CN117222926A - 高耦合效率闪耀波导光栅耦合器 - Google Patents

Abstract

一种用于光通信的系统包括波导(110)和光耦合器(100)。波导(110)具有设置在衬底(204)上的高折射率材料的芯。光耦合器(100)用于以高耦合效率在集成光波导(110)与光纤(120)之间耦合光。光耦合器(100)包括具有由第一组沟槽(220)分隔的第一组脊部(224)的第一光栅(104)和具有由第二组沟槽(230)分隔的第二组脊部(234)的第二光栅(108)。第一光栅(104)形成在波导(110)的芯中。第二组脊部234偏离第一组脊部224。还提供了一种用于制造光耦合器(100)的方法。

Description

高耦合效率闪耀波导光栅耦合器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2022年2月24日提交的第63/153,224号美国临时申请的优先权，该申请的公开内容出于所有目的以全文引用的方式并入本文。

技术领域

本公开的实施方式涉及通信技术领域。

背景技术

光通信使用光来传送信息。因特网上的数据中心和通信在很大程度上依赖于光纤通信。耦合器(例如，光栅耦合器)可用于将来自波导的光耦合到光纤。

对于成角度的光栅耦合器，在2007年，Frederik Van Laere等人通过在结构上增加金底镜来证明高耦合效率的光栅耦合器(F.Van Laere et al.,“Compact and HighlyEfficient Grating Couplers Between Optical Fiber and anophotonic Waveguides,”Journal of Lightwave Technology,vol.25,no.1,pp.151-156,2007,doi:10.1109/jlt.2006.888164)。他们实现了-1.42dB的理论耦合效率和-1.61dB的实验耦合效率，占地面积为10×10μm左右，其中最小特征尺寸为305nm。他们装置的耦合角是10度。

2010年，Xia Chen等人利用变迹波导光栅实现了高耦合效率的光栅耦合器(X.Chen,C.Li,C.K.Y.Fung,S.M.G.Lo,and H.K.Tsang,“Apodized Waveguide GratingCouplers for Efficient Coupling to Optical Fibers,”IEEE Photonics TechnologyLetters,vol.22,no.15,pp.1156-1158,2010,doi:10.1109/lpt.2010.2051220)。他们在实验中实现-1.2dB的耦合效率，并且占地面积为520×10.4μm，其中最小特征尺寸为44nm。他们的装置的耦合角是10度。

在2010年，D.Vermeulen等人通过添加多晶硅覆层来证明高耦合效率光栅耦合器(D.Vermeulen et al.,“High-efficiency fiber-to-chip grating couplers realizedusing an advanced CMOS compatible Silicon-On-Insulator platform,”(inEnglish),Optics Express,vol.18,no.17,pp.18278-18283,Aug 16 2010,doi:10.1364/0e.18.018278)。多晶硅覆层仅用于增加用于向上衍射光的光栅齿的厚度以具有相长干涉。他们实现了-1.6dB的实验耦合效率。占地面积在300×15μm左右，其中最小特征尺寸为240nm，以及他们的装置的耦合角为13度。

在2015年，Daniel Benedikovic等人使用交错沟槽和亚波长折射率匹配结构证明了高耦合效率的光栅耦合器(D.Benedikovic et al.,“High-directionality fiber-chipgrating coupler with interleaved trenches and subwavelength index-matchingstructure,”Opt Lett,vol.40,no.18,pp.4190-3,Sep 15 2015,doi:10.1364/0L.40.004190)。他们实现了-1.1dB的理论耦合效率和-1.3dB的实验耦合效率，其中最小特征尺寸为100nm。该光栅是角度耦合的。

在2018年，Jason C.Mak等人通过使用反设计方法将硅上氮化硅(siliconnitride-on-silicon)双层光栅耦合器结合证明了高耦合效率的光栅耦合器(J.C.C.Mak,Q.Wilmar,S.Olivier,S.Menezo,and J.K.S.Poon,“Silicon nitride-on-silicon bi-layer grating couplers designed by a global optimization method,”Opt Express,vol.26,no.10,pp.13656-13665,May 14 2018,doi:10.1364/0E.26.013656)。他们实现了-1.5dB的理论耦合效率和-2.2dB的实验耦合效率，其中最小特征尺寸为255nm。他们的装置的耦合角是29度。

对于正交耦合器，在2007年，Gunther Roelkens等人通过使用附加的狭缝证明了完全竖直耦合的光栅耦合器(G.Roelkens,D.Van Thourhout,and R.Baets,“Highefficiency grating coupler between silicon-on-insulator waveguides andperfectly vertical optical fibers,”Opt.Lett.,vol.32,no.11,pp.1495-1497,Jun 12007,doi:Doi 10.1364/0l.32.001495)。他们实现了50％的模拟耦合效率，其中最小特征尺寸为160nm。

2008年，Xia Chen等人利用啁啾光栅结构证明了竖直耦合光栅耦合器(X.Chen,L.Chao,and Hon Ki Tsang,“Fabrication-Tolerant Waveguide Chirped GratingCoupler for Coupling to a Perfectly Vertical Optical Fiber,”IEEE PhotonicsTechnology Letters,vol.20,no.23,pp.1914-1916,2008,doi:10.1 109/lpt.2008.2004715)。他们实现了42％的模拟耦合效率，实验结果为34％。最小特征尺寸为244nm。

在2013年，John Covey等人利用多槽波导结构证明了完全竖直耦合的光栅耦合器(J.Covey and R.T.Chen,“Efficient perfectly vertical fiber-to-chip gratingcoupler for silicon horizontal multiple slot waveguides,”Opt Express,vol.21,no.9,pp.10886-96,May 6 2013,doi:10.1364/0E.21.010886)。他们实现的模拟耦合效率为68％，实验结果为60％。占地面积大约为500×12μm，其中最小特征尺寸小于40nm。

在2017年，Siya Wang等人利用倾斜的硅膜证明了完全的竖直耦合光栅耦合器(S.Wang et al.,“Compact high-efficiency perfectly-vertical grating coupler onsilicon at 0-band,”Opt Express,vol.25,no.18,pp.22032-22037,Sep 4 2017,doi:10.1364/0E.25.022032)。他们实现的模拟耦合效率为66.2％，实验结果为57％。占地面积大约为60×10μm，其中最小特征尺寸为145nm。

在2017年，Tatsuhiko Watanabe等人利用闪耀抗背反射结构证明了完全竖直耦合的光栅耦合器(T.Watanabe,M.Ayala,U.Koch,Y.Fedoryshyn,and J.Leuthold,“Perpendicular Grating Coupler Based on a Blazed Antiback-ReflectionStructure,”Journal of Lightwave Technology,vol.35,no.21,pp.4663-4669,201 7,doi:10.1109/jlt.2017.2755673)。他们实现的模拟耦合效率为87％，实验结果为71％。占地面积大约为200×14μm，其中最小特征尺寸小于40nm。

在2018年，Yeyu Tong等人利用遗传方法证明了完全竖直耦合光栅耦合器(Y.Tong,W.Zhou,and H.K.Tsang,“Efficient perfectly vertical grating couplerfor multi-core fibers fabricated with 193nm DUV lithography,”Opt Lett,vol.43,no.23,pp.5709-5712,Dec 1 2018,doi:10.1364/0L.43.005709)。他们实现的模拟耦合效率为62％，实验结果为54％。占地面积大约为30×24μm，其中最小特征尺寸为206nm。

在2019年，Zanyun Zhang等人利用双向亚波长结构证明了完全竖直耦合的光栅耦合器(Z.Zhang et al.,“High-efficiency apodized bidirectional grating couplerfor perfectly vertical coupling,”Opt Lett,vol.44,no.20,pp.5081 -5084,Oct 152019,doi:10.1364/0L.44.005081)。他们实现的模拟耦合效率为72％，实验结果为66％。占地面积大约为800×12μm，其中最小特征尺寸为100nm。

随着数据业务的快速增长，需要改进的光通信系统和方法。将来自半导体波导的宽带光耦合到光纤的光栅耦合器可通过实现晶片规模测试以及通过降低光纤与半导体光学芯片之间的机械对准的精度(例如，与将边缘耦合器用于小芯径光纤相比)来帮助降低光学互连的成本。

发明内容

本申请涉及光通信，并且非限制性地涉及用于光通信的光栅耦合器。在一些配置中，在第一光栅上形成第二光栅，以在半导体与光纤之间形成耦合器，其中第二光栅的脊部偏离第一光栅的脊部。通过具有偏离的光栅，可在使用标准制造厂中可用的工艺的同时提高耦合效率。例如，在单晶硅光栅上的多晶硅覆层中形成优化的图案。

在一些实施方式中，用于光通信的系统包括：衬底；第一组脊部，其中所述第一组脊部由第一周期限定；第二组脊部，其中：所述第二组脊部设置在所述第一组脊部上，使得所述第一组脊部在所述衬底与所述第二组脊部之间；第二组脊部由第二周期限定；以及第二光栅周期偏离第一光栅周期。

在一些实施方式中，用于光通信的系统包括波导，所述波导具有设置在衬底上的芯，其中所述芯配置成沿着第一传播方向引导光。所述耦合器包括：形成于所述芯中的第一光栅，其中所述第一光栅包括由第一组沟槽分隔的第一组脊部；以及第二光栅，其中：第二光栅包括由第二组沟槽分隔的第二组脊部；第二组脊部与第一组脊部部分重叠；第二组脊部与第一组沟槽部分重叠；耦合器配置为沿着第二传播方向将光耦合出波导；第二传播方向与第一传播方向不平行。

从下文提供的详细描述中，本公开的其它适用领域将变得显而易见。应当理解的是，详细描述和具体实例虽然指示了各种实施方式，但仅旨在用于说明的目的，而不旨在必然限制本公开的范围。

附图说明

图1示出了输出耦合器的实施方式的简化立体图。

图2示出了输出耦合器的实施方式的简化剖视图，该输出耦合器具有移位的覆层。

图3示出了各种竖直结构的实施方式的简化剖视图。

图4示出了用于各种竖直结构的实施方式的有效折射率的图表。

图5示出了第一光栅的实施方式的沟槽宽度的图表。

图6示出了第一光栅的实施方式的脊部宽度的图表。

图7示出了第二光栅的实施方式的沟槽宽度的图表。

图8示出了第二光栅的实施方式的脊部宽度的图表。

图9示出了用于正交输出耦合到单模光纤中的输出耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。

图10示出了用于成角度地输出耦合到单模光纤中的输出耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。

图11示出了正交输出耦合到少模光纤TE0模式的输出耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。

图12示出了正交输出耦合到少模光纤TE1模式的输出耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。

图13示出了正交输出耦合到多模光纤TE0模式的输出耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。

图14示出了正交输出耦合到多模光纤TE1模的输出耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。

图15示出了正交输出耦合到多模光纤TE3模的输出耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。

图16示出了用于形成光耦合器的方法的实施方式的流程图。

图17示出了光耦合器的实施方式的实验正交耦合效率的图表。

图18示出了双极化耦合器的模拟TE模式的耦合效率的图表。

图19示出了双极化耦合器的模拟TM模式的耦合效率的图表。

图20示出了双极化耦合器的实验TE模式的耦合效率的图表。

图21示出了双偏振耦合器的实验TM模式的耦合效率的图表。

图22示出了双波长耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。

在附图中，类似的部件和/或特征可具有相同的附图标记。另外，相同类型的各种组件可通过在附图标记之后跟随破折号和区分相似组件的第二标签来区分。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则该描述可应用于具有相同第一附图标记的类似组件中的任一个，而与第二附图标记无关。

具体实施方式

随后的描述仅提供优选的一个或多个示例性实施方式，而不是要限制本公开的范围、适用性或配置。相反，随后对优选的一个或多个示例性实施方式的描述将向本领域技术人员提供用于实现优选示例性实施方式的使能描述。应当理解的是，在不脱离所附权利要求中阐述的精神和范围的情况下，可对元件的功能和布置进行各种改变。

I.引言部分

目前，大多数因特网业务最终路由到连接至因特网的诸多数据中心中的至少一个，并且数据中心中的累积业务(包括没有路由到数据中心之外的业务)通常比外部因特网业务大几倍。超大规模数据中心正在处理越来越多的数据通信量，因为因特网数据通信量的折射率增长继续增大，总通信量大约每18个月翻倍。人们广泛认识到的是，将使用更有效和更低功耗的波长复用设备来满足将来对数据通信的需求。

在一些配置中，公开了在光收发器中使用对准容限波导光栅耦合器的更有效和/或更低功耗的波长复用设备。用于单模光纤、少模光纤、多模光纤(例如，OM2、0M3、0M4、0M5等)的竖直和角度耦合光栅耦合器的较高的耦合效率使得能够实现较低的功率消耗，并且还能够降低封装成本，以便更容易对准，并避免完全竖直光栅耦合器的角度抛光(angle-polishing)。高耦合效率完全竖直耦合(例如，平面外；正交)光栅耦合器还能够实现多芯光纤的部署，以实现用于完全竖直耦合光栅的低角度相关和/或空间信道相关损耗的空分多路复用。在一些实施方式中，在193nm深紫外光刻的约束下，工厂中的当前波导光栅耦合器技术具有较低的耦合效率。效率较高的光栅耦合器将使得能够缩放到更有效和更低功耗的波长复用信道。高耦合效率和低功耗波长复用互连技术可在未来的无线基站中用于5G回程网络。

所公开的一些实施方式用作在模式多路复用高容量光通信系统中使用的光子集成电路与光纤(例如，包括单模光纤、少模光纤或多模光纤)之间的高耦合效率光接口。应用可包括数据中心中的光通信(例如，用于功耗，以满足超规模数据中心中的高通信容量的要求)。在模式复用中使用有效的耦合策略是一种满足功率预算的方法。光子集成电路可大量用于超规模数据中心中的基于光纤的光学互连。需要高耦合效率的光栅耦合器，以在未来实现更低的功耗、低成本和/或更高的光带宽波长复用收发器。一些实施方式可用于构建能够进行太赫兹数据传输的光收发器，包括使用具有较低功耗的更多波长信道。

波导光栅耦合器的耦合效率可通过使用切趾波导(apodized waveguide)光栅耦合器、底部金属镜、L形光栅、附加多晶硅层、交错沟槽和硅上氮化硅(例如，采用反设计)来提高。在某些配置中，除了或代替刚刚列出的技术，使用不同的方法来实现高耦合效率的光栅耦合器。为了实现高耦合效率，使用多晶硅覆层的优化图案，该优化图案与其上沉积多晶硅覆层的硅光栅结构不同地进行图案化。硅光栅具有第一组齿(例如，脊部)，并且多晶硅覆层具有第二组齿，多晶硅覆层的齿的位置相对于硅光栅的齿移位，并且独立地进行图案化(例如，与在第[0006]段中描述的D.Vermeulen等人的方法不同，其中多晶硅覆层的齿与硅光栅的齿对准)。仔细优化多晶硅覆层和硅光栅的齿的宽度和沟槽的宽度，可提高光耦合器的向上光相长干涉和向下光相消干涉。因而，提高了光耦合器的方向性。多晶硅覆层与硅光栅之间的移位不受最小特征尺寸的限制(例如，不受193nm深紫外光刻的约束)。相反，移位受到光刻配准精度的限制，并且移位可通过在衍射光与光纤模式之间具有更好的模式匹配(例如，通过使用光栅变迹)而进一步提高耦合效率。

与使用193nm深紫外光刻相比，一些配置实现了更高的耦合效率。通过引入多晶硅覆层相对于硅光栅的移位，逐渐增加了子波长结构在竖直方向上的有效折射率，并且，通过仔细设计，可有效地实现衍射光栅的闪耀(例如，以提高耦合效率)。例如，可执行周期和狭缝宽度的数值优化以及多晶硅覆层到硅光栅的移位，以设计衍射模式来匹配光纤的模式轮廓。

已经使用具有在170nm以上的最小特征尺寸的亚波长结构来执行数值优化(例如，以满足在商业制造厂中制造的设计规则)。下面提供优化结构的示例。模拟结果表明，在竖直耦合和成角度耦合的情况下，记录的耦合效率分别为-0.91dB和-0.74dB。因而，对于竖直耦合光栅和角度耦合光栅，在193nm深紫外光刻的约束下，可实现高耦合效率。在一些实施方式中，单模波导光栅耦合器的耦合效率可从大约-2.47dB(对于在商业制造厂制造的现有耦合器)增加到-0.74dB的光耦合效率。对于少模光纤，TE0和TE1模式的耦合效率分别为-1dB和-1.7dB。对于诸如OM2、0M3、0M4或0M5光纤的多模光纤，TE0、TE1和TE3模式的耦合效率可分别为-1.95dB、-1.97dB和-2.35dB。

II.样本方法

使用光耦合器以高效率耦合光在用于具有光纤互连的数据中心的光收发器中是有益的。一些配置与模式分割多路复用兼容，并与用于有效模式分割多路复用的多模光纤一起使用。具有高效率的光耦合器可用于大容量硅光收发机中，并且适用于波分复用和模分复用二者。下面的光耦合器的实施方式设计为用于在使用193nm深紫外光刻的制造约束下高效耦合，其中最小特征尺寸为170nm。

首先参考图1，图1示出了输出耦合器100的实施方式的简化立体图。输出耦合器包括第一光栅104和第二光栅108。波导110配置成沿着第一传播方向115-1引导光。例如，波导110包括芯和包层，该芯和包层在一个或多个横向方向上限制光，使得光在波导110的纵向方向上传播。芯制造成具有较高的折射率(例如，与包层相比)，包层制造成具有较低的折射率(例如，与芯相比)。在一些实施方式中，芯是半导体或电介质(例如，硅、InP、GaAs、氮化硅或铌酸锂)。在一些实施方式中，芯是单晶结构(例如，单晶硅、InP、GaAs等)。芯有时被称为器件层。例如，芯是绝缘体上硅(SOI，silicon-on-insulator)晶片或绝缘体上铌酸锂(LNOI，lithium niobate-on-insulator)的器件层的部分。包层具有比芯更低的折射率。例如，包层可为绝缘层，诸如二氧化硅和/或空气。

沿第一传播方向115-1传播的光被引导至输出耦合器100。输出耦合器100配置成沿着第二传播方向115-2将光耦合出波导110。第二传播方向115-2不平行于第一传播方向115-1。沿第二传播方向115-2传播的光被耦合到光纤120中。

第一光栅104形成在波导110的芯中。第二光栅108形成为沉积在半导体芯上的覆层。在一些实施方式中，覆层是非单晶层。在一些实施方式中，覆层是半导体或电介质(例如，被退火以变成多晶硅的非晶硅)。第二光栅的脊部形成在覆层中。第二光栅108相对于第一光栅104移位。输出耦合器100包括锥形部124，用于在光到达第一光栅104和第二光栅108之前扩展光。

图2示出了具有移位的覆层的输出耦合器100的实施方式的简化剖视图。输出耦合器100包括第一光栅104和第二光栅108。该横截面在平行于第一传播方向115-1的平面内，并且包括外耦合方向(即，第二传播方向115-2)的分量。

第一光栅104通过蚀刻芯形成。所述芯设置在衬底上。例如，使用绝缘体上硅(SOI)晶片。SOI晶片包括衬底204、器件层208和在衬底204与器件层208之间的绝缘层212。在器件层中蚀刻第一组沟槽220，以形成第一组脊部224。在一些实施方式中，第一组沟槽220蚀刻到相同的深度。第一组沟槽220填充(例如，用绝缘材料填充；用二氧化硅填充)有具有比器件层208低的折射率的材料。

在器件层208上沉积覆层(例如，多晶硅)，并且在沉积的材料中蚀刻第二组沟槽230，以形成第二组脊部234。第一光栅的脊部位于第二光栅的脊部与衬底之间。第二组沟槽230蚀刻至器件层208，但不蚀刻至器件层208中。在一些实施方式中，第二组沟槽230蚀刻到器件层中。第二组脊部234相对于第一组脊部224移位(例如，第二组脊部234部分地与第一组脊部224重叠，并部分地与第一组沟槽220重叠)。在第一传播方向115-1的方向上测量沟槽和脊部的宽度。用线和圈号标识四个竖直结构。

图3是各种竖直结构的实施方式的简化剖视图。第二光栅108相对于第一光栅104的移位将产生4个竖直结构(例如，亚波长结构)。这些竖直结构的宽度不受193nm深紫外光刻的单层内的最小特征尺寸的限制，而是受不同层的光刻配准的精度的限制。光刻的配准通常比层内的最小特征尺寸精确得多。竖直结构1具有器件层208和第一沟槽220的竖直尺寸。竖直结构2具有器件层208和第一脊部224的竖直尺寸。竖直结构3具有器件层208、第一脊部224和第二脊部234的竖直尺寸。竖直结构4具有器件层208、第一沟槽220和第二脊部234的竖直尺寸。

图4是各种竖直结构的实施方式的有效折射率的图表。竖直结构1具有最低的折射率。竖直结构2具有第二最低折射率。竖直结构3具有最高的折射率。竖直结构4的折射率小于竖直结构3和/或大于竖直结构1。

第二光栅108相对于第一光栅移位，以便为向上衍射光设计相长干涉，以及为向下衍射光设计相消干涉。与层移位相结合以产生输出耦合器100可用于设计有效的折射率分布以实现闪耀光栅，该闪耀光栅可改善平面外波导光栅耦合器的耦合效率，包括完全竖直(例如，正交)波导光栅耦合器和偏离竖直角度波导光栅耦合器二者。

第一光栅104和第二光栅108将各自向上(例如，沿第二传播方向115-2的方向)和向下(例如，沿与第二传播方向115-2相反的方向)衍射光。为了增强输出耦合器100的方向性，第二组脊部234的每个脊部和第二光栅108的第二组沟槽230的每个沟槽相对于第一光栅104移位。通过适当地设计位置的移位，第二光栅108的向上衍射光将与来自第一光栅104的衍射光具有相长干涉，同时在向下的方向上具有相消干涉，从而改善输出耦合器100的方向性和耦合效率。第一光栅104与第二光栅108之间的位置移位还使得有效折射率能够逐渐改变，这可有效地提供光栅的闪耀效应，并因而实现对于偏离竖直角度光栅耦合器和完全竖直光栅耦合器的高耦合效率。

III.遗传优化

在某些实施方式中，执行光栅的每个周期和占空比的数值优化。第一光栅104和第二光栅108各自具有非均匀光栅周期和/或占空比。脊部宽度和沟槽宽度可通过使用数值优化方法来设计，诸如遗传优化、基于伴随的优化、或粒子群优化。数值优化用于设计衍射模式，以匹配光纤的模式轮廓，并且在向下的方向上具有相消干涉。

遗传优化算法的实施方式包括六个步骤：

i.种群初始化

ii.适应度评估

iii.终止准则

iv.选择

v.交叉

vi.突变

在初始化步骤(步骤i)中，由随机扰动的周期性光栅(平均周期等于在目标中心波长下通过光栅方程计算的周期)馈送优化环路。每个种群都是搜索空间中的点的向量。适应度F被定义为跨目标波长带的计算耦合效率。

例如，适应度F包括覆盖从1500nm到1600nm的波长范围的模拟，步骤ii。在步骤iii中，根据在最近30代中没有获得改进的标准来确定迭代的终止。在步骤iv中，使用Roulette-Wheel选择方法保持选择、种群。以80％的概率实现步骤v的交叉功能，以将种群彼此混合。在步骤vi，复制的种群将以5％的概率经历突变，其中结构参数经历随机变化。为了具有坚固的制造性能，在一些实施方式中，将最小特征尺寸限制在用于由商用硅光子学制造厂大批量制造的193nm DUV光刻之上。在突变步骤vi之后，该过程返回到适应度评估，步骤ii。

图5至图8是两个彼此叠置的光栅的脊部宽度和沟槽宽度的实施方式的结果。

图5示出了第一光栅(例如，图2中的第一光栅104)的实施方式的沟槽宽度(例如，蚀刻宽度)的图表。

图6示出了第一光栅的实施方式的脊部宽度的图表。

图7示出了第二光栅(例如，图2中的第二光栅108)的实施方式的沟槽宽度(例如，蚀刻宽度)的图表。

图8示出了第二光栅的实施方式的脊部宽度的图表。

通过改变脊部宽度和沟槽宽度，可形成切趾型(apodized-type)光栅。例如，输出耦合器的强度逐渐增加，使得衍射轮廓与光纤模式匹配。例如，输出耦合器的第一部分具有较小的耦合强度，并逐渐增加耦合强度。耦合强度基于从一个周期到下一个周期的平均折射率之间的差。例如，由于结构1与结构3之间的高折射率对比度，第一部分周期将具有非常低的填充因子(0.08)以实现较小的耦合强度，并且最小特征尺寸可低于工厂蚀刻限制。为了在耦合器的第一部分中实现较小的耦合强度，而不是使用较低的填充因子，在这里引入了2和4的亚波长结构，其具有与亚波长结构1相当的有效折射率，这意味着降低了光栅的脊部与沟槽区域之间的折射率对比度，因而在光栅的前部中实现了较低的耦合强度，而不使用较低的填充因子(意味着非常小的特征尺寸)，并且使用170nm以上的特征尺寸实现了较高的耦合效率。申请人已发现的是，使用具有小于170nm的较小特征尺寸的所述技术导致乃至更高的耦合效率。

利用啁啾刻蚀宽度(chirped etched widths)可实现高耦合效率，并且刻蚀区域的宽度逐渐增大。通过使结构2和结构4都在结构1和结构3(光栅的沟槽和脊部)之间具有中间有效折射率，耦合器的耦合强度可在宽范围内设计成具有四个亚波长结构1、2、3和4的不同组合(在图3中)。四个亚波长结构的宽度不受制造厂的最小特征尺寸限制的限制。使用结构1、2、3和4(在图3中)的可变宽度，可实现与高斯模式相匹配的期望的耦合强度衍射光。光栅的所需耦合强度可用于确定光栅耦合器的每个占空比，利用所确定的占空比，可基于光栅方程计算光栅的每个周期。然后，修改结构宽度(例如，通过设置蚀刻和脊部的宽度)可用于产生与高斯模式匹配的衍射光所需的所需耦合强度。X.Chen、C.Li、C.K.Y.Fung、S.M.G.Lo和H.K.Tsang所著的以下文献：“Apodized Waveguide Grating Couplers forEfficient Coupling to Optical Fibers,”in IEEE Photonics Technology Letters,vol.22,no.15,pp.1156-1158,Aug.1,2010，提供了关于变迹波导光栅耦合器的信息。

图5至图8中的周期、沟槽宽度和脊部宽度是非均匀的(例如，它们是可变的)。例如，均匀光栅具有均匀的周期、沟槽宽度和脊部宽度(例如，变化小于1％或2％)。图5至图8中所示的周期、沟槽宽度和脊部宽度具有从平均值的变化(例如，加或减)。在一些实施方式中，偏离平均值的变化等于或大于10％、25％、30％和/或40％和/或等于或小于50％或100％或200％。例如，图5中的沟槽宽度从约180nm变化到425nm，周期从平均值变化到约50％。

IV.样品耦合效率

在运行数值优化之后，获得用于顶部多晶硅覆层和下面的层的光栅的每个周期和占空比，从而建立由优化的多晶硅层光栅组成的高耦合效率光栅耦合器。应用3D FDTD模拟来模拟输出耦合器的耦合效率。

在图9中示出了用于正交输出耦合到单模光纤中的输出耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。图9示出了具有34nm的1dB带宽的-0.91dB的耦合效率。

在优化过程中，设计多晶硅层闪耀光栅结构以最大化衍射非竖直耦合效率也是可能的。图10是用于成角度地输出耦合到单模光纤中的输出耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。图10示出了具有34nm的1dB带宽的-0.74dB耦合效率。通过层有效折射率的进一步优化，诸如使用亚波长结构来设计上部多晶硅覆层和下部下面的光栅层两者的脊部和沟槽的有效折射率，可能够实现更高的耦合效率。竖直耦合效率结果和角度耦合效率结果均超过先前在193nm深紫外光刻的约束下报道的任何波导光栅耦合器。

上述高耦合效率光栅耦合器的设计原则也可应用于少模光纤(FMF)、多模光纤(MMF)、OM2、OM3、OM4、OM5等高耦合效率光栅耦合器的设计。下面的结果来自3D模拟。

图11是用于正交输出耦合到少模光纤TE0模式的输出耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。耦合效率是-1.0dB，具有34nm的1dB带宽。

图12是用于正交输出耦合到少模光纤TE1模式的输出耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。耦合效率是-1.7dB，具有34nm的1dB带宽。

图13是用于正交输出耦合到多模光纤(例如，OM4)TE0模式的输出耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。耦合效率为-1.95dB，具有28nm的1dB带宽。

图14是用于正交输出耦合到多模光纤(例如，OM4)TE1模式的输出耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。耦合效率为-1.97dB，具有28nm的1dB带宽。

图15是用于正交输出耦合到多模光纤(例如，OM4)TE3模式的输出耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。耦合效率是-2.35dB，具有27nm的1dB带宽。

V.示例性过程

图16示出了用于制造光耦合器的过程1600的实施方式的流程图。过程1600始于步骤1604，其中蚀刻半导体层中的第一组沟槽以形成第一光栅的第一组脊部。例如，用于形成图2中的第一光栅104的第一组脊部224的第一组沟槽220。在步骤1608中，第一组沟槽具有绝缘材料。例如，用二氧化硅填充第一组沟槽。绝缘材料具有比第一组脊部的折射率低的折射率。

在步骤1612中，在第一组脊部和绝缘材料二者上都沉积半导体材料。半导体材料具有与第一组脊部匹配的折射率。例如，非晶硅被沉积和固化以形成多晶硅。

在步骤1616中，蚀刻第二组沟槽。在半导体材料中蚀刻第二组沟槽，以形成第二光栅的第二组脊部。例如，蚀刻第二组沟槽230以形成图2中的第二光栅108的第二组脊部234。第二组脊部部分地与第一组脊部重叠和/或部分地与第一组沟槽中的绝缘材料重叠。例如，第二脊部234部分地与第一脊部224重叠，并且部分地与图2中的第一沟槽220重叠。

VI.实验结果

图17是光耦合器的实施方式的实验正交耦合效率的图表。图17的光耦合器对于竖直(例如，与水平方向成90度，加上或减去1、3或5度)输出耦合显示出高耦合效率。可对两层光耦合器进行优化，以便为竖直输出光栅提供高耦合效率。竖直耦合光栅的模拟结果在1554nm处为-0.91dB，而制造器件的实验结果在1553nm处为-1.45dB。这比用于非竖直耦合的标准库光栅耦合器好1dB。非竖直波导光栅耦合器的模拟高耦合效率在1559nm处为-0.72dB(3D FDTD模拟)。

在一些实施方式中，下层用于TM光栅，上层用于TE光栅。在一些实施方式中，下层用于TE光栅，上层用于TM光栅，使得TE模式光栅将具有比TM模式更高的折射率，这意味着TE模式的光栅周期将小于TM模式光栅周期。结合用于TE的下层和用于TM的上层，TE模式主要由下层衍射。对于TM模式，由于下层光栅周期小于TM光栅周期，TM模式可将下层TE光栅视为亚波长结构，那么TM模式主要由上层TM光栅层衍射。

图18至图22是双极化耦合器的实施方式的效率的图。图18是用于双极化耦合器的模拟TE模式耦合效率的图表。图19是用于双极化耦合器的模拟TM模式耦合效率的图表。图20是用于双极化耦合器的实验TE模式的耦合效率的图表。图21是双极化耦合器的实验Tm模式耦合效率的图表。

除了将两层波导光栅耦合器应用于高耦合效率的竖直和非竖直输出外，该两层光栅耦合器设计方法还可用于设计TE和TM模式的双偏振光栅耦合器。通过计算下光栅(例如，TE光栅)和上光栅(例如，TM光栅)的初始周期来设计双偏振耦合器。通过取高折射率值n_H(例如，图4中的竖直结构3)、低折射率值n_L(例如，图4中的竖直结构1)、0.5的初始占空比以及在光栅中计算的有效折射率来计算每个光栅的初始周期。下光栅(TE光栅)与上光栅(TM光栅)组合。在数值优化之后，组合的光栅形成双偏振耦合器，该双偏振耦合器配置成耦合出两个光的偏振(在本例中是TE基模式和TM基模式)。该过程用于设计图18至图21的双极化耦合器的实施方式。双极化耦合器对于TE模式在1558nm处具有-3.65dB的模拟耦合效率(参见图18)，对于TM模式在1578nm处具有-3.53dB的模拟耦合效率(参见图19)。TE模式的实验结果耦合效率在1549nm处为-4.175dB(参见图20)，而TM模式在1543nm处为-4.11dB(参见图21)。

在一个实施方式中，高折射率区n_H是380nm硅层(220nm+160nm)，而低折射率区n_L是150nm硅(380nm，蚀刻深度230nm)。分别在TE模式和TM模式的高折射率和低折射率区域中计算有效折射率。TE光栅的初始周期为543nm，TM光栅的初始周期为688nm。使用具有初始周期的组合结构，对于TE，模拟耦合效率为18.5％，对于TM，模拟耦合效率为17％。在数值优化之后，双极化耦合器产生图18至图21所示的耦合效率。

图22是双波长耦合器的实施方式的模拟耦合效率的图表。双波长耦合器是设计用于向外耦合两个不同波长带(例如λ1和λ2)的光的输出耦合器。与设计双偏振耦合器类似，n_H、n_L、初始占空比和有效折射率值用于获得用于λ1和λ2的光栅的初始周期。

将具有λ1的初始周期的下光栅和具有λ2的初始周期的上光栅组合，并进行数值优化，以形成双波长耦合器的实施方式。对于λ1＝1310nm和λ2＝1550nm的双波长耦合器的模拟结果在1307nm处为36.5％，在1550nm处为41.71％。

例如，在下光栅中，1310的初始周期是443nm，在上光栅中，1550的初始周期是543nm。使用组合结构作为起始种群以优化和/或以其它方式进一步改进。同样，通过与双偏振耦合器类似的分析，使用较低层中的高有效折射率(较小周期)的波长比使用较低层中的低有效折射率(较大周期)的波长具有更好的性能，因为具有适合波长λ2的较大周期的上层可将较小周期的下层视为亚波长结构。

在不脱离本发明实施方式的精神和范围的情况下，特定实施方式的具体细节可以以任何合适的方式组合。然而，本发明的其它实施方式可涉及与每个单独方面相关的具体实施方式，或这些单独方面的具体组合。

出于说明和描述的目的，已经给出了本发明的示例性实施方式的上述描述。并不是要穷举或将本发明限制于所描述的精确形式，并且根据以上教导，可进行许多修改和变化。选择和描述实施方式是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够在各种实施方式中最好地利用本发明，并且具有适于预期的特定用途的各种修改。

除非特别相反地指出，否则“一”、“一个”或“该”的表述旨在表示“一个或多个”。使用“第一”、“第二”、“第三”等来区分类似的特征，并且不一定意味着暗示顺序。

Claims (20)

1.一种用于光通信的系统，包括：

波导，具有设置在衬底上的高折射率材料的芯，其中，所述芯配置为沿着第一传播方向引导光；以及

耦合器，包括：

形成在所述高折射率材料中的第一光栅，其中，所述第一光栅包括由第一组沟槽分隔的第一组脊部；以及

第二光栅，其中：

所述第二光栅包括由第二组沟槽分隔的第二组脊部；

所述第一组脊部位于所述衬底与所述第二组脊部之间；

所述第二组脊部与所述第一组脊部部分重叠；

所述第二组脊部与所述第一组沟槽部分重叠；

所述耦合器配置为沿着第二传播方向将光耦合出所述波导；以及

所述第二传播方向与所述第一传播方向不平行。

2.如权利要求1所述的系统，还包括定位成接收沿所述第二传播方向的光的光纤。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述第二传播方向与所述第一传播方向正交。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一光栅在脊部之间具有不均匀的间隔。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一光栅是闪耀光栅。

6.如权利要求1所述的系统，其中：

所述较高折射率材料为单晶半导体；

所述第二组脊部包括非单晶半导体；以及

所述第一组沟槽填充有具有比所述单晶半导体材料低的折射率的材料。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一组脊部、所述第二组脊部、所述第一组沟槽和所述第二组沟槽各自具有大于或等于170nm的宽度。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述耦合器具有优于-2dB的耦合效率。

9.一种光学装置，包括：

衬底；

第一组脊部；

第二组脊部，其中：

所述第二组脊部设置在所述第一组脊部上，使得所述第一组脊部位于所述衬底与所述第二组脊部之间；以及

所述第二组脊部偏离所述第一组脊部。

10.如权利要求9所述的光学装置，其中，所述第一组脊部形成第一光栅，以及所述第一光栅在脊部之间具有不均匀间隔。

11.如权利要求10所述的光学装置，其中，所述不均匀间隔的特征在于，相邻脊部之间的至少一个间隔具有等于或大于相邻脊部之间的间隔平均值的125％的宽度。

12.如权利要求9所述的光学装置，其中：

所述第一组脊部由第一组沟槽分隔，作为所述第一光栅的部分；

所述第一组沟槽填充有绝缘材料，所述绝缘材料具有比所述第一组脊部低的折射率；

所述第二组脊部由第二组沟槽分隔，作为所述第二光栅的部分；

所述第二组脊部与所述第一组脊部部分重叠；以及

所述第二组脊部与所述第一组沟槽部分重叠。

13.如权利要求12所述的光学装置，其中：

在波导的芯中制造所述第一组脊部；

使用所述第一光栅和所述第二光栅将光耦合出所述波导；

所述第一组脊部和所述第二组脊部配置为使得来自所述波导的光在向上方向上相长地干涉，并且在向下方向上相消地干涉，从而增强耦合出所述波导的光的耦合效率；以及

所述向上方向是从所述第一光栅到所述第二光栅的方向。

14.一种用于制造光耦合器的方法，所述方法包括：

在器件层中蚀刻第一组沟槽，以形成第一光栅的第一组脊部；

用折射率比所述器件层低的材料填充所述第一组沟槽；

在所述第一组脊部上和具有比所述器件层低的折射率的所述材料上沉积覆盖材料；以及

在覆盖材料中蚀刻第二组沟槽，以形成第二光栅的第二组脊部，其中，所述第二组脊部部分地覆盖所述第一组脊部，且部分地覆盖所述第一组沟槽中的所述绝缘材料。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述覆盖材料与所述器件层折射率匹配。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述覆盖材料是非晶硅、多晶硅或电介质材料。

17.如权利要求14所述的方法，还包括实施数值方法，以优化所述第一组脊部和所述第二组脊部的脊部和狭缝的移位和单独宽度。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述数值方法包括遗传算法或粒子群优化。

19.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一光栅的所述第一组脊部具有非均匀周期。

20.如权利要求14所述的方法，所述方法还包括蚀刻所述器件层，以形成与所述第一光栅光学耦合的波导。