光纖耦合器陣列的制作方法
【專利說明】
[0001] 對相關申請的交叉引用 本申請要求于2013年12月13日提交的美國臨時申請號61/736, 768的優先權，其通 過引用整體并入本文中。
技術領域
[0002] 本申請涉及用于光學集成電路的波導輸入和輸出耦合器。
【背景技術】
[0003] 波導輸入和輸出耦合器一直是光學集成電路設計中的重要問題。已經提出或論證 用于克服光纖與芯片上的波導之間的低耦合效率的各種耦合方案。基于以其將光耦合入波 導或離開波導的方向，這些方案分成下述兩個類別中的一個：垂直耦合(平面外）和橫向耦 合(平面內）。
[0004] 垂直耦合典型地用并入波導層以提供單模光纖（SMF)與波導中的光學模式之間的 轉換的衍射光柵來完成。垂直耦合方案典型地需要光纖被定位成與晶片處于某一角度。多 個光纖I/O是可能的。缺點是該方法的衍射性質取決于僅對有限的波長范圍可應用的干涉 測量行為，并且因此可能不適于大光譜帶寬的光學耦合。它也具有強的偏振依賴性。
[0005] 在橫向親合中，在橫向方向上將光親合入波導的暴露橫截面以及親合離開它，并 且這一直在對接耦合配置中被報導。典型地，對于光纖與波導之間的模式轉換需要透鏡或 斑點大小轉換器（SSC)。已經論證波導與光纖陣列的多信道耦合。雖然橫向耦合具有弱的偏 振依賴性并且對輸入帶寬不敏感，但是它對光纖的垂直和橫向對準提出嚴格的要求。而且， SSC設計需要對臨界尺寸的極好控制，并且對于納米波導而言經常需要有透鏡的光纖或特 殊光纖(特別在針對短波長來實施時)，這增加了成本并且使集成電路的制作和封裝復雜。
【發明內容】
[0006] -種光纖耦合器陣列組件包含：每個具有波導纖芯的多個光纖波導；光子集成電 路（1C)，包含對應于多個光纖波導的多個平面內波導結構；以及接合到光子1C的襯底。該 襯底包含多個凹槽，所述多個凹槽支撐光纖波導。襯底和光子1C均能夠具有金屬凸塊接合 部，所述金屬凸塊接合部協作以在襯底與光子1C之間提供機械接合和電連接。
[0007] 由襯底的凹槽支撐的光纖波導的部分能夠限定與光纖波導的波導纖芯隔開的對 應的多個平坦表面，并且光子1C能夠包含多個無源波導結構，該多個無源波導結構對應于 光子1C的多個平面內波導結構和多個光纖波導兩者。每個無源波導結構能夠包含對接到 對應光纖波導的平坦表面的第一耦合截面和對接到光子1C的對應平面內波導結構的第 二耦合截面。第一耦合截面能夠被配置成提供進入對應光纖波導的光學信號的漸逝耦合 (evanescentcoupling)或來自對應光纖波導的光學信號的漸逝親合，并且第二親合截面 能夠被配置成提供光子1C的對應平面內波導結構與第一耦合截面之間的光學信號的絕熱 斑點大小轉換。
[0008] 在一個實施例中，從具有第一折射率的材料實現光纖波導的波導纖芯，并且從具 有匹配第一折射率的第二折射率的材料實現光子1C的無源波導結構的第一耦合截面和第 二耦合截面。
[0009] 在另一個實施例中，從二氧化硅實現光纖波導的波導纖芯，并且也從二氧化硅實 現光子1C的無源波導結構的第一耦合截面和第二耦合截面。
[0010] 在又一個實施例中，每個相應的無源波導結構的第一耦合截面具有正方形橫截 面，該正方形橫截面的大小對應于對應光纖波導的光學模式的大小。
[0011] 在再一個實施例中，每個相應的無源波導結構的第二耦合截面限定沿著第二耦合 截面的長度彼此垂直地重疊的多個不同層，其中每層具有在寬度上橫向地逐漸減少的相對 側壁。在一個示范性配置中，第二耦合截面包含沿著第二耦合截面的長度延伸的底層、中間 層和頂層，其中頂層具有對應于第一耦合截面的高度的高度以及從寬度1橫向地逐漸減少 到寬度I的相對側壁，該寬度W:對應于第一耦合截面的寬度，其中第二層具有延伸超過頂 層的部分，該部分具有相鄰對應的平面內波導結構的從寬度WM橫向地逐漸減少到寬度1的 相對側壁，其中第三層具有延伸超過頂層的部分，該部分具有從寬度WM橫向地逐漸減少到 寬度WD的相對側，并且其中w2〈I〈WM〈I以及W。〈WM。
[0012] 能夠用Ill-v族材料的材料系統來實現光子1C。光子1C也能夠從外延層結構來 實現，該外延層結構包含與P型調制摻雜量子阱界面垂直地偏移的n型調制摻雜量子阱界 面。
【附圖說明】
[0013] 圖1是依據本申請的光纖耦合器陣列的示意性分解視圖。
[0014] 圖2是圖1的光纖耦合器陣列的晶片部分的示意性部分等距視圖。
[0015] 圖3是光子集成電路的無源半導體波導（PG)與由圖1的光纖耦合器陣列的晶片 支撐的單模光纖（SMF)的平坦表面之間的界面的示意性橫截面視圖。
[0016] 圖4是示出作為沿著光子集成電路的半導體波導（PG)的漸逝耦合引導截面的長 度的傳播距離的函數的、圖1和3中的光子集成電路的半導體波導（PG)的漸逝耦合引導截 面中的光學信號的功率和SMF中的光學信號的功率的繪圖。
[0017]圖5A是作為圖1的光子集成電路的部分的脊波導的示范性配置的示意性橫截面 視圖。
[0018] 圖5B是圖5A的示范性脊波導的基本（TE)模式的輪廓的繪圖。
[0019] 圖6是圖1和圖3的光子集成電路的脊波導和無源半導體波導（PG)的示范性配 置的示意性等距視圖。
[0020] 圖7是示出由圖6的示范性配置的模擬產生的半導體波導（PG)的漸逝耦合引導 截面和脊波導之間的光學信號的傳遞的繪圖。
[0021] 圖8是圖6的示范性配置中的脊波導和半導體波導（PG)的斑點大小轉換器截面 之間的示范性界面的示意性圖解。
[0022] 圖9是示出作為圖1的3的光子集成電路的半導體波導（PG)的漸逝耦合引導截 面與SMF的大體上平坦的表面之間的間隔G的函數的、圖1的光纖耦合器陣列的示范性傳 遞效率的繪圖。
[0023] 圖10A是描繪針對圖6的示范性配置的斑點大小轉換器的層的未對準的示意性視 圖。
[0024] 圖10B是示出針對以下三種情況作為沿著斑點大小轉換器截面的長度的傳播距 離的函數的、針對圖6的示范性配置的斑點大小轉換器部分中的光學信號的功率的繪圖： 斑點大小轉換器截面的第一和第二層沒有未對準，在斑點大小轉換器截面的第一層處未對 準，以及在斑點大小轉換器截面的第二層處未對準。
【具體實施方式】
[0025] 圖1圖解依據本申請的光纖耦合器陣列100。耦合器陣列100包含兩部分：晶 片101，機械地支撐多個單模光纖（SMF) 103 ;以及具有有源電光部件的光子集成電路（1C) 105,該有源電光部件可操作地耦合到由晶片101支撐的SMF103。SMF103能夠延伸超過 晶片101的外圍用于連接到如所需要的其它網絡部件。光子1C105被配置成倒轉配置(其 中襯底107向上)，其中芯片上無源半導體波導（PG)109是其頂表面111 (與襯底107相對） 的組成部分。每個PG109被配置使得其與對應SMF103緊密接觸，在該對應SMF103中光 纖橫截面已經被合適地修改以提供SMF103與PG109之間的漸逝波耦合。如在圖3和6 中最佳示出的，每個PG109包含漸逝耦合引導（ECG)截面113和斑點大小轉換器（SSC)截 面115。ECG截面113對接到SMF103并且提供到SMF103的漸逝波耦合。SSC截面115對 接到是光子1C105的頂表面111的組成部分的脊波導117,并且提供脊波導117與漸逝耦 合引導（ECG)截面113之