层的顶部上的光纤接收到的入射光分为平行偏振分量和正交偏振分量。在一实施例中，2D光栅耦合器200经由第一锥形结构210将平行偏振分量耦合到第一波导218；且经由第二锥形结构220将正交偏振分量耦合到第二波导228。替代地，2D光栅耦合器200可经由第一锥形结构210将正交偏振分量耦合到第一波导218；且经由第二锥形结构220将平行偏振分量耦合到第二波导228。
如图2A中所绘示，第一锥形结构210具有从第一侧212到第一波导218的减小的第一宽度；且第二锥形结构220具有从第二侧222到第二波导228的减小的第二宽度。在一实施例中，第一锥形结构210配置成用于将入射光的第一部分从光纤传输到第一波导218以实现最小插入损耗；且第二锥形结构220配置成用于将入射光的第二部分传输到第二波导228以实现最小插入损耗。入射光的第一部分大体上为入射光的平行偏振分量，且入射光的第二部分大体上为入射光的正交偏振分量。平行偏振分量和正交偏振分量中的每一个包括从入射光分离的偏振光。偏振光具有横向磁(TM)偏振模式或横向电(TE)偏振模式。
图3A示出根据本公开的一些实施例的可实施为图2A中的具有设计的锥形形状和尺寸的2D光栅耦合器200的2D光栅耦合器300-1的示例性框图。如图3A中所绘示，2D光栅耦合器300-1包含：平面层中的光栅区230，将光栅区230的第一侧212连接到第一波导的平面层中的第一锥形结构310-1，将光栅区230的第二侧222连接到第二波导的平面层中的第二锥形结构320-1。在一实施例中，光栅区230具有方形形状；且第一侧212和第二侧222大体上彼此垂直。
在图3A所绘示的实例中，第一锥形结构310-1的形状是对于垂直于平面层中的光栅区230的第一侧212的任何线不对称的第一三角形；且第二锥形结构320-1的形状是对于垂直于平面层中的光栅区230的第二侧222的任何线不对称的第二三角形。在一实施例中，第一三角形和第二三角形全等。虽然第一锥形结构310-1和第二锥形结构320-1中的每一个实际上可具有梯形形状，但是三角形形状的设计自动确定具有第一波导及第二波导的给定宽度的梯形的对应设计。举例来说，一旦确定第一三角形310-1的形状和尺寸，就可确定具有具有给定宽度w1的顶部侧318-1且具有位于第一三角形310-1的三个侧上的三个其它侧的对应梯形；一旦确定第二三角形320-1的形状和尺寸，就可确定具有具有给定宽度w2的顶部侧328-1且具有位于第二三角形320-1的三个侧上的三个其它侧的对应梯形。可基于第一波导的宽度来确定宽度w1；且可基于第二波导的宽度来确定宽度w2。因此，本申请案的其余部分将集中于三角形的设计，而非梯形。
如图3A中所绘示，第一三角形具有位于光栅区230的第一侧212上的第一基底侧，具有与第一基底侧212相对的第一顶点313-1，且具有沿X方向的第一长度L1 316-1；且第二三角形具有位于光栅区230的第二侧222上的第二基底侧，具有与第二基底侧222相对的第二顶点323-1，且具有沿Y方向的第二长度L2 326-1。如图3A中所绘示，第一顶点313-1具有到平面层中的第一基底侧212的垂直平分线312-1的第一距离或第一移位S1 315-1；且第二顶点323-1具有到平面层中的第二基底侧222的垂直平分线322-1的第二距离或第二移位S2325-1。
在一实施例中，第一三角形和第二三角形对于跨越光栅区230的对角线235彼此对称。在此情况下，第一长度L1 316-1和第二长度L2 326-1彼此相等；第一距离S1 315-1和第二距离S2 325-1彼此相等。
根据各种实施例，可基于入射角和光纤相对于2D光栅230的位置来确定第一长度L1 316-1、第二长度L2 326-1、第一距离S1 315-1以及第二距离S2 325-1的值。根据各种实施例，第一长度L1 316-1和第二长度L2 326-1中的每一个在20微米与500微米之间；且第一距离S1 315-1和第二距离S2 325-1中的每一个在0微米与20微米之间。在一些实施例中，第一长度L1 316-1和第二长度L2 326-1中的每一个在100微米与150微米之间；且第一距离S1315-1和第二距离S2 325-1中的每一个在0微米与10微米之间。可理解，一旦确定第一长度L1 316-1、第二长度L2 326-1、第一距离S1 315-1以及第二距离S2 325-1，也将自动确定顶部顶点313-1的顶角a和顶部顶点323-1的顶角b。
图3B示出根据本公开的一些实施例的可实施为图2A中的具有设计的锥形形状和尺寸的2D光栅耦合器200的另一2D光栅耦合器300-2的示例性图。如图3B中所绘示，2D光栅耦合器300-2包含：平面层中的光栅区230，将光栅区230的第一侧212连接到第一波导的平面层中的第一锥形结构310-2，将光栅区230的第二侧222连接到第二波导的平面层中的第二锥形结构320-2。在一实施例中，光栅区230具有方形形状；且第一侧212和第二侧222大体上彼此垂直。
在图3B所绘示的实例中，第一锥形结构310-2的形状是对于垂直于平面层中的光栅区230的第一侧212的任何线不对称的第一三角形；且第二锥形结构320-2的形状是对于垂直于平面层中的光栅区230的第二侧222的任何线不对称的第二三角形。在一实施例中，第一三角形和第二三角形全等。虽然第一锥形结构310-2和第二锥形结构320-2中的每一个实际上可具有梯形形状，但是三角形形状的设计自动确定具有第一波导和第二波导的给定宽度的梯形的对应设计。举例来说，一旦确定第一三角形310-2的形状和尺寸，就可确定具有具有给定宽度w3的顶部侧318-2且具有位于第一三角形310-2的三个侧上的三个其它侧的对应梯形；一旦确定第二三角形320-2的形状和尺寸，就可确定具有具有给定宽度w4的顶部侧328-2且具有位于第二三角形320-2的三个侧上的三个其它侧的对应梯形。可基于第一波导的宽度来确定宽度w3；且可基于第二波导的宽度来确定宽度w4。因此，本申请案的其余部分将集中于三角形的设计，而非梯形。
如图3B中所绘示，第一三角形具有位于光栅区230的第一侧212上的第一基底侧，具有与第一基底侧212相对的第一顶点313-2，且具有沿X方向的第一长度L3 316-2；且第二三角形具有位于光栅区230的第二侧222上的第二基底侧，具有与第二基底侧222相对的第二顶点323-2，且具有沿Y方向的第二长度L4 326-2。如图3B中所绘示，第一顶点313-2具有到平面层中的第一基底侧212的垂直平分线312-2的第一距离或第一移位S3 315-2；且第二顶点323-2具有到平面层中的第二基底侧222的垂直平分线322-2的第二距离或第二移位S4325-2。
在一实施例中，第一三角形和第二三角形对于跨越光栅区230的对角线235彼此对称。在此情况下，第一长度L3 316-2和第二长度L4 326-2彼此相等；第一距离S3 315-2和第二距离S4 325-2彼此相等。
根据各种实施例，可基于入射角和光纤相对于2D光栅230的位置来确定第一长度L3 316-2、第二长度L4 326-2、第一距离S3 315-2以及第二距离S4 325-2的值。根据各种实施例，第一长度L3 316-2和第二长度L4 326-2中的每一个在20微米与500微米之间；且第一距离S3 315-2和第二距离S4 325-2中的每一个在0微米与20微米之间。
虽然图3A中的顶点313-1沿–Y方向在垂直平分线312-1上方具有移位S1，但是图3B中的顶点313-2沿Y方向在垂直平分线312-2下方具有移位S3。虽然图3A中的顶点323-1沿–X方向到垂直平分线322-1的左侧具有移位S2，但是图3B中的顶点323-2沿X方向到垂直平分线322-2的右侧具有移位S4。可基于耦合到2D光栅的光纤的位置和/或来自光纤的入射光的入射角来设计每一锥形三角形的顶部顶点的移位。
图4A示出根据本公开的一些实施例的2D光栅耦合器400的透视图。如图4A中所绘示，2D光栅耦合器400包含散射元件阵列和形成在半导体层430中的两个锥形。在一实施例中，每一散射元件431、散射元件432、散射元件433包括例如氧化硅的介电材料，而半导体层430包括例如硅的半导体材料。在所示出的实施例中，在形成于半导体衬底410上的绝缘层420上制造半导体层430。
图4B示出根据本公开的一些实施例的沿图4A中的方向A-A'的2D光栅耦合器400的横截面图。在所示出的实施例中，制造于半导体衬底410上的2D光栅耦合器400包括含有绝缘层420和半导体层430的多层结构。在所示出的实施例中，半导体衬底410包括硅。绝缘层420包括例如氧化硅的介电材料，且使用化学气相沉积、物理气相沉积等制造于半导体衬底410上。在一些实施例中，根据本公开的各种实施例，绝缘层420可由例如Si3N4、SiO2(例如，石英和玻璃)、Al2O3以及H2O的其它类型的介电材料替代。在一些实施例中，半导体层430包括硅且使用化学气相沉积沉积于绝缘层420上。在一些实施例中，半导体衬底410、绝缘层420以及半导体层430形成为绝缘体上硅(SOI)衬底。
在一些实施例中，根据如图4A和图4B中所绘示的预定图案形成散射元件431、散射元件432、散射元件433。在一些实施例中，散射元件431、散射元件432、散射元件433形成为包括氧化硅的包覆层的一部分。在一些实施例中，根据不同应用，包覆层可包括其它类型的介电材料，包含多晶硅和氮化硅。
在一些实施例中，2D光栅耦合器400可进一步包括：底部反射层，位于半导体衬底410与绝缘层420之间且包括以下中的至少一个：Al、Cu、Ni以及组合；和/或顶部反射层，位于包覆层上且包括以下中的至少一个：Al、Cu、Ni以及组合。在一些实施例中，顶部反射层仅覆盖2D光栅耦合器400的锥形结构402。在一些实施例中，2D光栅耦合器400的锥形结构402包括在半导体层430的光栅区401中使用的相同材料。在其他实施例中，锥形结构402包括与在半导体层430的光栅区401中使用的第一材料不同的第二材料。
图5A到图5K示出根据本公开的一些实施例的在制造过程的各个阶段处的示例性光栅耦合器500的横截面图。图5A为根据本公开的一些实施例的在制造的各个阶段中的一个处包含第一层510和安置在第一层510上的第二层520的光栅耦合器500-1的横截面图。第一层510可由硅或另一半导体材料形成作为衬底。第二层520可由氧化硅或另一氧化物材料形成作为绝缘层。
图5B为根据本公开的一些实施例的包含在制造的各个阶段中的一个处形成在绝缘层520上的半导体层530的光栅耦合器500-2的横截面图。半导体层530可通过在绝缘层520上外延生长例如硅的半导体材料来形成。
图5C为根据本公开的一些实施例的包含在制造的各个阶段中的一个处沉积在半导体层530上的硬掩模层540的光栅耦合器500-3的横截面图。半导体层530上的硬掩模层540可包括有机或无机材料。
图5D为根据本公开的一些实施例的包含在制造的各个阶段中的一个处沉积在硬掩模层540上的光刻胶层550的光栅耦合器500-4的横截面图。硬掩模层540上的光刻胶层550可包括光刻胶材料。
图5E为根据本公开的一些实施例的包含在制造的各个阶段中的一个处形成在硬掩模层540上的光刻胶层550的图案化部分的光栅耦合器500-5的横截面图。基于波导光刻和显影，例如通过去除对应于图1到图4B中所绘示的散射元件的部分，根据预定图案来图案化光刻胶层550。基于图案，光栅耦合器可划分成包含光栅区501和锥形结构502的部分。
图5F为根据本公开的一些实施例的包含在制造的各个阶段中的一个处形成的硬掩模层540的图案化部分的光栅耦合器500-6的横截面图。因为光刻胶层550经图案化以在硬掩模层540上方具有开口，所以例如经由湿式或干式刻蚀程序去除被光刻胶层550暴露的部分硬掩模层540。为简单说明起见，在光栅区501中绘示三个开口。可理解，可根据预定图案制造光栅区501中的任何数目的开口且在本公开的范围内。
图5G为根据本公开的一些实施例的其中在制造的各个阶段中的一个处去除光刻胶层550的光栅耦合器500-7的横截面图。举例来说，可通过抗蚀剂剥离去除光刻胶层550。
图5H为根据本公开的一些实施例的包含在制造的各个阶段中的一个处形成的刻蚀区532、刻蚀区534、刻蚀区536的阵列的光栅耦合器500-8的横截面图。因为硬掩模层540经图案化以在半导体层530上方具有开口，所以例如经由湿式或干式刻蚀程序去除被硬掩模层540暴露的部分半导体层530以形成刻蚀区532、刻蚀区534、刻蚀区536的阵列。
在一些实施例中，可通过以下操作使刻蚀区532、刻蚀区534、刻蚀区536的表面平滑：氧化刻蚀区532、刻蚀区534、刻蚀区536的硅表面；刻蚀氧化硅表面；以及重复氧化和刻蚀若干次以使刻蚀区532、刻蚀区534、刻蚀区536的表面平滑。
图5I为根据本公开的一些实施例的其中在制造的各个阶段中的一个处去除硬掩模层540的光栅耦合器500-9的横截面图。举例来说，可通过抗蚀剂剥离去除硬掩模层540。
图5J为根据本公开的一些实施例的包含在制造的各个阶段中的一个处形成的包覆层560的光栅耦合器500-10的横截面图。包覆层560可通过将例如氧化硅的介电材料沉积在半导体层530上方且沉积到刻蚀区532、刻蚀区534、刻蚀区536的阵列中而形成。
图5K为根据本公开的一些实施例的其中在制造的各个阶段中的一个处抛光包覆层560的顶部部分的光栅耦合器500-11的横截面图。包覆层560的顶部部分可例如基于化学机械抛光工艺经抛光以在刻蚀区532、刻蚀区534、刻蚀区536的阵列中形成散射元件562、散射元件564、散射元件566的阵列。
图6示出根据本公开的一些实施例的用于制造例如图1到图4B中所公开的2D光栅耦合器中的任一个的示例性2D光栅耦合器的示例性方法600的流程图。在操作602处，在半导体衬底上形成绝缘层。在操作604处，在绝缘层上外延生长半导体材料以形成半导体层。在操作606处，在半导体层上沉积硬掩模。在操作608处，在硬掩模上沉积光刻胶。在操作610处，基于光栅和锥形的形状和尺寸确定图案。在各种实施例中，锥形可如图1到图4A中所绘示具有不同形状和大小。可根据所需要的光纤位置和入射角基于模拟来设计锥形。
在操作612处，根据所述图案来图案化光刻胶。在操作614处，根据所述图案来刻蚀硬掩模。在操作616处，刻蚀半导体层以形成刻蚀区阵列。在操作618处，例如通过反复氧化表面和刻蚀经氧化表面来使刻蚀区的表面平滑。在操作620处，去除半导体层上的刻蚀的硬掩模。在操作622处，将介电材料沉积到刻蚀区的阵列中和半导体层上方。在操作624处，抛光顶部介电材料以形成散射元件阵列。可根据本教示的各种实施例改变图6中的操作的次序。
图7A示出根据本公开的一些实施例的具有不同输入光波长的例如图1到图4B中所公开的2D光栅耦合器中的任一个的2D光栅耦合器的示例性光功率性能。这可通过基于平面波扩展方法将光束传播模拟为到2D光栅耦合器的输入光而实现。如上文所论述，锥形设计旨在当将光从光纤传输到2D光栅耦合器时使光功率损耗最小化。功率损耗可归因于穿过2D光栅的光透射(例如，沿图2A到图4A中的Z方向)；且归因于从2D光栅返回的光反射(例如，沿图2A到图4A中的Z方向)。虽然曲线710、曲线720分别表示由于穿过2D光栅的光透射和从2D光栅返回的光反射而导致的光功率损耗，但是曲线730表示两个功率损耗的总和。基于模拟光束传播，可针对输入光选择最优波长范围701以最小化由于相对于2D光栅的光透射和光反射而导致的光功率损耗。
图7B示出根据本公开的一些实施例的2D光栅耦合器的输入光的选定波长范围701的放大图。如图7B中所绘示，总功率损耗730的最小值点702对应于约1310纳米的波长。
在一实施例中，可基于具有约1310纳米的选定波长的入射光来调整2D光栅耦合器的每一锥形结构的形状和尺寸以拟合来自2D光栅的输出光。举例来说，可针对每一锥形的长度和移位模拟各种值以最大化在对应波导处从锥形接收到的光功率。在一个实例中，可针对每一锥形的长度和移位模拟逐渐增加或减小的值。根据各种实施例，锥形的长度的逐渐增加或减小的值可在20微米与500微米之间；且锥形的移位的逐渐增加或减小的值可在0微米与20微米之间。
在一些实施例中，第一长度L1 316-1和第二长度L2 326-1中的每一个在20微米与500微米之间；且第一距离S1 315-1和第二距离S2 325-1中的每一个在0微米与20微米之间。
图8示出根据本公开的一些实施例的用于设计例如图1到图4B中所公开的2D光栅耦合器中的任一个的示例性2D光栅耦合器的示例性方法800的流程图。在操作802处，基于平面波扩展方法将光束传播模拟为到2D光栅耦合器的输入光。在操作804处，基于模拟光束传播确定输入光的波长范围以最小化由于相对于2D光栅的光透射和光反射而导致的光功率损耗。在操作806处，基于波长范围，调整2D光栅耦合器的每一锥形结构的形状和尺寸，以基于模拟的逐渐增加的值拟合来自2D光栅的输出光。可根据本教示的各种实施例改变图8中的操作的次序。
在一实施例中，公开一种用于光学耦合的装置。装置包含：平面层；光栅区，包括布置在平面层中以形成二维(2D)光栅的散射元件阵列；第一锥形结构，形成在平面层中，以将光栅区的第一侧连接到第一波导，其中第一锥形结构的形状是对于垂直于平面层中的光栅区的第一侧的任何线不对称的第一三角形；以及第二锥形结构，形成在平面层中，以将光栅区的第二侧连接到第二波导，其中第二锥形结构的形状是对于垂直于平面层中的光栅区的第二侧的任何线不对称的第二三角形，其中第一侧和第二侧大体上彼此垂直。
在一些实施例中，所述光栅区的形状在所述平面层中为方形。在一些实施例中，所述散射元件阵列布置在所述平面层中第一组直线与第二组直线交叉的多个交叉点处；所述第一组直线中的每一个平行于所述光栅区的所述第一侧；且所述第二组直线中的每一个平行于所述光栅区的所述第二侧。在一些实施例中，所述散射元件阵列中的每一散射元件在所述平面层中具有大小相同的相同方形形状。在一些实施例中，所述散射元件阵列中的每一散射元件在所述平面层中具有大小相同的相同圆形形状。在一些实施例中，所述第一三角形与所述第二三角形全等。在一些实施例中，所述第一三角形和所述第二三角形对于跨越所述光栅区的对角线彼此对称。在一些实施例中，所述散射元件阵列均匀分布在所述平面层中，使得沿垂直于所述光栅区的所述第一侧的第一方向或垂直于所述光栅区的所述第二侧的第二方向在每两个相邻散射元件的中心之间具有相同距离。在一些实施例中，所述第一三角形具有位于所述光栅区的所述第一侧上的第一基底侧，具有与所述第一基底侧相对的第一顶点，且具有沿所述第一方向的第一长度；所述第一顶点与所述平面层中的所述第一基底侧的垂直平分线具有第一距离；所述第二三角形具有位于所述光栅区的所述第二侧上的第二基底侧，具有与所述第二基底侧相对的第二顶点，且具有沿所述第二方向的第二长度；所述第二顶点与所述平面层中的所述第二基底侧的垂直平分线具有第二距离；且所述第一距离和所述第二距离彼此相等。在一些实施例中，所述二维光栅配置成用于以非零入射角从光纤接收入射光；所述入射角是在所述光纤的轴线与垂直于所述平面层的方向之间的入射平面中测量的；且所述第一长度、所述第二长度、所述第一距离以及所述第二距离是基于所述入射角以及所述光纤相对于所述二维光栅的位置而确定的。在一些实施例中，所述第一锥形结构配置成用于将所述入射光的第一部分传输到所述第一波导以实现最小插入损耗；且所述第二锥形结构配置成用于将所述入射光的第二部分传输到所述第二波导以实现最小插入损耗，其中所述入射光的所述第一部分大体上为所述入射光的平行偏振分量，所述入射光的所述第二部分大体上为所述入射光的正交偏振分量，所述平行偏振分量和所述正交偏振分量中的每一个包括偏振光，且所述偏振光具有从所述入射光分离的横向磁(TM)偏振模式或横向电(TE)偏振模式。在一些实施例中，所述第一长度和所述第二长度中的每一个在20微米与500微米之间，且所述第一距离和所述第二距离中的每一个在0微米与20微米之间。
在另一实施例中，公开一种用于设计二维(2D)光栅耦合器的方法。方法包含：基于平面波扩展方法将光束传播模拟为到2D光栅耦合器的输入光，其中2D光栅耦合器包括：平面层；光栅区，包括布置在平面层中以形成2D光栅的散射元件阵列；位于平面层中的第一锥形结构，将光栅区的第一侧连接到第一波导；以及位于平面层中的第二锥形结构，将光栅区的第二侧连接到第二波导；基于模拟光束传播确定输入光的波长范围以最小化由于相对于2D光栅的光透射和光反射而导致的光功率损耗；以及基于波长范围调整第一锥形结构和第二锥形结构中的每一个的形状和尺寸以拟合来自2D光栅的输出光。
在一些实施例中，所述第一锥形结构的形状是对于垂直于所述平面层中的所述光栅区的所述第一侧的任何线不对称的第一三角形；所述第二锥形结构的形状是对于垂直于所述平面层中的所述光栅区的所述第二侧的任何线不对称的第二三角形；且所述第一侧和所述第二侧大体上彼此垂直。在一些实施例中，所述第一三角形具有从位于所述第一侧上的第一基底侧到与所述第一基底侧相对的第一顶点的第一长度，且具有从所述第一顶点到所述第一基底侧的垂直平分线的第一移位；且所述第二三角形具有从位于所述第二侧上的第二基底侧到与所述第二基底侧相对的第二顶点的第二长度，且具有从所述第二顶点到所述第二基底侧的垂直平分线的第二移位。在一些实施例中，所述第一长度、所述第二长度、所述第一移位以及所述第二移位具有使所述第一波导和所述第二波导中的光功率最大化的值。在一些实施例中，所述第一长度和所述第二长度的所述值在20微米与500微米之间；且所述第一移位和所述第二移位的所述值在0微米与20微米之间。
在又一实施例中，公开一种形成光学耦合器的方法。方法包含：在半导体衬底上形成绝缘层；在绝缘层上外延生长半导体材料以形成半导体层；根据预定图案刻蚀半导体层以形成：半导体层中的刻蚀孔阵列以形成光栅区，从光栅区的第一侧延伸的第一锥形结构，其中半导体层中的第一锥形结构的形状是对于垂直于光栅区的第一侧的任何线不对称的第一三角形，以及从光栅区的第二侧延伸的第二锥形结构，其中半导体层中的第二锥形结构的形状是对于垂直于光栅区的第二侧的任何线不对称的第二三角形，其中第一侧和第二侧大体上彼此垂直；以及将介电材料沉积到刻蚀区阵列中以在半导体层形成散射元件阵列，其中散射元件布置成形成二维(2D)光栅。
在一些实施例中，所述光栅区的形状在所述半导体层中为方形；且所述第一三角形和所述第二三角形对于跨越所述半导体层中的所述光栅区的对角线彼此对称。在一些实施例中，所述半导体材料包括硅；且所述介电材料包括氧化硅。
前文概述若干实施例的特征以使本领域的普通技术人员可更好地理解本公开的各方面。本领域的技术人员应了解，其可易于使用本公开作为用于设计或修改用于进行本文中所引入的实施例的相同目的和/或实现相同优点的其它工艺和结构的基础。本领域的技术人员还应认识到，这种等效构造并不脱离本公开的精神和范围，且其可在不脱离本公开的精神和范围的情况下在本文中进行各种改变、替代以及更改。
Claims (10)
1.一种用于光学耦合的装置，包括：
平面层；
光栅区，包括布置在所述平面层中以形成二维光栅的散射元件阵列；
第一锥形结构，形成在所述平面层中，以将所述光栅区的第一侧连接到第一波导，其中所述第一锥形结构的形状是对于垂直于所述平面层中的所述光栅区的所述第一侧的任何线不对称的第一三角形；以及
第二锥形结构，形成在所述平面层中，以将所述光栅区的第二侧连接到第二波导，其中所述第二锥形结构的形状是对于垂直于所述平面层中的所述光栅区的所述第二侧的任何线不对称的第二三角形，其中所述第一侧和所述第二侧大体上彼此垂直。
2.根据权利要求1所述的用于光学耦合的装置，其中所述光栅区的形状在所述平面层中为方形。
3.根据权利要求2所述的用于光学耦合的装置，其中：
所述散射元件阵列布置在所述平面层中第一组直线与第二组直线交叉的多个交叉点处；
所述第一组直线中的每一个平行于所述光栅区的所述第一侧；且
所述第二组直线中的每一个平行于所述光栅区的所述第二侧。
4.根据权利要求1所述的用于光学耦合的装置，其中所述第一三角形和所述第二三角形对于跨越所述光栅区的对角线彼此对称。
5.根据权利要求1所述的用于光学耦合的装置，其中：
所述散射元件阵列均匀分布在所述平面层中，使得沿垂直于所述光栅区的所述第一侧的第一方向或垂直于所述光栅区的所述第二侧的第二方向在每两个相邻散射元件的中心之间具有相同距离。
6.根据权利要求5所述的用于光学耦合的装置，其中：
所述第一三角形具有位于所述光栅区的所述第一侧上的第一基底侧，具有与所述第一基底侧相对的第一顶点，且具有沿所述第一方向的第一长度；
所述第一顶点与所述平面层中的所述第一基底侧的垂直平分线具有第一距离；
所述第二三角形具有位于所述光栅区的所述第二侧上的第二基底侧，具有与所述第二基底侧相对的第二顶点，且具有沿所述第二方向的第二长度；
所述第二顶点与所述平面层中的所述第二基底侧的垂直平分线具有第二距离；且
所述第一距离和所述第二距离彼此相等。
7.根据权利要求6所述的用于光学耦合的装置，其中：
所述二维光栅配置成用于以非零入射角从光纤接收入射光；
所述入射角是在所述光纤的轴线与垂直于所述平面层的方向之间的入射平面中测量的；且
所述第一长度、所述第二长度、所述第一距离以及所述第二距离是基于所述入射角以及所述光纤相对于所述二维光栅的位置而确定的。
8.根据权利要求7所述的用于光学耦合的装置，其中：
所述第一锥形结构配置成用于将所述入射光的第一部分传输到所述第一波导以实现最小插入损耗；且
所述第二锥形结构配置成用于将所述入射光的第二部分传输到所述第二波导以实现最小插入损耗，其中
所述入射光的所述第一部分大体上为所述入射光的平行偏振分量，
所述入射光的所述第二部分大体上为所述入射光的正交偏振分量，
所述平行偏振分量和所述正交偏振分量中的每一个包括偏振光，且
所述偏振光具有从所述入射光分离的横向磁偏振模式或横向电偏振模式。
9.一种二维光栅耦合器，包括：
平面层；
光栅区，包括布置在所述平面层中以形成二维光栅的散射元件阵列；
第一锥形结构，位于所述平面层中，以将所述光栅区的第一侧连接到第一波导；以及
第二锥形结构，位于所述平面层中，以将所述光栅区的第二侧连接到第二波导，其中所述第一锥形结构和所述第二锥形结构中的每一个具有使由于相对于所述二维光栅的光透射和光反射而导致的光功率损耗最小化的形状和尺寸。
10.一种形成光学耦合器的方法，包括：
在半导体衬底上形成绝缘层；
在所述绝缘层上外延生长半导体材料以形成半导体层；
根据预定图案刻蚀所述半导体层以形成：
所述半导体层中的刻蚀孔阵列以形成光栅区，
从所述光栅区的第一侧延伸的第一锥形结构，其中所述半导体层中的所述第一锥形结构的形状是对于垂直于所述光栅区的所述第一侧的任何线不对称的第一三角形，以及
从所述光栅区的第二侧延伸的第二锥形结构，其中所述半导体层中的所述第二锥形结构的形状是对于垂直于所述光栅区的所述第二侧的任何线不对称的第二三角形，其中所述第一侧和所述第二侧大体上彼此垂直；以及
将介电材料沉积到所述刻蚀区阵列中以在所述半导体层中形成散射元件阵列，其中所述散射元件布置成形成二维光栅。
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