光栅耦合器和集成光栅耦合器系统的制作方法

光栅耦合器和集成光栅耦合器系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年10月22日提交的美国临时专利申请第62/924287号的优先权。本技术还要求2019年1月29日提交的正式专利申请第16/260747号的优先权，正式专利申请要求2018年10月30日提交的美国临时专利申请第62/773721号的优先权，其中每篇申请的内容都整个地通过引用并入本文，并且每篇申请的权益都被充分要求。
技术领域
3.本发明总体上涉及用于光学芯片的光栅耦合器(也被称为光子集成电路(pic))，更具体地涉及连接一个有源芯片和一个无源光学芯片的光栅耦合器系统。


背景技术：

4.目标应用是有源光学芯片(诸如包含inp波导的有源光学芯片)和无源芯片(诸如包含硅和/或氮化硅波导的无源芯片)的混合集成。预期性质是误对齐的高公差、粘合工艺容易、以及耦合效率高。
5.硅光子提供许多优点，其中制造成本是最重要的因素。此外，硅波导和周围的二氧化硅层之间的高折射率对比度提供损耗可能性低的紧贴的弯曲(tight bending)，导致更高密度和复杂性的pic。氮化硅波导提供类似的低成本能力与更低的光损耗性质。另一方面，没有利用直接电流注入的可靠的光学增益或发射能力。因此，有源pic(诸如inp、gaa或基于gan的有源pic)与无源硅光子pic的混合集成对于实现低成本、全功能和高密度pic变得非常重要。
6.然而，由于窄波导从而在两侧有快速发散射束，精确地光学连接两个波导典型地需要亚微米准确度的精确对齐。需要以高耦合效率、更高的公差连接两个光学芯片。


技术实现要素：

7.本公开的一些实施例基于以下认识，即，无源波导上的二维长周期光栅从光学芯片创建朝向基板侧的浅角发射，该发射在芯片面(第二端)被以较陡的角度衍射，被操纵以形成窄射束，然后通过光栅耦合器被耦合到无源光学芯片。
8.根据一些实施例，新的光栅耦合器系统用光栅耦合器来实现，所述光栅耦合器具有第一端和第二端，用于将光束耦合到芯片的波导，所述光栅耦合器包括：基板，所述基板被配置为从第一端接收光束，并且通过第二端发送光束，所述基板具有第一折射率n1；布置在基板上的具有光栅曲线(线)的光栅结构，所述光栅结构具有第二折射率n2，其中所述光栅曲线(线)具有线宽w和高度d，并且按间距λ布置，其中第二折射率n2大于第一折射率n1；以及被配置为覆盖光栅结构的包覆层，其中所述包覆层具有第三折射率n3，其中第三折射率n3不同于第二折射率n2，其中所述包覆层被布置为使从光栅结构衍射的光束朝向包覆层下面反射。二维光栅曲线(线)包括一系列弧，这些弧是椭圆线的一部分，其间距在两个维度上逐渐减小，以使得衍射的射束被成形为或者变窄以在第二光栅上具有聚焦的点，第二光
栅通常是硅光栅。
9.根据本发明的另一实施例，一种光栅耦合器具有第一端和第二端，用于将光束耦合到芯片的波导，所述光栅耦合器包括：基板，所述基板被配置为从第一端接收光束，并且通过第二端发送光束，所述基板具有第一折射率n1；布置在基板上的具有光栅曲线的光栅结构，所述光栅结构具有第二折射率n2，其中所述光栅曲线具有线宽w和高度d，并且按间距λ布置，其中第二折射率n2大于第一折射率n1，其中所述光栅曲线被布置为使光束衍射以在与光束的光传播方向垂直的两个正交轴上形成窄射束；以及被配置为覆盖光栅结构的包覆层，其中所述包覆层具有第三折射率n3，其中第三折射率n3不同于第二折射率n2。
10.此外，本发明的另一实施例基于以下认识，即，集成光栅耦合器系统包括形成在第一芯片上的光栅耦合器，所述光栅耦合器具有第一端和第二端，用于将光束耦合到第二芯片的波导，其中所述光栅耦合器包括：基板，所述基板被配置为从第一端接收光束，并且通过第二端发送光束，所述基板具有第一折射率n1；布置在基板上的被构造为具有光栅曲线的光栅结构，所述光栅结构具有第二折射率n2，其中所述光栅曲线具有线宽w和高度d，并且按间距λ布置，其中第二折射率n2大于第一折射率n1；以及被配置为覆盖光栅结构的包覆层，其中所述包覆层具有第三折射率n3，其中第三折射率n3小于第二折射率n2。包覆层可以是与基板相同的材料、或sio2、si3n4或聚合物。
附图说明
11.将参照附图来进一步说明目前公开的实施例。所示的附图不一定是按比例绘制的，而是一般将重点放在例示说明目前公开的实施例的原理上。
12.图1示出根据本发明的实施例的集成光栅耦合器系统的截面图。
13.图2a示出根据本发明的实施例的包括每个光栅线的厚度的二维光栅曲线的顶视图。
14.图2b示出根据本发明的实施例的二维光栅曲线的中心线的顶视图。
15.图3示出根据本发明的实施例的二维光栅结构，其中光栅被布置为相对于光束的光传播方向不对称，以使得来自光栅曲线的反射光被阻止耦合到波导的第一端。
16.图4示出根据本发明的实施例的多台阶光栅结构的侧视图。
17.图5示出根据本发明的实施例的光栅的侧视图，其中不对称的光栅由多个台阶形成。
18.图6a示出根据本发明的实施例的光栅耦合器的示例结构的截面图，该光栅耦合器包括第一芯片(光束发送侧)和第二芯片(从第一芯片接收发送的射束)。
19.图6b示出根据本发明的实施例的图6a的光栅耦合器系统的顶视图。
20.虽然以上标识的附图说明目前公开的实施例，但是如讨论中指出的，其他实施例也被设想。本公开通过表示、而非限制的方式呈现说明性实施例。落在目前公开的实施例的原理的范围和精神内的许多其他的修改和实施例可以被本领域技术人员设计出来。
具体实施方式
21.以下描述仅提供示例性实施例，并不意图限制本公开的范围、适用性或配置。不同地，示例性实施例的以下描述将为本领域技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施例
的使得能够实现的描述。设想可以在元素的功能和布置上做出的、而不脱离如所附权利要求书中阐述的那样公开的主题的精神和范围的各种改变。
22.以下描述中给出特定细节以提供实施例的透彻的理解。然而，本领域的普通技术人员可以理解可以在没有这些特定细节的情况下实施实施例。例如，所公开的主题中的系统、过程和其他元素可以被示为框图形式中的组件，以便不使实施例在不必要的细节上模糊。在其他情况下，公知的过程、结构和技术可以没有不必要的细节地示出，以便避免使实施例模糊。此外，各附图中的相似的标号和名称指示相似的元件。
23.此外，可以通过使用下面描述的结构的至少一部分或多个部分的组合来实现所公开的主题的实施例。
24.两个光学芯片之间的光学耦合构成混合pic的最重要的部分。对齐的容易性和高耦合效率是非常重要的因素。光栅耦合器提供这些能力。在一些情况下，常规的椭圆形光栅曲线创建准直射束，即，射束形状沿着传播轴几乎恒定。然而，当发射区域大、并且更窄的射束宽度或聚焦对于高效地耦合到第二光栅是必要的时，这是不够的。根据本发明的实施例，提供光栅曲线的成形，以使得射束在第二光栅的表面被形成为期望形状，导致耦合效率更高。
25.对该配置实现高耦合效率，存在多个因素。
26.图1示出根据本发明的集成光栅耦合器系统100的截面图。第一光学芯片(第一芯片)105被做在inp基板110上，包含ingaasp波导层130、inp包覆层120和第一光栅140。第二光学芯片(第二芯片)145由硅基板150、埋入式sio2层(也被称为box层)160、硅(si)波导层(也被称为绝缘体上硅或soi)170、sio2包覆层180、以及蚀刻到硅波导层上的第二光栅190组成。第一光学芯片105中的衍射光传播通过inp基板110和第一光学芯片面195，并且被耦合到第二光学芯片145上的光栅190中。此外，图6a和6b中示出了集成光栅耦合器系统的顶视图的例子。
27.这里，光栅间距λ是光栅的上升沿之间的距离，w是主齿的线宽，d是光栅的厚度。光栅间距λ不必是恒定的，并且可以是从输入波导的端部起算的传播距离的函数，表达啁啾光栅。光栅间距λ还取决于与主要传播距离的角度，来形成椭圆线。在第一光学芯片中，光栅使光以浅角朝向基板衍射，该光在芯片面处被进一步衍射为更陡的角度。射束被成形，被投在第二芯片中的光栅上，并且被引导到其波导。取决于子光栅是否包括在内、或者子光栅如何被设计，操作波长为1530-1570nm，典型的光栅间距λ为5-15μm，典型的光栅线宽w为光栅间距的10-60％。典型的光栅厚度d为0.2-1μm。
28.图2a示出例示说明光栅结构295的顶视图的例子，其中阴影区域240是其包覆层厚度大于周围区域的区域，220是经蚀刻的光栅区域，230是输入波导。
29.应注意到，第一端的直端到第一光栅线之间的距离l
gr
被布置为使得光束的大量强度可以到达第一光栅曲线(线)，而没有光束的不想要的衍射。例如，距离l
gr
可以是nλg的范围(n：倍数；λg：波导中的波束的波长)，其中倍数n可以在10到1000之间，更优选地为50-500。
30.图2b示出经蚀刻的区域220的光栅曲线的中心线的顶视图，其中光栅曲线被表达为：
[0031][0032]
其中x和y分别是与光栅结构中的光传播平行和垂直的方向，q＝m,m 1,m 2(m》0)是与每个光栅线相对应的整数，λ是波长，nc是基板的折射率，φc是与波导表面法线的角度，n
eff
是波导的有效折射率，δ
x
和δy是光栅啁啾的系数，表达x和y方向上的变窄或聚焦效果。δ
x
和δy的负值意味着曲线的间距或间隔随着曲线远离原点(0,0)(即，输入波导的端部)移动而减小。注意，方程(1)不一定表达椭圆线，除非δ
x
和δy这二者为零，不过，它们可以用椭圆线非常好地逼近。实际的光栅曲线是方程(1)的一部分，以使得它们形成如图2a所示的、朝向光束的光传播方向的突起。
[0033]
来自该光栅的衍射光可以在两个维度上(即，在两个正交轴上，每个轴垂直于衍射射束传播方向)被操纵。通过适当地选择δ
x
和δy的负值，衍射射束可以随着它传播而变窄。在δ
x
或δy等于零(即，光栅曲线之间的距离保持恒定)的情况下，衍射射束在对应的方向上保持准直。
[0034]
此外，当δ
x
和δy的绝对值小时，方程(1)表达的光栅曲线具有以固定速度减小的距离。该值可以被确定，通常在间距的0.2％和2％之间，以便具有足够的变窄效果(以在光栅640的区域内形成变窄的射束，参见图6a和6b)，但没有太靠近的聚焦距离。
[0035]
集成光栅耦合器系统可以在同一基板上包含半导体激光束，不过，半导体激光器对于任何反射都非常敏感。它可能引起模式跳变或激光器线宽波动。因此，使来自腔体内部或外部的光学组件(包括趋向于示出少量背反射的光栅耦合器)的任何反射最小化是非常重要的。
[0036]
图3示出二维光栅的示意图，其中二维光栅相对于光束310的光传播方向不对称。在这种情况下，二维光栅被布置为使得来自光栅曲线的反射光被阻止耦合到波导的第一端。换句话说，曲线300的轴320(在接近椭圆曲线的情况下为长轴)以非角度α0与波导线310相交。
[0037]
包覆层可以是非半导体材料。与使用通常需要昂贵的晶体再生的半导体包覆层相反，介电材料(sio2或si3n4)或聚合物材料不需要再生，所以制造更容易，成本更低。
[0038]
然而，介电材料或聚合物材料的折射率通常在1.4和2.3之间，而波导层的折射率在大多数光学通信发生的1.3-1.6的波长处在3.0和3.6之间。因此，波导层和包覆层之间的折射率差变得比半导体被用于包覆层中时大。这造成更高阶次(n＝2,3,4,5
…
)的衍射起到更大的作用的情况，并且使与通常被做在si基板上的另一光栅耦合器(或另一光学组件)的耦合效率降低。因此，使更高阶次的衍射最小化是非常重要的。
[0039]
每个衍射阶次与衍射光栅的傅里叶分量高度相关。例如，矩形衍射光栅包含大量三阶和五阶傅里叶分量，所以三阶和五阶衍射非常高。因此，重要的是有效地使光栅的上升沿和下降沿软化。
[0040]
图4示出光栅的侧视图，其中被基板410和包覆层430夹住的波导层420由具有多个两个的高度层级或台阶的光栅460形成。这可以通过多个光刻和蚀刻工艺形成。因为用于inp光栅耦合器的典型的光栅间距为8-12μm，所以多台阶光栅的形成即使是用能够支持～0.5μm的最小特征大小的工艺，也是可行的。
[0041]
另外，如图5所示，光栅的截面形状可以是不对称的。相对于光传播540的方向，光
栅可以具有更尖锐(sharp)的定型蚀刻和更缓慢的下降沿，这创建有效的闪耀光栅效应。这样，输入光被更有效地引导到向下的方向550。
[0042]
图6a示出包括第一芯片(光束发送侧)和第二芯片(从第一芯片接收发送的射束)的光栅耦合器的示例结构的截面图。如上所述，光栅线是根据关于图2a和2b的方程(1)布置的，具有预定的距离和曲率。图6b示出图6a的光栅耦合器系统的顶视图，其中光栅线是弯曲的。θ1和θ2分别是针对第一芯片和第二芯片的对于同心的光栅线的角度。使侧向射束散度变窄的一种方式是使用弯曲的光栅，诸如椭圆光栅。图6a和6b分别示出光栅耦合器系统600的截面图和顶部，其中第一光学芯片610和第二光学芯片630分别具有椭圆光栅620和640。在一个例子中，具有大约1μm宽度的inp波导615在整个宽度上以至少10
°
连接到椭圆光栅620。具有0.5μm宽度的硅波导635也连接到椭圆硅光栅640。
[0043]
本发明的上述实施例可以以许多方式中的任一种方式实现。例如，实施例可以使用硬件、软件或它们的组合来实现。当用软件实现时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行，不管处理器是在单个计算机中提供，还是分布在多个计算机之间。这样的处理器可以被实现为集成电路，其中一个或多个处理器在集成电路组件中。不过，处理器可以使用任何合适的格式的电路来实现。
[0044]
此外，本发明的实施例可以被实施为其例子已经被提供的方法。作为所述方法的一部分执行的动作可以按任何合适的方式排序。因此，可以构造这样的实施例，在这些实施例中，按与例示说明的次序不同的次序执行动作，可以包括同时执行一些动作，即使这些动作在说明性实施例中被示为顺序的动作。
[0045]
在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”的序数词来修饰权利要求元素本身不暗示一个权利要求元素较于另一权利要求元素的任何优先、优先级或次序、或执行方法的动作的时间次序，而是仅被用作区分具有某个名称的一个权利要求元素与具有同一名称的另一元素(但是使用序数词)以区分权利要求元素的标签。
[0046]
尽管已经参照某些优选实施例描述了本公开，但是要理解可以在本公开的精神和范围内做出各种其他的改动和修改。因此，所附权利要求书的方面是涵盖落在本公开的真实的精神和范围内的所有的这样的变化和修改。