CN115079343A - 光栅耦合器、光通信系统以及光栅耦合器制造方法 - Google Patents
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Abstract
本文中实施例公开一种集成在光子使能电路中的光栅耦合器和其制造方法。在一些实施例中，光栅耦合器包含：衬底，包括硅晶片；第一光栅区，蚀刻到衬底中，其中第一光栅区包括具有第一预定高度的多个第一光栅；以及第二光栅区，蚀刻到衬底中，其中第二光栅区包括具有第二预定高度的多个第二光栅，且其中第一预定高度和第二预定高度不相同。
Description
技术领域
本发明实施例涉及一种光栅耦合器、光通信系统以及光栅耦合器制造方法。
背景技术
光子集成是未来光通信技术进步的关键技术。按比例缩小的光学构建元件实现有成本效益的、复杂的且超紧凑的光子电路，即包括形成于衬底上或衬底中的集成光栅耦合器(grating coupler；GC)且通过将进入或离开光子集成电路(photonic integratedcircuit；PIC)的光耦合到自由空间中或耦合到光纤的光学器件来互连的芯片。
这些光栅耦合器是有利的，因为其可在平面平台(即，半导体衬底)中或在平面平台上紧密地结合在一起，以形成类似于集成电路(integrated circuit；IC)的平面封装。此外，GC提供紧凑尺寸、易于制造、灵活放置以及晶片级测试。此外，类似于半导体电子IC中的导体迹线的GC安装于硅衬底中或硅衬底上，且可用于将光引导到PIC上的各种光学、电光以及光电子器件或组件。
在许多硅光子应用中，期望具有高耦合效率和宽带宽的GC。此外，需要使用可见光的传感应用，如LiDAR、具有减少的背反射的GC。由背反射引起的光学噪声可增加干涉式器件中的光学不稳定性且产生纹波和/或振荡。另外，如激光器和光电二极管的光电子器件通常对背反射敏感，因为其有助于噪声产生，尤其在实施光反馈方案的光学电路中。对于高效光栅耦合器，进入芯片上波导的典型背反射可为约-17分贝，同时也报告了-10分贝和-8分贝的高背反射。当前的GC和其制造方法并不提供高耦合效率和低背反射特性。出于此原因，对于可见光应用，需要低背反射GC和其制造方法。
此背景技术部分中所公开的信息仅期望为下文所描述的本发明的各种实施例提供上下文，且因此，此背景技术部分可包含不必为现有技术信息的信息(即，本领域的普通技术人员已知的信息)。因此，在此背景技术部分中描述工作的范围内，当前署名的发明人的工作以及在提交时可能原本不具有作为现有技术的资格的描述的各方面既不明确地也不隐含地被认作是针对本公开的现有技术。
发明内容
根据本发明的实施例，一种光栅耦合器包括：衬底，包括硅晶片；第一光栅区，蚀刻于所述衬底中，其中所述第一光栅区包括具有第一预定高度的多个第一光栅；以及第二光栅区，蚀刻于所述衬底中，其中所述第二光栅区包括具有第二预定高度的多个第二光栅，其中所述第一预定高度和所述第二预定高度不相同。
根据本发明的实施例，一种光通信系统，包括：光纤；以及光子集成电路，包括光栅耦合器组合件，所述光栅耦合器组合件配置成将所述光纤中携载的光耦合到所述光子集成电路中或耦合出所述光子集成电路，其中所述光栅耦合器组合件包括：衬底，包括硅晶片；第一光栅区，蚀刻在所述衬底中，其中所述第一光栅区包括具有第一预定高度的多个第一光栅；以及第二光栅区，蚀刻在所述衬底中，其中所述第二光栅区包括具有第二预定高度的多个第二光栅，其中所述第一预定高度和所述第二预定高度不相同。
根据本发明的实施例，一种光栅耦合器制造方法，包括：形成衬底层；将第一光栅区蚀刻到所述衬底层中，其中所述第一光栅区包括具有第一预定高度的多个第一光栅；以及将第二光栅区蚀刻到所述衬底层中，其中所述第二光栅区包括具有第二预定高度的多个第二光栅，其中所述第一预定高度和所述第二预定高度不相同；以及在所述第一光栅区和所述第二光栅区上形成包括二氧化硅的包覆层。
附图说明
下文参考以下图式详细描述本公开的各种示例性实施例。仅出于说明的目的提供图式且仅描绘本公开的示例性实施例以促进读者对本公开的理解。因此，图式不应被视为限制本公开的广度、范围或可应用性。应注意，出于图示的清楚性和简易性起见，这些图式未必按比例绘制。
图1为示出根据一些实施例的示例性光收发器的示意图。
图2示出根据一些实施例的电磁波谱和光通信波长带。
图3为根据一些实施例的用于降低背反射噪声的集成1D变迹GC组合件的截面视图。
图4A示出根据一些实施例的具有含有单级蚀刻光栅的一个光栅区的变迹GC的测量的耦合损耗和背反射。
图4B示出根据一些实施例的具有含有两个不同级别的蚀刻光栅的两个光栅区的变迹GC的测量的耦合损耗和背反射。
图5示出根据一些实施例的用于制造具有含有两个不同级别的蚀刻光栅的两个光栅区的变迹GC的方法的流程图。
具体实施方式
下文参考随附图式描述本公开的各种示例性实施例以使本领域的普通技术人员能够制造且使用本公开。如本领域的普通技术人员将显而易见，在阅读本公开之后，可在不脱离本公开的范围的情况下对本文中所描述的实例进行各种改变或修改。因此，本公开不限于本文中所描述和示出的示例性实施例和应用。另外，本文中所公开的方法中的步骤的特定次序和/或层次仅为示例性方法。基于设计偏好，可重新布置所公开的方法或工艺的步骤的特定次序或层次，同时保持在本公开的范围内。因此，本领域的普通技术人员将理解，本文中所公开的方法和技术以示例次序呈现各种步骤或动作，且除非另外明确陈述，否则本公开不限于所呈现的特定次序或层次。
如图1中所示出，示例性光收发器100可包含光调制器117、监视光电二极管113以及光学光栅耦合器115和光学光栅耦合器121。在一些实施例中，光调制器117可包含两个臂波导、高速相位调制器(high speed phase modulator；HSPM)、p-i-n相位调制器(p-i-nphase modulator；PIN-OM)、驱动器、马赫-曾德尔干涉式(Mach-Zehnderinterferometric；MZI)调制器以及校准电路。此外，光调制器117可接收连续波(continuous wave；CW)光输入。另外，输入的CW光通过1×2耦合器分裂成两束光，分裂后的光随后在两个臂波导中同相地调制，且分相调制的光在输出处通过2×1耦合器耦合。示例性光收发器100还可包含电气器件和电路，所述电气器件和电路包括放大器105和放大器125、模/数转换器电路111、数字控制电路101、光电二极管107以及控制区段109。举例来说，放大器105和放大器125可包括跨阻抗和限幅放大器(transimpedance and limitingamplifier；TIA/LA)。在一些实施例中，放大器105通过各种输入接口(例如，小封装可插拔(small form-factor pluggable；SFP)接口)接收I沟道数据信号和Q沟道数据作为对光收发器100的输入。此外，放大器105输出所输入I沟道数据和Q沟道数据的放大版本。如图1中所绘示，调制器117从放大器105接收I沟道数据信号和Q沟道数据信号。在一些实施例中，示例性光收发器100可更包括具有激光组合件的光子管芯103。在一些实施例中，激光器组合件可包括一个或多个半导体激光器131、透镜、用于引导一个或多个连续波(CW)光信号的旋转器，以及一个或多个激光驱动器129。
在另外的实施例中，示例性光收发器100可包含配置成从激光器131接收光信号的耦合器137和配置成将光信号分裂成四个大致相等的功率光信号的分光器133。在各种实施例中，可经由光波导将分裂功率信号从分光器133传输到光调制器117。在一些实施例中，分光器133可耦合到至少一个耦合器137(例如输入波导)和至少四个输出波导102。在一些实施例中，分光器133可包括低损耗Y型接头功率分配器。在一些实施例中，至少一个耦合器137(例如输入波导)可包括单偏振光栅耦合器(single polarization grating coupler；SPGC)。
在一些实施例中，光调制器117可包括(例如)马赫-曾德尔或环形调制器，且使得能够调制连续波(CW)激光输入信号。光调制器117还可包括高速和低速相位调制区段，且由控制区段109控制。在一些实施例中，光调制器117中的每一个的输出中的至少一个可经由光栅耦合器115光学耦合到如光纤的光输出120。在一些实施例中，光栅耦合器115可包括单偏振光栅耦合器(SPGC)。光调制器117的其它输出可光学耦合到配置成提供从光调制器117的输出到区段控制109的反馈路径的监视光电二极管113。
此外，示例性光收发器100还可利用光栅耦合器121从光输入119接收光信号。在其它实施例中，光栅耦合器121可包括单偏振光栅耦合器(SPGC)和/或偏振分裂光栅耦合器(polarization splitting grating coupler；PSGC)。在利用PSGC的情况下，可利用两个输入或输出波导。
在一些实施例中，示例性光收发器100采用光电二极管107，其可利用直接沉积在硅上的外延锗/SiGe膜来实施。在其它实施例中，光电二极管107可包括(例如)高速异质结光电晶体管，且可包括用于在1.3微米到1.6微米光波长范围内吸收的集电极和基极区中的锗(Ge)，且可集成在CMOS绝缘体上硅(silicon-on-insulator；SOI)晶片上。光电二极管107可配置成将从PSGC 121接收的光信号转换成传送(communicate)到接收器(Rx)123的电信号，所述接收器(Rx)123可配置成组合数据流，且对所接收的光信号进行多路分用。此外，所接收的光信号可(例如)由跨阻抗放大器125放大，且随后传送到小封装可插拔(SFP)接口电路127。
在一些实施例中，示例性光收发器100还可包含耦合到串行接口135且配置成通过串行接口135传送所接收的光数据的数字控制电路101。
如图1中所绘示，光收发器100的光栅耦合器115和光栅耦合器121使得光能够耦合到包括光收发器100的集成电路中和耦合出包括光收发器100的集成电路。在一些实施例中，光栅耦合器115和光栅耦合器121可包含中间(medium)蚀刻光栅和浅蚀刻光栅的区。
在一些实施例中，光收发器100的传输或接收光学路径可包含连接到光栅耦合器115和光栅耦合器121的光波导。在一些实施例中，光栅耦合器121也可称为光栅耦合器对。在一些实施例中，光栅耦合器对121的第一耦合器可配置成用于横电(transverseelectric；TE)模式，且光栅耦合器对121的第二耦合器可配置成用于横磁(transversemagnetic；TM)模式。
在一些实施例中，光栅耦合器115和光栅耦合器121可用于在图2中所示出的电磁波谱201中接收或传输光通信。举例来说，光栅耦合器115和光栅耦合器121可接收1260纳米到1625纳米范围内的波长区中的光信号。在一些实施例中，光栅耦合器115和光栅耦合器121可配置成在以下五个波长带中的至少一个中接收和/或传输光信号：O波段203、E波段205、S波段207、C波段209以及L波段211。在一些实施例中，具有1260纳米到1360纳米范围内的光学光波长的O波段203展现最小色度色散。因而，耦合到光栅耦合器115和/或光栅耦合器121且在O波段203中携载光通信的光纤可展现较小传输损耗。
在一些其它实施例中，耦合到光栅耦合器115和/或光栅耦合器121且在城域、长途、超长途或海底光网络中携载光通信的光纤还可在具有1530纳米到1565纳米范围内的光学光波长的C波段209中展现低损耗。在一些实施例中，当C波段209中可用的带宽不足时，耦合到光栅耦合器115和/或光栅耦合器121的光纤可在具有1565纳米到1625纳米范围内的光波长的L波段211中携载光通信。在各种实施例中，耦合到光栅耦合器115和/或光栅耦合器121且在具有1460纳米到1530纳米范围内的光波长的S波段207中携载光下行通信的光纤还可用于无源光网络(Passive-Optical Network；PON)中。尽管由于光纤玻璃中的残余水(OH基团)杂质而导致衰减，但具有1360纳米到1460纳米范围内的光波长的E波段205还可用于使用耦合到光栅耦合器115和/或光栅耦合器121的光纤来携载光通信，此可能是所论述的光波段当中最不期望的。
图3示出根据一些实施例的配置有两个不同蚀刻级别的光栅耦合器115和/或光栅耦合器121的光栅耦合器组合件300的截面视图。光栅耦合器组合件300将平面外光束的单偏振分量与波导偏振模式耦合。在一些实施例中，光栅耦合器组合件300可包括衬底305。在一些实施例中，衬底305可为用于制造集成电路的硅(Si)衬底，其还可包括形成于其上的二氧化硅层。在其它实施例中，衬底305可为玻璃衬底。
在实施例中，光栅耦合器组合件300形成于衬底层303(例如硅层)的一部分中，所述衬底层303(例如硅层)还界定与光栅耦合器组合件300耦合的硅波导。衬底层303(例如硅层)的总厚度由H1表示。在一些实施例，衬底层303(例如硅层)的厚度H1可优选地在约200纳米到500纳米的范围内，以便使光栅耦合器组合件300的耦合效率(coupling efficiency；CE)最大化。
在一些实施例中，光栅耦合器组合件300和硅波导可由一个或多个透明层301覆盖，所述透明层301可保留以用于其它PIC功能。在一些实施例中，一个或多个透明层301可包含由SiO2形成的包覆层。在其它实施例中，含有光栅耦合器组合件300的衬底层303(例如硅层)可具有折射率neff，而一个或多个透明层301的包覆层可具有折射率ncladding。衬底层303(例如硅层)的折射率可大于一个或多个透明层301的包覆层的折射率。
在实施例中，所公开的1D光栅耦合器组合件300可包括多个光栅元件311。在一些实施例中，多个光栅元件311可配置成将平面外所接收或所传输的光束与集成波导耦合。在实施例中，平面外光束可经由自由空间传播和/或光纤与多个光栅元件311耦合。
在一些实施例中，光栅耦合器组合件300包含光栅元件311(例如第一光栅线)和第一光栅空间309、312。在一些实施例中，可在数值上优化光栅元件311(例如第一光栅线)的宽度w1、第一光栅空间309、312的宽度w2以使光纤与光栅耦合器组合件300之间的模式交叠最大化，从而在给定通信波段(例如，C波段)中产生最大耦合效率CE。此外，还在数值上优化光栅元件311(例如第一光栅线)的数目以使耦合效率CE最大化。
在一些实施例中，光栅元件311(例如第一光栅线)可优选地蚀刻到衬底层303(例如硅层)。与光刻组合的干式蚀刻或湿式蚀刻可用于此目的。在一些实施例中，光栅耦合器组合件300可包含两个或大于两个不同的蚀刻区。举例来说，光栅耦合器组合件300可包含中间蚀刻区和浅蚀刻区。因而，相对于第一光栅底板307测量的中间蚀刻区中的第一光栅线的第一高度H2可优选地在约70纳米到210纳米的范围内。此外，相对于第二光栅底板313测量的浅蚀刻区中的第二光栅线308的第二高度H3可优选地在约100纳米到210纳米的范围内。光栅耦合器组合件300中具有两个或大于两个不同的蚀刻区的一个示例性优点是减少背反射损耗且增加给定通信波段中的耦合效率CE。
在一些实施例中，中间蚀刻区和浅蚀刻区的形成可包含依序(例如，执行两个蚀刻步骤)形成用于中间蚀刻区和浅蚀刻区的预定蚀刻掩模图案。在一些实施例中，通过曝光方法(如电子束(electron beam；EB)曝光和全息(holographic)曝光)中的任一种形成的不同图案化光刻胶可用作掩模以干式蚀刻衬底层303(例如硅层)，以便在中间蚀刻区和浅蚀刻区中形成光栅线。
在一些实施例中，中间蚀刻区中的光栅线311的宽度w1可不同于浅蚀刻区中的第二光栅线308的宽度w3。此外，第一光栅空间309、312的宽度w2还可不同于第二光栅空间310的宽度w4。在一些实施例中，宽度w1可在约10纳米到1000纳米的范围内，宽度w2可在约10纳米到1000纳米的范围内，宽度w3可在约10纳米到1000纳米的范围内，且宽度w4可在约10纳米到1000纳米的范围内。在一些实施例中，可在数值上优化第二光栅线308的宽度w3、第二光栅空间310的宽度w4以使光纤与光栅耦合器组合件300之间的模式交叠最大化，从而在给定通信波段(例如，C波段)中产生最大耦合效率CE和最小背反射损耗。此外，还可在数值上优化第二光栅线308的数目以使耦合效率CE最大化且减少背反射损耗。
在一些实施例中，可使用任何半导体制造技术来制造中间蚀刻光栅区和浅蚀刻光栅区。此外，具有两个或大于两个蚀刻光栅区的光栅耦合器组合件300可包含于光学I/O接口模块中或高速光通信系统中。
源自工艺(光刻/蚀刻)变化的几何变化可负面地影响PIC光栅耦合器对噪声的灵敏度和耦合效率。在光栅耦合器组合件300中形成多个蚀刻光栅区(例如，中间蚀刻光栅区和浅蚀刻光栅区)的一个示例性优点是通过简单地移位光束的操作波长来减少几何变化的负面影响。
如图3中所绘示，平面外光束可以入射角θ入射到光栅耦合器组合件300上。在一些实施例中，在以下情况下，入射到光栅耦合器组合件300上的平面外光束可与对应耦合波导耦合：
其中ncladding是一个或多个透明层301的包覆层的折射率，θ是入射角，neff是衬底层303(例如硅层)的折射率，λ是入射平面外光束的波长，a是光栅周期409，且m是表示衍射级(对于1D光栅耦合器等于1)的整数。此外，蚀刻深度(例如，深度H2和深度H3)可导致neff的移位。更确切地说，蚀刻深度的增加可减少neff。在一些实施例中，通过将θ入射角设定在约5°到15°的范围内，可实现与中间蚀刻光栅区和浅蚀刻光栅区的最大耦合效率。
图4A示出根据一些实施例的具有一个光栅区的变迹GC的测量的耦合损耗和背反射损耗400A，所述一个光栅区具有单级(single level)蚀刻光栅且具有波长为1310纳米的光束。图4A绘示表示以纳米(nm)为单位的光束的波长的横轴403A。纵轴402A表示以分贝为单位的耦合功率。实标绘线401A表示变迹光栅耦合器的耦合损耗。第二实标绘线405A表示变迹光栅耦合器的硅波导背反射。具有单级蚀刻光栅的实例变迹光栅耦合器实施例的耦合损耗在1310纳米附近的光波长范围处具有-3.09/2分贝的峰值，如第一实标绘线401A所绘示。可针对其它峰值波长设计其它实施例。具有单级蚀刻光栅的实例变迹光栅耦合器实施例的背反射在1310纳米附近绘示最小值-25分贝，如第二实标绘线405A所绘示。其它实施例可在不同波长处具有不同量值的最小值。在各种实施例中，光栅耦合器可在其中最小背反射波长可与最大耦合损耗波长一致或接近最大耦合损耗波长的过耦合状态下操作。
图4B示出根据一些实施例的具有一个光栅区的变迹GC的测量的耦合损耗和背反射损耗400B，所述一个光栅区具有两个不同蚀刻级别且具有波长为1310纳米的光束。图4B绘示表示以纳米(nm)为单位的光束的波长的横轴403B。纵轴402B表示以分贝为单位的耦合功率。实标绘线401B表示具有中间蚀刻级别和浅蚀刻级别的变迹光栅耦合器的耦合损耗。第二实标绘线405B表示具有中间蚀刻和浅蚀刻的变迹光栅耦合器的背反射损耗。
如图4B中所绘示，具有中间蚀刻和浅蚀刻的实例变迹光栅耦合器实施例的耦合损耗在1310纳米附近的光波长范围处具有-2.59/2分贝的峰值。因而，与具有单级蚀刻光栅的光栅耦合器相比，具有中间蚀刻和浅蚀刻的光栅耦合器在1310纳米附近的光波长范围处具有改进的耦合效率。可针对其它峰值波长设计其它实施例。具有中间蚀刻和浅蚀刻的实例变迹光栅耦合器实施例的背反射在1310纳米附近绘示最小值-36.6分贝，如第二实标绘线405B所绘示。因而，与具有单级蚀刻光栅的光栅耦合器相比，具有中间蚀刻和浅蚀刻的光栅耦合器在1310纳米附近的光波长范围处具有较低背反射损耗。其它实施例可在不同波长处具有不同量值的最小值。较低背反射损耗的一个示例性优点是减小的光学噪声和增加的光学稳定性。另外，较低背反射降低光学反馈方案对噪声的灵敏度。
现转而参考图5，示出根据一些实施例的用于制造具有中间光栅区和浅光栅区的光学光栅耦合器的方法的流程图。如本文中所示出的流程图提供各种过程动作的序列的实例。尽管以特定序列或次序来绘示，但除非另外规定，否则可修改动作的次序。因而，所示出的实施方式应仅理解为实例，且过程可以不同次序执行，且一些动作可并行执行。另外，在本发明的各种实施例中，可省略一个或多个动作；因此，并非每一实现方式中都需要所有动作。其它过程流程是可能的。
在一些实施例中，光栅耦合器的物理布局可用于使用半导体制造工艺来完成且制造光子使能集成电路。通常称为“几何结构”的物理布局可用于产生集成电路工装(tooling)，所述集成电路工装是一系列掩模，其各自表示集成电路的层。接着由制造商使用所述工装以制造光子使能集成电路。
因而，图5示出步骤501，其中可根据物理布局光栅耦合器形成衬底层303。在一个实施例中，所制造的衬底层303为单晶Si晶片。在其它实施例中，所制造的衬底层303可为InP晶片。
在步骤503处，可使用等离子蚀刻工艺(例如，反应离子蚀刻)在衬底层303中形成中间蚀刻光栅区。在其它实施例中，可使用干式蚀刻工艺形成中间蚀刻光栅区。中间蚀刻光栅区可包含在图案化光栅之间具有宽度w1和宽度w2的图案化光栅。在一些实施例中，中间蚀刻区中的图案化光栅线的宽度w1和光栅之间的开放空间的宽度w2可为均匀的。可基于光栅耦合器的操作的预期波长来选择中间蚀刻区中的光栅的第一高度H2。在非限制性实施例中，第一高度H2优选地在约70纳米到210纳米的范围内。相关领域的技术人员将了解，由于蚀刻工艺的变化，第一高度H2可在中间蚀刻区内稍微变化。
在步骤505处，可使用等离子蚀刻工艺(例如，反应离子蚀刻)在衬底层303中形成浅蚀刻光栅区。在其它实施例中，可使用干式蚀刻工艺形成浅蚀刻光栅区。浅蚀刻光栅区可包含在图案化光栅之间具有宽度w3和宽度w4的图案化光栅。在一些实施例中，浅蚀刻区中的图案化光栅线的宽度w3和光栅之间的开放空间的宽度w4可为均匀的。可基于光栅耦合器的操作的预期波长来选择浅蚀刻区中的光栅的第二高度H3。在非限制性实施例中，第二高度H3优选地在约100纳米到210纳米的范围内。相关领域的技术人员将了解，由于蚀刻工艺的变化，第二高度H3可在浅蚀刻区内稍微变化。在另外的实施例中，可在硅衬底中蚀刻三个或大于三个具有不同光栅高度的光栅区。
在图5中，示出步骤507，形成由低折射率材料(如SiO2膜)构成的透明层301，以便覆盖中间蚀刻区和浅蚀刻区中的光栅。在一些实施例中，覆盖SiO2膜的厚度可针对光栅的每一区而改变，使得衍射强度朝向光栅耦合器的末端逐渐增加。
尽管上文已描述本公开的各种实施例，但应理解，所述实施例已仅借助于实例而非借助于限制呈现。同样地，各种图式可描绘实例架构或配置，提供所述实例架构或配置以使得本领域的普通技术人员能够理解本公开的示例性特征和功能。然而，此类技术人员将理解，本公开并不限于所示出的实例架构或配置，而可使用各种替代架构和配置实施。另外，如本领域的普通技术人员将理解，一个实施例的一个或多个特征可与本文中所描述的另一实施例的一个或多个特征组合。因此，本公开的广度和范围不应受任何上述示例性实施例限制。
还应理解，对本文中使用例如“第一”、“第二”等等编号的元件的任何参考通常不限制那些元件的数量或次序。实际上，这些编号在本文中用作区别两个或大于两个元件或元件的例子的方便方式。因此，对第一元件和第二元件的参考不意味着仅可采用两个元件或第一元件必须以某一方式在第二元件之前。
另外，本领域的普通技术人员将理解，可使用多种不同技术和技艺中的任一种来表示信息和信号。举例来说，可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子或其任何组合来表示例如在上文描述中可能参考的数据、指令、命令、信息、信号、位以及符号。
本领域的普通技术人员将进一步了解，可由电子硬件(例如，数字实施方案、模拟实施方案或两个的组合)、固件、并入有指令的各种形式的程序或设计代码(为方便起见，其在本文中可称为“软件”或“软件模块”)或这些技术的任何组合实施结合本文中所公开的各方面描述的各种说明性逻辑块、模块、处理器、构件、电路、方法以及功能中的任一种。
为清楚地示出硬件、固件以及软件的此可互换性，上文已大体关于其功能性描述了各种说明性组件、块、模块、电路以及步骤。此功能性是实施为硬件、固件还是软件或这些技术的组合取决于施加于整个系统上的特定应用和设计约束。本领域的技术人员可针对每一特定应用以不同方式来实施所描述的功能性，但此类实施决策并不导致脱离本公开的范围。根据各种实施例，处理器、器件、组件、电路、结构、机器、模块等可配置成执行本文中所描述的功能中的一个或多个。如本文中所使用的相对于指定操作或功能的术语“配置成”或“配置成用于”是指以物理方式构建、编程、布置和/或格式化以执行指定操作或功能的处理器、器件、组件、电路、结构、机器、模块、信号等。
此外，本领域的普通技术人员将理解，本文中所描述的各种说明性逻辑块、模块、器件、组件以及电路可实施在集成电路(IC)内或由集成电路执行，所述集成电路可包含数字信号处理器(digital signal processor；DSP)、专用集成电路(application specificintegrated circuit；ASIC)、现场可编程门阵列(field programmable gate array；FPGA)或其它可编程逻辑器件或其任何组合。逻辑块、模块以及电路可更包含天线和/或收发器以与网络内或器件内的各种组件通信。被编程为执行本文中的功能的处理器将变为特殊编程的或专用的处理器，且可实施为计算器件的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心结合的一个或多个微处理器或任何其它合适的配置来执行本文所描述的功能。
如果在软件中实施，那么可将功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上。因此，本文中所公开的方法或算法的步骤可实施为存储在计算机可读介质上的软件。计算机可读介质包含计算机存储介质和通信介质两者，所述通信介质包含可使得计算机程序或代码能够从一个地点转移到另一地点的任何介质。存储介质可为可由计算机存取的任何可用介质。借助于实例而非限制，此类计算机可读介质可包含RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储器件，或可用于存储呈指令或数据结构形式的所要程序代码且可由计算机存取的任何其它介质。
在此文件中，如本文中所使用的术语“模块”是指用于执行本文中所描述的相关联功能的软件、固件、硬件以及这些元件的任何组合。另外，出于论述的目的，将各种模块描述为离散模块；然而，如将对本领域的普通技术人员显而易见的是，可将两个或大于两个模块进行组合以形成执行根据本公开的实施例的相关联功能的单个模块。
在一些实施例中，一种光栅耦合器包括：衬底，包括硅晶片；第一光栅区，蚀刻于所述衬底中，其中所述第一光栅区包括具有第一预定高度的多个第一光栅；以及第二光栅区，蚀刻于所述衬底中，其中所述第二光栅区包括具有第二预定高度的多个第二光栅，其中所述第一预定高度和所述第二预定高度不相同。
在一些实施例中，所述第一预定高度在70纳米到210纳米的范围内。
在一些实施例中，所述第二预定高度在100纳米到210纳米的范围内。
在一些实施例中，所述衬底的厚度在200纳米到500纳米的范围内。
在一些实施例中，所述光栅耦合器更包括蚀刻于所述衬底中的第三光栅区，其中所述第三光栅区包括具有与所述第一预定高度和所述第二预定高度不相同的第三预定高度的第三多个光栅。
在一些实施例中，所述光栅耦合器配置成在1310纳米光波长附近操作。
在一些实施例中，一种光通信系统，包括：光纤；以及光子集成电路，包括光栅耦合器组合件，所述光栅耦合器组合件配置成将所述光纤中携载的光耦合到所述光子集成电路中或耦合出所述光子集成电路，其中所述光栅耦合器组合件包括：衬底，包括硅晶片；第一光栅区，蚀刻在所述衬底中，其中所述第一光栅区包括具有第一预定高度的多个第一光栅；以及第二光栅区，蚀刻在所述衬底中，其中所述第二光栅区包括具有第二预定高度的多个第二光栅，其中所述第一预定高度和所述第二预定高度不相同。
在一些实施例中，所述第一预定高度在70纳米到210纳米的范围内。
在一些实施例中，所述第二预定高度在100纳米到210纳米的范围内。
在一些实施例中，所述衬底的厚度在200纳米到500纳米的范围内。
在一些实施例中，所述光纤与所述光栅耦合器组合件表面的法线之间的角度在5°到15°的范围内。
在一些实施例中，所述光通信系统配置成在1310纳米光波长附近操作。
在一些实施例中，一种光栅耦合器制造方法，包括：形成衬底层；将第一光栅区蚀刻到所述衬底层中，其中所述第一光栅区包括具有第一预定高度的多个第一光栅；以及将第二光栅区蚀刻到所述衬底层中，其中所述第二光栅区包括具有第二预定高度的多个第二光栅，其中所述第一预定高度和所述第二预定高度不相同；以及在所述第一光栅区和所述第二光栅区上形成包括二氧化硅的包覆层。
在一些实施例中，所述多个第一光栅的所述第一预定高度在70纳米到210纳米的范围内。
在一些实施例中，所述多个第二光栅的所述第二预定高度在100纳米到210纳米的范围内。
在一些实施例中，所述衬底层的厚度在200纳米到500纳米的范围内。
在一些实施例中，所述方法进一步将第三光栅区蚀刻到所述衬底层中，其中所述第三光栅区包括具有与所述第一预定高度和所述第二预定高度不相同的第三预定高度的第三多个光栅。
在一些实施例中，中所述多个第一光栅和所述多个第二光栅具有均匀宽度。
在一些实施例中，选择所述多个第一光栅和所述多个第二光栅中的每一光栅的宽度以使所述光栅耦合器与耦合到所述光栅耦合器的光纤之间的耦合损耗和背反射损耗最小化。
在一些实施例中，所述衬底层由硅材料形成。
本公开中所描述的实施方案的各种修改对本领域的技术人员将易于显而易见，并且在不脱离本公开的范围的情况下，本文中所定义的一般原理可适用于其它实施方案。因此，本公开并不意图限于本文中所绘示的实施方案，而应被赋予与本文中所公开的新颖特征和原理相一致的最广泛范围。
Claims (10)
1.一种光栅耦合器，包括：
衬底，包括硅晶片；
第一光栅区，蚀刻于所述衬底中，
其中所述第一光栅区包括具有第一预定高度的多个第一光栅；以及
第二光栅区，蚀刻于所述衬底中，
其中所述第二光栅区包括具有第二预定高度的多个第二光栅，
其中所述第一预定高度和所述第二预定高度不相同。
2.根据权利要求1所述的光栅耦合器，其中所述第一预定高度在70纳米到210纳米的范围内。
3.根据权利要求1所述的光栅耦合器，其中所述第二预定高度在100纳米到210纳米的范围内。
4.根据权利要求1所述的光栅耦合器，其中所述衬底的厚度在200纳米到500纳米的范围内。
5.根据权利要求1所述的光栅耦合器，更包括蚀刻于所述衬底中的第三光栅区，其中所述第三光栅区包括具有与所述第一预定高度和所述第二预定高度不相同的第三预定高度的第三多个光栅。
6.根据权利要求1所述的光栅耦合器，配置成在1310纳米光波长附近操作。
7.一种光通信系统，包括：
光纤；以及
光子集成电路，包括光栅耦合器组合件，所述光栅耦合器组合件配置成将所述光纤中携载的光耦合到所述光子集成电路中或耦合出所述光子集成电路，其中所述光栅耦合器组合件包括：
衬底，包括硅晶片；
第一光栅区，蚀刻在所述衬底中，
其中所述第一光栅区包括具有第一预定高度的多个第一光栅；以及
第二光栅区，蚀刻在所述衬底中，
其中所述第二光栅区包括具有第二预定高度的多个第二光栅，
其中所述第一预定高度和所述第二预定高度不相同。
8.根据权利要求7所述的光通信系统，其中所述第一预定高度在70纳米到210纳米的范围内。
9.一种光栅耦合器制造方法，包括：
形成衬底层；
将第一光栅区蚀刻到所述衬底层中，
其中所述第一光栅区包括具有第一预定高度的多个第一光栅；以及
将第二光栅区蚀刻到所述衬底层中，
其中所述第二光栅区包括具有第二预定高度的多个第二光栅，
其中所述第一预定高度和所述第二预定高度不相同；以及
在所述第一光栅区和所述第二光栅区上形成包括二氧化硅的包覆层。
10.根据权利要求9所述的光栅耦合器制造方法，其中所述多个第一光栅的所述第一预定高度在70纳米到210纳米的范围内。
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