TW201732335A - 光子晶片光柵耦接器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供用於一光子晶片之系統、方法及設備。該光子晶片除包含一或多個光學組件外，亦包含一或多個電子組件。可利用一光學耦接器來耦接外部光纖或源與該等光學組件。該光學耦接器可包含用於將具有橫向電(TE)偏光及橫向磁(TM)偏光兩者之一入射光分為僅具有TE偏光及TM偏光之兩個光束之一分束器。具有TM偏光之光束係入射於該晶片上之一光柵耦接器上，該光柵耦接器具有包含光柵之一號角式區段。該光束被反射至該光柵耦接器上，使得TM偏光之方向位於第一入射平面內，且第一光束相對於第一光柵耦接器之平面之一法線係以一角度入射於第一複數個光柵上。

Description

光子晶片光柵耦接器
本發明係關於光學通信領域，且特定而言係關於光學耦接器。
在同一晶片上包含所製造之光學組件、電組件及光電子組件之矽光子學可為資料通信、電子通信及尤其光學通信提供低成本、低功率、高速度之光學解決方案。藉由將光學組件、電組件及光電子組件整合在同一基板上，可達成收發器通道及傳輸速度之比例縮放。
至少一項態樣係關於一種用於將來自一源之光耦接至一晶片之耦接設備。該耦接設備包含具有一輸入埠、一第一輸出埠及一第二輸出埠之一分束器，該分束器經組態以在該輸入埠處接收一入射光束且自該第一輸出埠輸出具有實質上橫向磁(TM)偏光之一第一光束且自該第二輸出埠輸出具有實質上橫向電(TE)偏光之一第二光束。該耦接設備包含形成於該晶片上之一第一光柵耦接器，該第一光柵耦接器包含一第一號角式區段，該第一號角式區段包含具有第一複數個弧形光柵線之一第一光柵。該耦接設備包含一第一反射器，該第一反射器經定位以將該第一光束反射至該第一光柵耦接器上，使得該第一光束之一第一入射平面實質上法向於該第一號角式區段之軸線，TM偏光之方向位於該第一入射平面內，且該第一光束相對於該第一光柵耦接器之平面之一法線以一角度入射於該第一光柵上。 在某些實施方案中，該耦接設備包含：形成於該晶片上之一第二光柵耦接器，該第二光柵耦接器包含一第二號角式區段，該第二號角式區段包含具有第二複數個弧形光柵線之一第二光柵；及一第二反射器，該第二反射器經定位以將該第二光束反射至該第二光柵耦接器上，使得該第二光束之一第二入射平面實質上平行於該第二號角式區段之軸線，TE偏光之方向實質上法向於該第二入射平面，且該第二光束相對於該第二光柵耦接器之平面之一法線以一角度入射於該第二光柵上。 在某些實施方案中，該第一號角式區段及該第二號角式區段包含矽。 在某些實施方案中，該第一號角式區段之該軸線係在該第一號角式區段之平面內的該第一號角式區段之對稱軸線。 在某些實施方案中，該第一複數個弧形光柵線關於該第一號角式區段之一軸線係實質上不對稱的。 在某些實施方案中，該第二複數個弧形光柵線實質上被塑形為橢圓弧形。 在某些實施方案中，該第一號角式區段包含耦接至一波導之一窄端，且該第一光柵朝向該號角式區段之該窄端引導入射光並使該入射光進入該波導中。 在某些實施方案中，該第二號角式區段包含耦接至一波導之一窄端，且該第二光柵朝向該號角式區段之該窄端引導入射光並使該入射光進入該波導中。
本申請案主張於2015年11月20日提出申請之標題為「PHOTONIC CHIP GRATING COUPLERS」之美國臨時專利申請案第62/258,221號之優先權，該美國臨時專利申請案之整體特此以引用的方式併入。 上文所介紹及下文更詳細論述之各種概念可以眾多方式中之任一者實施，此乃因所闡述概念並不限於任一特定實施方式。具體實施方案及應用之實例主要出於說明性目的而提供。 矽光子技術中之關鍵挑戰中之一者係將來自一雷射或一光纖之光高效地耦接至一光子晶片中及自一光子晶片耦接出來。矽光子積體電路通常經設計以對單一(基本)波導模式進行操作及處理，其中該基本波導模式係指正被處理之光之偏光方向。自(舉例而言)一光纖或一雷射進入一光子晶片之光可具有橫向電(TE)及/或橫向磁(TM)偏光。存在某些解決方案用以使經TE偏光之光以良好效率耦接在一光纖或雷射與單一波導之基本模式之間，該單一波導將光引導於一光子晶片上。然而，缺少關於耦接經TM偏光之光與波導之基本模式之高效率解決方案。 標準TM耦接器通常具有高光損失且不輸出具有波導中之一基本模式之光。因此，需要額外偏光旋轉器來使由TM耦接器輸出之光之偏光旋轉為基本模式。添加光學組件(諸如偏光旋轉器)可引入過量損失且可減小通信系統之鏈路功率預算。 圖1A展示供在光學通信中使用之一實例性光子晶片100之一示意圖。特定而言，光子晶片100可用於處理光信號及電子信號兩者。光子晶片100可包含一或多個光學/光電子組件102，及一或多個電子組件104。在某些實施方案中，光學/光電子組件102可包含(但不限於)光偵測器、雷射、波導、分束器、濾波器、多工器、解多工器、透鏡、反射器、偏光器、延遲器、光學及/或電光調變器、放大器、衰減器等。在某些實施方案中，可利用除光學或電光調變器以外之調變器，諸如(但不限於)聲光調變器、磁光調變器、機械光調變器、熱光調變器或其組合。在某些實施方案中，該等調變器可利用諸如正交調幅(QAM)及相移鍵控(PSK)等技術來調變載波信號。可使用其他類型之調變。光學組件可用於處理在光纖上所接收之光信號或用於處理光子晶片100上所產生之光信號。在某些實施方案中，光子晶片100亦可包含允許在光子晶片100上之光學組件102與晶片外光纖或雷射之間耦接光信號的光柵耦接器106。舉例而言，可使用波導112來傳遞光柵耦接器106與其他光學組件102之間的光。下文就圖2至圖5來進一步論述光柵耦接器106。在某些實施方案中，電子組件104可包含類比及數位電子組件，諸如(但不限於)電壓及/或電流放大器、跨導放大器、濾波器、數位信號處理器、類比轉數位轉換器、數位轉類比轉換器等。電子組件104及光學組件102可用於實施各種電光功能區塊，諸如(但不限於)傳輸器、接收器、切換器、調變器、中繼器、放大器等。儘管圖1A展示在同一晶片上製作之光學組件、電光組件及電子組件，但在某些實施方案中，此等組件可係在經由電互連件(例如，線接合、銅柱等)及/或光互連件(例如，波導、光纖等)互連的單獨晶片上製作。 圖1B展示經耦接至一光學耦接器108之圖1A中所展示之實例性光子晶片100之一示意圖。特定而言，光學耦接器108可用作光子晶片100與一或多個光纖110之間之一界面。光學耦接器108可大體被定位於光子晶片100上之光柵耦接器106 (圖1A)上方。光學耦接器108連同光柵耦接器106一起可促進光纖110與光子晶片100上之光學組件102之間的雙向光信號通信。在某些實施方案中，光學耦接器108可促進將諸如雷射(而非光纖110或除光纖110以外)之光源與光子晶片100耦接。光學耦接器108可包含用於圍封一或多個光學組件之一殼體。該殼體亦可提供光學組件之特定放置及定向，使得可以所要角度自光纖110及光柵耦接器106接收光，且可以所要角度將光發送至光纖110及光柵耦接器106。 圖2展示一光學耦接器200內之光學組件之一示意圖。特定而言，圖2中所展示之光學組件可用於圖1B中所展示之光學耦接器108中。光學耦接器200可包含一偏光分束器(PBS) 202、一第一稜鏡/反射器204及一第二稜鏡/反射器206。PBS 202可將一入射光束分為具有不同偏光之兩個光束。特定而言，PBS 202可將具有TM及TE偏光兩者之一入射光束分為具有實質上僅TM偏光之一個光束，及具有實質上僅TE偏光之另一光束。如圖2中所展示，來自一光纖210 (諸如圖1B中所展示之光纖110中之一者)之一光束208經入射至PBS 202上。入射光束208具有TM及TE偏光兩者，使得TM偏光係正交於TE偏光，且TE偏光係位於入射平面內。PBS 202將入射光束208分為兩個光束：具有TE偏光之一第一光束212，及具有TM偏光之一第二光束214。第一光束212被引導至第一稜鏡/反射器204，而第二光束214被引導至第二稜鏡/反射器206。第一稜鏡/反射器204又將入射之第一光束212反射至晶片上之一TE光柵耦接器216上。類似地，第二稜鏡/反射器206將入射之第二光束214反射至晶片上之一TM光柵耦接器218上。在某些實施方案中，TE光柵耦接器216及TM光柵耦接器218可類似於圖1A中所展示之光柵耦接器106。 應理解，儘管光學耦接器200展示將自光纖210發出之一光束引導至一晶片上之光柵耦接器216及218上，但光學耦接器200亦可組合自光柵耦接器216及218發出之光束，且將經組合光束往回引導至光纖210中。 圖3A及圖3B展示圖2中所展示之第一稜鏡/反射器204、TE光柵耦接器216、第二稜鏡/反射器206及TM光柵耦接器218之剖面圖。特定而言，圖3A展示第一稜鏡/反射器204及TE光柵耦接器216沿第一光束212之入射平面的剖面圖，而圖3B展示第二稜鏡/反射器206及TM光柵耦接器218沿第二光束214之入射平面的剖面圖。在某些實施方案中，TE光柵耦接器216及TM光柵耦接器218可係由矽、氮化矽、氮氧化矽、多晶矽或此等材料之一組合製成。第一稜鏡/反射器204及第二稜鏡/反射器206兩者構成一稜鏡或一反射表面(諸如一鏡)，以將入射光以一特定角度反射至一光柵上。第一稜鏡/反射器204係關於TE光柵耦接器216而定位，使得第一光束212相對於TE光柵耦接器216之平面之一法線以所要角度入射至TE光柵耦接器216上。此外，光束之入射平面之定向實質上係沿著TE光柵耦接器216之一縱向軸線。在某些實施方案中，經TE偏光之光束之入射平面相對於TE光柵耦接器216之縱向軸線可具有約-5°至約+5°或約-10°至約+10°之一角度。類似地，第二稜鏡/反射器206係關於TM光柵耦接器218而定位，使得第二光束214相對於TM光柵耦接器218之平面之一法線以所要角度入射至TM光柵耦接器218上。然而，不同於TE光束(TE光束之入射平面實質上係沿著TE光柵耦接器之縱向軸線)，經TM偏光之入射光束之入射平面係實質上垂直於TM光柵耦接器218之一縱向軸線。在某些實施方案中，經TM偏光之光束之入射平面相對於TM光柵耦接器218之縱向軸線可具有約85°至約95°或約80°至約100°之一角度。 在某些實施方案中，光學耦接器200可給PBS 202、第一稜鏡/反射器204及第二稜鏡/反射器206之定向及位置提供某一度數之調整(手動或自動)。在某些實施方案中，第一稜鏡/反射器204及第二稜鏡/反射器206可包含基於微機電系統(MEMS)之反射器或鏡，該等反射器或鏡之定向可使用來自晶片上之一控制器之電信號進行調整。在某些實施方案中，光學耦接器200亦可包含準直透鏡以準直PBS 202中之光及/或包含聚焦透鏡以匹配光束寬度與光柵耦接器216及218之散射模式。 圖4A至圖4D展示耦接至波導之實例性光柵耦接器之示意圖。特定而言，圖4A及圖4C展示耦接至其各別波導404及454之TE光柵耦接器402及TM光柵耦接器452之俯視圖。圖4B及圖4D分別展示波導404及454之剖面圖。圖4A中所展示之TE光柵耦接器402可用於實施上文關於圖2及圖3A所論述之TE光柵耦接器，而圖4C中所展示之TM光柵耦接器452可用於實施上文關於圖2及圖3B所論述之TM光柵耦接器。 參考圖4A及圖4B，TE光柵耦接器402可包含具有一窄端及一寬端之一TE號角式區段406。波導404可耦接至TE號角式區段406之窄端，而一TE光柵408可形成於TE號角式區段406之寬端處。TE光柵408可包含複數個線或脊。號角形狀允許將一較大模式入射光與一相對窄模式之波導404耦接。為便於參考，TE光柵耦接器402之平面展示為在由x、y及z軸表示之一個三維笛卡兒空間之x-y平面內。號角式區段406可包含自號角式區段406之窄端延伸至寬端之一縱向軸線。為易於參考，圖4A展示號角式區段406之縱向軸線與y軸重合。在某些實施方案中，號角式區段406之縱向軸線可係號角式區段406之一對稱軸線。在某些實施方案中，TE光柵408沿號角式區段406之縱向軸線或對稱軸線可係對稱的。TE光柵408可包含(舉例而言)塑形為或彎曲為圓形、抛物線形或橢圓弧形之複數個光柵線或脊，複數個光柵線或脊由形成於在其上製作光柵耦接器402之晶片之表面中之溝渠分離。在某些實施方案中，TE光柵408可包含由具有一不同光學指數之間隔開區域分離的具有相似光學指數之複數個週期性間隔開區域。該等週期性間隔開區域未必由溝渠分離。在某些實施方案中，TE光柵408可視為充當一光學天線，該光學天線朝向號角式區段406之窄端引導或導引入射於光柵上之一光束並使該光束進入波導404中。 圖4A亦展示入射於TE光柵408上之具有TE偏光之一光束410。如所展示，電場(E)係正交或垂直於入射平面，入射平面係沿著光束410之中線414及號角式區段406之縱向軸線且平行於磁場(H)。經TE偏光之光束410之入射平面實質上法向(正交)於第一號角式區段406之x軸。經TE偏光之光束410相對於光柵耦接器402之平面之一法線(z軸)以一角度θ入射於TE光柵408上。具有一非零角度θ可減小光被往回反射至將光束反射至TE光柵408上之一反射器(諸如圖3A中所展示之稜鏡/反射器204)之風險。經TE偏光之光束410係相對於號角式區段406而定向，使得光束410之入射平面係實質上沿著號角式區段406之縱向軸線。因此，經TE偏光之光束410之TE偏光之電場(E)之方向實質上垂直於號角式區段406之縱向軸線(如所展示)。因此，當經TE偏光之光束410入射於TE光柵408上時，入射光410由號角式區段406導引至波導404中，其中伴隨有實質上平行於x-y平面之平面之一偏光，如圖4B中由電場分量(E)所展示。在某些實施方案中，經TE偏光之光束410之入射平面相對於號角式區段406之縱向軸線可具有約5°至10°之一角度α。 如上文所提及，圖4C展示TM光柵耦接器452之一俯視圖。TM光柵耦接器452可包含一TM號角式區段456，TM號角式區段456之形狀可與圖4A中所展示之TE號角式區段406之形狀類似。波導454可經耦接至TM號角式區段456之窄端，且一TM光柵458可係形成於TM號角式區段456之寬端處。TM光柵可包含複數個線或脊。為便於參考，TM光柵耦接器452之平面係展示為在x-y平面內。TM號角式區段456可包含自TM號角式區段456之窄端延伸至寬端之一縱向軸線。為易於參考，圖4C展示TM號角式區段456之縱向軸線與x軸重合。 在某些實施方案中，不同於圖4A中所展示之沿TE號角式區段406之縱向軸線對稱的TE光柵408，TM光柵458沿TM號角式區段456的縱向軸線可係不對稱的。在某些實施方案中，TM光柵458之不對稱性可部分地由在TM光柵458之一橢圓光柵弧形之一半徑與TM光柵耦接器452之平面內之TM號角式區段456之縱向軸線之間所形成之一角度表示。此角度西由φ表示，如圖4C中所展示。在某些實施方案中，TM光柵線之橢圓形狀可藉由以下方程式(1)至(3)而近似得出： 圖4C亦展示入射於TM光柵458上之一經TM偏光之光束460。如所展示，磁場(H)係正交於或垂直於入射平面，入射平面係沿著光束460之中線464且平行於電場(E)。以類似於圖4A中所展示之TE入射光束410之一方式，經TM偏光之光束460相對於TM光柵耦接器452之平面之一法線(z軸)亦形成一入射角度θ。在某些實施方案中，由經TM偏光之光束460相對於TM光柵耦接器452之平面之法線而形成的入射角度可不同於由圖4A中所展示之TE入射光束410所形成的角度。此外，TM光束460之入射平面係實質上垂直於號角式區段456之縱向軸線。此不同於實質上平行於或沿著號角式區段406之縱向軸線之圖4A中所展示之TE光束410的入射平面。在某些實施方案中，經TM偏光之光束460之入射平面相對於號角式區段456之縱向軸線可具有約85°至約95°或約80°至約100°之一角度。入射之經TM偏光的光束460相對於TM耦接器452的定向致使經TM偏光之光束460之電場(E)的方向將係垂直於號角式區段456的縱向軸線。因此，經TM偏光之光460被導引至波導454中，其中伴隨有實質上平行於x-y平面之一偏光，如圖4D中由電場分量(E)所展示。此類似於進入圖4B中所展示之經耦接至TE光柵耦接器402之波導404之光的偏光。由於TM波導454中之光束的偏光與TE波導404中之光的偏光(亦即，基本模式)相同，因此不需要額外組件(諸如偏光旋轉器)來旋轉TE或TM波導中之光的偏光。因此，可避免因組件(諸如偏光旋轉器)而產生的損失，從而產生經改良信號品質。 圖5展示具有一光柵耦接器之一實例性光子晶片500之一剖面。特定而言，光子晶片500之剖面可表示沿TE光柵耦接器402或TM光柵耦接器452 (圖4A及圖4C中所展示)之縱向軸線(沿TE光柵耦接器402或TM光柵耦接器452之各別號角式區段之縱向軸線)之一剖面。圖5展示絕緣體上覆矽(SOI)晶片500，該SOI晶片包含一矽處置片(handle)或基板502、一埋入式氧化物層504，及經沈積於氧化物層504上方之一薄矽層506。薄矽層506可經圖案化以形成具有由溝渠510分離之光柵線或脊508之一光柵512。在某些實施方案中，可使用乾式或濕式蝕刻來將此等光柵特徵圖案化。在某些其他實施方案中，可使用各向異性蝕刻技術來圖案化光柵特徵。然而，亦可利用其他眾所周知之用於圖案化半導體的技術。在某些實施方案中，薄矽層506可具有約數百奈米之一厚度。 在某些實施方案中，光柵線或脊508及溝渠510之寬度及間距可係固定的(一均勻光柵)或可在不同溝渠之間有所變化(經切趾光柵)以使局部散射強度最佳化以增加與入射光束模式之重疊及/或以根據入射光束之波長調諧光柵512。在某些實施方案中，薄矽層506或氧化物層504之厚度可經選擇以使光自光柵512至一光纖之耦接最佳化且改良頻寬。在某些實施方案中，可將一反射層(介電質或金屬)沈積於光柵512下方。在某些實施方案中，可利用諸如SiN、SiON等材料來形成光子晶片500中之一或多個層。在某些實施方案中，可使用標準CMOS製程來製造光子晶片500。 熟習此項技術者可易於明瞭對本發明中所闡述之實施方案之各種修改，且可在不背離本發明之精神或範疇之情況下將本文中所定義之一般原理應用於其他實施方案。因此，申請專利範圍並不意欲限於本文中所展示之實施方案，而是將被賦予與本發明、本文中所揭示之原理及新穎特徵相一致之最寬廣範疇。
100‧‧‧實例性光子晶片/光子晶片
102‧‧‧光學組件/光電子組件
104‧‧‧電子組件
106‧‧‧光柵耦接器
108‧‧‧光學耦接器
110‧‧‧光纖
112‧‧‧波導
200‧‧‧光學耦接器
202‧‧‧偏光分束器
204‧‧‧第一稜鏡/反射器/稜鏡/反射器
206‧‧‧第二稜鏡/反射器
208‧‧‧光束/入射光束
210‧‧‧光纖
212‧‧‧第一光束/入射之第一光束
214‧‧‧第二光束/入射之第二光束
216‧‧‧光柵耦接器/橫向電光柵耦接器
218‧‧‧光柵耦接器/橫向磁光柵耦接器
402‧‧‧橫向電光柵耦接器/光柵耦接器
404‧‧‧波導/橫向電波導
406‧‧‧橫向電號角式區段/號角式區段/第一號角式區段
408‧‧‧橫向電光柵
410‧‧‧光束/經橫向電偏光之光束/入射光/橫向電入射光束/橫向電光束
414‧‧‧中線
452‧‧‧橫向磁光柵耦接器/橫向磁耦接器
454‧‧‧橫向磁波導/波導
456‧‧‧橫向磁號角式區段/號角式區段
458‧‧‧橫向磁光柵
460‧‧‧經橫向磁偏光之光束/光束/橫向磁光束/入射之經橫向磁偏光之光束
464‧‧‧中線
500‧‧‧實例性光子晶片/光子晶片/絕緣體上覆矽晶片
502‧‧‧矽處置片或基板
504‧‧‧埋入式氧化物層/氧化物層
506‧‧‧薄矽層
508‧‧‧光柵線或脊
510‧‧‧溝渠
E‧‧‧電場/電場分量
H‧‧‧磁場
α‧‧‧角度
θ‧‧‧入射角度/角度/非零角度
φ‧‧‧角度
圖1A展示供在光學通信中使用之一實例性光子晶片之一示意圖。 圖1B展示耦接至一光學耦接器的圖1A中所展示之實例性光子晶片之一示意圖。 圖2展示一光學耦接器內之光學組件之一示意圖。 圖3A及圖3B展示圖2中所展示之一第一稜鏡/反射器、一TE光柵耦接器、一第二稜鏡/反射器及一TM光柵耦接器之剖面圖。 圖4A至圖4D展示耦接至波導之實例性光柵耦接器之示意圖。 圖5展示具有一光柵耦接器之一實例性光子晶片之一剖面。 在各個圖式中，相似參考編號及名稱指示相似元件。
100‧‧‧實例性光子晶片/光子晶片
102‧‧‧光學組件/光電子組件
104‧‧‧電子組件
108‧‧‧光學耦接器
110‧‧‧光纖
112‧‧‧波導

Claims (8)

  1. 一種用於將來自一源之光耦接至一晶片之耦接設備，其包括： 一分束器，其具有一輸入埠、一第一輸出埠及一第二輸出埠，該分束器經組態以在該輸入埠處接收一入射光束，且自該第一輸出埠輸出具有實質上橫向磁(TM)偏光之一第一光束，且自該第二輸出埠輸出具有實質上橫向電(TE)偏光之一第二光束； 一第一光柵耦接器，其經形成於該晶片上、包含一第一號角式區段，該第一號角式區段包含具有第一複數個弧形光柵線之一第一光柵；及 一第一反射器，其經定位以將該第一光束反射至該第一光柵耦接器上，使得該第一光束之一第一入射平面係實質上法向於該第一號角式區段之軸線，TM偏光之方向位於該第一入射平面內，且該第一光束相對於該第一光柵耦接器之平面之一法線係以一角度入射於該第一複數個光柵上。
  2. 如請求項1之耦接設備，進一步包括： 一第二光柵耦接器，其經形成於該晶片上、包含一第二號角式區段，該第二號角式區段包含具有第二複數個弧形光柵線之一第二光柵；及 一第二反射器，其經定位以將該第二光束反射至該第二光柵耦接器上，使得該第二光束之一第二入射平面係實質上平行於該第二號角式區段之軸線，TE偏光之方向係實質上法向於該第二入射平面，且該第二光束相對於該第二光柵耦接器之平面之一法線係以一角度入射於該第二光柵上。
  3. 如請求項2之耦接設備，其中該第一號角式區段及該第二號角式區段包含矽。
  4. 如請求項1之耦接設備，其中該第一號角式區段之該軸線係在該第一號角式區段之平面內之該第一號角式區段的對稱軸線。
  5. 如請求項1之耦接設備，其中該第一複數個弧形光柵線關於該第一號角式區段之一軸線係實質上不對稱的。
  6. 如請求項1之耦接設備，其中該第二複數個弧形光柵線實質上被塑形為橢圓弧形。
  7. 如請求項1之耦接設備，其中該第一號角式區段包含經耦接至一波導之一窄端，且該第一光柵朝向該號角式區段之該窄端引導入射光並使該入射光進入該波導中。
  8. 如請求項1之耦接設備，其中該第二號角式區段包含經耦接至一波導之一窄端，且該第二光柵朝向該號角式區段之該窄端引導入射光並使該入射光進入該波導中。
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