TWI443395B - Structure of low - loss optical coupling interface - Google Patents

Description

低損耗光耦合界面之結構

本發明係有關於一種低損耗光耦合界面之結構，尤指涉及一種可應用於晶片間光互連之上，以次微米線寬之波導，與2微米之光纖，高效率地耦光，以將光耦合損失降到最低，特別係指包括六種不同之結構，具有多功能之搭配，能對應不同用途之運用，可以垂直晶片方向，亦可以平行晶片方向進行耦光，以降低次微米矽波導與光纖之間之高耦光損失之缺點者。

晶片間之光互連，其晶片主要以絕緣層上矽(Silicon-on-Insulator)晶圓製作，且單晶片集成；因此矽波導線寬都係小於1微米(micron)，而最小光纖直徑，不論係探針式光纖(Tip-Fiber)，或光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber,PCF)，其都大約2微米(micron)，因此光耦合損失變成最大之問題。

一般習知技術之做法，係在錐形波導之上，刻上光柵，輸入光場之前進方向垂直晶片表面，光路徑轉直角後耦合至矽波導。雖然此種做法，有利於垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)光源晶片與矽光晶片間之耦光，惟其對於光纖與矽光晶片，確係一大難題。因為晶片間光互連，除了矽光晶片與VCSEL光源之耦光之外，最重要地即為光纖與晶片之間之耦光；然而習知技術採用光柵耦合，其光纖與晶片成垂直，對於封裝，不僅增加難度，更提高成本。

光纖與晶片之耦光，最好之方式還係像傳統光通訊晶片之方式，採用平行方向，側面耦光；雖然，傳統光通訊晶片之波導尺寸在數個微米(micron)，與光纖直徑相匹配，因此光損失甚小；惟矽光波導線寬小於1微米(micron)，而最小光纖直徑卻在2微米(micron)，導致光損失甚大。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種低損耗光耦合界面之結構，以利用最成熟、最容易耦光之傳統光纖與晶片之側面耦光方式，加以改良，使其原本用於矽晶片小線寬之波導所形成大量光損失之缺點，得以改善，以突破其光耦合損失之瓶頸者。

為達以上之目的，本發明係一種低損耗光耦合界面之結構，係在錐形(矽)波導之上，增加厚膜二氧化矽層，用以將光侷限在此厚膜二氧化矽層內，以防止光散失於空氣中；而被侷限在此厚膜二氧化矽層內之光場，將逐漸耦合至高折射率之矽波導之內，以避免光散逸於空氣中形成光損失；藉由錐形波導之寬度，以及厚膜二氧化矽層與波導層之總厚度，配合輸入光場之直徑，可讓光纖與晶片間之光模態尺寸完全匹配，進而可將光耦合損失降到最低。

該低損耗光耦合界面，係在絕緣層上矽晶圓之晶片端面，先將通道波導慢慢增加寬度，形成錐形波導，使平行晶片之x軸(平行晶片)方向之波導寬度，能與光纖模態尺寸相匹配；接著在錐形波導之上方，加上一層厚膜二氧化矽層，使得二氧化矽層與矽波導層之總厚度，即其y軸(垂直晶片)方向與光纖模態尺寸相匹配；如此一來，矽波導即具有與光纖模態尺寸相匹配之光侷限，可以防止光場從空氣中散失，進而降低光耦合損失。

該低損耗光耦合界面，係具有六種結構；其中第一種係在錐形波導區域，直接加上厚膜二氧化矽層，此錐形波導起始端延伸到晶片之端面；第二種係在錐形波導區域，直接加上厚膜二氧化矽層，但此錐形波導起始端與晶片之端面，係保持一個內縮間隔區；第三種係在錐形波導區域，先加上包含聚合物、光阻或氮化矽等折射率高於二氧化矽之厚膜高分子層，其上再加上厚膜二氧化矽層，且錐形波導起始端延伸到晶片之端面；第四種係在錐形波導區域，先加上包含聚合物、光阻或氮化矽等折射率高於二氧化矽之厚膜高分子層，其上再加上厚膜二氧化矽層，但此錐形波導起始端與晶片之端面，係保持一個內縮間隔區。

又第五種係以上述第一種結構為基礎，在錐形波導範圍之上，刻以一光柵結構，除了可增加耦光效率，亦可以額外提供垂直晶片方向之耦光，進而提供雙向低損耗耦光；以及第六種係以上述第二種結構為基礎，在內縮式錐形波導，與間隔區範圍之上，皆刻以一光柵結構，除了可增加耦光效率，亦可以額外提供垂直晶片方向之耦光，進而提供雙向低損耗耦光。

鑑於若無此外加之厚膜層，則因為小於1微米(micron)之矽波導與最小光纖2微米(micron)之直徑，有1微米(micron)之直徑差，導致其光模態嚴重不匹配，而不匹配之光，將散失到空氣中形成光損失。故，本發明在其上加上厚膜二氧化矽層，係可將不匹配之光，侷限在此厚膜層中，達到防止其散失於空氣中；而侷限在此厚膜二氧化矽層之光，將可慢慢耦合至矽波導，以大量降低光損失，進而提供簡單、低成本及低光損失之光纖與晶片之耦光結構。

請參閱『第1A圖、第1B圖及第1C圖』所示，係分別為本發明之低損耗光耦合界面之結構示意圖、本發明之低損耗光耦合界面之前視示意圖、及本發明之低損耗光耦合界面之通道波導截面示意圖。如圖所示：本發明係一種低損耗光耦合界面之結構，係至少包括一絕緣層上矽晶圓100、一埋入式二氧化矽層103、一通道波導113，係為一單模態通道式光波導、一錐形波導111及一厚膜二氧化矽層109所構成。係可在錐形(矽)波導111之上，增加厚膜二氧化矽層109，且該錐形波導111之寬度，以及該厚膜二氧化矽層109與波導層之總厚度，配合輸入光場之直徑，可讓光纖與晶片間之光模態尺寸完全匹配，進而降低光損失。

上述所提之低損耗光耦合界面，係製作於該絕緣層上矽晶圓100，其矽基底(Substrate)101之上，係埋入該二氧化矽層103，而該錐形(矽)波導111係設置於該二氧化矽層103之上，此錐形(矽)波導111為脊形波導，係由一平板區105以及一波導區107所構成，其一端銜接晶片端面，以增加平行晶片方向之尺寸，另一端則將波導寬度縮減至單模態通道式光波導之寬度，與該通道波導113之一端相連接，而該厚膜二氧化矽層109係設置於該錐形波導111之上並覆蓋該波導區107，以增加垂直晶片方向之尺寸，進而達到降低光場尺寸不匹配。

上述厚膜二氧化矽層109如第1B圖所示，係製作於該錐形(矽)波導111之波導區107之上，在晶片前端端面處，形成大面積之光場侷限，以使得晶片矽波導之模態尺寸，與光纖光場尺寸相匹配。又如第1C圖所示，經過晶片前端處之大光場侷限，可將大部分之光侷限住以防止散逸，最後光場逐漸耦合至矽通道波導113中，因此光損失可被大量降低。

請參閱『第2A圖及第2B圖』所示，係分別為本發明之內縮式低損耗光耦合界面之結構示意圖、及本發明之內縮式低損耗光耦合界面之前視示意圖。如圖所示：本發明除上述所提結構型態之外，亦可為另一實施例結構之型態，而其所不同之處係在於，將前述第1A圖之晶片端面處之錐形波導111，內縮一段間隔區121之距離，形成內縮式錐形波導123，以使得光場模態之尺寸變大，進而降低光損失。

因為錐形(矽)波導內縮，因此晶片前端端面處，其所形成大面積之光場侷限，如第2B圖所示，係由厚膜二氧化矽層109與錐形(矽)波導之平板區105所構成。

請參閱『第3圖』所示，係本發明之低損耗光耦合界面之光耦合變化示意圖。如圖所示：入射進晶片前端端面處之光場分布301，經過光耦合之後，光逐漸耦合至矽波導之中，形成光場分布303，最後完全耦合至矽波導，形成單模態光場分布305。

請參閱『第4A圖、第4B圖及第4C圖』所示，係分別為本發明具有高分子材料層之低損耗光耦合界面之結構示意圖、本發明具有高分子材料層之低損耗光耦合界面之前視示意圖、及本發明具有高分子材料層之低損耗光耦合界面之通道波導截面示意圖。如圖所示：本發明除上述所提結構型態之外，亦可為另一實施例之結構型態，而其所不同之處係在於，此光耦合界面之結構，係在錐形(矽)波導之波導區107之上，多增加一高分子材料層131，其可為氮化矽、光阻或聚合物層，最後才係厚膜二氧化矽層109，藉此形成具有高分子材料層131(氮化矽、光阻或聚合物層)之錐形波導133，藉由折射率之梯度變化，進一步增加光耦合效率。

上述在錐形(矽)波導133之波導區107之上，多增加氮化矽、光阻或聚合物層之高分子材料層131，最後才係厚膜二氧化矽層109之結構型態，如第4B圖所示，係可在晶片前端端面處，形成大面積之光場侷限，以使得晶片矽波導之模態尺寸，與光纖光場尺寸相匹配，並藉由所增加折射率梯度，提高耦合效率。又如第4C圖所示，經過晶片前端處之大光場侷限，可將大部分之光侷限住以防止散逸，最後光場逐漸耦合至通道(矽)波導113中，因此光損失可被大量降低。

請參閱『第5A圖及第5B圖』所示，係分別為本發明具有高分子材料層之內縮式低損耗光耦合界面之結構示意圖、及本發明具有高分子材料層之內縮式低損耗光耦合界面之前視示意圖。如圖所示：本發明除上述所提結構型態之外，亦可為另一實施例之結構型態，而其所不同之處係在於，將錐形波導內縮，並於其上增加內縮式高分子材料層135，其可為氮化矽、光阻或聚合物層，形成內縮式具有氮化矽、光阻或聚合物層之錐形波導137，藉此增加光耦合效率，同時再增加模態尺寸，以降低光耦合損失。

因為錐形(矽)波導內縮，因此晶片前端端面處，其所形成大面積之光場侷限，如第5B圖所示，係由厚膜二氧化矽層109與矽波導之平板區105所構成，再傳輸經過內縮式具有氮化矽、光阻或聚合物層之錐形波導137，藉由所增加折射率梯度，提高耦合效率，並形成大面積之光場侷限，以降低光耦合損失。

請參閱『第6圖』所示，係本發明具有高分子材料層之低損耗光耦合界面之光耦合變化示意圖。如圖所示：入射進晶片前端端面處之光場分布501，經過光耦合之後，光逐漸耦合至高分子材料層(氮化矽、光阻或聚合物層)，以及矽波導之平板區之中，形成光場分布503，最後完全耦合至矽波導，形成單模態光場分布505，進而形成高耦光效率之耦光界面。

請參閱『第7A圖』所示，係本發明之垂直與平行雙向低損耗光耦合界面之結構示意圖。如圖所示：本發明除上述所提結構型態之外，亦可為另一實施例之結構型態，而其所不同之處係在於，在前述第1A圖之低損耗光耦合界面之錐形(矽)波導111之上，刻一光柵結構201，以使得垂直晶片方向之光場，亦能耦合至該通道(矽)波導113之上，形成垂直與平行晶片方向之光場，都能低損耗耦合至次微米線寬之矽波導。

請參閱『第7B圖』所示，係本發明之內縮式垂直與平行雙向低損耗光耦合界面之結構示意圖。如圖所示：本發明除上述所提結構型態之外，亦可為另一實施例之結構型態，而其所不同之處係在於，在前述第2A圖之內縮式低損耗光耦合界面之錐形(矽)波導111與內縮間隔區121之上，刻一光柵結構203，以使得垂直晶片方向之光場，亦能耦合至該通道(矽)波導113之上，形成垂直與平行晶片方向之光場，都能低損耗耦合至次微米線寬之矽波導。

請參閱『第8圖』所示，係本發明之低損耗光耦合界面之模擬光場分布示意圖。如圖所示：大尺寸之光場模態，入射進晶片之後，藉由本發明之低損耗光耦合界面，係可高效率地耦合至單模態次微米矽波導之中。

藉此，本發明係在錐形(矽)波導之上，增加厚膜二氧化矽層，用以將光侷限在此厚膜二氧化矽層內，以防止光散失於空氣中，而被侷限在此厚膜二氧化矽層內之光場，將逐漸耦合至高折射率之矽波導之內，進而避免光散逸於空氣中形成光損失；如是，藉由錐形波導之寬度，以及厚膜二氧化矽層與波導層之總厚度，配合輸入光場之直徑，可讓光纖與晶片間之光模態尺寸完全匹配，進而可將光耦合損失降到最低；另外，本發明更可輔以氮化矽、光阻或聚合物層，或輔以光柵結構，或內縮錐形波導，提供上述六種不同結構供其選擇之多功能搭配，可以垂直晶片方向，亦可以平行晶片方向進行耦光，此具有尺寸短小、結構簡單及功能完整之元件結構，不僅可進一步提高耦光效率，更達到完全修正次微米矽波導與光纖之間之高耦光損失之缺點。

綜上所述，本發明係一種低損耗光耦合界面之結構，可有效改善習用之種種缺點，此低損耗光耦合界面，能以次微米線寬之波導，與2微米之光纖，高效率地耦光，可應用於晶片間光互連之上，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100．．．絕緣層上矽晶圓

101．．．矽基底

103．．．埋入式二氧化矽層

105．．．平板區

107．．．波導區

109．．．厚膜二氧化矽層

111．．．錐形波導

113．．．通道波導

121．．．間隔區

123．．．內縮式錐形波導

131．．．高分子材料層

135．．．內縮式高分子材料層

137．．．內縮式具有氮化矽、光阻或聚合物層之錐形波導

201、203．．．光柵結構

301、303、305．．．光場分布

501、503、505．．．光場分布

第1A圖，係本發明之低損耗光耦合界面之結構示意圖。

第1B圖，係本發明之低損耗光耦合界面之前視示意圖。

第1C圖，係本發明之低損耗光耦合界面之通道波導截面示意圖。

第2A圖，係本發明之內縮式低損耗光耦合界面之結構示意圖。

第2B圖，係本發明之內縮式低損耗光耦合界面之前視示意圖。

第3圖，係本發明之低損耗光耦合界面之光耦合變化示意圖。

第4A圖，係本發明具有高分子材料層之低損耗光耦合界面之結構示意圖。

第4B圖，係本發明具有高分子材料層之低損耗光耦合界面之前視示意圖。

第4C圖，係本發明具有高分子材料層之低損耗光耦合界面之通道波導截面示意圖。

第5A圖，係本發明具有高分子材料層之內縮式低損耗光耦合界面之結構示意圖

第5B圖，係本發明具有高分子材料層之內縮式低損耗光耦合界面之前視示意圖。

第6圖，係本發明具有高分子材料層之低損耗光耦合界面之光耦合變化示意圖。

第7A圖，係本發明之垂直與平行雙向低損耗光耦合界面之結構示意圖。

第7B圖，係本發明之內縮式垂直與平行雙向低損耗光耦合界面之結構示意圖。

第8圖，係本發明之低損耗光耦合界面之模擬光場分布示意圖。

100．．．絕緣層上矽晶圓

101．．．矽基底

103．．．埋入式二氧化矽層

105．．．平板區

107．．．波導區

109．．．厚膜二氧化矽層

111．．．錐形波導

113．．．通道波導

Claims (6)

1. 一種低損耗光耦合界面之結構，係包括：一絕緣層上矽晶圓，係具有一矽基底；一埋入式二氧化矽層，係設置於該矽基底之上；一通道波導，係為一單模態次微米通道式光波導；一錐形波導，係設置於該二氧化矽層之上，由一平板區及一波導區所構成，其一端銜接晶片端面，另一端則將波導寬度縮減至單模態次微米通道式光波導之寬度，與該通道波導之一端相連接；以及一厚膜二氧化矽層，係設置於該錐形波導之上並覆蓋該波導區。
2. 依申請專利範圍第1項所述之低損耗光耦合界面之結構，其中，該錐形波導之前端，係與晶片端面具有一間隔區。
3. 依申請專利範圍第1項所述之低損耗光耦合界面之結構，其中，更進一步包括在該錐形波導之上設置一高分子材料層，其可為氮化矽、光阻、或聚合物層。
4. 依申請專利範圍第1項所述之低損耗光耦合界面之結構，其中，更進一步包括在該錐形波導之上設置一高分子材料層，其可為氮化矽、光阻、或聚合物層，並且在該錐形波導與晶片端面具有一間隔區。
5. 依申請專利範圍第1項所述之低損耗光耦合界面之結構，其中，更進一步包括在該錐形波導之上刻有一光柵結構。
6. 依申請專利範圍第1項所述之低損耗光耦合界面之結構，其中，該錐形波導與晶片端面具有一間隔區，且在該錐形波導與該間隔區之上，皆刻有一光柵結構。