TWI417589B - 矽光子晶片與光纖間有效率耦合之方法及設備 - Google Patents

Description

矽光子晶片與光纖間有效率耦合之方法及設備

本發明一般有關於光學器件，更具體而言，本發明有關於光波導錐體。

網際網路及網路資料流量增長率正推動以光學為基礎的資料通訊之期望。經由高密度分波多工(DWDM)系統及十億位元乙太網路(GBE)系統中的相同光纖之多個光通道的傳送提供簡單的方式來使用由光纖所提供的較高資料容量(訊號頻寬)。資料通訊系統中之常使用的光組件包括分波多工(WDM)的傳送器與接收器、諸如繞射光柵的光濾波器、薄膜濾波器，光纖布雷格光柵、陣列式的波導光柵、光增加/降低多工器、調變器、雷射及光開關。

這些建構區塊的光組件之許多光組件可被實施於半導體裝置中。就其本身而論，半導體裝置典型上係連接至光纖。因為與光纖模態大小相較，半導體波導裝置經常具有較小的模態大小，所以三維錐形的波導或模態大小轉換器典型上被使用來耦合半導體波導裝置與光纖之間的光。半導體波導允許光傳過光子晶片，此光子晶片包含不同的組件，諸如調變器、開關、多工器等等。半導體波導系統中之可容許折射率的大差異允許用於較小的波導尺寸。

矽光子積體化晶片(PIC)被使用於調變及切換的高速光互連。因為PIC中之矽波導的大小經常遠小於光纖的核心直徑，所以使用波導錐體。此錐體引導且延伸矽波導的光模大小，以與光纖匹配。

在以下的說明中，會提及特定細節，以便提供本發明的全盤瞭解。然而，一般熟習此項技術者將顯然可知的是，不需使用特定細節來實施本發明。在其他情況中，不會詳細說明熟知的材料或方法，以便避免混淆本發明。

遍及此說明書所提及的「一實施例(one embodiment )」或「實施例(an embodiment)」意謂與此實施例相關聯所述之特別的特性、結構或特徵被包含於本發明的至少一實施例中。因此，在遍及此說明書的不同處中之「在一實施例中」或「在實施例中」的用語之出現不必然全部參照相同實施例。再者，在一個或多個實施例中，特別的特性、結構或特徵可以任何適當的方式來予以結合。此外，一般熟習此項技術者要瞭解的是，同此所提供的圖式係為了解釋目的，且圖式不必按比例繪製。再者，也要瞭解的是，圖此所繪示的特定尺寸、指標值、材料等係提供用於解釋的目的，而其他適當的尺寸、指標值、材料等也可根據本發明的教導來予以利用。

在本發明的一實施例中，揭示一種新穎的錐形波導裝置，包括具有第一錐體的第一光波導，及具有進入耦合至光纖的第三光波導之第二錐體的第二光波導。所揭示的錐形波導裝置之實施例具有低的光耦合損失，且可與以微型單模半導體為基礎的波導一起被利用，此以微型單模半導體為基礎的波導能夠與諸如例如是以矽為基礎的光調變器、微環形共振器、光子帶隙裝置及類似之以半導體為基礎的光子裝置一起高速操作。

在本發明的一實施例中，錐形波導裝置包括用以使矽波導中所引導之光束的模態大小縮小之錐形矽脊形波導，此矽波導係耦合至由錐體蝕刻所界定的第二錐形波導，此矽波導係耦合進入單晶體地整合於半導體層中之氮氧化矽(SiON)波導。為了例示，圖1顯示根據本發明的教導之配置於半導體材料中的錐形波導裝置101之一實施例。如描繪的實施例中所顯示，錐形波導裝置101係配置於半導體層中且包括第一光波導103、第二光波導107、及第三光波導111。

圖1概略地顯示絕緣體上覆矽(SOI)基板上的矽錐體。此種錐體可被整合至光子積體化電路(PIC)上或為分開的組件。自矽或其他小波導所透射的光被引導進入第一波導103的開口105。此波導係藉由脊形蝕刻所界定，且符合特別的裝置設計及特別應用的效能限制。雖然顯示SOI構造，但是這對於本發明並非是必要的，且可使用其他技術。此外，光可自與開口105耦合相鄰或設置於接近開口105之任何其他裝置進入波導。

在本發明的一實施例中，在此開口的對面，第一波導具有錐體117。此錐體於開口處具有較大端，其中此光係從PIC的其他裝置接收。此錐體具有結束於與較大端相對 的尖端處之較小端。此錐體與第二波導107相對準，第二波導107正位於第一波導之下且與第一波導平行。第二波導也具有錐體109。第二波導的錐體也具有較靠近開口的較大端，及結束於與開口相對的尖端處之較小端。在所繪示的例子中，兩個波導的錐體於約離開口105相同的位置或距離開始。

兩個錐體也藉由使各波導的側壁以相同角度轉向彼此來予以形成。頂壁與底壁不會轉向，所以當各波導變窄時，各波導維持其高度。然而，各錐體的特別結構可被調整來適合任何特別環境。兩個波導的錐體收斂至一點或尖端，但是第二波導比第一波導開始較寬，且收斂至離開口較遠的一點。

第二波導延伸進入第三波導111，第三波導111的大小是為耦合至光纖。此第三波導實質上大於第一波導及第二波導，且不具有所繪示的例子中之任何錐體。

在本發明的一實施例中，為了耦合至光子裝置中的矽波導，第一波導103具有~0.4μm的寬度及~0.4μm的高度之矩形剖面。這係顯示於圖2中，圖2係沿著線A-A’所取得之圖1的耦合器之剖面圖。此波導被建構於如圖1中所顯示之由脊形蝕刻所界定的具有~0.2μm的蝕刻深度之第二光波導107之上。因此，所接收的光模119可傳過具有約填滿如圖1中所顯示之0.4μm方形的模態大小之兩個波導的部分。波導尺寸可被修改為適合任何特別的光源。目前例子的尺寸係由特別PIC的尺寸所決定。

圖3係沿著線B-B’所取得之圖1的耦合器之剖面圖。為了增加PIC波導的模態大小來用於光纖耦合，上方波導103具有錐體117，以使波導寬度自~0.4μm逐漸變細至~0.1μm。此錐體具有如L1之圖1中所表示的長度。此外，第二波導107已開始藉由條狀/錐體蝕刻形成的錐體109。

在操作時，由於在上方波導的尖端處之窄波導寬度，光模自第一波導被下推進入第二波導。因此，第一錐體部分之後的模態高度幾乎是逐漸變細之前之高度的一半。如以上所表示的，在本發明的一實施例中，此高度為~0.2μm。

錐形的光模傳播至由矽蝕刻所界定的第二錐體區域109。如圖2、3、及4中所顯示，矽被往下蝕刻至埋入氧化物(BOX)層115。此條狀/錐體蝕刻區域起始於第一波導的脊形錐體109的開頭部分，如圖1中所顯示。這樣達成從單模脊形波導至條狀波導之隔熱的逐漸變細，而不會有顯著的損失。

在本發明的一實施例中，(第二波導107之)第二錐體109的尖端為0.08μm-0.1μm，且此錐體長度係在圖1中以L2顯示。因為尖端尺寸為~0.1μm×0.2μm，所以此種矽波導典型上不能支援光波長在1.3及1.55μm附近之矽區域內部的任何引導模態。

第二波導的錐形矽尖端區域被形成第三波導的~5μm×5μm SiON層111所覆蓋，第三波導具有稍微比埋入氧化物的折射率更高之折射率。光模係自矽區域109逐漸變細，而進入SiON區域111，如圖4中所顯示，當光模被推出第二錐體時，光模接著填滿第三波導。

與圖2、3、及4中的光模之大小相較，在圖2中，光模119幾乎為圓形且直徑稍大於0.4μm。在圖3中，當光模121被推出第一波導103且完全進入第二波導107時，光模121已被平坦化。現在的橢圓模具有小於0.2μm的高度，及幾乎填滿約0.8μm的第二波導之寬度。在圖4中，光模125填滿SiON波導。此第三波導111具有~5μm的側邊之方形剖面，使得此模現在為接近5μm的半徑之圓形。此兩階段的逐漸變細達成非常低的損失之顯著的模擴張。第三波導的大小被選用來耦合至單膜光纖。第三波導的尺寸可被調整來適合其他大小的光纖，或光模被耦合進入的任何其他結構。

雖然SiON的折射率稍大於氧化物的折射率，但是錐體/空氣面處的光反射係數會相當小(很少的百分比)。對於某些應用而言，抗反射塗佈可被施加至錐體面，以減少錐體反射。對於某些其他的應用而言，可應用轉向的面錐體，以使反射最小。

所述的耦合器結合兩個錐體的優點，以使約0.4μm-1.0μm的PIC矽波導耦合至光纖。此種波導尺寸典型上用於光子裝置，以便符合諸如高速矽調變器及小型狀因數MUX/DEMUX(多工器/解多工器)的性能限制。然而，在此所提供的特別尺寸可被調整為適合其他環境。

再次參照圖2-4，波導係形成於矽基板123之上。然而，其他基板材料可被使用來適合特別環境。埋入氧化物層115係形成於此矽基板之上，以形成SOI(絕緣體上覆矽)結構。矽與SiON波導結構係形成於BOX層之上。

圖5係如自IC連接側所看到之圖1的耦合器之立體圖。來自矽PIC的光模耦合至第一波導103(未顯示)，或藉由使IC波導繼續進入相同基板115，123上的第一波導及第二波導而耦合至第一波導103。如可看到的，第一波導錐體117於其遠端將光模推入第二波導。第二波導也具有開始於約相同位置的錐體117，但是結束於SiON第三波導111內。第三波導111可被直接耦合至光纖，或經由微透鏡(未顯示)而耦合至光纖。因此，小PIC波導模係以非常低的損失而非常有效率地耦合進入光纖。

在圖式的各圖中，耦合器被顯示為分離組件且其可以此種方式形成，或許多耦合器可被形成於單晶粒上且被分割成分開組件。在其他實施例中，耦合器可為單基板上之許多組件的一組件。耦合器也可為光子積體電路的組件。PIC可包括結合單基板中的其他裝置之許多耦合器。

在本發明的一實施例中，在基板123上，形成BOX層115。第二波導係形成於BOX層之上。在所繪示的例子中，第二波導係形成為直接位於BOX層的上方之矽層。第二波導係形成為覆蓋整個BOX層的固體層，然後被蝕刻或剝離，以形成如上述的錐體。錐體的形狀係顯示於圖1中。如所顯示，第二波導具有實質上大於第一波導的起始寬度之起始寬度。在圖2的剖面中，第一波導層具有與耦合器的寬度相同之寬度，雖然光模僅使用此寬度的小部分。此寬度可依據環境而被選擇為比所繪示的更窄。第二波導然後在其側面上進行蝕刻，以形成錐體109。此錐體持續至尖端，超過該尖端後完全去除矽層。

第一波導及SiON第三波導係均形成於與耦合器的相對端處之第二波導之上。第一波導係藉由沈積矽的第二層，然後蝕光邊緣以形成以錐體117及尖端為終止之圖1的窄狀來予以形成。SiON層然後被沈積於相對端處且成形，以形成如所繪示的矩形結構。

如可於圖1中所看到的，與製造用於PIC的波導相較，雙錐體耦合系統僅增加一個額外的製造步驟。此僅需要再多一個掩罩，且此係用以製造耦合進入第三波導的兩個波導，而不只是一個波導。

根據本發明的教導，兩個錐體的較小端之小的尖端寬度導致實質上小的光耦合損失。在一實施例中，兩個錐體的較小端之尖端寬度約為0.08μm，且尖端高度約為1μm。在不同的實施例中，要瞭解的是，根據本發明的教導，任一個錐體可為線性、非線性或片段線性的地逐漸變細。上述的結構之任何結構的尺寸可被修改，以適合任何特別環境。

對於使單模PIC耦合至單模光纖的應用而言，錐體效能可予以模型化。給定以上所述的尺寸，對於約0.1μm的尖端尺寸，在第一錐體端點及第二錐體端點處之模型化的錐體接面損失為小於0.1dB。此種尖端寬度係使用諸如193nm技術之習知的微影技術而輕易地被獲得。甚至在第一錐體的~0.125μm及第二錐體的~0.175μm之尖端寬度，錐體接面損失僅約0.2dB。

錐體轉變損失對錐體長度也可予以模型化。就第一階段錐體而言，對於L1=100μm來說，錐體損失小於0.1dB。當第一錐體117的長度(L1)增加時，損失維持低，而對於與80μm一樣短的L1，損失仍然低。就第二錐體而言，對於L2=150μm或更長者來說，錐體損失小於0.1dB。對於與130μm一樣短的錐體而言，損失仍然低。因此，對於約250μm的總錐體長度(L1+L2)來說，有小於0.5dB的總錐體損失。此損失數不包括由於表面/側壁粗糙所導致的波導散射，但是因為總錐體長度小，所以此損失數被預期為小的。使用標準材料的標準波長之可工作系統可依據環境而與180μm一樣短或可以是更長。

雖然本發明的實施例已於單模光纖及傳過波導的單模之本文中予以說明，但是本發明並非受限如此。雖然本發明的實施例已於進入第一波導及傳過第三波導的光之本文中予以說明，但是由於互易原理，所以本發明的實施例也正好可被應用於例如自光纖進入第三波導，且傳播至第二波導，然後傳播至用以耦合至外部裝置的第一波導。

圖6係根據本發明的實施例之系統239的一實施例之方塊圖圖示，在一實施例中，系統239包括半導體裝置，其包括錐形波導裝置及光子裝置。如於描繪的實施例中所繪示，系統239包括光傳送器241，其中包括雷射、調變器、及多工器。此傳送器經由光纖213輸出光束215。此傳送器可使用諸如圖1中所顯示的耦合器之耦合器。系統239也包括光接收器245，及經由光纖而光耦合於光傳送器241與光接收器245之間的光學裝置243。在一實施例中，光學裝置243包括諸如例如是晶片中的磊晶矽層之半導體材料，其具有包括於其中的錐形波導接收器裝置101A、錐形波導傳送器裝置101B及光子裝置247。

在一實施例中，錐形波導裝置101A及101B實質上與以上圖1-5中所述的錐形波導裝置101類似。在一實施例中，錐形波導裝置101A，101B，及光子裝置247為以半導體為基礎的裝置，其係設置於單積體化電路晶片上之完全及單晶體地整合解決方案中。在一實施例中，光接收器245包括光子裝置，其包含光偵測器、解多工器、及也如圖1-5中所述的錐形波導裝置。

在操作時，光傳送器241將光束215經由光纖213傳送至光學裝置243。光束215然後係光耦合至第一錐形波導裝置101A，使得在光子裝置247處接收光束215。此光子裝置可包括任何已知之以半導體為基礎的光子光學裝置，其包括例如，但不受限於雷射、光相位移位器、調變器、多工器、開關或類似者。此光子裝置依據此裝置的特性來實施功能或操作。光子裝置247係耦合至第二錐形波導裝置101B，以使此光束耦合至光纖249。

在光束自傳送器243輸出之後，其然後光耦合至光接收器245。在一實施例中，光束215經由光纖249而被傳播，以從光學裝置243傳播至光接收器245。

在所述的實施例中，光學裝置及錐形波導可使用足夠用於GbE(十億位元乙太網路)，USB 3(通用序列匯流排版本3)、(DisplayPort)及其他高速資料介面的資料率來傳送光學訊號。

在上述詳細的說明中，本發明的方法及設備已參考其特定的範例實施例來予以說明。然而，將顯然可知的是，在不脫離本發明的更寬廣精神及範圍之下，於此可實施不同的修飾及改變。本說明書及圖式於是被視為例示而不是限制。

101．．．錐形波導裝置

101A．．．錐形波導接收器裝置

101B．．．錐形波導傳送器裝置

103．．．第一光波導

105．．．開口

107．．．第二光波導

109．．．錐體

111．．．第三光波導

115．．．埋入氧化物(BOX)層

117．．．錐體

119．．．光模

121．．．光模

123．．．矽基板

125．．．光模

213．．．光纖

215．．．光束

239．．．系統

241．．．光傳送器

243．．．光學裝置

245．．．光接收器

247．．．光子裝置

249．．．光纖

本發明係藉由範例，而非限制而被繪示於附圖中。

圖1係根據本發明的教導之錐形波導耦合器的一實施例之上視圖。

圖2係根據本發明的教導之沿著線A-A’所取得之圖1的耦合器之剖面側視圖。

圖3係根據本發明的教導之沿著線B-B’所取得之圖1的耦合器之剖面側視圖。

圖4係根據本發明的教導之沿著線C-C’所取得之圖1的耦合器之剖面側視圖。

圖5係根據本發明的教導之圖1的耦合器之立體圖。

圖6係根據本發明的實施例之併入與用於光資料通訊的光子裝置結合之圖1的耦合器之系統的方塊圖。

101．．．錐形波導裝置

103．．．第一光波導

105．．．開口

107．．．第二光波導

109．．．錐體

111．．．第三光波導

115．．．埋入氧化物(BOX)層

117．．．錐體

L1、L2．．．長度

Claims (21)

1. 一種耦合器，用於光通訊，該耦合器包含：第一半導體材料及第一半導體層的第一光波導，該第一光波導具有光耦合至第一外部裝置的第一端及第二端，該第二端具有尖端位於該第二端處的錐體；第二半導體材料及第二半導體層的第二光波導，該第二光波導係光耦合至該第一光波導的錐體，該第二光波導具有第一端及第二端，該第二端具有尖端位於該第二端處的錐體；以及第三半導體材料的第三光波導，該第三光波導係光耦合至該第二光波導的錐體，該第三光波導具有比該第一光波導及該第二光波導更大的剖面積，以光耦合至具有比該第一外部裝置更大的剖面積之第二外部裝置。
2. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該第一光波導係與該第二光波導平行且相鄰。
3. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該第一光波導的第一端係用以接收來自該第一外部裝置的光束，其中係藉由該錐體將該光束自該第一光波導導向該第二光波導，其中該第二光波導的第一端係用以接收該光束，且其中該第三光波導係用以將該光束投射至外部波導。
4. 如申請專利範圍第3項之耦合器，其中該第一光波導的第一端與該第二光波導的第一端為相鄰且相耦合，均用以接收該光束的部分。
5. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該第一光波 導的錐體及該第二光波導的錐體各具有較大端及尖端，且其中各錐體的該較大端係設置於離該第一光波導的第一端相同的距離處。
6. 如申請專利範圍第5項之耦合器，其中該第一光波導的錐體之較大端小於該第二光波導的錐體之較大端，且其中該第二光波導的該錐體之尖端比該第一光波導的該錐體之尖端離該第一光波導的第一端更遠。
7. 如申請專利範圍第6項之耦合器，其中該第一光波導及該第二光波導的錐體係以相等角度形成於該等各自的波導之壁中，使得該等各自的波導以相同比率逐漸變細。
8. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該第三光波導具有矩形剖面。
9. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該第二光波導的尖端延伸進入該第三光波導。
10. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該第三光波導係由氮氧化矽所形成。
11. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該外部波導為光纖。
12. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該第一外部裝置包括半導體波導。
13. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該第二光波導具有比該第一光波導的折射率更高之折射率。
14. 如申請專利範圍第13項之耦合器，其中該第三光波導具有比該第二光波導的折射率更高之折射率。
15. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該第一光波導為配置於該半導體層中的脊形波導。
16. 一種用以導引光束的方法，包含：引導該光束進入由第一半導體材料及第一半導體層所組成的光耦合器之第一光波導；引導該光束經過位於該第一光波導的端點處之錐體而自該錐體的較大端至該錐體的較小端而進入由第二半導體材料及第二半導體層所組成的第二光波導；引導該光束經過位於該第二光波導的端點處之錐體而自該錐體的較大端至該錐體的較小端而進入第三半導體材料的第三光波導，該第三光波導具有比該第一光波導及該第二光波導更大的剖面光束面積；以及引導該光束自該第三光波導至外部波導。
17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中引導該光束進入該第二光波導包含降低該光束於一方向上的模態大小，而增加該光束於第二方向上的該模態大小。
18. 如申請專利範圍第16項之方法，其中引導該光束進入該第三光波導包含增加該光束的模態大小。
19. 一種系統，用於光通訊，該系統包含：光傳送器，用以傳送光束；光接收器，用以接收光束；以及光裝置，係配置於該光傳送器與該光接收器之間，該光裝置包括：光子裝置，用以接收該光束且實施其上的操作； 以及耦合器，用以接收來自該光子裝置的該光束，且引導該光束進入用以傳送至該接收器的光纖，該耦合器具有第一半導體材料及及第一半導體層的第一光波導，該第一光波導具有用以接收光束的第一端及第二端，該第二端具有尖端位於該第二端處的錐體；第二半導體材料及第二半導體層的第二光波導，該第二光波導係耦合至該第一光波導的錐體，使得該光束係藉由該錐體自該第一光波導導向該第二光波導，該第二光波導具有第一端及第二端，該第二端具有尖端位於該第二端處的錐體；以及第三半導體材料的第三光波導，該第三光波導係耦合至該第二光波導的該錐體，使得該光束係藉由該第二光波導的該錐體而導向該第三光波導，該第三光波導具有比該第一光波導及該第二光波導更大的剖面積，以使該光束投射至該光纖。
20. 如申請專利範圍第19項之系統，其中該耦合器更包含配置於該第一光波導的較小端與該第二光波導的較大端之間的半導體層中之抗反射區域。
21. 如申請專利範圍第19項之系統，其中該第一半導體材料及該第二半導體材料包括矽(Si)，而該第三半導體材料包括氮氧化矽(SiON)。