DE102020130337B4

DE102020130337B4 - Single-etch-gitterkoppler mit breiter bandbreite mit individuell abgestimmten gitterabschnitten

Info

Publication number: DE102020130337B4
Application number: DE102020130337.8A
Authority: DE
Inventors: Sean Hooten; Thomas Van Vaerenbergh; Peng Sun; Raymond G. Beausoleil
Original assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2022-12-15
Anticipated expiration: 2040-11-18
Also published as: CN112987178B; DE102020130337A1; US10884192B1; CN112987178A

Abstract

Ein Gitterkoppler (100, 300, 400), umfassend:einen planaren Wellenleiter (102);einem ersten Gitterabschnitt (106a) mit einer ersten Vielzahl von Gräben (110), die in den planaren Wellenleiter (102) geätzt sind,wobei der erste Gitterabschnitt (106a) eine erste Gitterlinien-Teilmenge und eine zweite Gitterlinien-Teilmenge umfasst, wobei jede Gitterlinien-Teilmenge eine Anzahl von Perioden des ersten Gitterabschnitts (106a) umfasst; undeinen zweiten Gitterabschnitt (106b) mit einer zweiten Vielzahl von Gräben (110), die in den planaren Wellenleiter (102) geätzt sind,wobei die erste Vielzahl von Gräben (110) und die zweite Vielzahl von Gräben (110) eine Single-Etch-Schicht mit einer gleichmäßigen Tiefe umfasst, und wobeider erste Gitterabschnitt (106a) so konfiguriert ist, dass Licht einer ersten Wellenlänge (λ-1) eines Eingangslichtsignals (108) unter einem ersten Winkel (θ1) relativ zur Vertikalen gestreut wird, und dass Licht einer zweiten Wellenlänge (λ-2) eines Eingangslichtsignals (108) unter einem zweiten Winkel (θ2) relativ zur Vertikalen gestreut wird, und wobeider zweite Gitterabschnitt (106b) so konfiguriert ist, dass Licht der ersten Wellenlänge (λ-1) unter einem dritten Winkel (θ3) relativ zur Vertikalen gestreut wird, und/oder dass Licht der zweiten Wellenlänge (λ-2) unter einem vierten Winkel (θ4) relativ zur Vertikalen gestreut wird,so dass das Eingangslichtsignal (108) der ersten Wellenlänge (λ-1) und das Eingangslichtsignals (108) der zweiten Wellenlänge (λ-2) durch den Gitterkoppler (100, 300, 400) unter einem im Wesentlichen gleichen gewünschten Winkel (θdesired) relativ zur Vertikalen gestreut wird.

Description

Beschreibung der verwandten Technik
Die optoelektronische Kommunikation (z.B. die Verwendung optischer Signale zur Übertragung elektronischer Daten) wird immer mehr zu einer potenziellen Lösung, zumindest teilweise, für die ständig steigende Nachfrage nach Datenübertragungen mit hoher Bandbreite, hoher Qualität und niedrigem Stromverbrauch in Anwendungen wie Hochleistungs-Computersystemen, Datenspeicherservern mit großer Kapazität und Netzwerkgeräten. Die Silizium-Photonik betrifft den Entwurf optischer Strukturen und Vorrichtungen, die Silizium als optisches Medium verwenden. Der Bedarf an hocheffizienter Datenkommunikation mit niedriger Latenzzeit in Datenzentren und Hochleistungsrechnersystemen hat die Entwicklung der Silizium-Photonik vorangetrieben.
Die US 2009/0290837 A1 bezieht sich auf eine optische Vorrichtung zur Einkopplung von Licht.
Die US 2018/0067251 A1 beschreibt eine auf einem Farbabtastgitter basierende Hintergrundbeleuchtung, ein elektronisches 3D-Farbdisplay und ein Verfahren zum Betrieb eines elektronischen Farbdisplays, das Farbabtastung verwendet.
Die US 2004/0165637 A1 offenbart Vorrichtungen und/oder Verfahren zur Herstellung elektrisch gepumpter Chip-Laserdioden, die horizontales Licht erzeugen, aber oberflächenemittierend sind.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird entsprechend einer oder mehrerer verschiedener Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die folgenden Abbildungen detailliert beschrieben. Die Abbildungen dienen nur der Veranschaulichung und stellen lediglich typische oder beispielhafte Ausführungsformen dar.

1 zeigt ein Beispiel für einen versetzt abgestimmten Gitterkoppler in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der hier offenbarten Technologie.
2 zeigt ein weiteres Beispiel für einen versetzt abgestimmten Gitterkoppler in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der hier offenbarten Technologie.
3 zeigt ein weiteres Beispiel für einen versetzt abgestimmten Gitterkoppler, der für vertikale Streuung konfiguriert ist, in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der hier offenbarten Technologie.
4 zeigt ein weiteres Beispiel für einen versetzt abgestimmten Gitterkoppler, der für vertikale Streuung konfiguriert ist, gemäß den Ausführungsformen der hier offenbarten Technologie.

Die Figuren sind nicht erschöpfend und beschränken die vorliegende Offenbarung nicht auf die genaue Form.
Detaillierte Beschreibung
Die Entwicklung hocheffizienter photonischer Siliziumverbindungen wird verfolgt, um den Stromverbrauch bei der Datenkommunikation auf Server- und Chip-Ebene zu reduzieren. Obwohl die optische Datenkommunikation eine vielversprechende Technologie ist, müssen viele technische Herausforderungen beim Design von photonischen Vorrichtungen überwunden werden. Eine große technische Herausforderung der Silizium-Photonik ist die Kopplung von Licht auf und von photonischen Chips an externe Verbindungen. Gitterkoppler sind passive Bauelemente im Mikromaßstab, die eine in einem Wellenleiter geführte Welle durch die konstruktive Interferenz periodisch geätzter Gräben (oder Streuelemente) effizient in einen weitgehend unidirektionalen Ausgangsstrahl mit einer gewünschten Modenform umwandeln können. Gitterkoppler bestehen traditionell aus einem optischen Wellenleiter, der in einer räumlich periodischen Weise geätzt wird, um eine Phasenanpassungsbedingung zwischen einer geführten Mode im Wellenleiter und Fernfeld-Streumoden zu schaffen.
Konventionelle Gitterkoppler-Designs ermöglichen die Einkopplung von Licht, wobei im Allgemeinen ein Kompromiss zwischen der Gesamtkopplungseffizienz, der Rückreflexion in den Wellenleiter und dem Winkel einer Off-Chip-Lichtleitfaser besteht (z.B. Schwierigkeiten bei der Optimierung für kleine Eingangs-/Ausgangswinkel bei gleichzeitig geringer Reflexion und hoher Gesamtkopplungseffizienz). Aufgrund grundlegender physikalischer Beschränkungen ist ein vertikales Streuen von Licht (d.h. senkrecht zum photonischen Chip) bei der Verwendung von konventionellen Single-Etch-Gitter-Designs wegen der großen Rückreflexion zum Eingang sehr schwierig. Folglich streuen Gitterkoppler, die angeblich eine vertikale Kopplung liefern, das Licht typischerweise in einem Winkel zur Vertikalen, statt wirklich senkrecht. Aus der Sicht des Packaging eines photonischen Chips ist eine Kompensation dieser nicht-vertikalen Streuung unerwünscht. Eine solche Kompensation kann kostspielig und komplex werden, sowohl in Bezug auf zusätzliche Komponenten als auch auf optische Verluste. Dies erhöht auch die Gesamtgröße des für den photonischen Chip erforderlichen Gehäuses und macht auch das Design der optischen Anschlüsse (zur Verbindung des photonischen Chips mit einer externen Vorrichtung) komplexer.
Um dieses Problem zu umgehen, enthalten viele konventionelle Gitterkoppler-Konstruktionen zusätzliche Elemente oder Konstruktionsansätze, die darauf abzielen, die Auswirkungen einer nicht vertikalen Kopplung durch die Hinzufügung anderer Komponenten zu reduzieren (wodurch mehr Freiheitsgrade hinzugefügt werden, die in der Konstruktion angepasst werden können). Einige aktuelle Lösungen nutzen beispielsweise mehrere Ätztiefen über den Gitterkoppler, mehrere strukturierte Schichten aus verschiedenen Materialien, Sub-Wellenlängenmerkmale für die Antireflexion, rückseitige Metallspiegel oder Bragg-Reflektoren oder „Blazed“-Designs mit Winkelätzung. Leider sind viele dieser Designs aus der Sicht der konventionellen Silizium-auf-Isolator (SOI)-Fertigungstechniken unpraktisch, während andere unter einer hohen Fertigungsempfindlichkeit leiden (z.B. Maskenversatz für mehrere Schichten oder Ätzungen, Materialdicke, Gitterätztiefe, Gitterperiode usw.). Wenn z.B. mehrere Ätzungen erforderlich sind oder mehrere Schichten verwendet werden, erhöht sich die Komplexität der Fertigung und die Notwendigkeit einer hohen Fertigungspräzision. Darüber hinaus sind Gitterkoppler ebenso empfindlich gegenüber Umgebungsänderungen, z.B. Temperaturschwankungen. Fertigungsungenauigkeiten und Temperaturänderungen können zu Problemen mit verschiedenen Systemparametern führen, wie z.B. Kopplungseffizienzen/-koeffizienten, optischer Bandbreite oder Wellenlänge (z.B. Bragg-Gitter-Wellenlänge), insbesondere im Hinblick auf die vertikale Streuung des Lichts.
Darüber hinaus arbeiten typische Gitterkoppler nur über eine schmale Bandbreite, da die Koppler so konstruiert sind, dass sie Licht unter einem bestimmten Winkel emittieren. Die Periodizität des Kopplers über die Gitterlinie führt dazu, dass das Licht aufgrund von Interferenz in einem gewünschten Winkel gestreut wird. Die Off-Chip-Lichtleitfaser ist im Allgemeinen unter dem gleichen Winkel positioniert, wodurch das Licht unter diesem Winkel in die Lichtleitfaser ein- oder ausgekoppelt werden kann. Aufgrund dieses spezifischen Winkeldesigns sind Gitterkoppler typischerweise nur für eine schmale Bandbreite optimiert, wobei die Kopplungseffizienz außerhalb dieses Bereichs aufgrund der winkelversetzten Natur des Lichts bei anderen Wellenlängen, die nicht an den spezifischen Winkel gebunden sind, drastisch abnimmt. Daher eignen sich die meisten Gitterkoppler nicht für den Einsatz in Anwendungen mit großer Bandbreite, wie z.B. in CWDM-Anwendungen (Coarse Wavelength Division Multiplexing). In einigen Fällen können zusätzliche Gitterschichten und/oder komplexe Formen für die Gitterzähne (d.h. Gräben) verwendet werden, um zu versuchen, die effektive Reichweite des Gitterkopplers zu erhöhen, aber solche Ansätze können die Möglichkeiten der SOI-Fertigungstechniken übersteigen und zu Kopplern führen, die empfindlich auf Änderungen der Umgebung reagieren.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen Gitterkoppler zur Verfügung, die unter Verwendung einer Single-Etch-Schicht eine hohe Kopplungseffizienz über eine große Bandbreite erreichen können. Auf diese Weise sind Gitterkoppler in Übereinstimmung mit der hier offenbarten Technologie im Vergleich zu Mehrschicht- und/oder Mehrfachätzansätzen weniger empfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen, während sie dennoch eine effektive Streuung über eine größere Bandbreite für die Kopplung in eine externe Verbindung (z.B. eine optische Faser) bieten. Verschiedene hier besprochene Ausführungsformen bieten versetzt abgestimmte Gitterkoppler. „Versetzt abgestimmt“ bedeutet, dass verschiedene Abschnitte entlang des Gitterkopplers so abgestimmt werden, dass Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen unter verschiedenen Winkeln gestreut wird. Über die Länge des versetzt abgestimmten Gitterkopplers führt die Interferenz dazu, dass Licht unterschiedlicher Wellenlängen unter dem gleichen gewünschten Winkel gestreut wird, wodurch eine effektive Einkopplung des Lichts über ein breiteres Band in die externe Verbindung ermöglicht wird. Aufgrund der Abstimmung der verschiedenen Abschnitte des Kopplers kann mit einer einzigen Ätzung ein breiteres Band von Wellenlängen unter einem gewünschten Streuwinkel gestreut werden, ohne dass zusätzliche Spiegel, Bragg-Reflektoren oder Ähnliches zur Kompensation der Rückreflexion und zur Erhöhung der Kopplungseffizienz eingebaut werden müssen. Darüber hinaus ist vertikale Single-Etch-Streuung möglich, indem ein Kopplerdesign erstellt wird, das Licht sowohl in negativen als auch in positiven Winkeln über den Koppler streut, was zu einem Netto-Streuwinkel von null Grad führt.
Eine „optische Faser“, wie sie hier beschrieben wird, kann sich auf eine einzelne optische Faser (z.B. einschließlich eines Kerns und eines Mantels) beziehen, um eine unidirektionale oder bidirektionale optische Kommunikation zu ermöglichen, auf ein bidirektionales Paar optischer Fasern (z.B. jeweils einschließlich eines Kerns und eines Mantels), um sowohl Sende- als auch Empfangskommunikationen in einem optischen Netzwerk zu ermöglichen, oder auf eine Mehrkernfaser (z.B. ein einzelner Mantel, der eine Vielzahl von Single-Mode-Kernen einschließt).
1 zeigt ein Beispiel für einen versetzt abgestimmten Gitterkoppler 100 in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 100 dient nur der Veranschaulichung und sollte nicht so ausgelegt werden, dass es den Anwendungsbereich der Technologie nur auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt. Zur Erleichterung der Diskussion werden zudem die Dimensionen der dargestellten Ausführungsform nicht maßstabsgerecht dargestellt. Gegebenenfalls werden in der folgenden Beschreibung Beispieldimensionen und -parameter erörtert, um näher zu erläutern, wie der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 100 von 1 so ausgelegt werden kann, dass ein gewünschter Streuwinkel erreicht wird. In verschiedenen Ausführungsformen ist der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 100 so konfiguriert, dass er Licht aus einem planaren Wellenleiter 102 in eine optische Mode in der optischen Faser 104 einkoppelt. Obwohl er zur Einkopplung von Licht aus dem planaren Wellenleiter 102 in die optische Faser 104 dargestellt ist, ist der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 100 auch so eingerichtet, dass er aufgrund des Reziprozitätsprinzips Licht aus der optischen Faser 104 in den planaren Wellenleiter 102 koppelt. Obwohl er in Bezug auf die Einkopplung von Licht mit Bezug auf eine optische Faser 104 diskutiert wird, kann der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 100 in anderen Ausführungsformen so konfiguriert werden, dass er Licht in optische Verbinder, optische Komponenten solcher optischer Verbinder sowie integrierte Photonik-Chips (z.B. Stapel von Silizium-Photonik-Chips) ein- oder auskoppelt. Zum Beispiel kann der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 100 so konfiguriert werden, dass er Licht in eine On- oder Off-Chip-Linse, einen Spiegel, ein Prisma oder eine Ferrule eines optischen Steckverbinders ein- oder auskoppelt. In verschiedenen Ausführungsformen kann der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 100 ein 1D-Gitterkoppler (d.h. mit einfacher Polarisation) oder ein 2D-Gitterkoppler (d.h. mit zweifacher Polarisation) sein.
Wie in 1 gezeigt, umfasst der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 100 einen planaren Wellenleiter 102. In der dargestellten Ausführungsform sind ein erster Gitterabschnitt 106a und ein zweiter Gitterabschnitt 106b in den planaren Wellenleiter 102 geätzt, wobei sowohl der erste Gitterabschnitt 106a als auch der zweite Gitterabschnitt 106b (zusammen „die Gitterabschnitte 106“) jeweils die gleiche Ätztiefe aufweisen. Auf diese Weise stellen der erste Gitterabschnitt 106a und der zweite Gitterabschnitt 106b einen einlagig geätzten Kopplerbereich des planaren Wellenleiters 102 dar. Obwohl in 1 nur zwei Gitterabschnitte 106 dargestellt sind, kann der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 100 je nach Implementierung eine Vielzahl von Gitterabschnitten 106 umfassen. Der erste Gitterabschnitt 106a kann am ersten Graben 110 des versetzt abgestimmten Gitterkopplers 100 beginnen und sich über eine erste Teilmenge von Gitterindizes erstrecken, während der zweite Gitterabschnitt 106b am ersten Graben 110 nach dem Ende der ersten Teilmenge von Gitterindizes beginnen und sich bis zum letzten Graben 110 des versetzt abgestimmten Gitterkopplers 100 erstrecken kann.
Jeder der Gitterabschnitte 106 kann so konfiguriert werden, dass Lichtstrahlen einer bestimmten Wellenlänge von dem jeweiligen Gitterabschnitt 106 in einem bestimmten Winkel relativ zur Vertikal- oder Y-Achse gestreut werden. Zum Beispiel kann, wie in 1 gezeigt, der erste Gitterabschnitt 106a so konfiguriert werden, dass Licht einer ersten Wellenlänge λ-1 eines Eingangslichtsignals 108 unter einem ersten Winkel θ₁ relativ zu einer vertikalen oder Y-Achse gestreut wird und dass Licht einer zweiten Wellenlänge λ-2 eines Eingangslichtsignals 108 unter einem ersten Winkel θ₂ relativ zu einer vertikalen oder Y-Achse gestreut wird. Der zweite Gitterabschnitt 106b kann so konfiguriert werden, dass Licht der ersten Wellenlänge λ-1 und der zweiten Wellenlänge λ-2 unter einem dritten Winkel θ₃ bzw. einem vierten Winkel θ₄ gestreut wird. Durch Interferenz ergeben die beiden gestreuten Lichtstrahlen bei jeder Wellenlänge die Kombination der Gitterabschnitte 106, die sowohl die erste Wellenlänge λ-1 als auch die zweite Wellenlänge λ-2 unter oder nahe einem gewünschten Winkel θ_desired relativ zur Vertikal- oder Y-Achse ausgeben. Dadurch kann die Bandbreite des versetzt abgestimmten Gitterkopplers 100 unter Verwendung einer Single-Etch-Schicht erhöht werden, ohne dass zusätzliche Schichten und/oder andere Komponenten erforderlich sind, um zu versuchen, die anwendbare Bandbreite zu erhöhen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 100 so konfiguriert werden, dass das Kopplungseffizienzspektrum aus zwei versetzten Parabeln besteht, wobei ein Peak bei 1275 nm und der zweite Peak bei 1325 nm zentriert ist. Eine solche Konfiguration bietet einen Spitzenwertverlust von 2,25 dB und eine 1 dB Bandbreite von 40 nm. Auf diese Weise ist ein Single-Etch-Koppler in Übereinstimmung mit dem versetzt abgestimmten Gitterkoppler 100 von 1 für eine größere Bandbreite von Wellenlängen von 1260 nm bis 1300 nm einsetzbar.
Jeder Gitterabschnitt 106 umfasst eine Vielzahl von Gräben 110, die in den planaren Wellenleiter 102 geätzt sind. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Breite jedes Grabens und/oder der Gitterabstand je nach Gitterlinie variieren. Die Gitterlinie (oder der Index) bezieht sich auf die Positionsnummer einer bestimmten Periode (d.h. des Gitterabstands) des Gitterkopplers von der Vorderkante eines Grabens bis zur Vorderkante des nächsten Grabens. Wenn die Gitterlinie zunimmt, können die Abmessungen des Grabens und der Gitterabstand variieren. In einigen Ausführungsformen können die Abmessungen des Grabens und die Periode von einer Gitterlinie zur nächsten parabolisch oder linear variieren oder gleich bleiben. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Anzahl der Perioden innerhalb jedes Gitterabschnitts 106 gleich sein, während in anderen Ausführungsformen die Anzahl der Perioden innerhalb jedes Gitterabschnitts 106 unterschiedlich sein kann.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 100 mit einer auf den Gitterabschnitten 106 angeordneten Mantelschicht (nicht in 1 dargestellt) phasenangepasst werden. Der Gitterwellenvektor abzüglich des Gitterstörungsvektors sollte gleich der Projektion des Faserwellenvektors sein. Der lokale effektive Mantelindex für jede Gitterlinie kann wie folgt definiert werden $n_{e, m a n t e l} = \frac{G r a b e n \times n_{g e \ddot{a} a t z t} + G i t t e r \times n_{P l a t t e}}{T e i l u n g} - \frac{λ}{T e i l u n g},$
wobei Graben die Breite eines Grabens einer bestimmten Gitterlinie (oder eines Index) ist, n_geätzt der Brechungsindex des geätzten Teils des planaren Wellenleiters 102 für die Gitterlinie ist, Gitter die Breite des nicht geätzten Teils des planaren Wellenleiters 102 (d.h. des Gitterelements neben dem jeweiligen Graben) ist, n_Platte der Brechungsindex des Gitterelements ist, Teilung die Gesamtbreite des Grabens und des Gitterelements (d.h. die Periode) ist, und λ die Wellenlänge ist. Unter Verwendung des lokalen effektiven Mantelkurvenindex für jede Gitterlinie innerhalb eines gegebenen Gitterabschnitts 106 kann der äquivalente Strahlwinkel aus einem bestimmten effektiven Mantelkurvenindex bestimmt werden als $θ = arcsin (\frac{n_{e, mantel}}{n_{mantel}}) .$
Die äquivalenten Strahlwinkel können verwendet werden, um die Änderungen zwischen jeder Gitterlinie zu bestimmen, um einen beabsichtigten Streuwinkel für eine bestimmte Wellenlänge von einem gegebenen Gitterabschnitt 106 zu erhalten.
In verschiedenen Ausführungsformen können ein oder mehrere Gitterabschnitte 106 mit einer oder mehreren Gitterlinien-Teilmengen konfiguriert werden (nicht in 1 dargestellt). Eine Gitterlinien-Teilmenge für die Zwecke dieser Darstellung bezieht sich auf eine Teilmenge von Gräben, die einem entsprechenden Abmessungsparameter entsprechen. Zum Beispiel kann der erste Gitterabschnitt 106a mit einer ersten Gitterlinien-Teilmenge konfiguriert werden, wobei die Grabenbreiten und der Gitterabstand an jeder Gitterlinie so konfiguriert sind, dass sie parabolisch ansteigen (oder sich vergrößern), und eine zweite Gitterlinien-Teilmenge kann so konfiguriert werden, dass die Grabenbreite und der Gitterabstand jeder Gitterlinie für die Breite der zweiten Gitterlinien-Teilmenge konstant bleibt. In verschiedenen Ausführungsformen können eine oder mehrere Gitterlinien-Teilmengen so konfiguriert werden, dass sie einen konstanten duty cycle von oder nahe 50% aufweisen.
2 veranschaulicht ein weiteres Beispiel für einen versetzt abgestimmten Gitterkoppler 200 in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der hier offenbarten Technologie. Der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 200 ähnelt dem versetzt abgestimmten Gitterkoppler 100, der in Bezug auf 1 diskutiert wurde. Gemeinsame Bezugszeichen zwischen 1 und 2 sollten so interpretiert werden, dass sie sich auf die gleichen oder ähnliche Komponenten beziehen, und jede Beschreibung, die sich auf solche Bezugszeichen bezieht, sollte so interpretiert werden, dass sie für alle Instanzen der Bezugszeichen gleichermaßen gilt, sofern nicht anders angegeben. Wie in 2 gezeigt, kann der erste Gitterabschnitt 106a so konfiguriert werden, dass Licht der ersten Wellenlänge λ-1 unter einem ersten Winkel θ₁ und Licht einer zweiten Wellenlänge λ-2 unter dem gewünschten Winkel θ_desired gestreut wird. Im Gegensatz zum ersten Gitterabschnitt 106a von 1 ist der erste Gitterabschnitt 106a von 2 in der Lage, die zweite Wellenlänge λ-2 unter dem gewünschten Winkel θ_desired zu streuen, was bedeutet, dass der zweite Gitterabschnitt 106b so konfiguriert werden kann, dass nur Licht der ersten Wellenlänge λ-1 gestreut wird. Das Ergebnis der beiden Gitterabschnitte 106 ist, dass Licht sowohl der ersten Wellenlänge λ-1 als auch der zweiten Wellenlänge λ-2 unter dem gewünschten Winkel θ_desired an die optische Faser gekoppelt wird.
Simulationen haben gezeigt, dass Gitterkoppler, die in Übereinstimmung mit den hier diskutierten versetzt abgestimmten Gitterkopplern 100 und/oder 200 entworfen wurden, unter Verwendung einer Single-Etch-Schicht eine Kopplung mit höherer Effizienz über eine größere Bandbreite ermöglichen. Die versetzt abgestimmten Gitterkoppler wurden mit der in der Praxis bekannten adjungierten Entwurfsmethode entworfen. Die zur Optimierung des Designs mit der adjungierten Methode verwendete Gütezahl war ein Mittelwert der Kopplungseffizienz bei zwei verschiedenen Wellenlängen, insbesondere bei 1270 nm und 1330 nm. Als Anfangsbedingungen wurden eine anfängliche Grabenbreite von 20 nm mit einer linearen Rampe von 19 nm, ein anfänglicher Gitterabstand (d.h. Periode) von 460 nm mit einer linearen Rampe des Gitterabstands von 2,28 nm und eine minimale Gitterbreite, die bei 60 nm im hinteren Teil des Gitterkopplers begrenzt ist, gewählt. Nach der Optimierung für die Gütezahl beinhaltete der versetzt abgestimmte Gitterkoppler-Entwurf einen ersten Gitterabschnitt mit zwei Gitterlinien-Teilmengen und einen zweiten Gitterabschnitt mit zwei Gitterlinien-Teilmengen. Die erste Gitterlinien-Teilmenge des ersten Gitterabschnitts beginnt im ersten Graben des ersten Gitterabschnitts und steigt sowohl in der Grabenbreite als auch dem Gitterabstand acht Perioden lang parabolisch an (d.h. für die Gitterindizes 0 bis 7). Die parabolische Rampe der Grabenbreite verläuft bei einer Krümmung von etwa 4,7 nm parabolisch, während der Gitterabstand bei einer Krümmung von etwa 0,9 nm parabolisch ansteigt. Die zweite Teilmenge der Gitterlinien des ersten Gitterabschnitts beginnt mit der neunten Periode (d.h. Gitterindex 8) und erstreckt sich über vier Perioden (d.h. Gitterindizes 8-11). Der Graben und der Gitterabstand bleiben über die zweite Gitterlinien-Teilmenge konstant, was einem duty cycle von 50 % oder nahezu 50 % entspricht. Die Streustärke eines Gitterkopplers liegt nahe an einer Gaußschen Funktion des duty cycles, mit Spitzen bei einem duty cycle von 50% und im Wesentlichen nicht existent bei duty cycles nahe 0% oder nahe 100% (d.h. den Enden einer Gaußschen Kurve). Für die Zwecke dieser Offenbarung kann „nahe“ 50 % einen duty cycle von 50 % ± 10 % umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Phasenanpassungsversatz zwischen dem letzten Graben der ersten Gitterlinien-Teilmenge und dem ersten Graben der zweiten Gitterlinien-Teilmenge des ersten Gitterabschnitts enthalten sein. Der Phasenanpassungsversatz kann verwendet werden, um sicherzustellen, dass die zweite Gitterlinien-Teilmenge einen konstanten oder nahezu konstanten duty cycle hat.
Am Ende der zweiten Gitterlinien-Teilmenge des ersten Gitterabschnitts kann ein Sprung in der Grabenbreite auftreten, um den ersten Gitterabschnitt und den zweiten Gitterabschnitt zu trennen. Im Testbeispiel beginnt der zweite Gitterabschnitt in einem Graben mit einer Breite, die etwa 70 nm breiter ist als der letzte Graben des ersten Gitterabschnitts. Außerdem kann der erste Gitterabstand des zweiten Gitterabschnitts etwa 25 nm kürzer beginnen als der letzte Gitterabstand der ersten Gitterlinien-Teilmenge des ersten Gitterabschnitts. Dadurch beginnt die erste Gitterlinien-Teilmenge des zweiten Gitterabschnitts. Die erste Gitterlinien-Teilmenge des zweiten Gitterabschnitts umfasst vier Perioden (d.h. Gitterindizes 12-15). Die zweite Gitterlinien-Teilmenge des zweiten Gitterabschnitts kann bei der nächsten Gitterlinie (d.h. Gitterlinie 16) beginnen, oder die zweite Gitterlinien-Teilmenge kann bei der Gitterlinie beginnen, bei der eine Grenze für die Größe des Gitters (d.h. das Gitterminimum von 60 nm) erreicht ist. In verschiedenen Ausführungsformen können die Grabenbreiten und der Gitterabstand innerhalb der zweiten Gitterlinien-Teilmenge auf der Grundlage der Gitterlinie variieren. Die zweite Gitterlinien-Teilmenge des zweiten Gitterabschnitts trägt in verschiedenen Ausführungsformen möglicherweise nicht zum effektiven Streuwinkel des Lichts zum oder vom versetzt abgestimmten Gitterkoppler bei, weil die zweite Gitterlinien-Teilmenge zu weit vom Zentrum der Gaußschen Mode der optischen Faser 104 entfernt ist und/oder der duty cycle innerhalb der zweiten Gitterlinien-Teilmenge des zweiten Gitterabschnitts einen duty cycle aufweist, der näher an den Extremwerten der Gaußfunktion von 0 % oder 100 % liegt (d. h. eine sehr geringe Streustärke aufweist).
Unter Verwendung des wie oben entworfenen versetzt abgestimmten Gitterkopplers ist der erste Abschnitt so konfiguriert, dass er Licht einer Wellenlänge von 1275 nm bei 11,5 Grad relativ zur Vertikal- oder Y-Achse streut und Licht einer Wellenlänge von 1323 nm bei 7,2 Grad relativ zur Vertikal- oder Y-Achse streut. Diese Streuung ist die kumulative Streuung des von der ersten Gitterlinien-Teilmenge und der zweiten Gitterlinien-Teilmenge des ersten Gitterabschnitts gestreuten Lichts. Der zweite Gitterabschnitt hat einen etwa 25 nm kürzeren Gitterabstand und streut Licht bei einer Wellenlänge von 1275 nm um etwa 6,7 Grad relativ zur Vertikal- oder Y-Achse. In Kombination mit dem Licht der Wellenlänge 1275 nm, das durch den ersten Gitterabschnitt gestreut wird, wird die Lichtmode bei 1275 nm Wellenlänge in einem Winkel von etwa 8 Grad gestreut, was zu einer Mode für einen Winkel der optischen Faser von etwa 8 Grad führt. Da der erste Abschnitt bereits Licht bei 1323 nm unter einem Winkel von etwa 8 Grad streut, ist der resultierende Gitterkoppler außerdem in der Lage, Licht bei der Wellenlänge 1323 nm ebenfalls unter einem Winkel von etwa 8 Grad in die optische Faser einzukoppeln.
In verschiedenen Ausführungsformen können die versetzt abgestimmten Gitterkoppler 100 und/oder 200 ein SOI-Substrat umfassen. Das SOI-Substrat kann Silizium oder eine andere geeignete Halbleitersubstratschicht umfassen, wobei eine Isolierschicht zwischen der Silizium- oder einer anderen geeigneten Halbleitersubstratschicht und dem planaren Wellenleiter 102 angeordnet ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Isolierschicht eine vergrabene Oxidschicht (BOX) sein und aus Siliziumdioxid oder einem anderen geeigneten isolierenden Oxidmaterial bestehen.
Durch die versetzte Abstimmung der verschiedenen Abschnitte sind die versetzt abgestimmten Gitterkoppler in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in der Lage, einen Betrieb mit großer Bandbreite unter Verwendung einer Single-Etch-Schicht zu ermöglichen. Auf diese Weise wird eine effektive Kopplung über ein breites Band ermöglicht, ohne dass komplexe Ätzdesigns, zusätzliche Komponenten oder andere schwierige Konstruktionen, die die Schwierigkeit der Herstellung erhöhen, erforderlich sind. Darüber hinaus kann mit dem hier vorgestellten versetzten Abstimmungsansatz ein Single-Etch-Layer-Gitterkoppler entworfen werden, der eine vertikale oder nahezu vertikale Kopplung von Licht mit hoher Kopplungseffizienz ermöglicht.
Es ist schwierig, eine effektive Kopplungseffizienz in der Vertikalen mit einer einzelnen Ätzung zu erreichen. Grundsätzlich gilt, dass gleichförmige Single-Etch-Gitterkoppler, die das Licht vertikal streuen, auch starke Rückreflexionen aufweisen. Die Beziehung zwischen dem Gitterabstand und den Winkeln der einfallenden und gebeugten Lichtstrahlen ist als Gittergleichung bekannt $φ_{Λ} = k_{0} Λ sin θ + 2 π m$
wobei φ_Λ die über eine Gitterperiode gesammelte Phase (Λ) ist, k₀ die Wellenzahl des Mantelmediums ist, m eine ganze Zahl ist, und θ der Winkel des Ausgangsstrahls relativ zum Zenit ist. Nachdem das Eingangslicht von einem ersten Graben (d.h. Streuelement) gestreut wurde, breitet sich das nicht gestreute Licht weiter aus, sammelt eine räumliche Phase φ_Λ und wird dann teilweise im nächsten Graben gestreut. Wenn die Bedingung der vertikalen Streuung, $φ_{Λ} = 2 π m,$
für ganze Zahlen m erfüllt ist, wird das Streulicht an jedem Graben in vertikaler Richtung konstruktiv interferieren. Eine ähnlich konstruktive Interferenzbedingung tritt jedoch auf, wenn $2 φ_{Λ} = 2 π n$
für ganze Zahlen n = 2m. Wie oben erörtert, versuchen die derzeitigen Ansätze, dieses Problem zu überwinden, indem sie dem Entwurf Komplexität in Form von zusätzlichen Schichten, Mehrfachätzungen, Spiegeln und Ähnlichem hinzufügen. Auf diese Weise werden dem System mehr Freiheitsgrade hinzugefügt, die manipuliert werden können, um dieses Problem zu vermeiden.
3 zeigt ein Beispiel für einen versetzt abgestimmten Gitterkoppler 300 in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der hier offenbarten Technologie, der so konfiguriert ist, dass er eine vertikale Streuung des Lichts ermöglicht. Der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 300 ähnelt den versetzt abgestimmten Gitterkopplern 100 und 200, die oben in Bezug auf 1 und 2 diskutiert wurden. Wo gemeinsame Bezugszeichen verwendet werden, gilt die diesen Bezugszeichen entsprechende Beschreibung auch für 3. Anstatt jeden Abschnitt der Gitterschicht so abzustimmen, dass ein breites Band von Wellenlängen in einem gewünschten Winkel gestreut wird, ist der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 300 so ausgelegt, dass der Nettostreueffekt der verschiedenen Gitterabschnitte zu vertikaler Streuung führt. Wie in 3 dargestellt, kann der erste Gitterabschnitt 106a so konfiguriert werden, dass Licht bei einer oder mehreren Wellenlängen unter negativen Winkeln relativ zur Vertikal- oder Y-Achse gestreut wird, während der zweite Gitterabschnitt 106b so konfiguriert ist, dass Licht bei einer oder mehreren Wellenlängen unter positiven Winkeln relativ zur Vertikal- oder Y-Achse gestreut wird. Auf diese Weise ist die vertikale Streuung ohne die zusätzliche Komplexität der derzeitigen Ansätze möglich.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 300 für eine einzelne Wellenlänge optimiert werden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 300 für eine Wellenlänge von 1310 nm optimiert werden. Obwohl die hier vorgestellte Technologie in Bezug auf eine Wellenlänge von 1310 nm diskutiert wird, ist sie nicht nur auf diese Wellenlänge beschränkt, und für den Durchschnittsfachmann ist deutlich, dass der hier diskutierte Optimierungsansatz für die Optimierung jeder beliebigen Wellenlänge von Interesse anwendbar ist. Die Optimierung des versetzt abgestimmten Gitterkopplers 300 kann wie folgt definiert werden: $F * = max_{x} [η (E, H) - p (x)],$
wobei x ein Vektor von Optimierungsparametern ist, die die Gitterkopplergeometrie beschreiben, η(E, H) die Kopplungseffizienz an eine Gaußsche Fasermode (z.B. Strahldurchmesser = 9,2 µm bei λ = 1310 nm) ist, explizit definiert in Bezug auf die elektrischen und magnetischen Felder E und H aber nur implizit bezogen auf x über die Maxwell-Gleichungen, und p eine Straffunktion ist, die explizit eine Funktion der Entwurfsparameter x ist. Die Einbeziehung der Straffunktion ermöglicht die Berücksichtigung der praktischen Einschränkungen, die bei der Herstellung solcher Vorrichtungen auferlegt werden, wie z.B. Merkmalsgrößen oder Krümmungsradius.
Zur Optimierung für die oben besprochene Einzelwellenlänge können die Gräben des Gitterkopplers, als nicht einschränkendes Beispiel, mit Hilfe einer Fourier-Reihe parametrisiert werden, um eine reibungslose funktionelle Entwicklung der Bauelementgeometrie zu ermöglichen, $F * = a_{0} + \sum_{m = 1}^{M} [a_{m} sin (m \frac{π}{2} \frac{n}{N}) + b_{m} cos (m \frac{π}{2} \frac{n}{N})],$
wo n der Gitterindex oder die Gitterlinie ist, N die Gesamtzahl der Gräben ist, M die Anzahl der Terme der Fourier-Reihe ist, und die a_m und b_m Koeffizienten (zusammen mit den Koeffizienten aus der identischen Funktion für den duyty cycle) die Optimierungsvariablen aus Gleichung 6 darstellen, sind. Die Behandlung des Gitterabstands und des duty cycles jedes Gittergrabens als individuelle Optimierungsvariablen ermöglicht es, mit der Straffunktion aus Gleichung 6 minimale Beschränkungen der Feature-Größe auf die Breite der Gräben zu implementieren. Die Ergebnisse nach der Optimierung und der Auferlegung einer minimalen Merkmalsgröße von 30 nm erreichten eine Spitzeneingangsdämpfung für das Single-Etch-Design von -0,55 dB bei einer Bandbreite des Gitterkopplers von 1 dB von weniger als 3 nm. Dieses Beispiel einer kleinen 1-dB-Bandbreite bei perfekter vertikaler Kopplung ist bei Anwendungen mit großer Bandbreite alles andere als wünschenswert.
Während die Einzelfrequenz-Optimierung bei der interessierenden Wellenlänge gut funktionierte, war die Bandbreite des Bauelements nicht kompatibel mit Anwendungen mit großer Bandbreite, wie z.B. DWDM- oder CWDM-Anwendungen, bei denen eine Bandbreite von etwa 20 nm 1-dB-Bandbreite bzw. etwa 70 nm 1-dB-Bandbreite wünschenswert ist. Zur Erhöhung der Bandbreite des versetzt abgestimmten Single-Etch-Gitterkopplers 300 kann Gleichung 6 oben zu folgender Gleichung modifiziert werden: $F * = max_{x} [Σ_{λ} c_{λ} η (E_{λ}, H_{λ}, λ) - p (x)],$
die einen gewichteten Mittelwert der Kopplungseffizienz über mehrere diskrete Wellenlängen mit benutzerdefinierten Gewichten c_λ und Kopplungseffizienz implementiert, die jetzt wellenlängenabhängig sind. Unter Verwendung der benutzerdefinierten Gewichte kann Gleichung 8 zur Optimierung für eine beliebige Anzahl von diskreten Wellenlängen verwendet werden. Für bestimmte elektromagnetische Feldtechniken könnten mehr Wellenlängen eine längere Simulationszeit bedeuten. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 300 für drei Wellenlängen optimiert werden, nämlich 1305 nm, 1310 nm und 1315 nm, mit benutzerdefinierten Gewichten von 0,4, 0,2 bzw. 0,4.
Im Vergleich zu dem oben besprochenen wellenlängenoptimierten Einwellenlängenkoppler erreicht der wellenlängenoptimierte Mehrwellenlängenkoppler eine Spitzeneingangsdämpfung von -1,0 dB bei einer 1-dB-Bandbreite von 19 nm, was eine sechsfache Verbesserung gegenüber der einwellenlängenoptimierten Vorrichtung darstellt. Darüber hinaus wurde das Reflexionsprofil des für mehrere Wellenlängen optimierten Bauelements breitbandiger, was eine höhere Kopplungseffizienz über ein breiteres Frequenzband ermöglicht. Der resultierende versetzt abgestimmte, für mehrere Wellenlängen optimierte Gitterkoppler 300 führt zu einem ersten Gitterabschnitt 106a, der Licht bei den verschiedenen Wellenlängen in einem negativen Winkel relativ zur Vertikalen streut, und zu einem zweiten Gitterabschnitt 106b, der Licht bei den verschiedenen Wellenlängen in einem positiven Winkel relativ zur Vertikalen streut. Auf diese Weise besteht der Netto-Streueffekt darin, dass das Licht über die große Bandbreite (d.h. über die oben identifizierten 19 nm) vertikal gestreut wird, was zu einer vertikalen Streuung unter Verwendung einer Single-Etch-Schicht führt.
Das Design des versetzt abgestimmten Gitterkopplers 300 streut das Licht vertikal, während die Modenüberlappung maximiert und die Rückreflexion minimiert wird. Ähnlich wie bei den oben besprochenen versetzt abgestimmten Gitterkopplern 100 und 200 umfasst das Reflexionsspektrum des versetzt abgestimmten Gitterkopplers 300 zwei verschiedene Peaks, die jeweils auf eine andere Wellenlänge zentriert sind. Dies zeigt weiterhin, dass der erste Gitterabschnitt und der zweite Gitterabschnitt des versetzt abgestimmten Gitterkopplers 300 jeweils Licht unter zwei leicht vertikal versetzten Winkeln streuen, was zur Auslöschung der lateralen Feldkomponenten und der vertikalen Nettostreuung führt. In einigen Ausführungsformen können weitere Gitterabschnitte enthalten sein, die jeweils so ausgelegt sind, dass sie das Licht entweder unter einem negativen oder einem positiven Winkel relativ zur Vertikalen streuen. In einigen Ausführungsformen können der erste Gitterabschnitt 106a und der zweite Gitterabschnitt 106b jeweils mindestens eine Gitterlinien-Teilmenge, die Licht in einem negativen Winkel relativ zur Vertikalen streut, und mindestens eine Gitterlinien-Teilmenge, die Licht in einem positiven Winkel relativ zur Vertikalen streut, enthalten. Auf diese Weise können sowohl der erste Gitterabschnitt als auch der zweite Gitterabschnitt Licht vertikal unabhängig voneinander abgeben. In verschiedenen Ausführungsformen reduziert die Position der Gitterlinien-Teilmengen des ersten Gitterabschnitts und/oder des zweiten Gitterabschnitts die Lichtmenge, die zurück in den planaren Wellenleiter 102 reflektiert wird, weiter.
In einigen Ausführungen kann die Kopplungseffizienz weiter verbessert werden, indem eine Fokussierungsschicht aus Siliziumnitrid (SiN) über dem ersten Gitterabschnitt und dem zweiten Gitterabschnitt angeordnet wird. 4 zeigt ein Beispiel für einen versetzt abgestimmten Gitterkoppler 400 mit einer darüber angeordneten SiN-Fokussierungsschicht 410 in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der hier offenbarten Technologie. Obwohl als SiN beschrieben, können in anderen Ausführungsformen ein oder mehrere andere dielektrische Materialien als Fokussierungsschicht verwendet werden. Nicht einschränkende Beispiele für andere anwendbare dielektrische Materialien sind Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumoxynitrid (SiO_xN_y) oder andere in der Praxis übliche dielektrische Materialien.
Der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 400 von 4 ist so dargestellt, dass er ein SOI-Bauelement umfasst, wobei die gezeigte Silizium- oder Halbleitersubstratschicht 402 und die Isolierschicht 404 unter dem planaren Wellenleiter 102 angeordnet sind. In verschiedenen Ausführungsformen fungiert die SiN-Fokussierungsschicht 410 als Antireflexschicht. Die SiN-Fokussierungsschicht 410 kann durch eine Oxidschicht vom ersten Gitterabschnitt 106a und vom zweiten Gitterabschnitt 106b getrennt werden (nicht in 4 dargestellt). Die Oxidschicht kann eine Höhe H_oxide aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Höhe H_oxide je nach Ausführung variieren. Im Test wurde eine Oxidhöhe H_oxide von 200 nm verwendet. Die von der SiN-Fokussierungsschicht 410 gebotene Richtungsverbesserung ist bei der Dicke der SiN-Fokussierungsschicht 410 periodisch, mit einer gewissen Abhängigkeit von der Dicke (d.h. der Höhe) der Oxidschicht H_oxide. Insbesondere ist die Abhängigkeit der Dicke der SiN-Fokussierungsschicht 410 und der Oxidschicht (nicht in 4 dargestellt) periodisch, ähnlich wie die Abhängigkeit anderer auf dem Gebiet bekannter Antireflexionsschichten, mit einer Toleranz gegenüber Dickenänderungen der SiN-Fokussierungsschicht 410 und/oder der Oxidschicht in der Größenordnung der Wellenlänge in den Schichten.
In der dargestellten Ausführungsform von 4 ist die SiN-Fokussierungsschicht 410 strukturiert, wobei eine Vielzahl von Schlitzen durch die gesamte Dicke der SiN-Fokussierungsschicht 410 geätzt ist. Die Strukturierung der SiN-Fokussierungsschicht 410 bietet mehr Freiheitsgrade für die Optimierung des Gitterkopplers. Das Muster der SiN-Fokussierungsschicht 410 kann durch einen ähnlichen Optimierungsansatz bestimmt werden, der oben für die Bestimmung des Designs der Gitterabschnitte des versetzt abgestimmten Gitterkopplers 400 diskutiert wurde. Das in die SiN-Fokussierungsschicht 410 geätzte Muster kann eine Vielzahl von Fokussierungsabschnitten 420a, 420b, 420c (zusammen „die Fokussierungsabschnitte 420“) umfassen. In verschiedenen Ausführungen kann jeder Fokussierungsabschnitt 420 mit Grabenbreiten und Gitterabständen konfiguriert werden, die so ausgelegt sind, dass die konkurrierenden Effekte der Modenüberlappung, Rückreflexionen und Richtungsabhängigkeit des ersten Gitterabschnitts 106a und des zweiten Gitterabschnitts 106b weiter ausgeglichen werden, um die Gesamtbandbreite des versetzt abgestimmten Gitterkopplers 400 zu erhöhen.
Wie in 4 dargestellt, enthält die SiN-Fokussierungsschicht 410 zwei geätzte Fokussierungsabschnitte 420a, 420c und einen ungeätzten Fokussierungsabschnitt 420b. Jeder der beiden geätzten Fokussierungsabschnitte 420a, 420c kann so konfiguriert werden, dass er eine zusätzliche Winkelkorrektur für nicht-vertikale Streuung bietet, die an den Enden der Gitterschicht (d.h. erster Gitterabschnitt 106a, zweiter Gitterabschnitt 106b) des planaren Wellenleiters 102 auftritt. Nicht geätzte Fokussierungsabschnitte, wie z.B. der Fokussierungsabschnitt 420b, können so konfiguriert werden, dass die Rückreflexion von Licht in den planaren Wellenleiter 102 reduziert wird. In verschiedenen Ausführungsformen können nicht geätzte Fokussierungsabschnitte (z.B. Fokussierungsabschnitt 420b) so konfiguriert werden, dass die durch den ersten Gitterabschnitt 106a und den zweiten Gitterabschnitt 106b erzielte Richtungsverbesserung erhalten bleibt, und sie können nahe an dem Teil der Gitterschicht (d.h. dem ersten Gitterabschnitt 106a und dem zweiten Gitterabschnitt 106b) positioniert werden, der das stärkste Streuvermögen aufweist (d.h. mit einem duty cycle bei oder nahe 50%). In den dargestellten Ausführungsformen von 4 ist die Anzahl der Fokussierungsabschnitte 420 größer als die Anzahl der Gitterabschnitte 106. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Anzahl der Fokussierungsabschnitte 420 größer sein als die Anzahl der Gitterlinien-Teilmengen der Gitterabschnitte 106. In anderen Ausführungsformen kann die Anzahl der Fokussierungsabschnitte 420 gleich der Anzahl der Gitterabschnitte 106 oder der Anzahl der Gitterlinien-Teilmengen der Gitterabschnitte 106 sein, während in anderen Ausführungsformen die Anzahl der Fokussierungsabschnitte 420 geringer ist als die Anzahl der Gitterabschnitte 106 oder die Anzahl der Gitterlinien-Teilmengen. In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere der Fokussierungsabschnitte 420 so konfiguriert sein, dass sie einen entsprechenden Gitterabschnitt 106 oder einer Gitterlinien-Teilmenge eines Gitterabschnitts 106 entsprechen. Die Wirkung der SiN-Fokussierungsschicht kann als ähnlich wie bei einem traditionellen Beugungsgitter mit gechirptem Gitterabstand (d.h. unterschiedliche Gitterabstände auf der Grundlage der Gitterlinien) betrachtet werden. Die SiN-Fokussierungsschicht 410 kann ferner als eine optische Phasenmaske oder binärisierte Linse betrachtet werden, die vertikales Licht, das aus der Mitte des Gitters austritt, abbremst, während sie Licht fokussiert, das an den Rändern vertikal abgelenkt wird. In verschiedenen Ausführungen darf die SiN-Fokussierungsschicht 410 nicht gemustert sein und keine eingeätzten Schlitze aufweisen. Die SiN-Fokussierungsschicht 410 verbessert die Aufwärtsgerichtetheit des versetzt abgestimmten Gitterkopplers 400, indem sie die Impedanzfehlanpassung zwischen fernabgestrahltem Licht und geführten Wellenleitermoden reduziert. Dies ist ähnlich, aber umgekehrt zur Abstimmung der Dicke der Isolierschicht 404, um Strahlung auf das Substrat 402 zu verhindern, und hilft außerdem, die Rückreflexion eines vertikalen Gitterkopplers aufzuheben.
Ähnlich wie die oben in Bezug auf 1 und 2 besprochenen versetzt abgestimmten Gitterkoppler kann der versetzt abgestimmte Gitterkoppler 400 eine Single-Etch-Gitterschicht des planaren Wellenleiters 102 enthalten, die den ersten Gitterabschnitt 106a und den zweiten Gitterabschnitt 106b umfasst. Der hier verwendete Begriff „Single-Etch“ bezieht sich auf das Verfahren, mit dem ein bestimmtes Design einer Schicht des Bauelements hergestellt wird. Im Besonderen bezieht sich der Begriff „Single-Etch“ auf die Gleichmäßigkeit der Ätztiefe der verschiedenen Gitterabschnitte. Zum Beispiel wird der versetzt angeordnete Gitterkoppler 400 in der vorliegenden Offenbarung als „Single-Etch“-Koppler bezeichnet, weil der erste Gitterabschnitt 106a und der zweite Gitterabschnitt 106b die gleiche Ätztiefe haben. Auf diese Weise können der erste Gitterabschnitt 106a und der zweite Gitterabschnitt 106b in einem einzigen Ätzvorgang hergestellt werden, wodurch die Herstellungskomplexität des versetzt abgestimmten Gitterkopplers 400 reduziert wird. Dies unterscheidet sich von komplexeren Designs, die mehrere Ätztiefen erfordern (d.h. mehrere Ätzschritte und/oder -zeiten, um verschiedene Tiefen zu erreichen). In Ausführungen, in denen eine strukturierte SiN-Fokussierungsschicht 410 enthalten ist, wird das resultierende Bauelement hier immer noch als „Single-Etch“-Gitterkoppler-Design betrachtet, da der erste Gitterabschnitt 106a und der zweite Gitterabschnitt 106b dieselbe Ätztiefe D aufweisen, obwohl die SiN-Fokussierungsschicht 410 ebenfalls geätzt wird, um die entworfene Struktur zu erreichen. Wie oben besprochen, wird der Netto-Vertikalstreueffekt hauptsächlich durch den ersten Gitterabschnitt 106a und den zweiten Gitterabschnitt 106b erreicht, wobei die SiN-Fokussierungsschicht 410 diese Leistung nur noch verbessert. Daher bieten Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung einen versetzt abgestimmten Single-Etch-Gitterkoppler, der in der Lage ist, Netzstreuwinkel mit nur der einfach geätzten Schicht des Zielwellenleiters (d.h. des planaren Wellenleiters 102 der 1-4) zu erreichen, ohne dass zusätzliche Schichten oder Ätzmuster erforderlich sind.
Selbst bei Verwendung der SiN-Fokussierschicht 410 bietet die Kombination aus versetzt abgestimmtem Gitterkoppler 400 und SiN-Fokussierschicht 410 ein robustes Bauelement, das weniger anfällig für Fertigungsfehler, wie z.B. eine Fehlausrichtung der Schichten, ist. Simulationen von Gitterkopplern gemäß der abgebildeten Ausführung von 4 (d.h. mit einer strukturierten SiN-Fokussierungsschicht 420) weisen bei einer Wellenlänge von 1310 nm einen Eingangsverlust von mehr als -1,0 dB bei einer Wellenlänge von 1310 nm für eine Fehlausrichtung von bis zu ± 1 µm auf. Dies liegt deutlich innerhalb der erwarteten drei Standardabweichungen der optischen Ausrichtungstoleranz für bekannte Lithografietechniken, wie z.B. die Immersionslithografie. Da die SiN-Fokussierungsschicht 410 hauptsächlich als Antireflexionsschicht und nicht als separates Beugungsgitter dient, ist die in 4 dargestellte resultierende Ausführungsform in der Lage, eine Fehlausrichtung in der Größenordnung der sich frei ausbreitenden Ausgangswelle des Gitters zu handhaben. Die Optimierung der Kombination Gitterkoppler/Fokussierungsschicht führt zu einer Verbesserung der Spitzeneingangsdämpfung (d.h. -0,52 dB) und 1-dB-badwidth (d.h. 24 nm) im Vergleich zum versetzt abgestimmten -Gitterkoppler 400 allein. Die größere Toleranz für eine Fehlausrichtung der SiN-Fokussierungsschicht 410 und der Gitterabschnitte 106 kann teilweise auf die Positionierung der verschiedenen Fokussierungsabschnitte 420 der SiN-Fokussierungsschicht 410 zurückgeführt werden.
Unter Verwendung des oben besprochenen Mehrwellenlängen-Optimierungsprotokolls bieten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung einen immensen Bandbreitenvorteil für das Design von Single-Etch-Gitterkopplern, indem verschiedene Abschnitte des Gitterkopplers versetzt abgestimmt werden. Obwohl bei der Optimierung für mehrere Wellenlängen durch versetzte Abstimmung ein Kompromiss hinsichtlich der maximalen Eingangsdämpfung eingegangen wird, ist es möglich, einen Single-Etch-Layer-Koppler zu entwerfen, der einen gewünschten Kompromiss zwischen Kopplungseffizienz und Bandbreite erzielt, der für spezifische Implementierungen einer photonischen Verbindung erforderlich ist. Darüber hinaus kann, wie oben diskutiert, die Leistung der Single-Etch-Gitterkoppler (d.h. des planaren Wellenleiters 102 mit den darin geätzten Gitterabschnitten 106) weiter verbessert werden, indem eine Fokussierungsschicht eingefügt wird, die mehr Freiheitsgrade für die Optimierung des Netzstreueffekts und der Leistung des Gitterkopplers bietet.
Es ist zu beachten, dass die Begriffe „optimieren“, „optimal“ und dergleichen, wie sie hier verwendet werden, bedeuten können, die Leistung so effektiv oder perfekt wie möglich zu machen oder zu erreichen. Wie jedoch für den Durchschnittsfachmann, der dieses Dokument liest, erkennbar ist, kann Perfektion nicht immer erreicht werden. Dementsprechend können diese Begriffe auch bedeuten, dass eine Leistung unter den gegebenen Umständen so gut oder effektiv wie möglich oder so praktisch wie möglich gemacht oder erreicht wird, oder dass eine Leistung besser gemacht oder erreicht wird als die, die mit anderen Einstellungen oder Parametern erreicht werden kann. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung umfasst die „Optimierung“ des Designs der Gitterabschnitte der hier besprochenen versetzt abgestimmten Gitterkoppler die Optimierung von Designs mit eingeschränkten Merkmalsgrößen, so dass die Größe der Gräben und Gitterelemente nicht die kritischen Abmessungen des anwendbaren Herstellungsprozesses verletzt. Diese Einschränkung kann durch die oben diskutierte Straffunktion in verschiedenen Ausführungsformen verkörpert werden.
Wie hier verwendet, kann der Begriff „oder“ entweder in einem einschließenden oder ausschließenden Sinne ausgelegt werden. Darüber hinaus darf die Beschreibung von Ressourcen, Operationen oder Strukturen im Singular nicht so gelesen werden, dass sie den Plural ausschließt. Bedingte Sprache, wie unter anderem „kann“, „könnte“, „könnte“, „könnte“ oder „kann“, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben oder anderweitig im verwendeten Kontext verstanden, soll im Allgemeinen vermitteln, dass bestimmte Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Schritte enthalten, während andere Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Schritte nicht enthalten.
Die in diesem Dokument verwendeten Begriffe und Formulierungen und deren Variationen sind, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, als offen und nicht als einschränkend zu verstehen. Adjektive wie „konventionell“, „traditionell“, „normal“, „Standard“, „bekannt“ und Begriffe mit ähnlicher Bedeutung sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den beschriebenen Gegenstand auf einen bestimmten Zeitraum oder auf einen zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbaren Gegenstand beschränken, sondern so gelesen werden, dass sie konventionelle, traditionelle, normale oder Standardtechnologien umfassen, die jetzt oder jederzeit in der Zukunft verfügbar oder bekannt sein können. Das Vorhandensein von erweiternden Wörtern und Phrasen wie „eine oder mehrere“, „mindestens“, „aber nicht beschränkt auf“ oder andere ähnliche Phrasen in einigen Fällen darf nicht so gelesen werden, dass der engere Fall beabsichtigt oder erforderlich ist, wenn solche erweiternden Phrasen möglicherweise nicht vorhanden sind.

Claims

Ein Gitterkoppler (100, 300, 400), umfassend: einen planaren Wellenleiter (102); einem ersten Gitterabschnitt (106a) mit einer ersten Vielzahl von Gräben (110), die in den planaren Wellenleiter (102) geätzt sind, wobei der erste Gitterabschnitt (106a) eine erste Gitterlinien-Teilmenge und eine zweite Gitterlinien-Teilmenge umfasst, wobei jede Gitterlinien-Teilmenge eine Anzahl von Perioden des ersten Gitterabschnitts (106a) umfasst; und einen zweiten Gitterabschnitt (106b) mit einer zweiten Vielzahl von Gräben (110), die in den planaren Wellenleiter (102) geätzt sind, wobei die erste Vielzahl von Gräben (110) und die zweite Vielzahl von Gräben (110) eine Single-Etch-Schicht mit einer gleichmäßigen Tiefe umfasst, und wobei der erste Gitterabschnitt (106a) so konfiguriert ist, dass Licht einer ersten Wellenlänge (λ-1) eines Eingangslichtsignals (108) unter einem ersten Winkel (θ₁) relativ zur Vertikalen gestreut wird, und dass Licht einer zweiten Wellenlänge (λ-2) eines Eingangslichtsignals (108) unter einem zweiten Winkel (θ₂) relativ zur Vertikalen gestreut wird, und wobei der zweite Gitterabschnitt (106b) so konfiguriert ist, dass Licht der ersten Wellenlänge (λ-1) unter einem dritten Winkel (θ₃) relativ zur Vertikalen gestreut wird, und/oder dass Licht der zweiten Wellenlänge (λ-2) unter einem vierten Winkel (θ₄) relativ zur Vertikalen gestreut wird, so dass das Eingangslichtsignal (108) der ersten Wellenlänge (λ-1) und das Eingangslichtsignals (108) der zweiten Wellenlänge (λ-2) durch den Gitterkoppler (100, 300, 400) unter einem im Wesentlichen gleichen gewünschten Winkel (θ_desired) relativ zur Vertikalen gestreut wird.
Ein Gitterkoppler (200), umfassend: einen planaren Wellenleiter (102); einem ersten Gitterabschnitt (106a) mit einer ersten Vielzahl von Gräben (110), die in den planaren Wellenleiter (102) geätzt sind, wobei der erste Gitterabschnitt (106a) eine erste Gitterlinien-Teilmenge und eine zweite Gitterlinien-Teilmenge umfasst, wobei jede Gitterlinien-Teilmenge eine Anzahl von Perioden des ersten Gitterabschnitts (106a) umfasst; und einen zweiten Gitterabschnitt (106b) mit einer zweiten Vielzahl von Gräben (110), die in den planaren Wellenleiter (102) geätzt sind, wobei die erste Vielzahl von Gräben (110) und die zweite Vielzahl von Gräben (110) eine Single-Etch-Schicht mit einer gleichmäßigen Tiefe umfasst, und wobei der erste Gitterabschnitt (106a) so konfiguriert ist, dass Licht einer ersten Wellenlänge (λ-1) eines Eingangslichtsignals (108) unter einem ersten Winkel (θ₁) relativ zur Vertikalen gestreut wird, und dass Licht einer zweiten Wellenlänge (λ-2) eines Eingangslichtsignals (108) unter einem gewünschten Winkel (θ_desired) relativ zur Vertikalen gestreut wird, und wobei der zweite Gitterabschnitt (106b) so konfiguriert ist, dass Licht der ersten Wellenlänge (λ-1) unter einem zweiten Winkel (θ₂) relativ zur Vertikalen gestreut wird, so dass das Eingangslichtsignal (108) der ersten Wellenlänge (λ-1) und das Eingangslichtsignals (108) der zweiten Wellenlänge (λ-2) durch den Gitterkoppler (200) unter einem im Wesentlichen gleichen gewünschten Winkel (θ_desired) relativ zur Vertikalen gestreut wird.
Gitterkoppler (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Gitterabschnitt (106a) eine gleiche Anzahl von Gräben (110) wie der zweite Gitterabschnitt (106b) umfasst.
Gitterkoppler (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Gitterabschnitt (106a) eine andere Anzahl von Gräben (110) umfasst als der zweite Gitterabschnitt (106b).
Gitterkoppler (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Breite jedes Grabens, der jeder Gitterlinie zugeordnet ist, und der Gitterabstand jeder Gitterlinie der ersten Gitterlinien-Teilmenge so konfiguriert ist, dass sie auf der Basis der Gitterlinie parabolisch zunimmt.
Gitterkoppler (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Gitterlinien-Teilmenge mit einer konstanten Grabenbreite und einem konstanten Gitterabstand für jeden Graben der zweiten Gitterlinien-Teilmenge auf der Basis der Gitterlinie konfiguriert ist.
Gitterkoppler (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 6, bei der die konstante Grabenbreite und der konstante Gitterabstand so konfiguriert ist, dass der duty cycle bei oder nahe 50% liegt.
Gitterkoppler (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Breite eines ersten Grabens des zweiten Gitterabschnitts (106b) breiter ist als die Breite des letzten Grabens des ersten Gitterabschnitts (106a).
Gitterkoppler (100, 200, 300, 400), nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Wellenlänge (λ-1) 1275 nm und eine zweite Wellenlänge (λ-2) von 1323 nm ist; und der erste Gitterabschnitt (106a) so konfiguriert ist, dass Licht der ersten Wellenlänge (λ-1) bei 11,5 Grad relativ zur Vertikalen gestreut wird und Licht der zweiten Wellenlänge (λ-2) bei 7,2 Grad relativ zur Vertikalen gestreut wird; der zweite Gitterabschnitt (106b) so konfiguriert ist, dass Licht der ersten Wellenlänge (λ-1) bei 6,7 Grad relativ zur Vertikalen streut, und der kombinierte effektive Streuwinkel des Lichts der ersten Wellenlänge (λ-1) etwa 8 Grad relativ zur Vertikalen ist.
Gitterkoppler (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gitterkoppler (100, 200, 300, 400) auf einer Silizium-auf-Isolator Vorrichtung angeordnet ist.
Gitterkoppler (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der gewünschte Winkel einen Winkel umfasst, bei dem eine optische Faser (104) oberhalb des Gitterkopplers (100, 200, 300, 400) und relativ zur Vertikalen angeordnet ist.
Gitterkoppler (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 11, bei dem der gewünschte Winkel (θ_desired) bei oder nahe Null liegt, so dass das Licht in vertikaler Richtung gestreut wird.
Gitterkoppler (100, 200, 300, 400) gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4 wobei der erste Gitterabschnitt (106a) und der zweite Gitterabschnitt (106b) für mehrere Wellenlängen optimiert sind, wobei jeder Wellenlänge (λ-1, λ-2) der mehreren Wellenlängen (λ-1, λ-2) eine benutzerdefinierte Wichtung zugeordnet ist, und wobei der erste Gitterabschnitt (106a) so konfiguriert ist, dass das Eingangslicht (108) einer ersten Wellenlänge unter einem negativen Winkel (θ₁, θ₂) relativ zur Vertikalen streut, und der zweite Gitterabschnitt so konfiguriert ist, dass das Eingangslicht (108) der ersten Wellenlänge (λ-1) unter einem positiven Winkel (θ₃, θ₄) relativ zur Vertikalen streut, so dass Eingangslicht (108) der ersten Wellenlänge (λ-1) in einer vertikalen Richtung gestreut wird.
Gitterkoppler (100, 200, 300, 400) gemäß Anspruch 13, umfassend eine Fokussierungsschicht aus Siliziumnitrid (410), die über dem ersten Gitterabschnitt (106a) und dem zweiten Gitterabschnitt (106b) angeordnet ist.
Gitterkoppler (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 14, bei dem die Siliziumnitrid-Fokussierungsschicht (410) strukturiert ist.
Gitterkoppler (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 14, der ferner eine Oxidschicht umfasst, die zwischen der Siliziumnitrid-Fokussierungsschicht (410) und dem ersten Gitterabschnitt (106a) und dem zweiten Gitterabschnitt (106b) angeordnet ist.
Eine Vorrichtung, umfassend: ein Siliziumsubstrat (402); eine vergrabene Isolierschicht (404), die über dem Siliziumsubstrat (402) angeordnet ist; einen planaren Wellenleiter (102), der auf der vergrabenen Isolierschicht angeordnet ist; und einen Gitterkoppler (100, 300, 400), bestehend aus: einem ersten Gitterabschnitt (106a) mit einer ersten Vielzahl von Gräben (110), die in den planaren Wellenleiter (102) geätzt sind, wobei der erste Gitterabschnitt (106a) eine erste Gitterlinien-Teilmenge und eine zweite Gitterlinien-Teilmenge umfasst, wobei jede Gitterlinien-Teilmenge eine Anzahl von Perioden des ersten Gitterabschnitts (106a) umfasst; und einen zweiten Gitterabschnitt (106b) mit einer zweiten Vielzahl von Gräben (110), die in den planaren Wellenleiter (102) geätzt sind, wobei die erste Vielzahl von Gräben (110) und die zweite Vielzahl von Gräben (110) eine Single-Etch-Schicht mit einer gleichmäßigen Tiefe umfasst, und wobei der erste Gitterabschnitt (106a) so konfiguriert ist, dass Licht einer ersten Wellenlänge (λ-1) eines Eingangslichtsignals (108) unter einem ersten Winkel (θ₁) relativ zur Vertikalen gestreut wird, und dass Licht einer zweiten Wellenlänge (λ-2) eines Eingangslichtsignals (108) unter einem zweiten Winkel (θ₂) relativ zur Vertikalen gestreut wird, und wobei der zweite Gitterabschnitt (106b) so konfiguriert ist, dass Licht der ersten Wellenlänge (λ-1) unter einem dritten Winkel (θ₃) relativ zur Vertikalen gestreut wird, und/oder dass Licht der zweiten Wellenlänge (λ-2) unter einem vierten Winkel (θ₄) relativ zur Vertikalen gestreut wird, so dass das Eingangslichtsignal (108) der ersten Wellenlänge (λ-1) und das Eingangslichtsignal (108) der zweiten Wellenlänge (λ-2) durch den Gitterkoppler (100, 300, 400) unter einem im Wesentlichen gleichen gewünschten Winkel (θ_desired) relativ zur Vertikalen gestreut wird.
Eine Vorrichtung, umfassend: ein Siliziumsubstrat (402); eine vergrabene Isolierschicht (404), die über dem Siliziumsubstrat (402) angeordnet ist; einen planaren Wellenleiter (102), der auf der vergrabenen Isolierschicht angeordnet ist; und einen Gitterkoppler (200), bestehend aus: einem ersten Gitterabschnitt (106a) mit einer ersten Vielzahl von Gräben (110), die in den planaren Wellenleiter (102) geätzt sind, wobei der erste Gitterabschnitt (106a) eine erste Gitterlinien-Teilmenge und eine zweite Gitterlinien-Teilmenge umfasst, wobei jede Gitterlinien-Teilmenge eine Anzahl von Perioden des ersten Gitterabschnitts (106a) umfasst; und einen zweiten Gitterabschnitt (106b) mit einer zweiten Vielzahl von Gräben (110), die in den planaren Wellenleiter (102) geätzt sind, wobei die erste Vielzahl von Gräben (110) und die zweite Vielzahl von Gräben (110) eine Single-Etch-Schicht mit einer gleichmäßigen Tiefe umfasst, und wobei der erste Gitterabschnitt (106a) so konfiguriert ist, dass Licht einer ersten Wellenlänge (λ-1) eines Eingangslichtsignals (108) unter einem ersten Winkel (θ₁) relativ zur Vertikalen gestreut wird, und dass Licht einer zweiten Wellenlänge (λ-2) eines Eingangslichtsignals (108) unter einem gewünschten Winkel (θ_desired) relativ zur Vertikalen gestreut wird, und wobei der zweite Gitterabschnitt (106b) so konfiguriert ist, dass Licht der ersten Wellenlänge (λ-1) unter einem zweiten Winkel (θ₂) relativ zur Vertikalen gestreut wird, so dass das Eingangslichtsignal (108) der ersten Wellenlänge (λ-1) und das Eingangslichtsignal (108) der zweiten Wellenlänge (λ-2) durch den Gitterkoppler (200) unter einem im Wesentlichen gleichen gewünschten Winkel (θ_desired) relativ zur Vertikalen gestreut wird.