TWI497134B - 具有深槽非均勻式光柵之光柵耦合器 - Google Patents

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TWI497134B TW101134485A TW101134485A TWI497134B TW I497134 B TWI497134 B TW I497134B TW 101134485 A TW101134485 A TW 101134485A TW 101134485 A TW101134485 A TW 101134485A TW I497134 B TWI497134 B TW I497134B
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Description

具有深槽非均勻式光柵之光柵耦合器
本發明係有關於具有深槽非均勻式光柵之光柵耦合器。
 發明背景
近年來，於高效能電腦系統中以光學組件置換電子組件已接收到相當大的注意，原因在於光學通訊提供優於電子通訊的多種潛在高效能。一方面，架設電子組件可為勞力密集，及使用習知電線及接腳發送電氣信號耗用大量電力。此外，擴充電子互連體的頻寬變困難，及使用電子組件諸如電子開關發送電氣信號耗用過長時間才能完全利用由較小型較快速處理器所提供的高速效能。另一方面，光學組件諸如光纖具有大的頻寬，提供低傳輸損耗，許可以相較於傳輸以電氣信號編碼之相同資訊所需功耗顯著更低的功耗來傳輸資料，對串擾具有抗擾性，且係由不會遭受腐蝕且不受外部輻射影響的材料製成。
雖然光學通訊顯然為電子通訊的具有吸引力的替代方案，許多既有的光學組件不適合全部型別的光學通訊。舉例言之，光纖可用以在電子裝置間傳輸光信號，而某些光學組件諸如波導及微環狀耦合器預期可置換或補償典型CMOS晶片上的許多電子電路。但電腦製造商面對的關鍵挑戰中之一者係有效地耦合來自一波導的光信號至一光纖。光學組件用在波導與光纖間耦合光具有挑戰性，原因 在於光纖與波導間有大模式的不匹配。因此項及其它理由故，電腦製造商尋求增高波導與光纖間光的耦合效率之系統。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種光柵耦合器包括一過渡區域，其包括一寬緣且係從該邊緣呈錐形遠離朝向設置於一基體上的一波導；及設置於該基體上相鄰於該邊緣的一次波長光柵，其中該光柵係包括由以溝槽分開的一串列非均勻式分布的近似平行線，該等溝槽具有一深度以從該光柵以TM偏極化輸出光。
100、200、400、500、600‧‧‧光柵耦合器
102、402、502、602‧‧‧過渡區域
104、404、504、6004‧‧‧光柵、次波長光柵、非均勻式光柵
106‧‧‧波導
108‧‧‧基體
110、111‧‧‧線
112‧‧‧槽
202‧‧‧蓋
302‧‧‧表面
304、412、508、608‧‧‧邊緣、寬緣
306、308、310‧‧‧方向箭頭
312-319、406、407、414、415、510-515、706‧‧‧線
606‧‧‧方向
702‧‧‧水平方向箭頭
704‧‧‧垂直方向箭頭
706‧‧‧負斜率線
708‧‧‧虛線
710‧‧‧點線
802‧‧‧TE偏極化
804‧‧‧TM偏極化
900、1000‧‧‧光纖
902、904、908‧‧‧方向箭頭
906‧‧‧陰影區
910、1004‧‧‧線芯
1002‧‧‧透鏡
圖1A至1B分別地顯示一光柵耦合器實例之等角視圖及頂視平面圖。
圖2顯示具有一蓋之一光柵耦合器實例之等角視圖。
圖3A顯示圖2所示之該光柵耦合器沿線I-I的剖面圖。
圖3B顯示圖2所示之該光柵耦合器之一過渡區域及一非均勻式光柵的頂視平面圖。
圖4顯示一該光柵耦合器實例之一錐形過渡區域及一非均勻式光柵的頂視平面圖。
圖5顯示一該光柵耦合器實例之一錐形過渡區域及一非均勻式光柵的頂視平面圖。
圖6顯示一該光柵耦合器實例之一錐形過渡區域及一非均勻式光柵的頂視平面圖。
圖7顯示橫過三型別非均勻式光柵之工作週期對距離之一作圖。
圖8顯示一過渡區域及一光柵的頂視平面圖且代表TE及TM偏極化慣例。
圖9顯示一光柵耦合器及一光纖的一粗端之剖面圖。
圖10顯示一光柵耦合器及以一聚焦透鏡加帽的一光纖之一粗端之剖面圖。
 詳細說明
揭示在波導與光纖間許可有效耦合的光柵耦合器。光柵耦合器包括一深槽非均勻式次波長光柵，其將光從一波導以TM偏極化而耦合入一光纖的線芯。於後文說明中，「光」一詞係指具有波長在電磁頻譜的可見及非可見部分且包括該電磁頻譜的紅外光及紫外光部分的電磁輻射。
圖1A-1B分別顯示光柵耦合器100之一實例的等角視圖及頂視平面圖。光柵耦合器100包括一錐形過渡區域102及一非均勻式次波長光柵104。如圖1A-1B之實例顯示，過渡區域102具有等腰三角形狀的形狀，縮窄遠離光柵104及過渡至條狀波導106。該波導106也可為脊狀波導或條狀載荷波導。過渡區域102及光柵104係配置在基體108的平坦表面上。光柵104係由一串列的近似平行線組成，諸如線110及111，該等平行線係由溝槽諸如溝槽112分開。「近似」一詞係用來描述線的相對取向或此處所述其它數量，於該處意圖有理想上平行線取向，但實際上認知由於度量上的不 完美或製法上的不完美，造成該等線或其它數量的相對取向變異。
過渡區域102及光柵104係由比具有基體108更高折射率的材料所組成。結果，基體108用作為過渡區域102及光柵104的較低包覆層。更明確言之，過渡區域102及光柵104可由單一元素半導體，諸如矽(Si)或鍺(Ge)組成，或過渡區域102及光柵104可由化合物半導體諸如III-V化合物半導體組成，於該處羅馬數字III及V表示元素週期表IIIa及Va行的元素。化合物半導體可由IIIa行元素諸如鋁(Al)、鎵(Ga)、及銦(In)組合Va行元素諸如氮(N)、磷(P)、砷(As)、及銻(Sb)所組成。化合物半導體也可進一步依據III及V元素的相對數量分類。舉例言之，二元半導體化合物包括具有實驗式GaAs、InP、InAs、及GaP者；三元半導體化合物包括具有實驗式GaAsy P1-y 者，於該處y係從大於0至小於1之範圍；及四元半導體化合物包括具有實驗式InX Ga1-X Asy P1-y 者，於該處x及y二者獨立地皆係從大於0至小於1之範圍。其它類型的適當化合物半導體包括II-VI材料，於該處II及VI表示於元素週期表IIb及VIa行的元素。舉例言之，CdSe、ZnSe、ZnS、及ZnO為二元II-VI化合物半導體實例的實驗式。基體108可由較低折射率材料組成，諸如SiO2 或Al2 O3 。另外，過渡區域102及光柵104可由非半導體材料或聚合物組成。例如，過渡區域102及光柵104可由鈦(Ti)組成，及基體108可由鈮酸鋰(LiNbO3 )組成。
光柵耦合器100可藉由首先沈積高折射率材料於 用作為基體108的低折射率材料之平坦表面上形成。使用各種光刻及/或蝕刻技術中之任一者，諸如奈米壓印光刻術或反應性離子蝕刻，而在光柵104的線之間形成深槽，可在較高折射率材料中形成過渡區域102及光柵104。藉選擇性地去除該高折射率材料而形成線間的溝槽。於圖1A-1B之實例中，光柵104為藉去除該較高折射率材料，使得基體108表面暴露在線之間所形成的深槽高反差光柵。一般而言，溝槽深度為該波導高度的實質分量，且係經選擇來確保透射入光柵104的光的TM偏極化成分的強力散射，如後文參考圖8說明。
如圖1A-1B之實例顯示，光柵耦合器100具有一空氣包覆層。於其它實施例中，較低折射率材料諸如用以形成基體108的材料可沈積在過渡區域102及光柵104上方而形成一覆蓋用作為上包覆層。圖2顯示光柵耦合器200之等角視圖。耦合器200係類似耦合器100，但耦合器200包括覆蓋過渡區域102及光柵104的一蓋202。該蓋202係由比該過渡區域102及光柵104的折射率更低的折射率材料組成，諸如二氧化矽或氧化鋁，且係用作為過渡區域102及光柵104的上包覆層。
圖3A-3B分別顯示光柵耦合器200之剖面圖及過渡區域102及光柵104的頂視平面圖。如圖3A及圖1A及2所示，光柵104為深槽式，暴露出線間的基體102表面302。光柵104被稱作為次波長光柵的原因在於線寬度w、線間距p、及線粗度t係小於從該光柵耦合器發射的電磁輻射的波 長。於z方向的線寬度w對線間距p之比係以工作週期為特徵：
於圖3A-3B之實例中，方向箭頭306指示其中光柵104的工作週期係於z方向從過渡區域102的寬緣304減低。換言之，針對圖3A-3B中表示的光柵104特例，線寬度於z方向從邊緣304減少w↓，如方向箭頭308表示；及線間距p係於z方向從寬緣304增加p↑，如方向箭頭310表示。舉例言之，線312係比線314更接近邊緣304，線312的寬度w係比線314的寬度w’更大，一對相鄰線316及317係比一對相鄰線318及319更接近邊緣304，線316與317間的線間距p係大於線318與319間的線間距p’。
非均勻式光柵並非意圖限於光柵104實例。其它型別的適當光柵，其中工作週期係於z方向遠離過渡區域的寬緣減低，可藉製造具有相等線寬度的線完成，線間隔係於z方向增加。圖4顯示光柵耦合器400之錐形過渡區域402及非均勻式次波長光柵404的頂視平面圖。類似光柵耦合器100及200的非均勻式光柵104，光柵404係由一串列近似平行線諸如相鄰成對線406及407藉線406與407間的深槽諸如深槽408隔開所組成。該等線全面具有相等線寬度w，遠離過渡區域402的寬緣412於z方向線間距加大，結果導致光柵404具有於z方向縮短的工作週期。舉例言之，相鄰成對線406與407間之間距p’係大於相鄰成對線414與415間之間距 p”，相鄰成對線414與415係比線406與407距邊緣412更遠。
其它型別的適當非均勻式光柵，其中工作週期係於遠離過渡區域寬緣的z方向縮短，可藉製造下述線達成，該等線具有線寬度於z方向減小，而線間距全面恆定。圖5顯示光柵耦合器500之一實例的一錐形過渡區域502及一非均勻式次波長光柵504的頂視平面圖。類似非均勻式光柵104及404，光柵504係由一串列近似平行線藉深槽暴露基體(圖中未顯示)表面隔開所組成。光柵504全面的中心至中心線間距維持恆定，但線寬度於z方向遠離寬緣508減小，結果導致光柵504具有於z方向縮短的工作週期。舉例言之，舉例言之，一線510係比線511更接近邊緣508，及線510之寬度w係比線511之寬度w’更大，但相鄰成對線512與510間之間距係與位置更遠離邊緣508的相鄰成對線514與515間之間距相等。
仍然有其它型別的適當非均勻式光柵，其中工作週期係於遠離過渡區域寬緣的z方向縮短，可藉製造下述線達成，該等線具有線寬度於z方向減小，但線間距的增加係大於線寬度的增加。圖6顯示光柵耦合器600之一實例的一錐形過渡區域602及一非均勻式光柵604的頂視平面圖。光柵604係由一串列近似平行線藉深槽隔開組成。圖6顯示橫過光柵604於方向606的工作週期的縮短係藉下述方式達成，於z方向遠離寬緣608，線寬度及線間距增加，但橫過光柵於z方向的線間距的增加係大於線寬度的增加。
圖7顯示橫過三個型別的非均勻式光柵工作週期 對距離之一作圖。水平方向箭頭702表示於z方向橫過光柵的一錐形過渡區域之寬緣，及垂直方向箭頭704表示工作週期。負斜率線706表示於z方向具有線性改變的負斜率工作週期之非均勻式光柵。虛線708及點線710表示其中非均勻式光柵的工作週期係以非線性方式橫過光柵於z方向改變的光柵。更明確言之，虛線708表示工作週期於z方向呈指數性縮短。例如，虛線708表示非均勻式光柵，其中線寬度為恆定或線性改變，而線間距呈指數性增加；或線間距為恆定或線性改變，而線寬度呈指數性縮小。點線710表示非均勻式光柵，其中遠離過渡區域的工作週期縮短係漸近接近該過渡區域，但更遠離該過渡區域則突然縮短。
從前述非均勻式光柵輸出的光為TM偏極化。圖8顯示光柵耦合器100及200的過渡區域102及光柵104且表示TE及TM偏極化慣例。如圖8所示，於光進入光柵104之前，過渡區域102延展由波導106所攜載的光。藉慣例，虛線雙頭方向箭頭802表示TE偏極化，其中從光柵104發出的光的電場成分將被導向平行於光柵104的線。雙頭方向箭頭804表示TM偏極化，其中從光柵104發出的光的電場成分將被導向垂直於光柵104的線。線厚度t或分開各線的槽深度係如前述選擇以確保從光柵104發出的光主要係由TM偏極化光組成。
從光柵耦合器的深槽非均勻式光柵輸出的光大部分係以TM偏極化輸出，且係高於光柵平面以非零角度取向。圖9顯示光柵耦合器200及光纖900的粗端之剖面圖。方 向箭頭902表示沿波導106透射入過渡區域102的光，於該處光在進入光柵104之前延展，且以實質上TM偏極化而從光柵104輸出，如前文參考圖8所述。當光進入光柵104且與光柵104互動時，光柵104造成大部分的光以非垂直角度從接近過渡區域102的光柵輸出，如方向箭頭904指示。影線區域906表示具最高濃度從光柵104輸出光的光柵104上方空間區域。虛線方向箭頭908表示最高濃度從光柵104輸出光的方向α(亦即α小於90度)。如圖9所示，光纖端部係位置約略相等角度α，故大部分從光柵104輸出的光進入光纖900的線芯910。
於其它實施例中，光纖末端可套上平凸透鏡以捕捉與聚焦從該光柵輸出的光進入光纖的線芯。圖10顯示光柵耦合器200及光纖1000套有透鏡1002的粗端之剖面圖。耦合器200係如前述參考圖9操作，但透鏡1002比光纖900的未加帽末端捕捉更大部分的來自光柵104的光且聚焦該光進入光纖1000的線芯1004。
由一過渡區域及形成在250奈米厚度矽層中的深槽非均勻式次波長光柵所組成的一光柵耦合器係使用MEEP模型化，有限差異時域(FDTD)模擬套裝軟體用於模型化電磁系統(參考http：//ab-initio.mit.edu/meep-1.1.1.tar.gz)。該過渡區域及深槽非均勻式光柵係夾置於兩層氧化物層間，氧化物蓋層具有1微米厚度，光柵線具有200奈米厚度，及光柵長10微米。線間距係於666奈米至719奈米之範圍，工作週期係從26%至36%。模擬結果顯示光柵耦 合約1290奈米至約1330奈米範圍波長，具有約63%效率及約1%反向散射。
為供解說目的，前文詳細說明部分使用特定名稱以供徹底瞭解本文揭示。但熟諳技藝人士顯然易知不需要特定細節以實施此處描述的系統及方法。前文特定實施例之描述係呈示用於舉例說明目的。絕非意圖為排它或限制本文揭示於所描述的精確形式。顯然地，鑑於前文教示許多修正與變更係屬可能。該等實施例係經顯示與描述以最佳地解說本文揭示及實際應用的原理，因而使得技藝界的其它人士最佳地利用本文揭示及如適合特定期望用途的具有各項修正的各個實施例。意圖本文揭示之範圍係由如下申請專利範圍及其相當物所限。
100‧‧‧光柵耦合器
102‧‧‧過渡區域
104‧‧‧光柵
106‧‧‧波導
108‧‧‧基體
110、111‧‧‧線
112‧‧‧溝槽

Claims (15)

  1. 一種光柵耦合器，其係包括：一過渡區域，其包括一寬的邊緣且從該邊緣呈錐形地朝向設置於一基體上的一波導延伸；及設置於該基體上相鄰於該邊緣的一次波長光柵，其中該光柵係包括以多個溝槽分開的一串列非均勻式分布的近似平行線，該等溝槽具有一深度以從該光柵以TM偏極化輸出光。
  2. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該等非均勻式分布的線係進一步包括具有相等寬度的該等線，及相鄰成對線間之線間距係隨該等線的遠離該邊緣而增加。
  3. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該等非均勻式分布的線係進一步包括相等的中心至中心間距，及線寬度係隨該等線的遠離該邊緣而縮小。
  4. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該等非均勻式分布的線係進一步包括相鄰成對線間之中心至中心線間距係隨該等線的遠離該邊緣而增加，及線寬度係隨該等線的遠離該邊緣而縮小。
  5. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該等非均勻式分布線係進一步包括相鄰成對線間之中心至中心線間距係隨該等線的遠離該邊緣而增加，及線寬度係隨該等線的遠離該邊緣而增加。
  6. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其係包括一蓋，該蓋係覆蓋該過渡區域及次光柵及作為一上包覆層。
  7. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該等非均勻式分布線係具有遠離該邊緣而縮短之一線性工作週期。
  8. 如申請專利範圍第1項之耦合器，其中該等非均勻式分布線係具有遠離該邊緣而縮短之一非線性工作週期。
  9. 一種用於光學耦合之系統，其係包括：一過渡區域，其包括一寬的邊緣且從該邊緣呈錐形地朝向設置於一基體上的一波導延伸；一次波長光柵，其係由設置於該基體上且以多個溝槽分開的一串列非均勻式分布的近似平行線所組成，該等溝槽具有一深度以從該光柵以TM偏極化輸出光；及一光纖，其係包括一線芯及包覆層，該光纖係彎角使得從該光柵輸出的光大部係進入該線芯。
  10. 如申請專利範圍第9項之系統，其係包括設置於該光纖之一粗端上的一聚焦透鏡以將從該柵輸出的該光聚焦入該線芯內。
  11. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該等非均勻式分布線係進一步包括具有相等寬度及相鄰成對線間之線間距係隨該等線的遠離該邊緣而增加的該等線。
  12. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該等非均勻式分布線係進一步包括相等的中心至中心間距及線寬度係隨該等線的遠離該邊緣而縮小。
  13. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該等非均勻式分布線係進一步包括相鄰成對線間之中心至中心線間距係隨該等線的遠離該邊緣而增加，及線寬度係隨該等線的 遠離該邊緣而縮小。
  14. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該等非均勻式分布線係進一步包括相鄰成對線間之中心至中心線間距係隨該等線的遠離該邊緣而增加，及線寬度係隨該等線的遠離該邊緣而增加。
  15. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該非均勻式分布線具有遠離該邊緣縮短之一工作週期。
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