CN112255727B - 端面耦合器和半导体器件 - Google Patents
端面耦合器和半导体器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112255727B CN112255727B CN202011189427.2A CN202011189427A CN112255727B CN 112255727 B CN112255727 B CN 112255727B CN 202011189427 A CN202011189427 A CN 202011189427A CN 112255727 B CN112255727 B CN 112255727B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- grating
- layer
- optical fiber
- face coupler
- waveguide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 14
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 79
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 57
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims abstract description 24
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 34
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 34
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 30
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 17
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 16
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 15
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 12
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims description 6
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 description 24
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 description 18
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 9
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B2006/12133—Functions
- G02B2006/12147—Coupler
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
公开了一种端面耦合器和半导体器件。端面耦合器包括：衬底；绝缘层，所述绝缘层位于所述衬底上；第一波导层，所述第一波导层位于所述绝缘层上；间隔层，所述间隔层位于所述第一波导层上；以及第二波导层，所述第二波导层位于所述间隔层上并且包括亚波长光栅和传输波导，所述亚波长光栅用于将从光纤接收的光进行模斑转换，并且将经模斑转换的光传输至所述传输波导。所述传输波导的至少一部分在竖直方向上与所述第一波导层的至少一部分对准，从而将在所述传输波导中传输的光耦合至所述第一波导层中。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术，特别是涉及一种端面耦合器和半导体器件。
背景技术
对于超大规模集成电路而言，随着晶体管特征尺寸的进一步减小，传统的电互连技术由于电子物理特性的局限，使得电通信技术面临一些困难，如信号延迟大，传输带宽小，功耗大，信号串扰大等。
为了满足数据传输需求，人们逐渐将目光从电通信技术转移到光通信技术。相比电通信，光通信中光信号可以在失真或衰减小的情况下长距离传输。此外，光互连可以将不同的电器件隔离，从而有助于在保持高传输速率的同时实现芯片结构的优化。硅光集成技术除了具有常规光互连的优势外，还具有与半导体工艺兼容、尺寸小、通讯波段透明等优点。
然而，随着硅光集成技术的不断发展，光学器件的尺寸越来越小，集成度越来越高，光信号的输入与输出问题变得至关重要。目前，光信号的输入和输出往往会面临耦合效率低、耦合带宽小等问题。
发明内容
提供一种缓解、减轻或者甚至消除上述问题中的一个或多个的机制将是有利的。
根据本公开的一些实施例，提供了一种端面耦合器，包括：衬底；绝缘层，所述绝缘层位于所述衬底上；第一波导层，所述第一波导层位于所述绝缘层上；间隔层，所述间隔层位于所述第一波导层上；以及第二波导层，所述第二波导层位于所述间隔层上并且包括亚波长光栅和传输波导，所述亚波长光栅用于将从光纤接收的光进行模斑转换，并且将经模斑转换的光传输至所述传输波导，其中，所述传输波导的至少一部分在竖直方向上与所述第一波导层的至少一部分对准，从而将在所述传输波导中传输的光耦合至所述第一波导层中。
根据本公开的一些实施例，提供了一种半导体器件，包括如上所述的端面耦合器。
根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。
附图说明
在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：
图1是根据本公开示例性实施例的端面耦合器的结构示意图；
图2是根据本公开示例性实施例的第二波导层的结构示意图；
图3A至3B是根据本公开实施例的第二波导层中的模斑转换过程中电磁场分布模拟结果；
图4是根据本公开示例性实施例的端面耦合器的部分结构的示意图；
图5是根据本公开示例性实施例的端面耦合器的部分结构中的电磁场分布模拟结果；以及
图6是根据本公开示例性实施例的端面耦合器的工作原理示意图。
具体实施方式
将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区、层和/或部分，但是这些元件、部件、区、层和/或部分不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分相区分。因此，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可以被称为第二元件、部件、区、层或部分而不偏离本公开的教导。
诸如“在…下面”、“在…之下”、“较下”、“在…下方”、“在…之上”、“较上”等等之类的空间相对术语在本文中可以为了便于描述而用来描述如图中所图示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。将理解的是，这些空间相对术语意图涵盖除了图中描绘的取向之外在使用或操作中的器件的不同取向。例如，如果翻转图中的器件，那么被描述为“在其他元件或特征之下”或“在其他元件或特征下面”或“在其他元件或特征下方”的元件将取向为“在其他元件或特征之上”。因此，示例性术语“在…之下”和“在…下方”可以涵盖在…之上和在…之下的取向两者。诸如“在…之前”或“在…前”和“在…之后”或“接着是”之类的术语可以类似地例如用来指示光穿过元件所依的次序。器件可以取向为其他方式(旋转90度或以其他取向)并且相应地解释本文中使用的空间相对描述符。另外，还将理解的是，当层被称为“在两个层之间”时，其可以是在该两个层之间的唯一的层，或者也可以存在一个或多个中间层。
本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不意图限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所述及特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意和全部组合，并且短语“A和B中的至少一个”是指仅A、仅B、或A和B两者。
将理解的是，当元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“连接到另一个元件或层”、“耦合到另一个元件或层”或“邻近另一个元件或层”时，其可以直接在另一个元件或层上、直接连接到另一个元件或层、直接耦合到另一个元件或层或者直接邻近另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接连接到另一个元件或层”、“直接耦合到另一个元件或层”、“直接邻近另一个元件或层”时，没有中间元件或层存在。然而，在任何情况下“在…上”或“直接在…上”都不应当被解释为要求一个层完全覆盖下面的层。
本文中参考本公开的理想化实施例的示意性图示(以及中间结构)描述本公开的实施例。正因为如此，应预期例如作为制造技术和/或公差的结果而对于图示形状的变化。因此，本公开的实施例不应当被解释为限于本文中图示的区的特定形状，而应包括例如由于制造导致的形状偏差。因此，图中图示的区本质上是示意性的，并且其形状不意图图示器件的区的实际形状并且不意图限制本公开的范围。
除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如那些在通常使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下文中的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释，除非本文中明确地如此定义。
如本文使用的，术语“衬底”可以表示经切割的晶圆的衬底，或者可以指示未经切割的晶圆的衬底。类似地，术语芯片和裸片可以互换使用，除非这种互换会引起冲突。应当理解，术语“层”包括薄膜，除非另有说明，否则不应当解释为指示垂直或水平厚度。
可以通过耦合器，在光纤和芯片之间来实现光耦合。在实际应用中，可以通过表面耦合器或端面耦合器来实现前述光耦合。例如，表面耦合器采用的方案是基于衍射光栅，其主要利用光栅结构将光以衍射的形式耦合到光波导中。然而传统的光栅耦合器长度多在数百微米，这种长度虽然会使得光栅的泄露因子非常小，但是却限制了光栅耦合器的带宽。为了改善表面耦合器的缺陷，有时会考虑使用端面耦合器。然而，目前的端面耦合器解决方案主要依赖于透镜光纤和高数值孔径光纤，这将导致对准过程缓慢同时需要搭配特种光纤，从而导致在耦合效率、耦合带宽和工艺成本之间难以兼顾。
本公开的实施例提供了一种改进的端面耦合器。图1是根据本公开示例性实施例的端面耦合器100的结构示意图。
如图1所示，端面耦合器100可以包括：衬底1，绝缘层2，第一波导层5，间隔层6和第二波导层7。绝缘层2位于衬底1上。第一波导层5位于绝缘层2上。间隔层6位于第一波导层5上。第二波导层7位于间隔层6上并且包括亚波长光栅8和传输波导11。亚波长光栅8用于将从光纤10接收的光进行模斑转换，并且将经模斑转换的光传输至传输波导11。传输波导11的至少一部分在竖直方向上与第一波导层5的至少一部分对准，从而将在传输波导11中传输的光耦合至第一波导层5中。
示例性地，模斑转换可以为绝热转换，传输波导与第一波导层之间的光耦合也可以是绝热耦合。
根据本公开实施例的端面耦合器100能够提高耦合效率，增加耦合带宽，并且能够通过降低耦合器对特种光纤的需求而降低工艺成本。
示例性地，传输波导11在水平方向和竖直方向上保持与亚波长光栅8对准，从而实现光从亚波长光栅8高效传输至传输波导11。
在一些实施例中，端面耦合器中的第二波导层7由氮化硅或氮氧化硅形成。由氮化硅或氮氧化硅形成的第二波导层能够与已有的半导体工艺、比如CMOS工艺兼容。此外，由氮化硅或氮氧化硅形成的第二波导层对光刻机的精度要求有所降低，因此，能够进一步降低工艺成本。
示例性地，可以选择氮化硅作为第二波导层的材料。氮化硅材料能够与现有的半导体工艺、比如CMOS工艺相兼容，具有工艺成熟且廉价的特点。并且，氮化硅材料在通信波段上不受双光子和自由载流子吸收效应的影响，具有最低阶非线性磁化率，与常规的硅波导相比，可以支持更大的光功率。氮化硅材料热光系数小，对温度依赖性低。并且，氮化硅材料折射率(n～2)比常规的硅材料的折射率(n～3.48)小，从而使得氮化硅的光损耗低。如果利用氮化硅材料制作亚波长光栅，能够实现与硅亚波长光栅同样的性能，但器件尺寸不需要做得很小，这减小了对工艺的需求。
在一些实施例中，端面耦合器中的第一波导层5由选自以下各项构成的组中的材料形成：硅、氮氧化硅、氮化硅、铌酸锂、聚合物和磷化铟。由上述材料形成的第一波导层能够与已有的半导体工艺、比如CMOS工艺相兼容，有助于降低工艺成本。
继续参考图1，在一些实施例中，端面耦合器100还可以包括填充层3。填充层3位于衬底1和间隔层6之间，并且位于第二波导层7下方。在第二波导层7和衬底1之间设置一定深度的填充层3，能够避免第二波导层7传输的光泄露进入衬底1中，从而提高光耦合光效率和稳定性。
在一些实施例中，填充层3可以由选自以下各项构成的组中的材料形成：氧化物、氮氧化物和聚合物。
继续参考图1，在一些实施例中，端面耦合器100还可以包括上包覆层9。上包覆层9位于第二波导层7上方，并覆盖第二波导层7。
示例性地，如图1所示，上包覆层9在X方向上的尺寸可以大于第二波导层7在X方向上的尺寸。示例性地，上包覆层9的材料可以是氧化物材料或热氧化物材料等。例如，可以选择氧化硅材料来形成上包覆层。上包覆层的厚度可以选择为满足光纤的模场分布的需求。
上包覆层9能够将第二波导层7覆盖。可以通过材料的选择，使得在第二波导层7中传输的光在第二波导层7和上包覆层9的界面上形成全反射，从而保证光能够在第二波导层7内传输。
继续参考图1，在一些实施例中，端面耦合器100还可以包括聚合物层4。聚合物层4将端面耦合器100连接至光纤10。添加聚合物层4有助于提高端面耦合器100的耦合效率。
示例性地，聚合物层4的材料可以选择为与形成绝缘层2的材料的折射率相近。根据一些实施例，聚合物层4可以采用光环氧树脂形成，比如光环氧聚酯。可以将用于形成聚合物层的材料填充在光纤10与端面耦合器100的边缘之间的空气间隙内，并对于填充后的材料进行固化，从而形成聚合物层4。
本公开的端面耦合器降低了对特种光纤的需求进而降低了工艺成本，例如，其可以用于与标准单模光纤耦合。可以理解的是，本公开的端面耦合器并不限于仅应用于标准单模光纤，通过改变参数，本公开的端面耦合器也可以对高数值孔径光纤或透镜光纤兼容。在一些实施例中，光纤10可以为高数值孔径光纤、透镜光纤或标准单模光纤。
例如，光纤10可以为标准单模光纤。与已有的端面耦合器不同，根据本公开示例性实施例的端面耦合器能够方便地实现与标准单模光纤的匹配，从而能够避免对匹配光纤的特殊需求。这有助于实现耦合效率高、耦合带宽大的端面耦合器，并降低工艺成本。
将理解的是，根据本公开示例性实施例的端面耦合器不仅能够用于匹配标准单模光纤，其也能够用于高数值控制光纤或透镜光纤。
下面将结合图2，对根据本公开示例性实施例的第二波导层的示意性结构进行说明。图2是根据本公开示例性实施例的第二波导层27的结构示意图。
如图2所示，在一些实施例中，第二波导层27包括亚波长光栅28和传输波导211，亚波长光栅28可以包括第一光栅部分201和第二光栅部分202。第一光栅部分201可以包括以第一光栅周期(又称，光栅常数)Λ1排布的多个第一光栅结构单元2011，多个第一光栅结构单元2011在靠近光纤210的方向(例如，X方向)上以及与靠近光纤210的方向垂直的方向(例如Y方向)上尺寸逐渐减小。第二光栅部分202可以包括以第二光栅周期Λ2排布的多个第二光栅结构单元2021以及连接至多个第二光栅结构单元2021的锥形单元2023。多个第二光栅结构单元2021的尺寸相同，并且锥形单元2023在与靠近光纤210的方向垂直的方向(例如，Y方向)上尺寸逐渐减小。例如，锥形单元2023的尖端朝向光纤。
通过改变光栅结构单元的尺寸和相应的占空比(光栅结构单元与光栅周期的比例)，能够调整亚波长光栅28的等效折射率，从而使光信号在沿着亚波长光栅28传输的过程中，能够由初始的大模场模斑逐渐转换为能够由传输波导211束缚的小模场模斑，从而实现光从光纤210至传输波导211的模斑转换。
在一些实施例中，如图2所示，多个第一光栅结构单元2011中最靠近光纤210的第一光栅结构单元的几何尺寸可以基于光纤210的模斑直径来确定。
为了更好地实现亚波长光栅28与光纤210之间的模斑匹配，可以基于光纤210输出的光的模斑的直径来设置多个第一光栅结构单元2011中最靠近光纤210的第一光栅结构单元的几何尺寸，从而提升亚波长光栅28与光纤210的匹配度。例如，可以通过本征模模拟的方法，计算出多个第一光栅结构单元2011中最靠近光纤210的第一光栅结构单元(即，亚波长光栅28的尖端)与光纤10实现最大模斑匹配时的参数，并基于此确定多个第一光栅结构单元2011中最靠近光纤210的第一光栅结构单元的几何尺寸。
在一些实施例中，多个第一光栅结构单元2011中最靠近光纤210的第一光栅结构单元的端面为正方形。将多个第一光栅结构单元2011中最靠近光纤210的第一光栅结构单元的端面设置为正方形，能够使亚波长光栅与例如标准单模光纤的光纤的端面实现更好地匹配。
在一些实施例中，第一光栅部分201的占空比可以在靠近光纤210的方向(例如X方向)上发生变化。
例如，如图2所示，假设第一光栅部分201的第一光栅周期(又称，光栅常数)为Λ1。第一光栅结构单元2011如图2中的黑色部分所示。第一光栅部分201的占空比(第一光栅结构单元2011与第一光栅周期Λ1的比例)沿着X方向发生了变化。示例性地，随着逐渐靠近光纤210，第一光栅部分201的占空比可以越来越小。通过这样的设置，能够使亚波长光栅28的等效折射率在远离光纤210的方向上越来越高，从而有助于将大模场模斑转换为小模场模斑。示例性地，亚波长光栅28的等效折射率的变化可以是线性变化的或者是非线性变化的。
亚波长光栅28的模斑转换效率与光纤的模场大小、亚波长光栅的材料以及结构相关。可以在选定光纤规格和亚波长光栅的材料后，通过时域有限差分法(FDTD)计算出满足耦合效率需求(例如，满足最佳耦合效率)时的亚波长光栅的结构参数，比如光栅结构单元的尺寸和相应的占空比。
在一些实施例中，第二光栅部分202的占空比可以保持不变。
在一些实施例中，第一光栅周期可以等于第二光栅周期。例如，图2中将第一光栅周期示出为Λ1，将第二光栅周期示出为Λ2。第一光栅周期Λ1可以与第二光栅周期Λ2相同。在另一些实施例中，第一光栅周期Λ1也可以与第二光栅周期Λ2不相同。通过灵活设置第一光栅周期与第二光栅周期之间的关系，可以实现对传输光的模斑的灵活控制。
为了直观地理解模斑的变化，下面将参考图3A至3B对第二波导层内的模斑转换的模拟结果进行说明。图3A至3B是根据本公开实施例的第二波导层中的模斑转换过程中电磁场分布模拟结果。
具体地，图3A至3B是利用时域有限元差分(FDTD)仿真得到的亚波长光栅的模斑转换分别在TE和TM模式下的电场分布图。其中，图3A为TE模式下的电场分布图，图3B为TM模式下的电场分布图。图3A的上半部分示出了亚波长光栅在x-y平面和x-z平面的电场分布图。可以看到，在TE模式下，光纤中的光信号被高效地导入到亚波长光栅中。图3A的下半部分是亚波长光栅在5个不同截面(y-z平面)下的模斑电场强度分布图，从中可以看到，将光纤中的大模场模斑的光成功转换为能够在传输波导中束缚的小模场模斑的光。图3B的上半部分示出了亚波长光栅在x-y平面和x-z平面的电场分布图。可以看到，在TM模式下，光纤中的光信号被高效地导入到亚波长光栅中。图3B下半部分是亚波长光栅在5个不同截面(y-z平面)下的模斑电场强度分布图，从中可以看到，将光纤中的大模场模斑的光成功转换为能够在传输波导中束缚的小模场模斑的光。
尽管前文分别以TE模和TM模为例进行了说明，但在一些实施例中，端面耦合器的偏振模式可以配置为支持以下各项构成的组中的一种：TE模；TM模；以及TE模与TM模两者。由此，能够使得端面耦合器适用于多种模式，增大耦合器的适用范围。
光纤中的光经过亚波长光栅的传播进入传输波导，并经过传输波导的至少一部分进入第一波导层。以下将结合图4说明光在传输波导和第一波导层之间的传输过程。图4是根据本公开示例性实施例的端面耦合器的部分结构的示意图。
在一些实施例中，如图4所示，端面耦合器中第二波导层的传输波导411的至少一部分包括锥形结构4111，并且第一波导层45的至少一部分包括锥形结构451。传输波导411的锥形结构4111在远离光纤的方向上渐缩，并且第一波导层45的锥形结构451在靠近光纤的方向上渐缩。图4还示出了端面耦合器的衬底41、绝缘层42、间隔层46以及上包覆层49。
传输波导411的锥形结构4111和第一波导层45的锥形结构451能够构成垂直耦合结构，该垂直耦合结构可以将传输波导411中的光信号高效地耦合进第一波导层45中。
在一些实施例中，传输波导的锥形结构和第一波导层的锥形结构可以为线性渐变的锥形结构、双曲线锥形结构或类抛物线锥形结构。
第二波导层的传输波导411和第一波导层45之间还可以设置有间隔层46。间隔层46的材料可以是氧化物材料、热氧化物材料或氮化物材料等。为了实现在第二波导层与第一波导层之间进行倏逝场耦合所需的耦合效率，可以在选定了间隔层的材料以及第一波导层与第二波导层的材料与结构之后，通过时域有限差分法(FDTD)计算出满足所需的耦合效率(例如，最佳耦合效率)时的间隔层厚度。
如图4所示，通过逐渐减小传输波导411的锥形结构4111的宽度，传输波导中所传输的光信号模斑会逐渐变大，从而能够通过倏逝场的模式与第一波导层45的锥形结构451发生耦合。耦合进入锥形结构451中的光由于锥形结构451的宽度的变化而逐渐转换为能够被第一波导层45束缚的模式，从而最终实现光纤至第一波导层45的高效光耦合。
示例性地，如图4的下半部分所示，传输波导411的锥形结构4111和第一波导层45的锥形结构451可以在x-y平面上对齐。例如，在X方向上，两个锥形结构的长度相同，在Y方向上，两个锥形结构重叠设置。
在一些实施例中，端面耦合器的工作波段可以为O波段、S波段、C波段或L波段。
在一些实施例中，端面耦合器的总长度可以基于端面耦合器与光纤之间的耦合效率来确定。例如，可以通过时域有限差分法(FDTD)，计算出满足所需耦合效率(例如，最大耦合效率)时的端面耦合器的总长度。
图5是根据本公开示例性实施例的端面耦合器的部分结构中的电磁场分布模拟结果。更具体而言，图5是利用本征模扩展(EME)法仿真得到的由传输波导的锥形结构和第一波导层的锥形结构形成的垂直耦合结构分别在TE和TM模式下在x-z平面中的电场强度分布图。从图5中可以看到，传输波导的锥形结构中的光通过倏逝场耦合至第一波导层的锥形结构中。
下面将结合图6对光传输的路径和方式做出进一步的说明。图6是根据本公开示例性实施例的端面耦合器的工作原理示意图。
示例性地，亚波长光栅根据不同的结构设计，可以分为三种不同的工作模式：第一种是布拉格光栅模式，用于选频输出；第二种是光栅耦合器模式，用于将光从芯片平面内散射到自由空间；第三种是低损耗波导模式。
示例性地，如图6所示的亚波长光栅68被设计成低损耗波导模式。光纤610中的光信号被耦合进亚波长光栅68。通过改变亚波长光栅68的光栅结构单元的尺寸和相应的占空比，可以调整亚波长光栅68的等效折射率，使得光信号在沿亚波长光栅68的传输过程中，能够由初始的大模场模斑逐渐转换为能够被传输波导611所束缚的小模场模斑，从而实现光从光纤610至传输波导611的模斑转换。通过逐渐减小传输波导611的锥形结构的宽度，传输波导611中所传输的光信号的模斑能够逐渐变大，从而通过倏逝场的模式与第一波导层65的锥形结构发生耦合。耦合进入第一波导层65中的光随着第一波导层65的锥形结构的宽度的变化，能够转换为由第一波导层65所束缚的模式，从而最终实现光纤610至第一波导层65的高效光耦合。示例性地，光纤610可以为标准单模光纤。此外，图6还示出了端面耦合器的衬底61、绝缘层62、填充层63、聚合物层64、间隔层66以及上包覆层69。
上述已经对于根据本公开示例性实施例的端面耦合器进行了说明。根据本公开的示例性实施例，还提供了一种半导体器件，该半导体器件可以包括上述端面耦合器。示例性地，半导体器件可以为通过硅光工艺制作的硅光器件。
虽然在附图和和前面的描述中已经详细地说明和描述了本公开，但是这样的说明和描述应当被认为是说明性的和示意性的，而非限制性的；本公开不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，能够理解和实现对于所公开的实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除未列出的其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个，并且术语“多个”是指两个或两个以上。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不表明这些措施的组合不能用来获益。
方面1.一种端面耦合器，包括：
衬底；
绝缘层，所述绝缘层位于所述衬底上；
第一波导层，所述第一波导层位于所述绝缘层上；
间隔层，所述间隔层位于所述第一波导层上；以及
第二波导层，所述第二波导层位于所述间隔层上并且包括亚波长光栅和传输波导，所述亚波长光栅用于将从光纤接收的光进行模斑转换，并且将经模斑转换的光传输至所述传输波导，
其中，所述传输波导的至少一部分在竖直方向上与所述第一波导层的至少一部分对准，从而将在所述传输波导中传输的光耦合至所述第一波导层中。
方面2.根据方面1所述的端面耦合器，其中，
所述传输波导的所述至少一部分包括锥形结构，并且所述第一波导层的所述至少一部分包括锥形结构，并且
其中，所述传输波导的所述锥形结构在远离所述光纤的方向上渐缩，并且所述第一波导层的所述锥形结构在靠近所述光纤的方向上渐缩。
方面3.根据方面2所述的端面耦合器，其中，
所述传输波导的锥形结构和所述第一波导层的锥形结构为线性渐变的锥形结构、双曲线锥形结构或类抛物线锥形结构。
方面4.根据方面1所述的端面耦合器，其中，
所述亚波长光栅包括第一光栅部分和第二光栅部分，
其中，所述第一光栅部分包括以第一光栅周期排布的多个第一光栅结构单元，所述多个第一光栅结构单元在靠近所述光纤的方向上以及与所述靠近所述光纤的方向垂直的方向上尺寸逐渐减小，并且
其中，所述第二光栅部分包括以第二光栅周期排布的多个第二光栅结构单元以及连接至所述多个第二光栅结构单元的锥形单元，所述多个第二光栅结构单元的尺寸相同，并且所述锥形单元在靠近所述光纤的方向上渐缩。
方面5.根据方面4所述的端面耦合器，其中，
所述多个第一光栅结构单元中最靠近所述光纤的第一光栅结构单元的几何尺寸基于所述光纤的模斑直径来确定。
方面6.根据方面4所述的端面耦合器，其中，
所述多个第一光栅结构单元中最靠近所述光纤的第一光栅结构单元的端面为正方形。
方面7.根据方面4所述的端面耦合器，其中，
所述第一光栅部分的占空比在靠近所述光纤的方向上发生变化。
方面8.根据方面4所述的端面耦合器，其中，
所述第二光栅部分的占空比保持不变。
方面9.根据方面4所述的端面耦合器，其中，
所述第一光栅周期等于所述第二光栅周期。
方面10.根据方面1所述的端面耦合器，其中，
所述第二波导层由氮化硅或氮氧化硅形成。
方面11.根据方面1所述的端面耦合器，其中
所述第一波导层由选自以下各项构成的组中的材料形成：硅、氮氧化硅、氮化硅、铌酸锂、聚合物和磷化铟。
方面12.根据方面1所述的端面耦合器，还包括：
填充层，所述填充层位于所述衬底和所述间隔层之间，并且位于所述第二波导层下方。
方面13.根据方面12所述的端面耦合器，其中，
所述填充层由选自以下各项构成的组中的材料形成：氧化物、氮氧化物和聚合物。
方面14.根据方面1所述的端面耦合器，还包括：
上包覆层，所述上包覆层位于所述第二波导层上方，并覆盖所述第二波导层。
方面15.根据方面1所述的端面耦合器，其中，
所述端面耦合器通过聚合物层连接至所述光纤。
方面16.根据方面1至15中任一项所述的端面耦合器，其中，
所述光纤为高数值孔径光纤、透镜光纤或标准单模光纤。
方面17.根据方面1至15中任一项所述的端面耦合器，其中，
所述端面耦合器的工作波段为O波段、S波段、C波段或L波段。
方面18.根据方面1至15中任一项所述的端面耦合器，其中，
所述端面耦合器的偏振模式配置为支持以下各项构成的组中的一种：
TE模；
TM模；以及
TE模与TM模两者。
方面19.根据方面1至15中任一项所述的端面耦合器，其中，
所述端面耦合器的总长度基于所述端面耦合器与所述光纤之间的耦合效率来确定。
方面20.一种半导体器件，包括：
如方面1至19中任一项所述的端面耦合器。
Claims (19)
1.一种端面耦合器，包括：
衬底，所述衬底在靠近光纤的一端包括凹槽；
绝缘层，所述绝缘层位于所述衬底上；
第一波导层，所述第一波导层位于所述绝缘层上；
间隔层，所述间隔层位于所述第一波导层上；
第二波导层，所述第二波导层位于所述间隔层上并且包括亚波长光栅和传输波导，所述亚波长光栅用于将从所述光纤接收的光进行模斑转换，并且将经模斑转换的光传输至所述传输波导；以及
填充层，所述填充层位于所述衬底的凹槽和所述间隔层之间，并且位于所述第二波导层下方，
其中，所述传输波导的至少一部分在竖直方向上与所述第一波导层的至少一部分对准，从而将在所述传输波导中传输的光耦合至所述第一波导层中；并且
其中，所述亚波长光栅包括第一光栅部分，所述第一光栅部分包括以相同的第一光栅周期排布的多个第一光栅结构单元，所述多个第一光栅结构单元在靠近所述光纤的方向上以及与所述靠近所述光纤的方向垂直的方向上尺寸逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的端面耦合器，其中，
所述传输波导的所述至少一部分包括锥形结构，并且所述第一波导层的所述至少一部分包括锥形结构，并且
其中，所述传输波导的所述锥形结构在远离所述光纤的方向上渐缩，并且所述第一波导层的所述锥形结构在靠近所述光纤的方向上渐缩。
3.根据权利要求2所述的端面耦合器，其中，
所述传输波导的锥形结构和所述第一波导层的锥形结构为线性渐变的锥形结构、双曲线锥形结构或类抛物线锥形结构。
4.根据权利要求1所述的端面耦合器，其中，
所述亚波长光栅还包括第二光栅部分，
其中，所述第二光栅部分包括以第二光栅周期排布的多个第二光栅结构单元以及连接至所述多个第二光栅结构单元的锥形单元，所述多个第二光栅结构单元的尺寸相同，并且所述锥形单元在靠近所述光纤的方向上渐缩。
5.根据权利要求4所述的端面耦合器，其中，
所述多个第一光栅结构单元中最靠近所述光纤的第一光栅结构单元的几何尺寸基于所述光纤的模斑直径来确定。
6.根据权利要求4所述的端面耦合器，其中，
所述多个第一光栅结构单元中最靠近所述光纤的第一光栅结构单元的端面为正方形。
7.根据权利要求4所述的端面耦合器，其中，
所述第一光栅部分的占空比在靠近所述光纤的方向上发生变化。
8.根据权利要求4所述的端面耦合器，其中，
所述第二光栅部分的占空比保持不变。
9.根据权利要求4所述的端面耦合器，其中，
所述第一光栅周期等于所述第二光栅周期。
10.根据权利要求1所述的端面耦合器，其中，
所述第二波导层由氮化硅或氮氧化硅形成。
11.根据权利要求1所述的端面耦合器，其中
所述第一波导层由选自以下各项构成的组中的材料形成：硅、氮氧化硅、氮化硅、铌酸锂、聚合物和磷化铟。
12.根据权利要求1所述的端面耦合器，其中，
所述填充层由选自以下各项构成的组中的材料形成：氧化物、氮氧化物和聚合物。
13.根据权利要求1所述的端面耦合器，还包括：
上包覆层，所述上包覆层位于所述第二波导层上方，并覆盖所述第二波导层。
14.根据权利要求1所述的端面耦合器，其中，
所述端面耦合器通过聚合物层连接至所述光纤。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的端面耦合器，其中，
所述光纤为高数值孔径光纤、透镜光纤或标准单模光纤。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的端面耦合器，其中，
所述端面耦合器的工作波段为O波段、S波段、C波段或L波段。
17.根据权利要求1至14中任一项所述的端面耦合器，其中，
所述端面耦合器的偏振模式配置为支持以下各项构成的组中的一种：
TE模；
TM模；以及
TE模与TM模两者。
18.根据权利要求1至14中任一项所述的端面耦合器，其中，
所述端面耦合器的总长度基于所述端面耦合器与所述光纤之间的耦合效率来确定。
19.一种半导体器件，包括：
如权利要求1至18中任一项所述的端面耦合器。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011189427.2A CN112255727B (zh) | 2020-10-30 | 2020-10-30 | 端面耦合器和半导体器件 |
| PCT/CN2020/126999 WO2022088228A1 (zh) | 2020-10-30 | 2020-11-06 | 端面耦合器和半导体器件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011189427.2A CN112255727B (zh) | 2020-10-30 | 2020-10-30 | 端面耦合器和半导体器件 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112255727A CN112255727A (zh) | 2021-01-22 |
| CN112255727B true CN112255727B (zh) | 2024-03-12 |
Family
ID=74269048
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011189427.2A Active CN112255727B (zh) | 2020-10-30 | 2020-10-30 | 端面耦合器和半导体器件 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112255727B (zh) |
| WO (1) | WO2022088228A1 (zh) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11531164B2 (en) * | 2021-02-08 | 2022-12-20 | Globalfoundries U.S. Inc. | Hybrid edge couplers with layers in multiple levels |
| CN113126204A (zh) * | 2021-04-13 | 2021-07-16 | 中山大学 | 一种可见光波段薄膜铌酸锂光栅耦合器及其制备方法 |
| CN118140166A (zh) * | 2021-11-04 | 2024-06-04 | 华为技术有限公司 | 端面耦合器及光通信装置 |
| CN114594548B (zh) * | 2022-03-24 | 2023-03-28 | 上海交通大学 | 氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器 |
| CN115144965A (zh) * | 2022-07-29 | 2022-10-04 | 北京航空航天大学 | 一种铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器及其制备方法 |
| CN116661060B (zh) * | 2023-07-28 | 2023-10-31 | 中天通信技术有限公司 | 端面耦合器及光模块 |
| CN116840987B (zh) * | 2023-08-30 | 2023-12-12 | 深圳市速腾聚创科技有限公司 | 光芯片、激光雷达及可移动设备 |
| CN116840972B (zh) * | 2023-08-30 | 2023-12-12 | 深圳市速腾聚创科技有限公司 | 光芯片、激光雷达及可移动设备 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102656494A (zh) * | 2009-12-17 | 2012-09-05 | 阿尔卡特朗讯 | 具有波导光栅耦合器的光子集成电路 |
| CN107290824A (zh) * | 2016-04-13 | 2017-10-24 | 华为技术有限公司 | 波导结构及制备方法 |
| CN109343176A (zh) * | 2018-11-08 | 2019-02-15 | 武汉光迅科技股份有限公司 | 一种偏振转换器以及相应的混频器 |
| CN110320603A (zh) * | 2018-03-28 | 2019-10-11 | 上海交通大学 | 基于亚波长光栅结构的片上模式复用/解复用方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3008494B1 (fr) * | 2013-07-15 | 2015-09-04 | Commissariat Energie Atomique | Coupleur optique muni d'un reseau |
-
2020
- 2020-10-30 CN CN202011189427.2A patent/CN112255727B/zh active Active
- 2020-11-06 WO PCT/CN2020/126999 patent/WO2022088228A1/zh active Application Filing
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102656494A (zh) * | 2009-12-17 | 2012-09-05 | 阿尔卡特朗讯 | 具有波导光栅耦合器的光子集成电路 |
| CN107290824A (zh) * | 2016-04-13 | 2017-10-24 | 华为技术有限公司 | 波导结构及制备方法 |
| CN110320603A (zh) * | 2018-03-28 | 2019-10-11 | 上海交通大学 | 基于亚波长光栅结构的片上模式复用/解复用方法 |
| CN109343176A (zh) * | 2018-11-08 | 2019-02-15 | 武汉光迅科技股份有限公司 | 一种偏振转换器以及相应的混频器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022088228A1 (zh) | 2022-05-05 |
| CN112255727A (zh) | 2021-01-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112255727B (zh) | 端面耦合器和半导体器件 | |
| CN108885307B (zh) | 用于光子芯片的具有可控模场的光学边缘耦合器 | |
| Li et al. | Silica-based optical integrated circuits | |
| US5515464A (en) | Optical fiber interconnections using self-aligned core-extensions | |
| US20080193079A1 (en) | Interface Device For Performing Mode Transformation in Optical Waveguides | |
| CN105759357A (zh) | 一种基于槽式波导的紧凑式模阶数转换器 | |
| Mahmoud et al. | Lithium niobate on insulator (LNOI) grating couplers | |
| CN114384632B (zh) | 一种基于阵列波导光栅和波导型探测器的模斑转换器 | |
| KR100189855B1 (ko) | 모드 진화 광커플러 및 그 제조방법 | |
| Garcia-Rodriguez et al. | Bimodal grating coupler design on SOI technology for mode division multiplexing at 1550 nm | |
| CN112596155B (zh) | 一种基于lnoi材料的低插入损耗端面耦合器 | |
| Li et al. | Silicon optical bench waveguide technology | |
| Ong et al. | High positional freedom SOI subwavelength grating coupler (SWG) for 300 mm foundry fabrication | |
| CN111273404B (zh) | 一种两模端面耦合器 | |
| US20210109289A1 (en) | Flexible waveguide having an asymmetric optical-loss performance curve and improved worst-case optical-loss performance | |
| JP2004157530A (ja) | 光モジュール | |
| JP7401823B2 (ja) | 光導波路部品およびその製造方法 | |
| Moura et al. | Design and optimization of subwavelength silicon photonics edge coupler for cleaved fibers | |
| CN105829935A (zh) | 起偏器及偏振调制系统 | |
| CN115079341A (zh) | 一种波导器件 | |
| CN115576100A (zh) | 一种基于逆向设计的片上模式转换器的设计方法 | |
| KR100243315B1 (ko) | 다중모드 광커플러 | |
| CN112596254A (zh) | 基于光子晶体的紧凑型偏振分束器 | |
| JP2728421B2 (ja) | 光導波路 | |
| Galán | Addressing fiber-to-chip coupling issues in silicon photonics |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |