TW202022421A - 光波導結構 - Google Patents

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Abstract

一種光波導結構，包括一底層、一中間波導層及一上包覆層。中間波導層配置於底層上。上包覆層配置於中間波導層上，且覆蓋中間波導層。中間波導層的折射率大於底層的折射率，且大於上包覆層的折射率。光波導結構具有一第一末端區與一第二末端區，在第一末端區中的中間波導層具有寬度隨著靠近第二末端區而遞減的一第一末端，在第二末端區中的上包覆層具有寬度隨著遠離第一末端區而遞減的一第二末端。

Description

光波導結構
本揭露是有關於一種光學結構，且特別是有關於一種光波導結構。
矽光子技術是未來降低高速電腦和資料中心耗電量的關鍵技術。矽光子晶片的光訊號需要傳導至光纖達到雙向訊號傳導的目的，而如何克服矽波導和光纖間巨大的尺寸差異以及實現高密度通道數且同時光耦合對準，需要平面單模光波導排線高超的橋接設計。常見光纖的外徑約為125微米，而矽波導的寬度約小於0.5微米，如果矽波導以光纖間距對準將會占用大量的晶片面積，損失數倍以上的輸出端與輸入端數量。因此，平面單模光波導排線為了同時連接高密度的矽波導通道與低密度的光纖排線，可以有扇形布線提供橋接。此平面單模光波導排線若是柔性可彎曲，則可以提供多種類型的對位封裝選擇，從而降低晶片封裝成本。
有機光波導材料則為柔性可彎曲光波導排線的製造提供可能的解決方案。在製造上，平面單模光波導排線必須提供與光纖和矽波導的對位封裝結構設計。光纖端是透過精密製造的光纖連接頭對準封裝，而矽波導端的對位封裝方法至今仍然是全球矽光子科研或相關企業的研究重點。技術困難點在於矽波導的尺寸和平面光波導通道尺寸差異太大，單模光訊號模態要從矽波導到平面光波導雙向來回轉換需要透過高超的光耦合結構設計，才能同時滿足低耦光損失和高容許位準誤差。
本揭露的一實施例提出一種光波導結構，包括一底層、一中間波導層及一上包覆層。中間波導層配置於底層上。上包覆層配置於中間波導層上，且覆蓋中間波導層。中間波導層的折射率大於底層的折射率，且大於上包覆層的折射率。光波導結構具有一第一末端區與一第二末端區，在第一末端區中的中間波導層具有寬度隨著靠近第二末端區而遞減的一第一末端，在第二末端區中的上包覆層具有寬度隨著遠離第一末端區而遞減的一第二末端。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
請參考以下實施例及隨附圖式，以便更充分地了解本揭露，但是本揭露仍可以藉由多種不同形式來實踐，且不應將其解釋為限於本文所述之實施例。而在圖式中，為求明確起見對於各構件以及其相對尺寸可能未按實際比例繪製。
圖1A為本揭露的一實施例的光波導結構的上視示意圖，圖1B為圖1A的光波導結構的剖面示意圖，圖2為具有圖1A之光波導結構的光子晶片裝置的剖面示意圖。請參考圖1A、圖1B及圖2，本實施例的光波導結構100包括一底層110、一中間波導層120及一上包覆層130。在本實施例中，底層110例如為配置於一基板105上的一光波導層。然而，在其他實施例中，底層110亦可以是一可傳遞光的基板。
中間波導層120配置於底層110上。中間波導層120的材料包括矽或矽的化合物。在本實施例中，中間波導層120例如是一適於傳遞近紅外光的矽波導層。上包覆層130配置於中間波導層120上，且覆蓋中間波導層120。在本實施例中，上包覆層130可包覆中間波導層120的上表面與側面。中間波導層120的折射率大於底層110的折射率，且大於上包覆層130的折射率。舉例而言，波長為1310奈米的近紅外光訊號可在中間波導層120與上包覆層130中傳遞，而中間波導層120對此近紅外光訊號的折射率大於底層110對此近紅外光訊號的折射率，且大於上包覆層130對此近紅外光訊號的折射率。舉例而言，上包覆層130的折射率大小係介於中間波導層120的折射率與底層110的折射率之間。
上包覆層130的材料可以是氮氧化矽（silicon oxynitride, SiON）、氧化矽（silicon oxide）或其他適於傳遞近紅外光的材料，但不以此為限。光波導結構100具有一第一末端區A1與一第二末端區A2，在第一末端區A1中的中間波導層120具有寬度W1隨著靠近第二末端區A2而遞減的一第一末端E1。在第二末端區A2中的上包覆層130具有寬度W2隨著遠離第一末端區A1而遞減的一第二末端E2。在本實施例中，在第二末端區A2中上包覆層130存在於光波導結構100的中心軸X位置。詳細來說，在第二末端區A2中，已不存在中間波導層120，而取而代之的則是上包覆層130。
在本實施例中，光波導結構100更包括一有機光波導140，有機光波導140的一端配置於第二末端E2上但未與第一末端E1重疊，亦即有機光波導140僅覆蓋第二末端區A2而並未設置在配置有中間波導層120的區域。有機光波導140的至少其中一側可以有一披覆層150，在本實施例中例如是有機光波導140的上下兩側分別有披覆層150與披覆層160。此外，披覆層150亦可以被一基材所取代。在本實施例中，有機光波導140的此端接觸第二末端E2。在本實施例中，底層110、中間波導層120、及上包覆層130可為光子晶片（photonic chip）220（如圖2繪示）的一部分，光子晶片220例如是矽光子晶片。詳細來說，在圖1A與圖1B中，對應左方與右方各可為一光子晶片220。光子晶片220可配置於基板105上，其例如為一承載板。而基板105可再配置於光子晶片裝置200的一主機板210上。圖1A與圖1B所繪示的光波導結構100可以是如圖2的區域R1中的相鄰的光子晶片220之間的光傳遞結構。其中，有機光波導140可以是可彎曲的或是呈直線狀態的。然而，在其他實施例中，光波導結構100也可以是同一基板105上的光傳遞結構。在本實施例中，來自一基板105上的光子晶片220的光訊號可以經由中間波導層120傳遞至第一末端E1，然後進入到上包覆層130，經由第二末端區A2中的上包覆層130的第二末端E2提供光模態轉換的功能後，以較大的傳輸功率進入有機光波導140中。在有機光波導140中傳遞的光訊號則可藉由第二末端區A2中的上包覆層130的第二末端E2提供光模態轉換的功能後，以較大的傳輸功率進入中間波導層120。如此一來，相對於圖1A中左方的光子晶片220中，光訊號可以依序經由中間波導層120、上包覆層130的第二末端E2、有機光波導140、上包覆層130的第二末端E2及中間波導層120而傳遞至圖1A中右方的光子晶片220。反之，圖1A中右方的光子晶片220的光訊號也可以依序經由中間波導層120、上包覆層130的第二末端E2、有機光波導140、上包覆層130的第二末端E2及中間波導層120而傳遞至圖1A中左方的光子晶片220。如此便能夠達到雙向傳輸。
此外，由於在第一末端區A1中的中間波導層120具有寬度W1隨著靠近第二末端區A2而遞減的第一末端E1，因此可以使中間波導層120在第一末端區A1中的有效折射率減小而與上包覆層130的折射率更為匹配，以提升光耦合效率。另一方面，由於在第二末端區A2中的上包覆層130具有寬度W2隨著遠離第一末端區A1而遞減的第二末端E2，因此可以使上包覆層130在第二末端區A2中的有效折射率減小而與有機光波導140的折射率更為匹配，以提升光耦合效率。
另一方面，如圖3所繪示，相對圖3左方的光子晶片220的光訊號也可以依序經由中間波導層120、上包覆層130的第二末端E2及有機光波導140而傳輸至光排線50，並透過光排線50傳輸至外界。另一方面，來自外界的光訊號亦可以經由光排線50、有機光波導140、上包覆層130的第二末端E2及中間波導層120而傳輸至光子晶片220。此處的光傳輸結構可以是位於圖2中的區域R2處的結構。有機光波導140與光排線50之間的光耦合可以透過各種連接器60來達成。詳細來說，在本實施例中，有機光波導140僅一端接觸基板105上的第二末端E2，另一端則透過連接器60而與光排線50進行光耦合。在一實施例中，光排線50可為光波導或是光纖。在本實施例中，第一末端E1的最小寬度W1m大於0.01微米。舉例而言，第一末端E1的最小寬度W1m大於0.01微米且小於0.2微米。在本實施例中，第二末端E2的最小寬度W2m大於0.01微米。舉例而言，第二末端E2的最小寬度W2m大於0.1微米且小於2微米。在本實施例中，上包覆層130的最大厚度T1小於3微米。舉例而言，上包覆層130的最大厚度T1小於1微米。要注意的是，所述上包覆層130的最大厚度T1係指上包覆層130直接覆蓋在底層110的厚度。
在本實施例中，第一末端區A1與第二末端區A2之間存在一間距G。如此一來，當有機光波導140在覆蓋於第二末端E2時，可以有一個裕度不至於覆蓋第一末端E1。在本實施例中，間距G落在0.1微米至200微米的範圍內。
再者，在本實施例中，在第一末端區A1中的中間波導層120具有寬度W1隨著靠近第二末端區A2而遞減的第一末端E1，但在第一末端區A1中的中間波導層120的厚度（即在圖中最大厚度T1的方向上之厚度，或是在與寬度W1垂直的方向上之厚度）則可以是維持不變的。此外，在第二末端區A2中的上包覆層130具有寬度W2隨著遠離第一末端區A1而遞減的第二末端E2，但在第二末端區A2中的上包覆層130的厚度可以是維持不變的。也就是說，第一末端E1與第二末端E2可以是一個二維漸縮的結構，而可以不是三維漸縮（即連厚度都遞減）的結構，因此本實施例的光波導結構100可以透過簡單的製程製作完成，且可達到良好的光耦合效率。
圖4為圖1的光波導結構的左半部的示意圖。在一實施例中，請參照圖4，利用Rsoft BeamPROP 2017年版本軟體模擬計算光波導結構100在1310奈米波長之光耦合效率，計算條件如下： 1. 中間波導層120：寬0.45微米、厚度0.22微米、第一末端E1的最小寬度W1m為0.12微米、第一末端E1的長度（即第一末端區A1在中心軸X的方向上之延伸量）為450微米、折射率3.5； 2. 上層包覆層130：材料為氮氧化矽（SiON），寬3微米、厚度0.5微米、第二末端E2的最小寬度W2m為1微米、第二末端E2的長度（即第二末端區A2在中心軸X的方向上之延伸量）為600微米、折射率1.67； 3. 底層110：材料為二氧化矽（SiO2 ），寬6微米、厚度2微米、折射率1.4468； 4. 有機光波導140：寬6微米、厚度6微米、折射率1.569； 5. 披覆層150（或基材）：寬8微米、厚度6微米、折射率1.54；6. 背景折射率1.54、光訊號的偏振模態: TE模態。
經由上述軟體與參數的計算，可得到光訊號從中間波導層120傳遞至有機光波導140的光耦合效率為83%，而光訊號從有機光波導140傳遞至中間波導層120的光耦合效率為65%。
圖5是圖4的光波導結構的一比較例。請參照圖5，在圖5的比較例中，光波導結構300不具有上包覆層130，而矽波導層310的第一末端E1與有機光波導330的一端接觸。至於其餘結構則與圖4的光波導結構100類似。利用Rsoft BeamPROP 2017年版本軟體模擬計算光波導結構300在1310奈米波長之光耦合效率，計算條件如下： 1. 矽波導層310，寬0.35微米、厚度0.145微米、第一末端E1的最小寬度0.12微米、第一末端E1的長度450微米、折射率3.5； 2. 底層320：材料為二氧化矽（SiO2 ），寬6微米、厚度2微米、折射率1.4468； 3. 有機光波導330：寬6微米、厚度6微米、折射率1.56； 4. 有機光波導330的披覆層或基材：寬8微米、高6微米、折射率1.55； 5.背景折射率1.46、光訊號的偏振模態：TE。
經由上述軟體與參數的計算，可得到光訊號從矽波導層310傳遞至有機光波導330的光耦合效率為35%，而光訊號從有機光波導330傳遞至矽波導層310的光耦合效率為31%。比較圖4的實施例與圖5的比較例的計算結果可知，本揭露的圖4的實施例的確在雙向皆有良好的光耦合效率。
圖4的實施例的另一組模擬計算參數的計算條件如下（其利用Rsoft BeamPROP 2017年版本軟體模擬計算光波導結構100在1310奈米波長之光耦合效率）： 1. 中間波導層120：寬0.35微米、厚度0.145微米、第一末端E1的最小寬度W1m為0.12微米、第一末端E1的長度450微米、折射率3.5； 2. 上層包覆層130：材料為氮氧化矽（SiON），寬3微米、厚度0.5微米、第二末端E2的最小寬度W2m為1微米、第二末端E2的長度600微米、折射率1.67； 3. 底層110：材料為二氧化矽（SiO2 ），寬6微米、厚度2微米、折射率1.4468； 4. 有機光波導140：寬6微米、厚度6微米、折射率1.56； 5. 披覆層150（或基材）：寬8微米、厚度6微米、折射率1.55； 6. 背景折射率1.46、光訊號的偏振模態: TE模態。
經由上述軟體與參數的計算，可得到光訊號從中間波導層120傳遞至有機光波導140的光耦合效率為68%，而光訊號從有機光波導140傳遞至中間波導層120的光耦合效率為44%。這樣的光耦合效率亦優於圖5的比較例的光耦合效率。
圖6A與圖6B繪示圖4中的有機光波導140相對於中間波導層120產生橫向（即垂直於中間波導層120的延伸方向如中心軸X的方向）錯位的情形，而圖7為圖4的實施例與圖5的比較例中的有機光波導140與330相對於中間波導層120或矽波導層310產生橫向錯位時的光耦合強度變化曲線圖。標示為比較例的曲線是屬於圖5的比較例的曲線，而標示為本實施例的曲線是屬於本揭露的圖4的實施例的上述另一組模擬計算參數的曲線。由此兩曲線可明顯看出，圖4的實施例的光耦合強度不易受橫向錯位量的影響。因此，本實施例的光波導結構100在有機光波導330與第二末端E2耦合時，具有較大的位置公差。
圖8為本揭露的另一實施例的光波導結構的剖面示意圖。請參照圖8，本實施例的光波導結構100a與圖4的光波導結構100類似。要注意的是，在本實施例的光波導結構100a中，有機光波導140的一端與第二末端E2之間保持一間隙G1，且第二末端E2漸逝耦合（evanescently coupled）至有機光波導140。此外，間隙G1例如是大於0且小於等於1微米。
在一實施例中，利用Rsoft BeamPROP 2017年版本軟體模擬計算光波導結構100在1310奈米波長之光耦合效率，計算條件如下： 1. 中間波導層120：寬0.45微米、厚度0.22微米、第一末端E1的最小寬度W1m為0.12微米、第一末端E1的長度450微米、折射率3.5； 2. 上層包覆層130：材料為氮氧化矽（SiON），寬3微米、厚度0.5微米、第二末端E2的最小寬度W2m為1微米、第二末端E2的長度600微米、折射率1.67； 3. 底層110：材料為二氧化矽（SiO2 ），寬6微米、厚度2微米、折射率1.4468； 4. 有機光波導140：寬6微米、厚度6微米、折射率1.569； 5. 披覆層150（或基材）：寬8微米、厚度6微米、折射率1.54； 6. 背景折射率1.54、光訊號的偏振模態: TE模態。
經由上述軟體與參數的計算，可得到下表的計算結果：
Figure 107143410-A0304-0001
在間隙G1中可填有空氣或是黏著膠，兩者皆可達到上層包覆層130與有機光波導140之間的漸逝耦合（evanescent coupling）。
圖9為本揭露之又一實施例的光波導結構的剖面示意圖。本實施例的光波導結構100b與圖4的光波導結構100類似。要注意的是，在本實施例的光波導結構100b中，有機光波導140的一端包覆第二末端E2，亦即同時包覆了第二末端E2的上表面與側表面。如此仍然可使來自中間波導層120的光訊號經由第二末端E2傳遞至有機光波導140，且亦可使來自有機光波導140的光訊號經由第二末端E2傳遞至中間波導層120。
請再參照圖4，以下模擬圖4的光波導結構100在有機光波導140的折射率不同時，上包覆層130採用不同的折射率時所產生的不同的光耦合效率。
在一實施例中，利用Rsoft BeamPROP 2017年版本軟體模擬計算光波導結構100在1310奈米波長之光耦合效率，計算條件如下： 1. 中間波導層120：寬0.45微米、厚度0.22微米、第一末端E1的最小寬度W1m為0.12微米、第一末端E1的長度450微米、折射率3.5； 2. 上層包覆層130：材料為氮氧化矽（SiON），寬3微米、厚度0.5微米、第二末端E2的最小寬度W2m為1微米、第二末端E2的長度600微米、折射率1.67或1.65； 3. 底層110：材料為二氧化矽（SiO2 ），寬6微米、厚度2微米、折射率1.4468； 4. 有機光波導140：寬6微米、厚度6微米、折射率1.569或1.544； 5. 披覆層150（或基材）：寬8微米、厚度6微米、折射率1.54或1.537； 6. 背景折射率1.54或1.537、光訊號的偏振模態: TE模態。
經由上述軟體與參數的計算，可得到圖10A與圖10B的結果。圖10A是圖4的光波導結構在不同的上包覆層的折射率之下，從有機光波導到中間波導層的光耦合強度的折線圖。圖10B是圖4的光波導結構在不同的上包覆層的折射率之下，從中間波導層到有機光波導的光耦合強度的折線圖。請參照圖4、圖10A與圖10B，當有機光波導140的折射率從1.569變為1.544，且其披覆層150的折射率從1.54變為1.537時，本實施例的光波導結構100的架構可以讓設計者不用為了維持光耦合效率而重新製作用以定義上包覆層130的圖案的光罩，而可以簡單藉由改變上包覆層130的製作配方來改變上包覆層130的折射率。由圖10A與圖10B可知，當上包覆層130的折射率為1.65時，其對折射率為1.544的有機光波導140有良好的光耦合效率，而當上包覆層130的折射率落在1.63至1.66的範圍內時，其對折射率為1.544的有機光波導140有穩定的光耦合效率
綜上所述，在本揭露的實施例的光波導結構中，除了在第一末端區中的中間波導層具有寬度隨著靠近第二末端區而遞減的第一末端之外，在第二末端區中的上包覆層具有寬度隨著遠離第一末端區而遞減的第二末端，因此第二末端可作為光訊號的模態轉換器而連接其他光波導（例如是有機光波導），以提升與其他光波導的光耦合效率。此外，在本揭露的實施例的光波導結構中，由於在第一末端區中的中間波導層具有寬度隨著靠近第二末端區而遞減的第一末端，因此可以使中間波導層在第一末端區中的有效折射率減小而與上包覆層的折射率更為匹配，以提升光耦合效率。另一方面，由於在第二末端區中的上包覆層具有寬度隨著遠離第一末端區而遞減的第二末端，因此可以使上包覆層在第二末端區中的有效折射率減小而與其他光波導（例如有機光波導）的折射率更為匹配，以提升光耦合效率。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
50：光排線 60:連接器100、100a、100b、300:光波導結構105:基板110、320:底層120:中間波導層130:上包覆層140、330:有機光波導150、160:披覆層200:光子晶片裝置210:主機板220:光子晶片310:矽波導層A1:第一末端區A2:第二末端區E1:第一末端E2:第二末端G:間距G1:間隙R1、R2:區域T1:最大厚度W1:寬度W1m、W2m:最小寬度W2:寬度X:中心軸
圖1A為本揭露的一實施例的光波導結構的上視示意圖。 圖1B為圖1A的光波導結構的剖面示意圖。 圖2為具有圖1A之光波導結構的光子晶片裝置的剖面示意圖。 圖3為本揭露的光波導結構的另一應用實施例。 圖4為圖1A的光波導結構的左半部的示意圖。 圖5是圖4的光波導結構的一比較例。 圖6A與圖6B繪示圖4中的有機光波導相對於中間波導層產生橫向錯位的情形。 圖7為圖4的實施例與圖5的比較例中的有機光波導相對於中間波導層或矽波導層產生橫向錯位時的光耦合強度變化曲線圖。 圖8為本揭露的另一實施例的光波導結構的剖面示意圖。 圖9為本揭露之又一實施例的光波導結構的剖面示意圖。 圖10A是圖4的光波導結構在不同的上包覆層的折射率之下，從有機光波導到中間波導層的光耦合強度的折線圖。 圖10B是圖4的光波導結構在不同的上包覆層的折射率之下，從中間波導層到有機光波導的光耦合強度的折線圖。
100:光波導結構
110:底層
120:中間波導層
130:上包覆層
140:有機光波導
150:披覆層
220:光子晶片
A1:第一末端區
A2:第二末端區
E1:第一末端
E2:第二末端
G:間距
W1:寬度
W1m、W2m:最小寬度
W2:寬度
X:中心軸

Claims (13)

  1. 一種光波導結構，包括： 一底層； 一中間波導層，配置於該底層上；以及 一上包覆層，配置於該中間波導層上，且覆蓋該中間波導層，其中該中間波導層的折射率大於該底層的折射率，且大於該上包覆層的折射率，該光波導結構具有一第一末端區與一第二末端區，在該第一末端區中的該中間波導層具有寬度隨著靠近該第二末端區而遞減的一第一末端，在該第二末端區中的該上包覆層具有寬度隨著遠離該第一末端區而遞減的一第二末端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光波導結構，其中該第一末端區與該第二末端區之間存在一間距。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的光波導結構，其中該間距落在0.1微米至200微米的範圍內。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的光波導結構，其中該底層為一基板或配置於一基板上的一光波導層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的光波導結構，其中該中間波導層的材料包括矽或矽的化合物。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的光波導結構，其中在該第二末端區中該上包覆層存在於該光波導結構的中心軸位置。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的光波導結構，其中該第一末端的最小寬度大於0.01微米且小於0.2微米。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的光波導結構，其中該第二末端的最小寬度大於0.1微米且小於2微米。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的光波導結構，其中該上包覆層的最大厚度小於3微米。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的光波導結構，更包括一有機光波導，其中該有機光波導的一端配置於該第二末端上但未與該第一末端重疊。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的光波導結構，其中該有機光波導的該端接觸該第二末端。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的光波導結構，其中該有機光波導的該端包覆該第二末端。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的光波導結構，其中該有機光波導的該端與該第二末端之間保持一間隙，且該第二末端漸逝耦合至該有機光波導。
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