CN117677889A - 光电子装置及其阵列 - Google Patents

Abstract

一种光子芯片。在一些实施例中，光子芯片包括：波导；以及包括波导的一部分的光学活性装置。波导可具有：处于光子芯片的第一边缘的第一端；以及第二端，并且波导在第一端与第二端之间的各处可具有曲率的变化率，曲率的变化率具有不超过2000/mm²的大小。

Description

光电子装置及其阵列

技术领域

本发明的一些实施例涉及具有在一个方向上弯曲的一个或多个弯曲波导的高速光电子装置。

背景技术

在常规光电子装置中，输入波导将装置的第一边缘上的刻面耦合到光学活性区域。输出波导接着将光学活性区域耦合到装置的一般与所述第一边缘相对的第二边缘上的刻面。

然而，此类装置更难以混合集成到硅中，并且在呈阵列形式时可涉及更长的驱动器互连长度，因为活性区域不能够位于装置的边缘附近。

发明内容

本发明的一些实施例提供一种利用弯曲波导的光电子装置，所述弯曲波导由具有与光学活性区域的带隙不同的带隙的材料形成。光电子装置可具有高速光电子部分并通过短迹线连接到诸如ASIC之类的电子芯片。较短的迹线能够有利地导致更快的操作。

因此，在第一方面，本发明的一些实施例提供一种光电子装置，所述光电子装置包括：光学活性区域，所述光学活性区域具有用于跨所述光学活性区域施加电场的电极布置；第一弯曲波导，所述第一弯曲波导被布置成引导光到所述光学活性区域中；以及第二弯曲波导，所述第二弯曲波导被布置成引导光离开所述光学活性区域；其中所述第一弯曲波导和所述第二弯曲波导由具有与所述光学活性区域的带隙不同的带隙的材料形成，并且其中由所述第一弯曲波导、所述光学活性区域和所述第二弯曲波导形成的总引导路径是U形的。换句话说，所述第一弯曲波导、第二弯曲波导和光学活性材料一起形成波导U形弯。所述光学活性区域和电极布置一起充当高速光电子部分，所述高速光电子部分在所述光学活性区域的活性材料中被制作并且位于“U”的基体处。

这允许所述光学活性区域的所述高速光电子部分位于所述光电子装置的边缘附近但保持装置足够大以促进倒装芯片键合。此外，通过将所述光学活性区域从所述弯曲波导(所述弯曲波导可以是无源的)解耦，在不要求修改所述弯曲波导的情况下能够优化所述光学活性区域的性能。

所述第一弯曲波导或所述第二弯曲波导可形成为(一个或多个)外延再生长的波导。

对于要求阵列中的多个光电子装置的高密度集成的应用(诸如与ASIC的共封装)，所述第一弯曲波导与所述第二弯曲波导之间的最大距离可不大于250μm。在其中不需要高密度集成的应用中，所述最大距离还可处于100μm与160μm之间，或大于250μm。

所述第一弯曲波导或所述第二弯曲波导的曲率半径可小于100μm。所述曲率半径可处于10μm与80μm之间，例如处于30um与80um之间。

所述第一弯曲波导和所述第二弯曲波导可各自弯曲过90°的角度。

所述光电子装置可进一步包括第一和第二电极，所述电极被设置在所述光学活性区域的第一侧上并且与其电连接。所述第一电极可以是信号电极，并且所述第二电极可以是接地电极。所述光电子装置可进一步包括第三电极，所述第三电极是第二接地电极。

所述第一弯曲波导和所述第二弯曲波导可以是低损耗无源波导。通过低损耗，它可意味着在所述光学活性区域的操作波长下，所述第一和第二弯曲波导比所述光学活性区域招致光学信号的更少衰减。

所述第一弯曲波导或所述第二弯曲波导可以是深蚀刻波导。通过深蚀刻，它可意味着所述波导是板波导(而不是肋波导)或侧壁蚀刻阶比所述波导的光学模的中心更深。所述深蚀刻波导可由磷化铟形成。

所述光电子装置可进一步包括：无源低损耗输入波导，所述无源低损耗输入波导被耦合到或提供为所述第一弯曲波导的延续；以及无源低损耗输出波导，所述无源低损耗输出波导被耦合到或提供为所述第二弯曲波导的延续；其中所述输入波导和所述输出波导中的每个具有与所述光电子装置的第一边缘相邻的端以及与所述和第二弯曲波导相同的带隙。以上所描述的所述第一和第二电极可与所述光电子装置的与所述第一边缘不同的边缘相邻而被设置。

所述光电子装置可进一步包括：分布式反馈激光器，所述分布式反馈激光器耦合到所述第一弯曲波导；以及输出波导，所述输出波导被耦合到或提供为所述第二弯曲波导的延续；使得所述光电子装置是电吸收调制激光器。所述分布式反馈激光器可由具有与所述光学活性区域的带隙相同的带隙或可具有与所述光学活性区域及所述第一和第二弯曲波导两者的带隙不同的第三带隙的材料来形成。

所述光学活性区域的所述高速光电子部分可以是电吸收调制器。当也包括分布式反馈激光器时，所述装置可以是电吸收调制激光器(EML)。所述高速光电子部分尤其还可以是MOS-CAP马赫-曾德(Mach-Zhender)调制器或环谐振器调制器。

所述第一弯曲波导和所述第二弯曲波导可由具有在波长上比所述光学活性区域的带隙更低的带隙的材料形成。

所述第一和第二弯曲波导中的每个可以采取绝热弯的形式。

在第二方面，本发明的一些实施例提供一种设置在芯片上的光电子装置的阵列，其中：每个光电子装置如针对所述第一方面所描述的那样来被安排；并且光电子装置的相邻对的光学活性区域之间的距离不大于250μm。

每个光电子装置可具有：输入波导，所述输入波导被耦合到或提供为每个第一弯曲波导的延续；以及输出波导，所述输出波导被耦合到或提供为每个第二弯曲波导的延续；其中每个输入波导和每个输出波导具有第一端，所述第一端远离其相应光学活性区域并且邻近于所述芯片的相同侧。

每个光电子装置可具有：分布式反馈激光器，所述分布式反馈激光器耦合到每个第一弯曲波导；以及输出波导，所述输出波导被耦合到或提供为每个第二弯曲波导的延续；使得所述光电子装置是电吸收调制激光器；其中每个输出波导的远离其相应光学活性区域的端邻近于所述芯片的相同侧。

根据本公开的实施例，提供有一种光子芯片，所述光子芯片包括：波导；以及包括所述波导的一部分的光学活性装置。所述波导具有：所述光子芯片的第一边缘处的第一端；以及第二端，并且所述波导在所述第一端与所述第二端之间的各处具有曲率的变化率，曲率的所述变化率具有不超过2000/mm²的大小。

在一些实施例中，包含所述波导的矩形的面积小于1000平方微米。

在一些实施例中，包含所述波导的矩形的长度小于200微米。

在一些实施例中，包含所述波导的矩形的宽度小于80微米。

在一些实施例中，所述波导包括第一锥形部分，所述第一锥形部分具有更靠近所述第一端的宽端和更靠近所述第二端的窄端。

在一些实施例中，所述宽端处于所述第一端的10微米内。

在一些实施例中，所述第一锥形部分的长度处于所述波导的长度的三分之一的30％内。

在一些实施例中，所述波导在所述宽端处具有第一宽度，以及在所述窄端处具有第二宽度，并且所述第一锥形部分具有所述第一宽度与所述第二宽度之间的差的至少8倍的长度。

在一些实施例中，所述波导在所述第一端处的曲率小于0.1/mm。

在一些实施例中，所述波导在所述第二端处的曲率小于0.1/mm。

在一些实施例中，所述波导的中间80％中的点处的曲率小于0.1/mm。

在一些实施例中，所述波导在沿所述波导的每个点处都处于绝热曲线的3微米内。

在一些实施例中，所述波导的曲率的变化率的大小的最大值处于所述波导的曲率的变化率的大小的平均值的40％内。

在一些实施例中，所述波导在沿所述波导的每个点处都处于贝塞尔样条的3微米内。

在一些实施例中，所述波导在沿其长度的第一点处具有不对称轮廓。

在一些实施例中，在所述第一点处，所述波导具有第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁具有第一高度，所述第二侧壁具有第二高度，所述第二高度比所述第一高度大了至少30％。

在一些实施例中：所述第二端处于所述光子芯片的所述第一边缘处；所述波导具有所述第一端处的第一刻面以及所述第二端处的第二刻面；所述第一刻面：在所述第一端处与所述波导相斜以及与所述第一边缘相斜，所述波导在所述第一端处的基模对应于所述第一刻面之外的第一自由空间射束(beam)，所述第一自由空间射束具有第一中心线；所述波导在所述第二端处的基模对应于所述第二刻面之外的第二自由空间射束，所述第二自由空间射束具有第二中心线；以及所述第一中心线处于与所述第二中心线平行的10度内。

在一些实施例中，所述第二中心线处于所述第一中心线的方向的镜像的方向的10度内。

在一些实施例中，所述第一中心线处于与所述第一边缘垂直的10度内，以及所述第二中心线处于与所述第一边缘垂直的10度内。

在一些实施例中，所述波导内的总方向变化小于175度。

在一些实施例中，所述波导内的总方向变化小于155度。

附图说明

现将参考附图以示例的方式来描述本发明的实施例，其中：

图1A-1C各自示出根据本发明的实施例的光电子装置的变体；

图2示出另外的光电子装置，所述装置包括分布式反馈激光器(DFB)；

图3A和3B各自示出根据本发明的实施例的另外的光电子装置，所述光电子装置包括半导体光学放大器(SOA)；

图4A和4B各自示出根据本发明的实施例的还有的另外的光电子装置，其中这些装置还包括半导体光学放大器；

图5示出根据本发明的实施例的光电子装置的阵列；

图6示出根据本发明的实施例的光电子装置的阵列；

图7A是根据本发明实施例的弯曲波导的平面视图；

图7B是根据本发明的实施例的作为波长的函数的透射率的图；

图8A是根据本发明的实施例的弯曲波导的平面视图；

图8B是根据本发明的实施例的作为沿波导的长度的函数的曲率的图；

图8C是根据本发明的实施例的作为沿波导的长度的函数的曲率的图；

图8D是根据本发明的实施例的作为沿波导的长度的函数的曲率的图；

图8E是根据本发明的实施例的III-V芯片的部分和硅芯片的部分的平面视图；

图8F是根据本发明的实施例的波导的截面视图；

图8G是根据本发明的实施例的示意传播图；

图8H是根据本发明的实施例的示意传播图；

图8I是根据本发明的实施例的示意传播图；

图9A是根据本发明的实施例的弯曲波导的平面视图；以及

图9B是图9A的部分的放大视图。

图7A、8A、9A和9B中的每个图都针对相应实施例而按比例绘制。

具体实施方式

下面结合附图阐述的详细描述旨在作为根据本公开提供的光电子装置及其阵列的示例性实施例的描述，而不旨在表示可构造或利用本公开所按的仅有形式。该描述结合所说明的实施例阐述了本公开的特征。然而，要理解，相同或等同的功能和结构可通过也旨在被涵盖在本公开的范围内的不同实施例来实行。如本文中其他地方所表示的那样，相似的元素编号旨在指示相似的元素或特征。

图1A示出光电子装置(或“光子芯片”)100。所述装置在III-V半导体芯片或晶圆101上形成，并且采用例如InGaAsP/InP或InAlGaAs/InP制成。所述装置一般包括光学活性区域102，所述光学活性区域由具有相关联带隙的第一材料结构(例如，InGaAsP或InAlGaAs多量子阱异质结构、InGaAsP或InAlGaAs块体材料)形成。邻近于光学活性区域的相反端的是第一弯曲波导103和第二弯曲波导104。第一弯曲波导103、光学活性区域102和第二弯曲波导104一起形成U形弯；U形引导光学路径。第一和第二弯曲波导由具有与光学活性区域的带隙不同的带隙的材料结构形成，或被调整成具有与光学活性区域的带隙不同的带隙的材料结构。例如通过调整某些层中的InGaAsP或InAlGaAs四元物中的元素的原子比或通过改变多量子阱异质结构中的量子阱的厚度或材料界面剖面可达成不同的带隙。通常使所述波导中的带隙在波长上低于(即在能量上高于)光学活性区域中的带隙。带隙差可对应于50-100nm的波长差，并且在一些示例中可对应于至多为200nm的波长差。第一和第二弯曲波导是无源装置，因为它们不用于主动地调制通过其的光学信号。在此图中示出的示例中，弯曲波导具有50μm或大约50μm的有效曲率半径。所述弯曲波导可以是再生长的，以便相对于光学活性区域102改变弯曲波导的带隙。弯曲波导的弯曲度可描述为急弯或绝热弯。这个示例中的弯曲度是90°。

再生长是其中现有半导体光学活性材料的部分被蚀刻掉而然后具有不同带隙波长(例如具有元素的不同原子比，或不同量子阱厚度)的第二光学活性材料再生长到被蚀刻掉的区域中的过程。再生长可以是外延的。

输入波导105将芯片101的第一边缘109耦合到第一弯曲波导103的一端。类似地，输出波导106将第二弯曲波导104耦合到芯片101的相同边缘109。输入和输出波导是与第一和第二弯曲波导不同的波导，或被提供为其延续，并且可具有与弯曲波导103和104相同的带隙。输入和输出波导可耦合到芯片101的第一边缘109附近的模式转换器或锥形物。第一边缘109可以是晶圆被切成多个芯片(该芯片是其中之一)时形成的多个边缘(例如，如果芯片是矩形的，则是4个边缘)之一。照此，第一边缘109可以是衬底的边缘。

所述装置还包括信号电极107和接地电极108以电驱动光学活性区域。在这个示例中，两个电极均邻近于所述芯片的第二边缘110而被设置，所述第二边缘110处于与邻近于输入和输出波导的第一边缘109的相对侧上。由于两个电极处于芯片的相同边缘上，因此这允许采用短RF迹线的倒装芯片键合或到片外驱动器芯片的采用短导线键合长度的导线键合。装置中的输入波导105与输出波导106之间的距离可用于确定光电子装置的总“宽度”。这个宽度可小于250μm，并且可处于100μm与160μm之间。

图1B示出变体装置，所述变体装置与图1A的装置在以下方面有所不同：附加接地电极111被设置在源或信号电极107的与第一接地电极108的相对侧上。除此之外，所述装置与图1A中示出的装置是同样的。类似地，图1C中示出的装置与图1A中示出的装置在以下方面有所不同：接地电极108和源或信号电极107已经掉换，使得接地电极108接近第一弯曲波导103而被安置并且源/信号电极107接近第二弯曲波导104而被安置。

图2示出备选装置200，所述备选装置与以上所讨论的装置100共享多个特征。相似特征由相似参考数字来指示。然而，图2中的装置200包含分布式反馈激光器201而不是输入波导105(如以上所讨论的)。激光器耦合到第一弯曲波导103，以便向光学活性区域102提供激光。分布式反馈激光器201可由具有与光学活性区域相同(或基本上相同)的带隙的材料形成。备选地，它能够由具有与所述光学活性区域和所述无源波导区域两者不同的带隙的材料形成。尽管未示出，但是装置200中的电极107和108能够具有以上在图1A-1C中所描述的配置中的任何配置。

图3A示出备选装置300A，所述备选装置与以上所讨论的装置100共享多个特征。相似特征由相似参考数字来指示。光学活性区域102形成高速光电子装置，诸如电吸收调制器EAM。装置300A与图1C中示出的装置100在以下方面有所不同：它进一步包括半导体光学放大器(SOA)，SOA包括另外的光学活性区域112、另外的接地电极118和另外的源电极117。EAM和SOA通常由相同的半导体材料形成，但是在结构和/或组成上可有所不同。EAM和SOA两者均位于U形弯的基体处、处于第一弯曲波导103与第二弯曲波导104之间。

图3B示出备选装置300B，所述备选装置与以上针对图3A所讨论的装置300A共享多个特征。相似特征再次由相似参考数字来指示。装置与图3A的装置在以下方面有所不同：它包括耦合到第一弯曲波导103的分布式反馈激光器201。所述装置与图2的装置在以下方面有所不同：它包括位于U形弯的基体处、与EAM的光学活性区域102相邻的SOA区域。

图4A和4B示出备选装置，所述备选装置与图3A和3B的装置分别在以下方面有所不同：与位于U形弯的基体处相反，SOA而是位于从EAM的第一光学活性区域102起的第二弯曲波导104的另一侧。换句话说，SOA沿输出波导106位于U形弯的腿部上。

在以上针对图3A、3B、4A以及4B所描述的实施例中的每个实施例中，电极垫107、108、117、118能够在其他位置中以及以其他配置来被安置。DFB和SOA垫是DC垫并且因此可远离管芯的边缘来被安置。然而，EAM垫是RF垫，并且可因此接近管芯的边缘来被安置。

图3A和3B示出也处于边缘并且接近EAM的SOA。因此，可存在单个驱动器芯片(DC和RF)，但是注意，波导的间隔相当大。为了减小间隔，能够使用诸如图4A和4B的布置，但是在这里，EAM远离SOA，并且因此，RF(高速)驱动器可以是与DC驱动器/源分开的芯片。

在以上描述的实施例中的任一者中，DFB和SOA可以是正向偏置的，而EAM可以是反向偏置的。

图5示出设置在单个晶圆或芯片上的高速光电子装置100a-100n的阵列500。如能够看见的，输入和输出波导中的所有波导耦合到芯片的相同边缘，这能够促进到主PIC的倒装芯片，其中芯片的仅一侧要求精确的到主PIC波导的对准或到芯片的仅一侧的纤维附连以及在光学网络中的安装。值得注意的是所述装置之间的间距501，即邻近光电子装置100a-100n中的相似特征之间的距离。例如，光电子装置100a中的输入波导与光电子装置100b中的相应输入波导之间的距离可被称为间距。所述间距一般小于250μm。

图6示出设置在单个晶圆或芯片上的高速光电子装置200a-200n的备选阵列600。如能够看见的，输出波导中的所有波导耦合到芯片的相同边缘，这能够促进到主PIC的倒装芯片，其中芯片的仅一侧要求精确的到主PIC波导的对准或到芯片的仅一侧的纤维附连以及在光学网络中的安装。值得注意的是所述装置之间的间距601，即邻近光电子装置200a-200n中的相似特征之间的距离。例如，光电子装置200a中的输出波导与光电子装置200b中的相应输出波导之间的距离可被称为间距。所述间距一般小于250μm。

尽管未示出，如以上所描述的光电子装置的阵列可包括根据图1A-1C的至少一个光电子装置和根据图2的至少一个光电子装置。

在一些实施例中，光电子装置可包括光学活性区域，所述光学活性区域位于波导内、包括波导或是波导的一部分(例如，波导的弯曲部分)，并且光电子装置可被视为包括从半导体芯片101的第一边缘109处的第一刻面(例如输入刻面)通过一个或多个光学活性装置延伸到半导体芯片101的第一边缘109处的第二刻面(例如输出刻面)的单个波导。波导的曲率可沿着波导的长度而连续变化，即，可不存在曲率中的突然变化(所述突然变化如果存在，则能够引起光学损耗或光到较高阶模式中的耦合)。如本文中所使用的，波导的“曲率”是曲率半径的倒数。其中曲率连续变化的弯或曲线可称为“绝热”弯或曲线。

图7A示出在一些实施例中包括此类波导的光电子装置700。波导605从第一刻面710延伸到第二刻面715，并且包括光学活性区域720，所述光学活性区域可沿整个波导而延伸，如图7A中所示出的。光电子装置700可包括光学活性装置，所述光学活性装置可包括(i)光学活性区域720和(ii)光学活性区域720中的电极(未示出)。所述电极可在光学活性区域中产生电场或使电流流动，从而改变光学活性区域中的光学特性(例如光学衰减长度)，并且例如如果电压或电流随时间变化，则使光学活性装置对传播通过波导605的光进行调制。在一些实施例中，光电子装置700可按与例如图3A-4B的方式类似的方式包括多于一个光学活性装置，所述光学活性装置各自包括波导605(所述波导可具有若干光学活性区域)的相应光学活性区域。如本文中所使用的，“光学活性装置”是其中在操作中，电流或电压与光(例如，在波导中传播的光)相互作用以(i)生成光(例如，如果光学活性装置是或包括激光器)或(ii)修改光的特性(例如，如果光学活性装置是或包括半导体光学放大器，则放大光；或者如果光学活性装置是或包括振幅调制器或相位调制器，则对光的振幅或相位进行调制)的装置。如本文中所使用的，“光学活性区域”是波导的一部分，其在操作中(i)生成光(例如，在半导体激光器中)或(ii)修改在波导中传播的光的特性(由于施加到光学活性区域的电压或流过光学活性区域的电流)。

波导605可包括一个或多个锥形部分，使得波导605的宽度在光学活性区域720中比在刻面710、715处中更小。每个锥形部分可以是直的，或者锥形部分的一部分可以是弯曲的。较窄的波导可导致电极之间较小的电容以及(例如，如果光学活性装置是调制器)改进的调制带宽。在另一方面，较宽的波导在第一刻面710处可产生第一刻面710之外的自由空间射束，其可更高效地耦合到具有与第一刻面710相对的刻面的另一半导体芯片上的对应波导。较宽的波导在第二刻面715处可具有类似的优点。照此，对于波导605可以是有利的是包括：第一锥形部分，所述第一锥形部分具有第一刻面710处的宽端(具有例如2.0微米和5.0微米之间的宽度)和更靠近波导605的中部的窄端(具有例如0.5微米和2微米之间的宽度)；以及第二锥形部分，所述第二锥形部分具有第二刻面715处的宽端和更靠近波导605的中部的窄端。在由III-V半导体(例如InP)构成的半导体芯片101中，每个锥形部分可具有与波导的宽度中的变化的至少十倍相等的长度。例如，在图7A的实施例中，波导605在刻面710、715中的每个刻面处的宽度可以是2.5微米，以及波导750在刻面710、715之间的中点处的宽度可以是2.0微米；在这种情况下，每个锥形部分的长度在长度上可以是(2.5微米-2.0微米)的至少十倍(其中(2.5微米-2.0微米)是波导的宽度中的变化)，即，每个锥形部分在长度上可以是至少5微米(例如，它在长度上可处于5与20微米之间)。每个锥形部分可具有线性锥度(即波导的宽度可以是沿波导的长度的线性函数)或非线性(例如多项的(例如抛物的))锥度。图7B示出针对光从刚好处于第二刻面715内部传播到刚好处于第一刻面710内部的作为波长的函数的图7A的波导的模拟透射率。

在一些实施例中，刻面710、715可以是倾斜的而非直角的(即，而非与第一边缘109平行)。刻面的倾斜可(i)减少背反射(即来自耦合到波导的基模的刻面的反射)以及(ii)使减少弯曲波导的总角度变化成为可能，从而使更紧凑的设计或减少的损耗或两者成为可能。

图8A示出此类设计的示例。部分由于刻面是倾斜的，波导在第一刻面710处和第二刻面715处与第一边缘109不垂直，其结果是波导的总方向变化小于180度。作为结果，所述光电子装置与其中波导在第一刻面710处和第二刻面715处垂直于第一边缘109的光电子装置相比可更紧凑或具有更小的最大曲率(或两者)。更小的最大曲率可导致更低的插入损耗。最大曲率可处于5/mm和100/mm之间(例如，它可以是大约30/mm)，并且曲率的变化率沿波导各处可小于曲率的最大变化率，曲率的最大变化率处于100/mm²和10000/mm²之间，例如，它可以是大约1000/mm²。图8A标有以微米为单位的尺寸；可看出的是，波导适合于具有40微米的宽度和100微米的长度的矩形内(即包含波导的矩形可具有40微米乘100微米的尺寸以及400平方微米的面积)。如本文中所使用的，矩形的“长度”是矩形的较长尺寸，以及矩形的“宽度”是矩形的较短尺寸(并且如果矩形是正方形，则长度和宽度两者都等于正方形的边长)。

图8A的波导可具有包括四个等长绝热段805、810、815、820的绝热曲线的形状。图8B示出作为沿波导的长度的函数的波导的曲率。如图8B中所示的，在图8A的实施例中，曲率在第一绝热段805上沿波导以恒定率增加到最大曲率C_m、在第二绝热段810上以恒定率减小回到零、在第三绝热段815上以恒定率增加到C_m以及在第四绝热段820上以恒定率减小回到零。曲率的变化率的大小可在所述段中的所有段上是恒定的，如图8B中所示的。在一些实施例中，曲率的变化率的大小不恒定但变化得相对小，使得例如波导的曲率的变化率的大小的最大值处于波导的曲率的变化率的大小的平均值的40％内。在一些实施例中，波导可大致遵循标称曲线(例如绝热曲线或包括回旋曲线段的曲线，如下文所讨论的)，例如，在沿波导的段的每个点处，波导可处于标称曲线的3微米内。

图8C和8D示出针对其他实施例的作为沿波导的长度的函数的曲率。图8C的实施例包括：第一绝热段805，其具有与图8B的实施例的第一绝热段805相同的形状；第二绝热段822，其是具有曲率C_m的圆弧；以及第三绝热段820，其具有与图8B的实施例的第四绝热段820相同的形状。图8D的实施例包括：第一绝热段824，在所述第一绝热段内曲率增加到最大曲率C_m；以及第二绝热段826，在所述第二绝热段内曲率以恒定率减小回到零。图8C和8D的实施例可各自与图8A和8B的实施例具有(作为沿波导的长度的函数的曲率的)相同曲线下面积，并且因此在角度上具有相同的总变化。图8C的实施例比图8B的实施例可具有更短的总长度，并且图8D的实施例比图8B的实施例可具有曲率的更低的变化率。图8B、8C和8D中的每个实施例都具有镜面对称性；在一些实施例中，这种对称性不存在。例如，作为沿波导的长度的函数的曲率可与图8D的曲率类似，其中第一绝热段比第二绝热段更短并且具有曲率的更高的变化率(同时维持曲线下面积)。如本文中所使用的，“绝热段”是在其内曲率随着沿波导的长度以恒定率变化的波导的一节。如本文中所使用的，“绝热曲线”是由一个或多个绝热段(例如，由1与10个之间的绝热段)组成的曲线，并且在所述曲线内，方向和曲率在任何两个毗邻段之间的过渡处是连续的。在一些实施例中，波导的一个或多个段是回旋曲线(clothoid)弯，例如与图8A的那些弯类似的弯(除了在每个此类段内曲率可非线性地(以及连续地)变化而不是线性地变化以外)。如本文中所使用的，“回旋曲线”弯是在其内曲率连续变化的弯(照此，绝热弯是回旋曲线弯的示例)。在图8B-8D中，正曲率对应于按从第一刻面710进行到第二刻面715的方向的顺时针方向曲率。图8B-8D中用于曲率的符号的惯例(类似本文在图8G-8I的上下文中使用的惯例)具有以下效果：被弯曲以便朝向第一边缘109凹陷的波导具有正曲率。

在图8A的实施例中，可选择波导在第一刻面710处的角度以及第一刻面的角度，使得波导的基模耦合到第一刻面710之外的自由空间射束，所述自由空间射束具有垂直或几乎垂直(例如，在成垂直的0.01度和20.00度之间的角度内)于第一边缘109的中心线(例如，通过横向强度剖面的形心的线)。如图8E中所示的，刻面法线(刻面法线处于垂直于刻面的方向)与波导之间的角度可以是10.5度，以及边缘法线(边缘法线处于垂直于第一边缘109的方向)与波导之间的角度可以是14.0度。第一刻面710处的两个角度——(i)刻面法线与波导之间的角度和(ii)自由空间射束与刻面法线之间的角度——可通过斯涅尔定律(Snell's law)而相关。图8E还示出具有与第一刻面710平行的刻面的对应的第二芯片(例如硅芯片)828的一部分。硅芯片828不在应有位置示出，使得III-V半导体芯片的特征和硅芯片828的特征更明确可见；在组装的系统中，硅芯片828的刻面和第一刻面710可近乎相接触，例如，由大约1微米的间隙(例如，0.5微米与1.5微米之间的间隙)分开。硅芯片828可具有：与第一刻面710平行的刻面(或足够接近平行，以避免波导的端之间的间隙例如处于0.5微米与1.5微米之间时的两个芯片之间的接触)；以及波导，所述波导由于III-V材料的折射率(例如3.32)与硅的折射率(例如3.47)之间的差(间隙中可存在的折射率匹配材料的折射率可以是1.46)而处于与III-V芯片的波导605的角度不同的角度。硅芯片828可具有第二刻面(图8E中未示出)，以及光可按与图8E中所示的方式类似的方式在硅芯片828的第二刻面和光电子装置700的第二刻面715之间进行耦合。可在硅芯片上对III-V半导体芯片和硅芯片828的特征进行倒装芯片安装，并且照此，所述两个芯片的衬底可不抵触。

第二刻面715处的(III-V半导体芯片中和硅芯片中)波导和刻面的角度可以是第一刻面710处的那些的镜像。这类配置可具有以下的特性：恒定插入损耗(作为图8E中所示的X和Y方向中的未对准的函数)的椭圆可具有平行于或垂直于第一边缘109的长轴。这可意味着，透射为最大的Y方向上的对准基本上独立于间隙的宽度(即(i)硅芯片828上的波导刻面和(ii)第一刻面710之间的间隙的宽度)。例如，对于0.5微米和1.5微米之间的间隙宽度，透射为最大的Y偏移可变化了小于200nm或甚至更小(例如，小于50nm或小于10nm)。此外，反射对Y方向上的间隙和对准两者可具有相对小的依赖性。这可促进使用键合工具执行的主动对准过程，所述键合工具具有对键合头以及因此在直线网格上的移动的X和Y轴运动控制。可通过调整III-V半导体芯片(例如光电子装置)和硅芯片的相对定位同时监测光学插入损耗使用此类工具来执行对准。

在一些实施例中，波导的截面形状可如图8F中所示。波导可包括具有波导脊(ridge)830的芯(core)。具有第一厚度的第一板840可处于波导脊830的一侧上，以及具有第二厚度的第二板845可处于波导脊830的另一侧上。波导脊830可具有第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁具有第一侧壁高度h_s1，第二侧壁具有第二侧壁高度h_S2。在沿曲率为小的波导的点处，波导可以是带状波导，其中第一侧壁高度大约等于第二侧壁高度，并且其中第一板840和第二板845两者都足够薄，以对波导的基(TE00和TM00)模的形状几乎不具有影响。在沿显著曲率的波导的点处，波导可以是非对称的，并且例如曲线的内侧上的侧壁高度可被降低(并且曲线的内侧上的板的厚度对应地增加)，以减小由第二侧壁的表面粗糙度造成的光学损耗。在一些实施例中，第二侧壁高度h_S2为零；在一些实施例中，第二侧壁高度h_S2处于第一侧壁高度h_s1的0％与100％之间。

其中第二刻面715处(III-V半导体芯片中和硅芯片中)的波导和刻面的角度是第一刻面710处的那些的镜像的任何配置可(与图8A的配置类似)具有以下的特性：恒定插入损耗(作为图8E中所示的X和Y方向上的未对准的函数)的椭圆具有平行于或垂直于第一边缘109的长轴(其中插入损耗定义为由从硅芯片828上的第一波导沿波导605的长度跨第一间隙进入光电子装置700上的波导605中并且跨第二间隙进入硅芯片828上的第二波导中的光所经历的损耗)。如在图8A和8E的实施例中，当自由空间射束平行时，恒定插入损耗的椭圆的椭圆度可以是最大的，而如果自由空间射束是垂直的(例如，其中每个自由空间射束与第一边缘109成45度)，椭圆度则可以是最小的。在一些实施例中，键合头的精度是各向异性的(例如，在X中比在Y中更好)，以及恒定插入损耗的椭圆的椭圆度被选择成使期望插入损耗最小化。此外，其中自由空间射束为平行的任何配置可具有恒定插入损耗的椭圆具有相对高椭圆度的特性，而不管所述射束是否垂直于第一边缘109。如果自由空间射束不垂直于第一边缘109，则恒定插入损耗的椭圆可具有与射束对齐(并且也不垂直于第一边缘109)的长轴。在任何此类情况下，芯片都可相对键合头的较高精度方向进行取向，以便使期望的插入损耗最小化(例如，其中键合头的较高精度方向与恒定插入损耗的椭圆的短轴对准)。

图8G是示意传播图。第一自由空间射束850(例如，由第二芯片(诸如硅芯片828)所发射)入射在波导605的第一端855上，并且光传播通过波导605并作为第二自由空间射束865从波导605的第二端860来被发射。使用通过光电子装置700在垂直于第一边缘109(图8G中未示出)的方向上接收的光正以0度的角度进行传播以及逆时针方向变化具有正号的惯例，可以看出，在图8G中，第一自由空间射束850中的光以0度的角度进行传播，并且光在波导605的第一端855处做出第一正方向变化(例如，如果几何形状是图8E中所示的镜像，其中光以与刻面法线成24.5度的角度入射在刻面上并且在进入波导时(由于折射率中的变化)折射成与刻面法线成10.5度的角度，则方向变化为14度)。对于180度的总方向变化(其中28度发生在波导605的两端855、860处(即那两端处的角度刻面(图8G中未示出)处)，以及152度发生在弯曲波导605中)，光然后在它传播通过弯曲波导605时进行例如152度的进一步的方向变化(即，波导605内的总方向变化为152度)，并在波导605的第二端860处进行另一方向变化(例如，如果几何形状是图8E中所示的几何形状，则进行另一14度的方向变化)。由光电子装置700发射的第二自由空间射束865中的光以180度的角度进行传播。本文在图8G-8I的上下文中使用的惯例(与图8B-8D中用于曲率的符号的惯例类似)具有以下效果：被弯曲以便朝向第一边缘109凹陷的波导605具有方向上的正总变化(或“方向变化”)，并且如本文所使用的，波导内方向上的变化或方向变化被定义成：(i)如果它产生或趋向于产生被弯曲以便朝向第一边缘109凹陷的波导，则为正；以及(ii)如果它产生或趋向于产生被弯曲以便朝向第一边缘109凸起的波导，则为负。波导605中的总方向变化可在各种实施例中处于-15度与200度之间，其中以上给出的152度的总方向变化的示例处于此范围(即从-15度到200度的范围)内，并且其中此范围内的其他示例在下文给出。图8G-8I为示意图并且未按比例绘制。

在一些实施例中，接收的自由空间射束是以不同于0度的角度，或发射的自由空间射束是以不同于180度的角度。例如，在图8H的实施例中，接收的自由空间射束以45度的角度进行传播，并且发射的自由空间射束以135度的角度进行传播，使得(如果每个刻面处的方向变化是14度)光在它传播通过弯曲波导605时进行62度的方向变化。在一些实施例中，自由空间射束与刻面法线之间的角度不同于第一端855处或第二端860处的24.5度，或者刻面处的折射率之比不同于3.32/1.46。在此类实施例中，刻面处的角度变化可大于或小于14度。在一些实施例中(例如，如果接收的自由空间射束是以76度的角度，并且发射的自由空间射束是以104度的角度，并且每个刻面处的方向变化是14度)，波导605是直的或基本是直的(例如，在波导605中，光改变了0度与20度之间(或在一些实施例中是-15度与30度之间)的角度的方向)。在一些实施例中，波导605和刻面的几何形状缺乏镜面对称性，如例如在图8I中所示的。

图9A和9B示出其中第二刻面715处的刻面和波导的角度中的每个角度与第一刻面710处的对应角度相同而非作为第一刻面710处的对应角度的镜像的实施例。在图9A和9B的实施例中，选择刻面710、715处的波导的角度和刻面710、715的角度以使得自由空间射束垂直于第一边缘109。从第一刻面延伸到第二刻面的波导是绝热曲线，例如贝塞尔样条。如本文中所使用的，“贝塞尔样条”是这样的曲线：(i)由一个或多个二阶贝塞尔段组成，其中每个二阶贝塞尔段都是二阶贝塞尔曲线；并且(ii)在所述曲线内，方向和曲率在任何两个毗邻段之间的过渡处都是连续的。在一些实施例中，贝塞尔样条包括相对少(例如1与10之间)的贝塞尔段。

使用光刻法或用于制作光子集成电路的其他制作技术制作的波导可具有壁，所述壁具有小尺度(例如nm尺度)粗糙度。这种粗糙度可导致波导的每个壁在小尺度上具有相对大并沿波导的长度显著进行波动的局部曲率。然而，这种局部粗糙度对光在波导中的传播以及对基模和较高阶模之间的耦合可能具有相对小的影响。因此，将波导的曲率(如不同于波导的壁的局部曲率)在本文中定义为如果不考虑波导的小尺度粗糙度则将被测量的曲率。波导的曲率可例如用光学显微镜测量，所述光学显微镜可对比可见光的波长显著更小的特征(诸如波导壁粗糙度)不敏感。

如本文中所使用的，“光子芯片”是包括至少一个光学波导并可包括各种无源或有源光学装置(诸如激光器、调制器或光学分路器或组合器)的半导体芯片。如本文中所使用的，某物“的一部分”意指该物“的至少一些”，并且因此可意指该物的全部或少于该物的全部。照此，作为特殊情况，某物“的一部分”包括整个物，即，整个物是该物的一部分的示例。如本文中所使用的，当第二数量处于第一数量X的“Y内”时，意指第二数量至少是X-Y并且第二数量最多是X+Y。如本文中所使用的，当第二数是第一数的“Y％内”时，意指第二数至少是第一数的(1-Y/100)倍，并且第二数最多是第一数的(1+Y/100)倍。如本文中所使用的，词语“或”是包含性的，使得例如“A或B”意指(i)A、(ii)B和(iii)A和B中的任一个。

本文中所记载的任何数值范围旨在包括被纳入在所记载范围内的相同数值精度的所有子范围。例如，“1.0至10.0”或“1.0与10.0之间”的范围旨在包括所记载的最小值1.0与所记载的最大值10.0之间(并且包括所记载的最小值1.0和所记载的最大值10.0)的所有子范围，即从而具有等于或大于1.0的最小值以及等于或小于10.0的最大值，诸如例如2.4至7.6。本文中所记载的任何最大数值限制旨在包括其中纳入的所有较低数值限制，并且本说明书中所记载的任何最小数值限制旨在包括其中纳入的所有较高数值限制。

以下23个条款(clause)中描述了本发明的实施例的一些特征和特征的组合，每个此类条款被呈现为编号的段落，其中编号范围从1到23：

1.一种光子芯片，包括：

波导；以及

光学活性装置，所述光学活性装置包括所述波导的一部分，

所述波导具有：

所述光子芯片的第一边缘处的第一端；以及

第二端，并且

所述波导在所述第一端与所述第二端之间的各处具有曲率的变化率，曲率的所述变化率具有不超过2000/mm²的大小。

2.条款1的光子芯片，其中，包含所述波导的矩形的面积小于1000平方微米。

3.条款1或条款2的光子芯片，其中，包含所述波导的矩形的长度小于200微米。

4.前述条款中的任一条款的光子芯片，其中，包含所述波导的矩形的宽度小于80微米。

5.前述条款中的任一条款的光子芯片，其中，所述波导包括第一锥形部分，所述第一锥形部分具有更靠近所述第一端的宽端和更靠近所述第二端的窄端。

6.条款5的光子芯片，其中，所述宽端处于所述第一端的10微米内。

7.条款5或条款6的光子芯片，其中，所述第一锥形部分的长度处于所述波导的长度的三分之一的30％内。

8.条款5至7中的任一条款的光子芯片，其中，所述波导在所述宽端处具有第一宽度以及在所述窄端处具有第二宽度，并且所述第一锥形部分具有所述第一宽度与所述第二宽度之间的差的至少8倍的长度。

9.前述条款中的任一条款的光子芯片，其中，所述波导在所述第一端处的曲率小于0.1/mm。

10.前述条款中的任一条款的光子芯片，其中，所述波导在所述第二端处的曲率小于0.1/mm。

11.前述条款中的任一条款的光子芯片，其中，所述波导的中间80％中的点处的曲率小于0.1/mm。

12.前述条款中的任一条款的光子芯片，其中，所述波导在沿所述波导的每个点处都处于绝热曲线的3微米内。

13.前述条款中的任一条款的光子芯片，其中，所述波导的曲率的所述变化率的所述大小的最大值处于所述波导的曲率的所述变化率的所述大小的平均值的40％内。

14.前述条款中的任一条款的光子芯片，其中，所述波导在沿所述波导的每个点处都处于贝塞尔样条的3微米内。

15.前述条款中的任一条款的光子芯片，其中，所述波导在沿其长度的第一点处具有不对称轮廓。

16.条款15的光子芯片，其中，在所述第一点处，所述波导具有第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁具有第一高度，所述第二侧壁具有第二高度，所述第二高度比所述第一高度大了至少30％。

17.前述条款中的任一条款的光子芯片，其中：

所述第二端处于所述光子芯片的所述第一边缘处；

所述波导具有所述第一端处的第一刻面以及所述第二端处的第二刻面；

所述第一刻面：

在所述第一端处与所述波导相斜，以及

与所述第一边缘相斜，

所述波导在所述第一端处的基模对应于所述第一刻面之外的第一自由空间射束，所述第一自由空间射束具有第一中心线；以及所述波导在所述第二端处的基模对应于所述第二刻面之外的第二自由空间射束，所述第二自由空间射束具有第二中心线，

所述第一中心线处于与所述第二中心线平行的10度内。

18.条款17的光子芯片，其中，所述第二中心线处于所述第一中心线的方向的镜像的方向的10度内。

19.条款17或条款18的光子芯片，其中：

所述第一中心线处于与所述第一边缘垂直的10度内，以及

所述第二中心线处于与所述第一边缘垂直的10度内。

20.前述条款中的任一条款的光子芯片，其中，所述波导内的总方向变化小于175度。

21.前述条款中的任一条款的光子芯片，其中，所述波导内的总方向变化小于155度。

22.一种光子芯片，包括：

波导；以及

光学活性装置，所述光学活性装置包括所述波导的一部分，

所述波导具有：

处于所述光子芯片的第一边缘的第一端；以及

第二端，并且

其中所述波导内的总方向变化小于175度。

23.条款22的光子芯片，其中，所述波导内的总方向变化小于175度。

尽管本文已经具体描述和说明了光电子装置及其阵列的示例性实施例，但是许多修改和变化对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，应理解，根据本公开的原理构造的光电子装置及其阵列可按除本文具体描述的以外的方式来实施。在接下来的权利要求及其等效物中也定义了本发明。

Claims (21)

1.一种光子芯片，包括：

电吸收调制器，所述电吸收调制器包括波导，

所述波导具有：

所述光子芯片的第一边缘处的第一端；以及

所述光子芯片的所述第一边缘处的第二端，

所述波导在所述第一端与所述第二端之间的点处具有曲率，所述曲率具有大于5/mm的大小，以及

所述波导在所述第一端与所述第二端之间的各处具有曲率的变化率，曲率的所述变化率具有不超过2000/mm²的大小。

2.如权利要求1所述的光子芯片，其中，包含所述波导的矩形的面积小于1000平方微米。

3.如权利要求1或权利要求2所述的光子芯片，其中，包含所述波导的矩形的长度小于200微米。

4.如前述权利要求中的任一项所述的光子芯片，其中，包含所述波导的矩形的宽度小于80微米。

5.如前述权利要求中的任一项所述的光子芯片，其中，所述波导包括第一锥形部分，所述第一锥形部分具有更靠近所述第一端的宽端以及更靠近所述第二端的窄端。

6.如权利要求5所述的光子芯片，其中，所述宽端处于所述第一端的10微米内。

7.如权利要求6所述的光子芯片，其中，所述第一锥形部分的长度处于所述波导的长度的三分之一的30％内。

8.如权利要求7所述的光子芯片，其中，所述波导在所述宽端处具有第一宽度以及在所述窄端处具有第二宽度，并且所述第一锥形部分具有所述第一宽度与所述第二宽度之间的差的至少8倍的长度。

9.如权利要求8所述的光子芯片，其中，所述波导在所述第一端处的曲率小于0.1/mm。

10.如权利要求9所述的光子芯片，其中，所述波导在所述第二端处的曲率小于0.1/mm。

11.如权利要求10所述的光子芯片，其中，所述波导的中间80％中的点处的曲率小于0.1/mm。

12.如前述权利要求中的任一项所述的光子芯片，其中，所述波导在沿所述波导的每个点处都处于绝热曲线的3微米内。

13.如前述权利要求中的任一项所述的光子芯片，其中，所述波导的曲率的所述变化率的所述大小的最大值处于所述波导的曲率的所述变化率的所述大小的平均值的40％内。

14.如前述权利要求中的任一项所述的光子芯片，其中，所述波导在沿所述波导的每个点处都处于贝塞尔样条的3微米内。

15.如前述权利要求中的任一项所述的光子芯片，其中，所述波导在沿其长度的第一点处具有不对称轮廓。

16.如权利要求15所述的光子芯片，其中，在所述第一点处，所述波导具有第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁具有第一高度，所述第二侧壁具有第二高度，所述第二高度比所述第一高度大了至少30％。

17.如前述权利要求中的任一项所述的光子芯片，其中：

所述波导具有所述第一端处的第一刻面以及所述第二端处的第二刻面；

所述第一刻面：

在所述第一端处与所述波导相斜，以及

与所述第一边缘相斜，

所述波导在所述第一端处的基模对应于所述第一刻面之外的第一自由空间射束，所述第一自由空间射束具有第一中心线；

所述波导在所述第二端处的基模对应于所述第二刻面之外的第二自由空间射束，所述第二自由空间射束具有第二中心线；以及

所述第一中心线处于与所述第二中心线平行的10度内。

18.如权利要求17所述的光子芯片，其中，所述第二中心线处于所述第一中心线的方向的镜像的方向的10度内。

19.如权利要求18所述的光子芯片，其中：

所述第一中心线处于与所述第一边缘垂直的10度内，以及

所述第二中心线处于与所述第一边缘垂直的10度内。

20.如前述权利要求中的任一项所述的光子芯片，其中，所述波导内的总方向变化小于175度。

21.如权利要求20所述的光子芯片，其中，所述波导内的总方向变化小于155度。