CN1662836A

CN1662836A - 非晶硅合金基集成光斑大小转换器

Info

Publication number: CN1662836A
Application number: CN038048000A
Authority: CN
Inventors: 约瑟夫·H·埃伯利斯; 纳基德拉纳什·马利; 小拉尔夫·杜德·惠利; 杨立友
Original assignee: Sarnoff Corp
Current assignee: Sarnoff Corp
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2005-08-31
Also published as: EP1478955A2; WO2003075052A2; US6888984B2; KR20040088501A; WO2003075052A3; US20030165293A1; JP2005519318A

Abstract

一种适合用于光学耦合到具有第一光斑大小的至少一个光纤的光子器件(10)，该器件包括：至少一个光子元件(30－50)；以及，一个在至少一个光子元件和至少一个光纤之间光学耦合的渐变折射率透镜(60)；其中，该渐变折射率透镜适合将从至少一个光子元件的光学传输转换为第一光斑大小。在一实施例中，该渐变折射率透镜包含非晶硅基合金材料。

Description

非晶硅合金基集成光斑大小转换器

技术领域

本发明一般涉及光电子器件，并尤其涉及适于与光电子器件共同使用的光斑大小转换器。

背景技术

III-V型半导体化合物器件一般用于利用光纤作为传输介质的光通信网络中。这些器件的每一个一般可连接到至少一根光纤上。需要获得这种光电器件和光纤之间传输的有效功率耦合。

然而，这种半导体器件一般可具有小的模尺寸(例如，在横向上≤约1μm)。该半导体器件相对小的模尺寸往往会引起与光纤耦合的减弱而导致损耗，损耗代表在光网络中光功率预算的主要部分。另外，玻璃纤维的模形状基本上对称，而这种半导体器件的模形状基本上不对称。这种形状的不匹配也可导致损耗。

因此，非常需要提供一种用于在光子元件和光纤之间提供光学耦合的改进的系统和方法。

发明内容

一种适合用于光学耦接至至少一具有第一光斑大小的光纤的光子器件，该器件包括：至少一光子元件；以及，在至少一光子元件和至少一光纤之间光学耦合的一渐变折射率透镜；其中，该渐变折射率透镜适于将自至少一光子元件的光学传输转换为第一光斑大小。

附图说明

通过对结合附图对本发明较佳实施例的下列详细描述的考虑将促进对本发明的理解，其中相同的数字表示相同的部件，其中：

图1说明根据本发明的一个方面，包括有光斑大小转换器的光子系统的截面图；

图2a和图2b分别说明一系列通过变化N₂/SiH₄的比例制成的a-SiN_x膜的折射率-和在PECVD处理中使用SiH₄+CH₄+H₂混合气体制造而成的a-SiC_x膜；以及

图3a和图3b说明根据本发明的一个方面，发射的本征模和扩展模。

具体实施方式

应当理解，本发明的图和描述已经简化以说明与清楚理解本发明相关的元件，而为了清楚起见，省略了许多在典型的光电子器件、半导体光波导和与其相关的制造方法中常见的其他元件。所属领域的技术人员将认识到为了实现本发明，其它元件是需要和/或必要的。然而，因为这些元件在本领域中是熟知的，又因为它们不促进对本发明的更好理解，所以本文不提供对这些元件的讨论。本揭示案意在所属领域技术人员已知的这些器件、波导和方法的变化和修改。

根据本发明的一个方面，可利用一诸如渐变折射率(GRIN)透镜的集成透镜实现III-V型半导体器件至光纤的光斑大小转换，其中折射率变化使得其极接近对应于半导体器件的模峰值并且二次降低作为横向位置函数的值。这种透镜可用来俘获来自尤其关于横模分布的半导体波导的发散的光：由于横向尺寸中的小的光斑大小尺寸，光自波导以广角辐射图案发散，使得通常难以有效地俘获该发散光。然而，利用该透镜，广角横向辐射图案可被转换为窄角辐射图案。

根据本发明的一个方面，可使用a-Si基合金材料集成的二次渐变折射率(GRIN)透镜。根据本发明的一个方面，a-Si基合成材料也可用于形成波导，该波导用于将III-V型半导体化合物器件和该光斑大小转换器与光纤耦合。当然，其它适当的材料也可用于制造这种GRIN透镜。

现参照图1，其示出了根据本发明的一个方面包括有光斑大小转换的系统10。系统10通常包括器件区域A、光斑转换器区域B和波导区域C。应当理解，尽管图1说明光斑大小转换器区域B光学地插入于器件区域A和波导区域C中间，这仅为了说明的非限定性目的。即，波导区域C可插入在器件区域A和光斑大小转换器区域B之间。另外，从下列描述中可明显的看出，波导区C域可被省略。

器件区域A通常可包括一个或多个III-V型半导体化合物基光子器件，诸如类似例如半导体激光器的有源器件，或是例如基于诸如波导的分束器/组合器的无源器件。本发明仅为了非限定性说明的目的，将进一步就单个有源器件进行讨论。这种器件，例如，包括形成在InP基底20上的具有插入在二者之间的InGaAsP核心InP层30、40核心。可设有或可不设有外覆层电介质层70。相关领域中一般的技术人员此种器件的制造和操作。区域A具有对应于核心50大小约为≤约1μm的光斑大小。然而，如前所述，需要将区域A光学耦接到具有大小约为≥约5μm的光斑大小的光纤。

光斑大小转换器区域B通常包括光学耦合至区域A的III-V型半导体化合物基光子元件的核心50的层状渐变折射率(GRIN)透镜60。如前所述，或是代替区域A或是加在区域A上，转换器区域B可被光学耦合至波导区域C。光斑转换器区域B用于在器件区域A的光斑大小(例如，≤约1μm)和对应于可与其进行光学通信的光纤的光斑大小(例如，≥约5μM)之间转换横贯其的光传输。例如，GRIN透镜60可具有从核心处的n＝3.5变化至其最外边缘处的n＝3.3的渐变折射率分布。电介质层70可外涂覆区域B并具有与GRIN透镜60的最外边缘接近(例如n＝3.3)的折射率。当然，也可使用其它的折射率值；如考虑到横向位置折射率二次变换。

相关领域中一般的技术人员将会理解，可获得使用这种转换器区域B的高效横模转换。例如，折射率为n＝3.5为标准的InGaAsP 0.2μm有源区的核心50的和折射率为n＝3.17的3μm的上和下InP覆层可提供入射到横向渐变折射率(GRIN)透镜的透射，该透镜的折射率分布近似为：

n²(x)＝n²(0)(1-(gx)²)

其中n(x)是作为横向位置函数的折射率，n(0)为中央折射率，g为下述给出的透镜曲率

g = \frac{\sqrt{Δn}}{a}

其中a为核心和覆层之间的距离(透镜半径)，且Δn＝[n²(0)-n² _c]/n²(0)为相对折射率。使用等于透镜60的边缘折射率的n＝3.3的电介质外涂覆层70，可防止透镜和空气之间的大的折射率跳跃，其否则可导致强反射和模损坏。相关领域中的一般技术人员将会理解，例如GRIN透镜60可具有与所要的模扩展相对应的长度和渐变折射率分布。

现参照图3a和图3b，其示出了对应系统10的场强曲线。InP/InGaAsP/InP波导的本征模可具有0.85μm的半高全宽(FWHM)光束腰。非晶硅GRIN透镜60的场强图可具有3.1um光束腰的扩展模。图3a中示出了该发射本征模，图3b中示出了扩展模。例如，图3b中右下方上的波纹对应于来自透镜/基底界面的反射。

再次参照图1，波导区域C通常可包括a-Si材料基非晶合金波导，该波导光学耦接在区域A的核心50和至少一光纤之间，器件区域A将该光纤进行光学通信。如前所述，波导区域C可被完全省略，例如，或是光学插入在区域A和区域B之间。波导区域C的折射率可在核心折射率和GRIN透镜60最外边缘折射率之间(例如，在n＝3.5和n＝3.3之间)。波导区域C的折射率与在该透镜和区域C的界面65处的GRIN透镜60折射率分布统计相关。例如，波导区域C的折射率近似于GRIN透镜60和波导区域C之间的界面65处的GRIN透镜60的折射率分布的平均值。波导区域C可进一步包括适于耦接到一根或多根光纤的界面85。

根据本发明的一个方面，区域B和/或C可利用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)法由诸如a-Si:H或a-Si:F合金的a-Si基合金材料制造。如所属领域的一般技术人员将理解的，在PECVD法淀积a-Si材料的情况中，在1.55μm操作波长的光学吸收为所期望的低值，其导致低损耗和良好的光学透射特性。可通过使主要淀积气体掺杂锗、碳、氮或其它元素来改变非晶硅的光学特性(包括折射率以及在可见光和近红外波长的光吸收)，并且该材料易于掺入(例如)硼或磷。

根据本发明的一个方面，可用于形成区域B和/或区域C的非晶硅(a-Si)基合金材料可包括a-Si:H和a-Si:F基合金，诸如a-SiC_x，其中0＜x＜1，a-SiN_y，其中0＜y＜1.33，a-SiO_z，其中0＜z＜2，以及a-SiGe_w，其中0＜w＜1。

该a-Si基区域可提供用于耦接到光纤的III-V型半导体化合物基器件的迅速集成和互连。这由几个特性产生，包括(例如)：在1550nm处约为0.2cm^-1的光损耗；经过合成物处理的大范围的可调节性折射率，与III-V型半导体波导的折射率匹配及根据需要显著超过它的性能，以及通过等离子体增强化学气象淀积(PECVD)技术淀积高纯度、低应力、层状结构的性能。除了低耦合损耗，这种折射率匹配的光斑大小转换器还可用于减小界面反射和散射光感应器件性能恶化，诸如模拟通道的恶化。另外，使用氟基等离子体蚀刻这种材料，其可相对于(例如)InP提供较好的选择性。

另外，通过淀积和渐变折射率，这种PECVD膜的使用为设计光斑大小转换器提供了很大的灵活性。表1说明了通过气体的适当选择和它们的流量比，可在单个系统中淀积折射率范围从2.4至3.7的膜的方法的实例。

表1

材料	气体	膜中N/Si，C/Si的比	折射率
材料	气体	膜中N/Si，C/Si的比	折射率	多硅氮化硅	SiH₄，N₂	0.05-1.0	2.4-3.7
碳化硅	SiH₄，CH₄	0-1.0	2.6-3.7	多硅氮化硅	SiH₄，N₂	0.05-1.0	2.4-3.7

现参照图2a，其示出了说明用在形成包括a-SiC_x的波导的PECVD加工中，可获得的作为CH₄与SiH₄比值函数的折射率图表。现参照图2b，其示出了说明用在形成包括a-SiN_x材料的PECVD加工中，可获得的作为N₂与SiH₄比值函数的折射率图表。在这个折射率范围内，可在1.5μm范围内生长具有低光学损耗(例如，＜约0.5dB/cm)的膜。

根据所要分布，通过改变源气体的流量比(诸如不断的变化)，淀积具有预设垂直渐变折射率分布的层。为了精确地控制折射率于一百分比内，可使用源气体(SiH₄和N₂)的预混提高原始化合物的再现性。另一个具有适当大小的精度的流量控制器的可变源(或是SiH₄或是N₂)可被用于相对于基准化合物提供精确的折射率渐变度。

PECVD膜通常小于2μm厚，光斑大小转换器区域B需要的层厚在5-10μm范围内。然而，当可获得高淀积速度(～5μm/hr)以及可通过(例如)调整诸如压力和惰性气体稀度的淀积参数在大范围内控制膜层中应力，从拉长至压缩时，这种PECVD加工一般较适于厚膜应用。

如果在用于实现本发明的芯片切割边缘处(如，界面65或85)需要更好的控制模特性，则渐变折射率透镜(GRIN)60可在(例如)纵向方向上对应模扩展/收缩最佳点的一点上被蚀刻。接着可在该蚀刻芯片边缘淀积折射率匹配a-Si波导区域C，以保持用于耦接入光纤的扩展模形状。

相关领域的一般技术人员会意识到，这种渐变折射率透镜相对于(例如)底层基底可主要在垂直方向上提供模扩展。可用相关领域的一般技术人员熟知的其它用于侧向扩展模的传统技术(例如相对于同一基底)增强这种垂直方向上的扩展。这种技术包括，例如，有源和无源波导的逐渐变细，如第6,253,009号美国专利中揭示的，其题目为“SEMICONDUCTOR OPTICAL COMPONENT COMPRISING A SPOT-SIZE CONVERTER”，如本文中将其全文陈述一样，其全文以引用的方式并入本文中。另外，有源和无源波导可以叠合以产生一衰减垂直耦合区域，该区域有源波导的宽度逐渐变细以去除一横模的限定，而无源波导的宽度快速增长至某一定值。当一横模变为无限定，其可显示与(例如)传统碰撞耦接技术相比的改良的至无源波导的透射的。

在这种可稍微独立的提供垂直和侧模扩展情况中，当模形状作类似改变时，由模形状失配形成的连接损耗至少可被部分的缓和。

对所属领域的技术人员来说，在不脱离本发明精神或范围内，本发明的装置和方法中的各种修改和变化将是显而易见的。因此，本发明涵盖了在所附权利要求及其同等物范围内的本发明的改进和改变。

Claims

1、一种适合用于光学耦接至具有第一光斑大小的至少一个光纤的光子器件，所述器件包含：

至少一个光子元件；以及

一在所述至少一个光子元件和所述至少一个光纤之间光学耦合的渐变折射率透镜；

其中，所述渐变折射率透镜适于将来自至少一个光子元件的光学传输转换为所述第一光斑大小。

2、根据权利要求1所述的器件，其中所述第一光斑大小为≥约5μm。

3、根据权利要求2所述的器件，其中所述光子元件具有一个≤约1μm的第二光斑大小。

4、根据权利要求3所述的器件，其中所述至少一个光子元件包含至少一个III-V型半导体化合物基光子元件。

5、根据权利要求4所述的器件，其中所述渐变折射率透镜还适于将来自所述光纤的光学传输转换为所述第二光斑大小。

6、根据权利要求1所述的器件，其中所述渐变折射率透镜具有横向位置函数平方变换的折射率分布。

7、根据权利要求6所述的器件，其中所述渐变折射率透镜最外边缘处的折射率小于至少一个其它横向位置处的折射率。

8、根据权利要求1所述的器件，其中所述渐变折射率透镜包含至少一个非晶硅基合金材料。

9、根据权利要求8所述的器件，其中所述非晶硅基合金材料包含至少一种a-Si:H或a-Si:F基合金。

10、根据权利要求8所述的器件，其中所述至少一种非晶硅基合金材料包含至少一种选自基本上由下列各材料组成的群组中的材料：a-SiC_x，其中0＜x＜1；a-SiN_y，其中0＜y＜1.33；a-SiO_z，其中0＜z＜2；以及a-SiGe_w，其中0＜w＜1。

11、根据权利要求1所述的器件，还包含至少一个光学耦接至所述渐变折射率透镜的波导。

12、根据权利要求11所述的器件，其中所述渐变折射率透镜包含第一和第二折射率，并且所述波导的折射率大于所述渐变折射率透镜的所述第一折射率且小于所述渐变折射率透镜的所述第二折射率。

13、根据权利要求11所述的器件，其中所述渐变折射率透镜具有一折射率分布并且所述波导的折射率约等于所述渐变折射率透镜的所述折射率分布的平均值。

14、根据权利要求11所述的器件，其中所述渐变折射率透镜和波导各包含至少一种非晶硅基合金材料。

15、根据权利要求11所述的器件，其中所述渐变折射率透镜和波导各包含至少一种a-Si:H或a-Si:F基合金。

16、根据权利要求15所述的器件，其中所述至少一种非晶硅基合金材料包含至少一种选自基本上由下列各材料组成的群组中的材料：a-SiC_x，其中0＜x＜1；a-SiN_y，其中0＜y＜1.33；a-SiO_z，其中0＜z＜2；以及a-SiGe_w，其中0＜w＜1。

17、根据权利要求1所述的器件，其中所述渐变折射率透镜包含一个二次渐变折射率透镜。

18、根据权利要求1所述的器件，还包含与至少所述渐变折射率透镜相邻的覆层。

19、根据权利要求18所述的器件，其中所述渐变折射率透镜的折射率n(x)是作为横向位置函数，其中n²(x)＝n²(0)(1-(gx)²)，n(0)为中央折射率，且g为透镜曲率，

g = \frac{\sqrt{Δn}}{a}

其中a为透镜半径，且相对折射率为Δn＝[n²(0)-n² _c]/n²(0)，且N_c为所述覆层的折射率。

20、根据权利要求1所述的器件，其中所述渐变折射率透镜至少部分横向变细。

21、一种用于将至少一个具有第一光斑大小的光子器件光学耦合到至少一个具有第二光斑大小的光纤的方法，所述方法包含形成一渐变折射率透镜，该透镜适于将光学传输从所述第一光斑大小转换为所述第二光斑大小，以使其与所述至少一个光子器件集成；其中，所述渐变折射率透镜适于光学耦合在所述至少一个光子器件和光纤之间。

22、根据权利要求21所述的方法，其中所述形成步骤包含使用至少一种非晶硅基合金材料。

23、根据权利要求21所述的方法，其中所述非晶硅基合金材料包含至少一种a-Si:H或a-Si:F基合金。

24、根据权利要求22所述的方法，其中所述至少一个非晶硅基合金材料包含至少一种选自基本上由下列各材料组成的群组中的材料：a-SiC_x，其中0＜x＜1，a-SiN_y；其中0＜y＜1.33，a-SiO_z，其中0＜z＜2；以及a-SiGe_w，其中0＜w＜1。

25、根据权利要求22所述的方法，其中所述形成步骤包含以变化方式等离子体增强化学气相淀积所述非晶硅基合金材料。

26、根据权利要求21所述的方法，其中所述至少一个渐变折射率透镜至少部分侧向变细。

27、根据权利要求21所述的方法，其中所述形成步骤包含离子体增强化学气相淀积处理步骤，其利用：

至少一第一气体来为所述渐变折射率透镜提供至少一个基准折射率；以及，

至少一第二气体来改变作为横向位置函数的所述至少一个基准折射率。