具有深槽非均勻光柵的光柵耦合器的制造方法
【專利摘要】公開了使得能夠在波導(dǎo)和光纖之間有效地進(jìn)行耦合的光柵耦合器。一方面，光柵耦合器包含過(guò)渡區(qū)，所述過(guò)渡區(qū)包含寬邊并且隨朝向設(shè)置于襯底上的波導(dǎo)遠(yuǎn)離所述邊而漸縮。所述耦合器還包含亞波長(zhǎng)光柵，所述亞波長(zhǎng)光柵與所述邊相鄰地設(shè)置于所述襯底上。所述光柵由由具有深度的槽隔離的一系列非均勻分布的大致平行的線構(gòu)成，以以TM偏振從所述光柵輸出光。
【專利說(shuō)明】具有深槽非均勻光柵的光柵耦合器
【背景技術(shù)】
[0001]近年來(lái)，在高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中以光學(xué)組件替代電子組件已經(jīng)受到了相當(dāng)大的注意，因?yàn)橄啾扔陔娮油ㄐ牛鈱W(xué)通信給予若干潛在的高性能優(yōu)點(diǎn)。在一方面，電子組件的構(gòu)建(set up)能夠?yàn)閯趧?dòng)密集的，并且使用常規(guī)的電線和插腳來(lái)發(fā)送電信號(hào)消耗大量的電力。另外，對(duì)電子互連的帶寬進(jìn)行縮放變得愈加困難，并且使用諸如電子開關(guān)的電子組件來(lái)發(fā)送電信號(hào)所需要的時(shí)間量需要太久來(lái)充分利用由較小和較快的處理器給予的高速性能。另一方面，諸如光纖的光學(xué)組件具有大的帶寬，提供低的傳輸損耗，使得能夠以比傳輸在電信號(hào)中編碼的相同信息所需要的電力消耗顯著低的電力消耗傳輸數(shù)據(jù)，不受串音的影響，并且由不經(jīng)歷腐蝕和不受外部輻射影響的材料構(gòu)成。
[0002]盡管光學(xué)通信顯現(xiàn)為電子通信的吸引人的替代方案，但是許多現(xiàn)有的光學(xué)組件不良好適合于所有類型的光學(xué)通信。例如，光纖能夠用于在電子器件之間傳輸光學(xué)信號(hào)，而預(yù)期諸如波導(dǎo)和微環(huán)耦合器的某些光學(xué)組件將替代或補(bǔ)充典型的CMOS芯片上的許多電子電路。然而，計(jì)算機(jī)制造面對(duì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是有效地將光學(xué)信號(hào)從波導(dǎo)耦合至光纖。因?yàn)楣饫w和波導(dǎo)之間的大模式的失配，使用光學(xué)組件來(lái)在波導(dǎo)和光纖之間耦合光是有挑戰(zhàn)性的。由于這個(gè)和其它原因，計(jì)算機(jī)制造尋求增大波導(dǎo)和光纖之間的光的耦合效率的系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0003]圖1A-1B分別示出了范例光柵耦合器的等距視圖和俯視平面圖；
[0004]圖2示出了具有蓋子(cover)的范例光柵耦合器的等距視圖；
[0005]圖3A示出了圖2中示出的光柵耦合器沿著線1-1的橫截面視圖；
[0006]圖3B示出了圖2中示出的光柵耦合器的過(guò)渡區(qū)和非均勻光柵的俯視平面圖；
[0007]圖4示出了范例光柵耦合器的漸縮過(guò)渡區(qū)和非均勻光柵的俯視平面圖；
[0008]圖5示出了范例光柵耦合器的漸縮過(guò)渡區(qū)和非均勻光柵的俯視平面圖；
[0009]圖6示出了范例光柵耦合器的漸縮過(guò)渡區(qū)和非均勻光柵的俯視平面圖；
[0010]圖7示出了占空比與跨三種類型的非均勻光柵的距離的關(guān)系的繪圖；
[0011]圖8示出了過(guò)渡區(qū)和光柵的俯視平面圖并且表示了 TE和TM偏振約定；
[0012]圖9示出了光柵耦合器和光纖的對(duì)接端的橫截面視圖；
[0013]圖10示出了光柵耦合器和覆蓋有聚焦透鏡的光纖的對(duì)接端的橫截面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]公開了使得能夠在波導(dǎo)和光纖之間有效地進(jìn)行耦合的光柵耦合器。光柵耦合器包含以TM偏振將光從波導(dǎo)稱合至光纖芯中的深槽非均勻亞波長(zhǎng)光柵。在下面的描述中，術(shù)語(yǔ)“光”指具有電磁譜的包含電磁譜的紅外和紫外部分的可見(jiàn)和不可見(jiàn)部分中的波長(zhǎng)的電磁輻射。
[0015]圖1A-1B分別示出了范例光柵耦合器100的等距視圖和俯視平面圖。光柵耦合器100包含漸縮過(guò)渡區(qū)102和非均勻的亞波長(zhǎng)光柵104。如圖1A-1B的范例中示出的，過(guò)渡區(qū)102具有隨遠(yuǎn)離光柵104而變窄并且過(guò)渡至條形波導(dǎo)106中的類等腰三角形的形狀。波導(dǎo)106也能夠是脊形波導(dǎo)或條形加載波導(dǎo)(strip loaded waveguide)。過(guò)渡區(qū)102和光柵104設(shè)置于襯底108的平面表面上。光柵104由諸如由諸如槽112的槽隔離的線110和111的一系列大致平行的線構(gòu)成。術(shù)語(yǔ)“大致”用于描述線的相對(duì)取向或于此描述的其它量，其中旨在理想的平行線取向，但是實(shí)際上應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，測(cè)量中的不完善或制造工藝中的不完善引起線的相對(duì)取向或其它量發(fā)生改變。
[0016]過(guò)渡區(qū)102和光柵104由折射率比襯底108的折射率高的材料構(gòu)成。結(jié)果，襯底108用作用于過(guò)渡區(qū)102和光柵104的下包覆層。特別地，過(guò)渡區(qū)102和光柵104能夠由諸如硅(“Si”)或鍺(“Ge”)的單元素半導(dǎo)體構(gòu)成，或者過(guò)渡區(qū)102和光柵104能夠由諸如II1-V族化合物半導(dǎo)體的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成，其中羅馬數(shù)字III和V表示元素周期表中的IIIa列和Va列中的元素?；衔锇雽?dǎo)體能夠由諸如鋁(“Al”)、鎵(“Ga”)以及銦(“In”)的列IIIa元素結(jié)合諸如氮(“N”)、磷(“P”)、砷(“As”)以及銻(“Sb”)的列Va元素構(gòu)成。也能夠根據(jù)III族和V族元素的相對(duì)量對(duì)化合物半導(dǎo)體進(jìn)一步地進(jìn)行分類。例如，二元半導(dǎo)體化合物包含具有實(shí)驗(yàn)式GaAs、InP、InAs以及GaP的半導(dǎo)體；三元化合物半導(dǎo)體包含具有實(shí)驗(yàn)式GaAsyPpy (其中y的范圍從大于O至小于I)的半導(dǎo)體；以及四元化合物半導(dǎo)體包含具有實(shí)驗(yàn)式InxGahAsyPh (其中x和y的范圍獨(dú)立地均從大于O至小于I)的半導(dǎo)體。其它類型的適合的化合物半導(dǎo)體包含I1-VI族材料，其中II和VI表示周期表中的IIb列和VIa列中的元素。例如,0(^6、21156、2115以及ZnO是示范性的二元I1-V族化合物半導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)式。襯底108能夠由諸如SiO2或Al2O3的較低折射率材料構(gòu)成。替代地，過(guò)渡區(qū)102和光柵104能夠由非半導(dǎo)體材料或聚合物構(gòu)成。例如，過(guò)渡區(qū)102和光柵104能夠由鈦(“Ti”)構(gòu)成并且襯底108能夠由鈮酸鋰(“LiNb03”)構(gòu)成。
[0017]能夠通過(guò)首先在用作襯底108的低折射率材料的平整表面上沉積高折射率材料來(lái)形成光柵耦合器100。能夠使用諸如納米壓印光刻或反應(yīng)離子刻蝕的各種光刻和/或刻蝕技術(shù)中的任何一種技術(shù)來(lái)在較高折射率材料層中形成過(guò)渡區(qū)102和光柵104，以形成光柵104的線之間的深槽。通過(guò)有選擇地去除高折射率材料來(lái)形成隔離線的槽。在圖1A-1B的范例中，光柵104是通過(guò)去除較高折射率材料，使得襯底108的表面暴露于線之間，而形成的深槽高對(duì)比光柵。總之，槽深度`是波導(dǎo)高度的實(shí)質(zhì)部分，并且選定槽深度以確保傳輸至光柵104中的光的TM偏振分量的強(qiáng)烈的散射，如以下參照?qǐng)D8描述的。
[0018]如圖1A-1B的范例中示出的，光柵耦合器100具有空氣包覆。在其它實(shí)施例中，能夠?qū)⒅T如用于形成襯底108的材料的較低的折射率材料沉積于過(guò)渡區(qū)102和光柵104之上，以形成用作上包覆層的蓋子。圖2示出了光柵耦合器200的等距視圖。除耦合器200包含覆蓋過(guò)渡區(qū)102和光柵104的蓋子202之外，耦合器200類似于耦合器100。蓋子202由諸如SiO2或Al2O3的折射率比過(guò)渡區(qū)102和光柵104的折射率低的材料構(gòu)成，并且用作用于過(guò)渡區(qū)102和光柵104的上包覆層。
[0019]圖3A-3B分別示出了光柵耦合器200的橫截面視圖和過(guò)渡區(qū)102和光柵104的俯視平面圖。如圖3A中以及圖1A和2中示出的，光柵104是深槽的，因?yàn)榫€之間的襯底102的表面302是暴露的。光柵104被稱為亞波長(zhǎng)光柵，因?yàn)榫€寬度W、線間距ρ以及線厚度t小于從光柵耦合器發(fā)射的電磁輻射的波長(zhǎng)。z方向上的線寬度w與線間距ρ的比以占空比來(lái)刻畫:W
[0020] DC=—
[0021]在圖3A-3B的范例中，方向箭頭306指示其中光柵104的占空比在z方向上從過(guò)渡區(qū)102的寬邊304起減小的方向。換句話說(shuō)，對(duì)于圖3A-3B中表示的特定范例光柵104，線寬度如由方向箭頭308表示的那樣在z方向上從邊304起減小w丨，并且線間距P如由方向箭頭310表示的那樣在z方向上從寬邊304起增大P丨。例如，線312比線314接近邊304并且線312的寬度w大于線314的寬度w’，以及相鄰線316和317的對(duì)比相鄰線318和319的對(duì)接近邊304，其中線316和317之間的線間距p大于線318和319之間的線間距
P’ O
[0022]不旨在將非均勻光柵限制于范例光柵104。通過(guò)制備具有相同線寬度而線間距在z方向上增大的線，能夠?qū)崿F(xiàn)其中占空比在z方向上隨遠(yuǎn)離過(guò)渡區(qū)的寬邊而減小的其它類型的適合的光柵。圖4示出了范例光柵耦合器400的漸縮過(guò)渡區(qū)402和非均勻亞波長(zhǎng)光柵404的俯視平面圖。如同光柵耦合器100和200的非均勻光柵104，光柵404由諸如由諸如放置于線406和407之間的深槽408的深槽隔離的線406和407的相鄰對(duì)的一系列大致平行的線構(gòu)成。線自始至終具有相同的線寬度w，但是線間距在z方向上隨遠(yuǎn)離過(guò)渡區(qū)402的寬邊412而增大，導(dǎo)致光柵404具有在z方向上減小的占空比。例如，線406和407的相鄰對(duì)之間的線間距P’大于線414和415的相鄰對(duì)之間的線間距P’ ’，線414和415比線406和407遠(yuǎn)離邊412放置。
[0023]通過(guò)制備具有線寬度在z方向上減小而線間距自始至終恒定的線，能夠?qū)崿F(xiàn)其中占空比在z方向上隨遠(yuǎn)離過(guò)渡區(qū)的寬邊而減小的其它類型的適合的非均勻光柵。圖5示出了范例光柵耦合器500的漸縮過(guò)渡區(qū)502和非均勻亞波長(zhǎng)光柵504的俯視平面圖。如同非均勻光柵104和404，光柵504 由由暴露襯底的表面(未示出)的深槽隔離的一系列大致平行的線構(gòu)成。遍及光柵504，中心至中心的線間距保持恒定，但是線的寬度在z方向上隨遠(yuǎn)離寬邊508而減小，導(dǎo)致光柵504具有在z方向上減小的占空比。例如，線510放置得比線511接近邊508并且線510的寬度w大于線511的寬度w’，但是線512和510的相鄰對(duì)之間的間距與更遠(yuǎn)離邊508放置的線514和515的相鄰對(duì)之間的間距大致相同。
[0024]通過(guò)制備使得線寬度和線間距在z方向上增大但是線間距的增大大于線寬度的增大的線，能夠?qū)崿F(xiàn)其中占空比在z方向上隨遠(yuǎn)離過(guò)渡區(qū)的寬邊而減小的其它類型的適合的光柵。圖6示出了范例光柵耦合器600的漸縮過(guò)渡區(qū)602和非均勻光柵604的俯視平面圖。光柵604由由深槽隔離的一 系列大致平行的線構(gòu)成。圖6顯示，方向606上跨光柵604的占空比的減小由z方向上線寬度和線間距隨遠(yuǎn)離寬邊608而增大，但是z方向上跨光柵的線間距的增大大于線寬度的增大，來(lái)獲得。
[0025]圖7示出了占空比與跨三種類型的非均勻光柵的距離的關(guān)系的繪圖。水平方向箭頭702表示從漸縮過(guò)渡區(qū)的寬邊起z方向上跨光柵的距離，并且豎直箭頭704表示占空比。負(fù)斜率的線706表示具有在z方向上線性改變的負(fù)斜率的占空比的非均勻光柵。虛線708和點(diǎn)線710表示其中非均勻光柵的占空比在z方向上跨光柵以非線性方式改變。特別地，虛線708表示z方向上的占空比的指數(shù)減小。例如，線708表示其中線的寬度是恒定的或線性變化的而線間距指數(shù)增大，或者線間距是恒定的或線性變化的而線的寬度指數(shù)減小，的非均勻光柵。點(diǎn)線710表示其中占空比隨遠(yuǎn)離過(guò)渡區(qū)的減小在靠近過(guò)渡區(qū)時(shí)是漸進(jìn)的，但是在更遠(yuǎn)離過(guò)渡區(qū)時(shí)突然減小，的非均勻光柵。
[0026]從以上描述的非均勻光柵輸出的光是TM偏振的。圖8不出了光柵f禹合器100和200的過(guò)渡區(qū)102和光柵104的俯視平面圖并且表示了 TE和TM偏振約定。如圖8中示出的，過(guò)渡區(qū)102在光進(jìn)入光柵104之前展開由波導(dǎo)106運(yùn)載的光。按照約定，虛線的雙頭方向箭頭802表不其中從光柵104發(fā)射的光的電場(chǎng)分量將平行于光柵104的線指向的TE偏振。雙頭方向箭頭804表不其中從光柵104發(fā)射的光的電場(chǎng)分量垂直于光柵104的線指向的TM偏振。如以上描述的那樣選定線厚度t或隔離線的槽的深度，以確保從光柵104發(fā)射的光主要由TM偏振的光構(gòu)成。
[0027]從光柵I禹合器的深槽非均勻光柵輸出的大部分的光是以TM偏振輸出的并且以光柵平面以上的非零角度指向。圖9示出了光柵耦合器200和光纖900的對(duì)接端的橫截面視圖。方向箭頭902表示沿著波導(dǎo)106傳輸至過(guò)渡區(qū)102中的光，其中光在進(jìn)入光柵104之前展開并且以基本上TM偏振從光柵104輸出，如以上參照?qǐng)D8描述的。當(dāng)光進(jìn)入并且與光柵104相互作用時(shí)，光柵104引起大多數(shù)的光從靠近過(guò)渡區(qū)102的光柵以非垂直角度輸出，如由方向箭頭904表示的。陰影區(qū)906表示光柵104以上具有從光柵104輸出的光的最高濃度的空間區(qū)域。虛線的方向箭頭908表示從光柵104輸出的光906的最高濃度的方向α(即a <90c)。如圖9中示出的，以大致相同的角度α安置光纖的端部部分，使得從光柵104輸出的大部分的光進(jìn)入光纖900的芯910。
[0028]在其它實(shí)施例中，能夠以平凸透鏡覆蓋光纖的端部，以捕獲從光柵輸出的光并且將從光柵輸出的光聚焦至光纖的芯中。圖10示出了光柵耦合器200和覆蓋有透鏡1002的光纖1000的對(duì)接端的橫截面視圖。除透鏡1002比光纖900的未覆蓋的端部捕獲更大部分的從光柵104輸出的光并且將光聚焦至光纖1000的芯1004中之外，耦合器200如以上參照?qǐng)D9描述的那樣工作。
[0029]使用ΜΕΕΡ、用于對(duì)電磁系統(tǒng)進(jìn)行建模的時(shí)域有限差分(“FDTD”)仿真軟件包(見(jiàn)http://ab-1nitio, mit.edu/meep/meep-1.1.1.tar.gz)對(duì)由過(guò)渡區(qū)和形成于 250nm 厚的Si層中的深槽非均勻亞波長(zhǎng)光柵構(gòu)成的光柵耦合器進(jìn)行建模。過(guò)渡區(qū)和深槽非均勻光柵夾在兩個(gè)氧化層之間，氧化物覆蓋層具有I μ m的厚度、光柵的線具有200nm的厚度以及10 μ m的光柵的長(zhǎng)度。線間距的范圍從666-719nm，并且占空比從26%至36%改變。仿真結(jié)果顯示，光柵以大致63%的效率和大致1%的反向散射與范圍從大致1290至大致1330nm的波長(zhǎng)耦合。
[0030]前述的描述，出于解釋的目的，使用了特定的術(shù)語(yǔ)以提供對(duì)本公開內(nèi)容的全面理解。然而，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將是明顯的是，不要求特定的細(xì)節(jié)以便實(shí)施于此描述的系統(tǒng)和方法。出于示例和描述的目的介紹了特定實(shí)施例的前述描述。它們不旨在窮盡性的或?qū)⒋斯_內(nèi)容限制于描述的精確形式。顯而易見(jiàn)地，鑒于以上教導(dǎo)，許多修改和變動(dòng)是可能的。示出和描述了實(shí)施例以便最好地解釋此公開內(nèi)容的原理和實(shí)際應(yīng)用，由此使得本領(lǐng)域其他技術(shù)人員能夠最好地利用此公開內(nèi)容和具有適合于設(shè)想的特定使用的各種修改的各個(gè)實(shí)施例。旨在此公開內(nèi)容的范圍由下面的權(quán)利要求和其等同物來(lái)定義。
【權(quán)利要求】
1.一種光柵稱合器，包含: 過(guò)渡區(qū)，所述過(guò)渡區(qū)包含寬邊并且隨朝向設(shè)置于襯底上的波導(dǎo)遠(yuǎn)離所述邊而漸縮；以及 亞波長(zhǎng)光柵，所述亞波長(zhǎng)光柵與所述邊相鄰地設(shè)置于所述襯底上，其中，所述光柵包含由具有深度的槽隔離的一系列非均勻分布的大致平行的線，以以TM偏振從所述光柵輸出光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合器，其中，所述非均勻分布的線還包含具有相同寬度的所述線，并且所述線距離所述邊越遠(yuǎn)，線的相鄰對(duì)之間的線間距增大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合器，其中，所述非均勻分布的線還包含相同的中心至中心的線間距，并且所述線距離所述邊越遠(yuǎn)，所述線的寬度減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合器，其中，所述非均勻分布的線還包含:所述線距離所述邊越遠(yuǎn)，線的相鄰對(duì)之間的中心至中心的線間距增大，并且所述線距離所述邊越遠(yuǎn)，所述線的寬度減小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合器，其中，所述非均勻分布的線還包含:所述線距離所述邊越遠(yuǎn)，線的 相鄰對(duì)之間的中心至中心的線間距增大，并且所述線距離所述邊越遠(yuǎn)，所述線的寬度增大。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合器，包含覆蓋所述過(guò)渡區(qū)和子光柵并且用作上包覆層的蓋子。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合器，其中，所述非均勻分布的線具有隨遠(yuǎn)離所述邊而減小的線性的占空比。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合器，其中，所述非均勻分布的線具有隨遠(yuǎn)離所述邊而減小的非線性的占空比。
9.一種系統(tǒng)，包含: 過(guò)渡區(qū)，所述過(guò)渡區(qū)包含寬邊并且隨朝向設(shè)置于襯底上的波導(dǎo)遠(yuǎn)離所述邊而漸縮；亞波長(zhǎng)光柵，所述亞波長(zhǎng)光柵由設(shè)置于所述襯底上并且由具有深度的槽隔離的一系列非均勻分布的大致平行的線構(gòu)成，以以TM偏振從所述光柵輸出光；以及 光纖，所述光纖包含芯和包覆層，所述光纖是成角度的，使得從所述光柵輸出的大部分的所述光進(jìn)入所述芯。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，包含設(shè)置于所述光纖的對(duì)接端上的聚焦透鏡，以將從所述光柵輸出的所述光聚焦至所述芯中。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述非均勻分布的線還包含具有相同寬度的所述線，并且所述線距離所述邊越遠(yuǎn)，線的相鄰對(duì)之間的線間距增大。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述非均勻分布的線還包含相同的中心至中心的線間距，并且所述線距離所述邊越遠(yuǎn)，所述線的寬度減小。
13.根據(jù)權(quán)利 要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述非均勻分布的線還包含:所述線距離所述邊越遠(yuǎn)，線的相鄰對(duì)之間的中心至中心的線間距增大，并且所述線距離所述邊越遠(yuǎn)，所述線的寬度減小。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述非均勻分布的線還包含:所述線距離所述邊越遠(yuǎn)，線的相鄰對(duì)之間的中心至中心的線間距增大，并且所述線距離所述邊越遠(yuǎn)，所述線的寬度增大。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述非均勻分布的線具有隨遠(yuǎn)離所述邊而減小的占 空比。
【文檔編號(hào)】G02B6/122GK103890624SQ201180074221
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月21日
【發(fā)明者】D·A·法塔爾, M·菲奧倫蒂諾, 彭臻 申請(qǐng)人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)