用于光子集成电路中的光纤-芯片耦合的基于约束杆的斑尺寸转换器的制作方法

背景技术：

1、光子集成电路（pic）越来越多地被开发用于在单个芯片上需要紧凑且高效的光学功能的应用。这些集成器件将多个光学组件（诸如开关、波长分离器、调制器、模尺寸转换器（mode-size converter）（也称为“斑尺寸转换器（spot size converter）”）、复用器和解复用器、谐振器、偏振器、移相器和波导）与电气信号路由和电子组件并排组合。通过利用半导体制造方法，光子集成电路还可以受益于微电子制造的成熟性。这导致了光子芯片在电信、数据通信、计算和感测应用中的更广泛采用。在这些应用中的许多应用中，关键挑战在于标准光纤和片上波导之间的光的有效耦合，这是由于光学模尺寸和数值孔径不匹配。

2、特别地，硅光子学已呈现为大规模光子集成电路的领先技术，并且非常适合实现斑尺寸转换器。因为硅光子学利用互补金属氧化物半导体（cmos）工艺，所以它提供了规模经济、降低的制造成本以及与现有电子器件制造基础设施的兼容性。在数据中心和其他高速通信环境中，光子链路和基于硅的光学组件可以代替或增强常规铜互连，从而降低功耗和延迟。然而，最小化光纤和硅光子芯片上的紧密约束的波导模之间的耦合损耗仍然是主要障碍。

3、波导结构通过将光从芯片上的一个组件引导到另一个组件来形成光子集成电路的骨干。它们通常由被一个或多个较低折射率包覆层包围的高折射率芯组成。用于限定这些波导的几何形状、材料组成和制造方法强烈影响光学损耗、带宽和总体器件性能。尽管高折射率对比度波导（诸如绝缘体上硅）的紧凑性质在电路的大部分中是有利的，但是它还增加了与外部组件（例如光纤）的耦合难度，光纤通常具有大得多的模场直径。

4、在硅光子学中，波导可由结晶硅或非晶硅或氮化硅形成，包覆体由硅石（silica）、二氧化硅（sio2）或氮氧化硅制成。这些工艺利用光刻和刻蚀步骤来限定波导形状，并且进一步沉积步骤以形成精确的膜厚度，从而经常在电信波长下实现最佳的模约束，通常在大约1310nm或1550nm左右。这些波导的小横截面使得能够实现急弯曲和高集成密度，但使直接耦合到标准单模光纤复杂化。

5、斑尺寸转换器（ssc）通常在片上使用，以便桥接光纤的大光学模（optical mode）和波导的小得多的模之间的该模尺寸失配。ssc在芯片边缘或端面处及其附近的较大横截面波导与芯片内部使用的较小波导芯之间逐渐过渡，从而有效地沿传播方向扩展或收缩光学模，以最小化耦合损耗。尽管存在各种ssc设计，但是仍需要进一步改进以降低复杂性、提高制造容差并实现较低的插入损耗。

技术实现思路

1、在常规的斑尺寸转换器设计中，波导几何形状、材料折射率或制造缺陷的不匹配仍然会导致显著的耦合损耗。光纤到波导的过渡仍然是关键的性能瓶颈，尤其是对于需要高光学功率效率、最小的插入损耗以及对准误差的抗性的应用。此外，实现在制造工艺中没有过多复杂性的鲁棒的横向和垂直约束可能是困难的。

2、为了解决这些问题，需要改进的斑尺寸转换器结构，该结构提供标准光纤和片上波导模之间的高效、低损耗耦合。本发明通过使用约束杆（例如纳米杆）阵列来提供解决方案，该阵列是集成在ssc区域内或邻近ssc区域设置的高折射率杆或柱的周期性或准周期性布置。这些阵列可以调控光学模过渡，增强模匹配并且有效地减少耦合损耗。通过仔细配置杆几何形状、间距和材料组成，本发明提供了更鲁棒和更具制造容差的斑尺寸转换方法，由此促进了光子集成电路中更高性能的光纤-芯片界面。

3、与现有方法相比，功能波导被直接集成到基于杆的转换器结构中，而不是被置于大的杆堆下方。因为波导芯通常使用较高折射率材料（例如硅）并且保持一定厚度以用于主要的pic功能，所以在多个层中将其无缝地与约束杆结合并非易事。在保持波导处于其功能位置的同时实现这种均匀的超模过渡构成了对以往ssc设计的演进。

4、通过谨慎地定制介电层的厚度和杆几何形状，该设计在有效的模扩展、最小损耗和可制造性之间取得了平衡——这些特性从现有的逆锥形或顶部加载式纳米杆方案中并非显而易见。

5、通过在紧凑的占用面积（footprint）内实现低损耗边缘耦合到标准光纤并且不一定诉诸厚介电堆，所提出的解决方案可以提供如下益处：诸如光纤-芯片界面处较低的插入损耗、减小的芯片厚度和更简单的集成，特别是在对于垂直尺寸非常宝贵的多层pic中尤其有用；和/或通过多个层中的杆的策略性放置和锥变而获得更大的设计灵活性来调整超模形状。

6、本发明的实施例通过将功能波导放置在由约束杆限定的“超模”的中心而改进常规耦合器。而不是将波导埋在厚堆下，设计层（在波导之上和之下）可能变薄，确保波导直接集成到约束杆结构中。

7、结构上，这是通过使波导逐向窄锥变而实现的，使得当波导向芯片边缘靠近时，其宽度减小，减小芯尺寸和/或使约束杆向宽锥变。即，围绕波导分布在多个层中（在波导之上和之下）的杆同时朝向芯片边缘变宽。这种布置逐渐重塑光场，从紧密约束的波导模过渡到较大的光纤兼容模。

8、结果是更有效的超模，其将波导芯和多个约束杆层集成为统一的光学结构。

9、本发明提供了一种光子器件和制造方法，用于有效地在片上波导和外部光纤之间耦合光（例如耦合进片上波导和/或从片上波导耦合出）。该器件包括设置在波导层中并且具有减小其朝向光子集成电路（pic）芯片的端面的宽度的锥形化部的波导。在波导下方的至少一层以及波导上方的至少一层中，围绕波导的是约束杆（例如约束杆阵列），其宽度朝向端面增加。这些特征共同创建斑尺寸转换器，所述斑尺寸转换器被配置为将光学模从波导中的受限横截面过渡到芯片端面处的较大横截面，从而优化光纤耦合。

10、在一个实施例中，波导可由高折射率材料（例如硅或氮化硅）形成。波导层可以是绝缘体上硅（soi）平台的一部分，其中波导芯形成在soi的顶部硅器件层中。这种布置利用了标准的微电子工艺。

11、本发明设想波导之下的多个约束杆层和波导之上的多个约束杆层，其中至少三个不同的杆层可用于增强模控制。每个杆层可包含多个杆，这些杆的宽度随着波导变窄而增加，从而提供互补锥变图案以平滑地引导光学模。可选地，波导锥形角相对于其纵向轴落在大约0.01°和0.1°之间。约束杆和/或波导的锥变可包括：在大约数百纳米的长度范围内，宽度变化约数百纳米，锥形角在大约0.01°和0.1°之间。

12、约束杆本身可呈现各种横截面形状-矩形杆、圆柱形杆或肋状杆-并且通常由折射率低于波导的介电材料形成，从而促进跨越波导和周围杆的超模。为了保持设计的光场分布并减少散射，通常包覆层封装杆和波导。在一些实施例中，约束杆由与形成波导的介电材料相似的介电材料形成。

13、为了进一步定制尺寸，每个约束杆可具有约200纳米至约500纳米的厚度和约150纳米至约600纳米的宽度。这些范围有助于塑造导模轮廓并确保有效耦合。

14、在另一个实施例中，用于边缘耦合的光子器件包括具有多个介电层（包括波导层和至少一个约束杆层）的基底衬底，以及其宽度朝向端面减小的锥形化波导。这些层中的一个或多个约束杆的宽度也朝向端面增加。共同地，杆和锥形化波导形成从较小的片上波导过渡到较大的光纤兼容模的的超模。

15、本发明还涉及一种制造这种光子器件的方法。该方法包括：提供合适的衬底；形成朝向芯片端面锥变的波导芯；以及在波导上方和下方的层中布置约束杆，使得每个杆以相反的方式锥变。波导层可以是结晶硅或氮化硅，有可能实现在soi晶圆上。

16、为了形成约束杆，可在基本平行于锥形化波导纵向轴取向的至少两个约束杆层中沉积杆形成材料，对该材料进行光刻图案化并刻蚀。优选地对于制造波导锥形部和杆的锥形角进行协调，使得演进的光学模——通常称为超模——包含波导芯和杆两者。

17、在许多实施例中，可以沉积一个或多个包覆层来封装斑尺寸转换器区域，从而保持光学约束并减少不期望的散射。可以使用替代杆几何形状，例如矩形、圆柱形或肋状。选择精确的杆尺寸有助于实现端面处的目标光学模尺寸。最后，在形成波导锥形部的同时（通过宽度至少减小50％），每个杆的宽度在同一方向上增加至少50％，产生有益于有效的模转换的互补锥变轮廓。

18、总体而言，本文描述的发明提供了通过控制波导锥形部和周围约束杆的几何形状来减小光纤-芯片界面处的插入损耗的鲁棒方法。分层的锥化设计形成有效的斑尺寸转换器，具有较小的占用面积和增强的制造容差，能够为各种光子应用提供更高的耦合效率。

19、本发明的上述和其他特征，包括各种新颖的结构细节和部件的组合以及其他优点，现在将参照附图更充分地描述本发明并在权利要求中指出。应当理解，示出具体实施本发明的方法和装置是为了说明而不是限制本发明。本发明的原理和特征可以以各种不同的实施例实施而不脱离本发明的范围。