用于減小入射光的模態(tài)輪廓的模式尺寸變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體涉及改變傳播光的模態(tài)輪廓(modal profile)的模式尺寸變換器和包括該模式尺寸變換器(mode size converter)的光學(xué)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]最近，越來越多的行業(yè)開始使用光學(xué)裝置，尤其是通過硅光子研發(fā)的光學(xué)裝置。這樣的光學(xué)裝置包括光子集成電路(PIC)，其可用于光通信、測量儀器以及信號處理領(lǐng)域中的各種應(yīng)用。PIC可包括互連多個芯片上的部件的亞微米波導(dǎo)，所述芯片上的部件包括光學(xué)開關(guān)、耦合器、路由器、分束器、多路轉(zhuǎn)換器/多路分配器、調(diào)制器、放大器、波長轉(zhuǎn)換器、光電信號轉(zhuǎn)換器以及電光信號轉(zhuǎn)換器。PIC的一個優(yōu)勢是使用比如互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的已知的半導(dǎo)體制造技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)和集成的潛力。
[0003]PIC可以光耦合到外部光纖，使得PIC接收來自光纖的光和/或引導(dǎo)光進(jìn)入所述光纖。然而，以可靠并有效的方式光耦合所述光纖和PIC是具有挑戰(zhàn)性的。例如，所述光纖的橫截面積比PIC的亞微米波導(dǎo)的橫截面積大得多。因此，在光纖中傳播的光具有比PIC的波導(dǎo)中的光大得多的模態(tài)輪廓。當(dāng)光在光纖和Pic之間轉(zhuǎn)換時，光的模態(tài)輪廓必須改變尺寸(稱為模式變換的過程)并且沒有明顯的損耗。
[0004]一種已知的模式尺寸變換器(或光點尺寸變換器)包括覆蓋(overlay)(或包覆)波導(dǎo)以及嵌在所述覆蓋波導(dǎo)內(nèi)的硅波導(dǎo)。所述硅波導(dǎo)具有倒?jié)u縮形幾何形狀，其中所述硅波導(dǎo)的頂端定位為鄰近覆蓋波導(dǎo)的邊緣。隨著硅波導(dǎo)從所述頂端延伸，硅波導(dǎo)的寬度絕熱地(adiabatically)變寬至能夠支撐傳播模式的最終橫截面積。來自光纖的光通過覆蓋波導(dǎo)的邊緣進(jìn)入并且瞬逝地耦合到硅波導(dǎo)。隨著硅波導(dǎo)變寬至單模式條形波導(dǎo)，所述光逐漸變得越發(fā)受限。因而，來自光纖的光的模態(tài)輪廓被減小到適于通過硅波導(dǎo)傳播的尺寸。
[0005]雖然這樣的模式尺寸變換器能夠有效地減小模態(tài)輪廓，該模式尺寸變換器可具有一些問題或缺陷。例如，所述模式尺寸變換器可能耦合效率不足、對齊公差低、和/或沒有商用生產(chǎn)的實用性。
[0006]因此，需要一種模式尺寸變換器，其具有足夠的耦合效率、高的對齊公差、和/或生產(chǎn)成本不會太高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在實施例中，提供了一種模式尺寸變換器，其包括具有構(gòu)造為接收來自光學(xué)元件的光的輸入端的覆蓋波導(dǎo)。所述覆蓋波導(dǎo)具有第一折射率。所述模式尺寸變換器還包括信號波導(dǎo)，其被嵌在所述覆蓋波導(dǎo)內(nèi)并且具有大于所述第一折射率的第二折射率。所述信號波導(dǎo)包括第一和第二臂區(qū)段以及干區(qū)段(stem segment)，它們形成Y形結(jié)。所述第一和第二臂區(qū)段被構(gòu)造為減小從覆蓋波導(dǎo)的輸入端朝向所述干區(qū)段傳播的模態(tài)輪廓。第一和第二臂區(qū)段的每個具有遠(yuǎn)端和一對相反的側(cè)邊緣。所述側(cè)邊緣對在對應(yīng)的遠(yuǎn)端和所述干區(qū)段之間平行于彼此延伸。
[0008]在一些實施例中，所述第一和第二臂區(qū)段的每個可包括成角度的(angled)延伸部以及聯(lián)接到對應(yīng)的成角度的延伸部的基底部分。所述第一和第二臂區(qū)段的成角度的延伸部可形成V形樣式。所述第一和第二區(qū)段的基底部分可大致平行于彼此延伸并且它們之間有可操作的間隔。
[0009]在一些實施例中，所述干區(qū)段可包括中間部分和引導(dǎo)部分。所述中間部分可聯(lián)接到所述第一和第二臂區(qū)段并且具有從所述中間部分基底向所述中間部分的聯(lián)接端漸縮的倒?jié)u縮形幾何形狀。所述聯(lián)接端可聯(lián)接到所述第一和第二臂區(qū)段。所述基底可聯(lián)接到所述干區(qū)段的引導(dǎo)部分。
[0010]在一些實施例中，所述光可被構(gòu)造為沿著光傳播軸線從所述覆蓋波導(dǎo)的輸入端傳播到所述干區(qū)段。所述Y形結(jié)可以關(guān)于包括所述光傳播軸線的平面對稱。
[0011]在一些實施例中，所述覆蓋波導(dǎo)具有寬度并且包括漸縮段。隨著所述覆蓋波導(dǎo)從所述輸入端朝向所述信號波導(dǎo)延伸，所述覆蓋波導(dǎo)的寬度可沿著所述漸縮段減小。可選地，所述覆蓋波導(dǎo)可包括通道段，該通道段具有設(shè)置在其中的所述信號波導(dǎo)的至少一部分。所述漸縮段可位于所述輸入端和所述通道段之間。在一些實施例中，所述第一和第二臂區(qū)段的遠(yuǎn)端可在所述漸縮段內(nèi)、在所述通道段內(nèi)、或在漸縮段和通道段之間的邊界處。在特定的實施例中，所述第一和第二臂區(qū)段的遠(yuǎn)端設(shè)置在所述通道段和所述漸縮段的邊界處或緊密靠近該邊界。
[0012]在實施例中，提供了模式尺寸變換器，其包括具有被構(gòu)造為接收來自光學(xué)元件的光的輸入端的覆蓋波導(dǎo)。覆蓋波導(dǎo)具有第一折射率。所述模式尺寸變換器還包括信號波導(dǎo)，其被嵌在所述覆蓋波導(dǎo)內(nèi)并且具有大于所述第一折射率的第二折射率。所述信號波導(dǎo)包括第一和第二臂區(qū)段和干區(qū)段，它們形成Y形結(jié)。所述第一和第二臂區(qū)段被構(gòu)造為從所述覆蓋波導(dǎo)的輸入端朝向所述干區(qū)段傳播的光的模態(tài)輪廓。所述第一和第二臂區(qū)段的每個包括成角度的延伸部和聯(lián)接到所述成角度的延伸部的基底部分。所述第一和第二臂區(qū)段的成角度的延伸部形成V形樣式。所述第一和第二區(qū)段的基底部分大致平行于彼此延伸并且它們之間有可操作的間隔。
[0013]在一些實施例中，所述第一和第二臂區(qū)段的每個具有遠(yuǎn)端和一對相反的側(cè)邊緣。所述側(cè)邊緣對可在對應(yīng)的遠(yuǎn)端和所述干區(qū)段之間平行于彼此延伸。
[0014]在一些實施例中，所述第一和第二區(qū)段的基底部分可具有倒?jié)u縮形幾何形狀。所述基底部分的每個可在聯(lián)接到對應(yīng)的成角度的延伸部的連結(jié)端和聯(lián)接到所述干區(qū)段的基底端之間延伸。
[0015]在一些實施例中，所述模式尺寸變換器還包括支撐所述信號波導(dǎo)和所述覆蓋波導(dǎo)的襯底層。所述襯底層可具有延伸超過所述覆蓋波導(dǎo)的輸入端的安裝延伸部。
【附圖說明】
[0016]圖1是一種光學(xué)裝置的示意性圖示，該光學(xué)裝置包括根據(jù)實施例形成的模式尺寸變換器(MSC)。
[0017]圖2A是所述光學(xué)裝置的局部放大示圖，其更詳細(xì)地示出了 MSC。
[0018]圖2B是所述光學(xué)裝置沿著圖2A中的線2B-2B截取的截面圖。
[0019]圖3是根據(jù)實施例形成的MSC的信號波導(dǎo)的平面圖。
[0020]圖4是根據(jù)實施例形成的信號波導(dǎo)的平面圖。
[0021]圖5是具有包括圖4中示出的信號波導(dǎo)的MSC的光學(xué)裝置的放大示圖。
[0022]圖6是根據(jù)實施例形成的MSC的截面圖。
[0023]圖7是圖6的MSC的另一個截面圖，其圖示了被MSC的信號波導(dǎo)逐漸限制的入射光。
[0024]圖8是圖6的MSC的另一個截面圖，其圖示了被大致限制在所述信號波導(dǎo)內(nèi)的入射光。
[0025]圖9是根據(jù)實施例形成的信號波導(dǎo)的平面圖。
【具體實施方式】
[0026]圖1是包括根據(jù)實施例形成的模式尺寸變換器(MSC) 102的光學(xué)裝置100的部分的示意性圖示。MSC102還可被稱為光點尺寸變換器(SSC)并且被構(gòu)造為減小(或增大)傳播光的模態(tài)輪廓。所述模態(tài)輪廓還可被稱為模式場輪廓。在圖1中，光學(xué)裝置100僅包括一個MSC102，但在其他實施例中，其可包括多個MSC102。光學(xué)裝置100被構(gòu)造為接收光(或光信號)、以指定的方式處理或調(diào)制所述光、然后發(fā)出處理后或調(diào)制后的光。在其他實施例中，光學(xué)裝置100僅接收和處理光。例如，光學(xué)裝置100可包括光電信號轉(zhuǎn)換器。在其他實施例中，光學(xué)裝置100僅通過MSC102處理并且發(fā)出光。例如，光學(xué)裝置100可包括電光信號變換器。在替代實施例中，光學(xué)裝置100接收并發(fā)出光但不對光信號進(jìn)行處理。所述光可以是例如光數(shù)據(jù)信號的形式。在示例性實施例中，光學(xué)裝置100是用于通信和/或處理光信號的光子集成電路(PIC)。然而，應(yīng)理解的是，光學(xué)裝置100可用于其他應(yīng)用中。例如，光學(xué)裝置100可以是一種具有樣本的傳感器，其基于樣本的性質(zhì)調(diào)制光信號和/或發(fā)出光信號。光學(xué)裝置100還可以被結(jié)合到更大的系統(tǒng)或裝置中。
[0027]在一些實施例中，光學(xué)裝置100是包括硅光子芯片的集成裝置。光學(xué)裝置100的至少一部分可以用制造半導(dǎo)體的工藝制造。例如，光學(xué)裝置100可以使用生產(chǎn)互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)裝置和/或絕緣體上娃(silicon-on-1nsulator, SOI)裝置的工藝生產(chǎn)。更具體地，光學(xué)裝置100可以通過生長、淀積、蝕刻、光刻處理、或用其它方式修改多個堆疊的襯底層的方式來生產(chǎn)。在特定的實施例中，整個光學(xué)裝置100使用CMOS或SOI工藝來生產(chǎn)。
[0028]光學(xué)裝置100和/或MSC102包括多個相互堆疊的襯底層。通過示例的方式，襯底層可包括一層或多層氧化硅、一層或多層氮化硅、一層或多層硅、一層或多層隱藏的氧化物、一層或多層聚合物、和/或一層或多層氮氧化硅(S1N)。所述各個層可具有按本文所述地引導(dǎo)光的折射率。
[0029]光學(xué)裝置100被構(gòu)造為光學(xué)地耦合到光學(xué)元件104。在圖示的實施例中，光學(xué)元件104是光纖(例如，單模式光纖(SMF))。所述光纖內(nèi)的光模式可具有例如約9.2毫米至約10.4毫米之間的直徑。然而，在其他實施例中，光學(xué)元件104可以是能夠傳遞光的另一種類型的光學(xué)元件。例如，光學(xué)元件104可以是平面波導(dǎo)、光源、或光檢測器。在一些實施例中，光學(xué)裝置100可以雙向運行，使得光可以從光學(xué)元件104提供至MSC102，或替代地從MSC102提供至光學(xué)元件104。因而，雖然下文在描述光的傳播時會使用關(guān)于方向的術(shù)語，應(yīng)理解的是，在一些實施例中，光可以在相反的方向上傳播。類似地，雖然本文會使用諸如“上方”、“覆蓋”或“俯仰”這樣的術(shù)語，應(yīng)理解的是，光學(xué)裝置100可具有相