光电集成芯片、具有光电集成芯片的光学部件和用于生产该光电集成芯片的方法技术

本发明专利技术涉及光电集成芯片(2)，芯片具有基板(20)、布置在基板上侧(21)的多个材料层、集成在芯片的一个或多个波导材料层中的光波导和光栅耦合器(60)，光栅耦合器形成在光波导中并在波导材料层的出层平面方向上引起波导中引导的辐射的光束偏转或在波导材料层的入层平面方向上使辐射的光束偏转以耦合到波导中。对于芯片，本发明专利技术设置光学衍射和折射结构(100、100a)，光学衍射和折射结构集成在光栅耦合器(60)上方或下方的芯片(2)的材料层中，或者集成在光栅耦合器(60)上方或下方的多个材料层中，或者集成在基板(20)的后侧，衍射和折射结构在辐射被耦合入波导中之前或辐射被耦合出波导外之后执行辐射的光束整形。

Photoelectric integrated chip, optical component with photoelectric integrated chip and method for producing the photoelectric integrated chip

The invention relates to a photoelectric integrated chip, the chip has a substrate (2) (20), arranged on the substrate side (21) of the plurality of material layer, integrated optical waveguide and grating coupler chip in one or more of the waveguide material layer (60) formed in the optical waveguide, grating coupler and waveguide material a layer of layer on the plane direction caused by beam deflection radiation guided waveguide or in the waveguide material layer in plane direction of the beam deflection radiation by coupling into the waveguide. For the chip, the invention is provided with optical diffraction and refraction structure (100, 100a), the optical diffraction and refraction structure in integrated grating coupler (60) above or below the chip (2) layer of material, or integrated in the grating coupler (60) multiple layer above or below, or integrated in the substrate (20) the rear side of the diffraction and refraction structure is coupled into the waveguide coupled waveguide radiation before or after the implementation of external radiation in the radiation beam shaping.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光电集成芯片、具有光电集成芯片的光学部件和用于生产该光电集成芯片的方法
本专利技术涉及光电集成芯片、具有这种芯片的光学元件和用于生产这种芯片的方法。将术语“光电集成芯片”理解为具有基板和位于(如生长在或者沉积在)所述基板上的材料层的集成芯片，并且在该集成芯片中，一个或者多个光电部件(如波导、耦合器等)集成在材料层中的一个或者多个材料层中。
技术介绍
当开发光学部件时，特别是当开发集成光学部件时，常常出现必须将光从一个部件传输至另一个部件的问题，例如，把光从激光器传输到芯片上的波导或者把光从芯片传输到纤维。在这种情况下，一方面，基本上能够将这两个部件相邻放置并且把光水平地耦合在波导的平面中，也称为对接耦合。另一方面，可以把部件彼此重叠放置，以便相对于波导的平面垂直地或者几乎垂直地传输光。在后一种变型中，通常经由光栅耦合器使相对于表面法线以较小的角度射到波导的光偏转到波导中，并且在波导中对光进行进一步引导。当把非常发散或者会聚的辐射垂直地耦合在波导中时，当前方法会造成巨大的损失，因为常用的光栅耦合器只有有限的接受角。在将波导外的光耦合到其它光学部件中时这些其它光学部件也具有接受角，这些其它光学部件例如为纤维(例如，玻璃纤维或者聚合物纤维)。从接受角外入射的辐射部分不被耦合到波导或者纤维中，例如，损失了这些部分。这些损失越大，入射光越发散或者越会聚。由于光束的发散性，如果目标耦合元件的孔径不足，则耦合损失可能会随着耦合元件之间的距离的增大而增加。技术术语中还被称为元件的“后段制程”的光学元件的上部材料层具有5个金属层，例如，其厚度约为20μm。在发散光束传播通过该距离期间，其光束直径显著增加。在光源非常发散或者会聚的情况下，现在通常将纤维插入在光源与波导的光栅耦合器之间。首先，将光耦合到纤维中，并且在另一个纤维端处耦合到纤维外，并且经由光栅耦合器耦合到波导中。这与较好的制造工作、附加部件和在纤维的出入口处的耦合损失相关联[1]。另一种方法是使用例如透镜的微光学器件，以作为单独的部件，将该单独的部件紧固在光栅耦合器上方的元件(在集成元件的情况下，在下面的技术术语中还简称为“芯片”)上并且旨在对垂直入射的光进行准直和聚焦。这种方法还需要大量的制造工作和附加部件(例如，注塑成型或者玻璃微透镜)、制造步骤和相关容差、以及较差的可扩展性[2]。另一种方法是使用蚀刻到激光器的出射面中的透镜，以便在出射光从激光器出射之前对其进行准直或者聚焦[3]。从出版物“Apolarization-diversitywavelengthduplexercircuitinsilicon-on-insulatorphotonicwires”(WimBogaerts,DirkTaillaert,PieterDumon,DriesVanThourhout,RoelBaets；February19,2007/Vol.15,no.4/OPTICSEXPRESS1567)中可以了解具有根据专利权利要求1的前序部分的特征的光电集成芯片。
技术实现思路
从最后提到的现有技术开始，本专利技术是基于容易地改进可以在芯片中实现的耦合效率的目的。根据本专利技术，通过具有根据专利权利要求1的特征的光电集成芯片来实现这个目的。在从属权利要求中陈述了根据本专利技术的芯片的有利配置。据此，本专利技术提供了一种光学衍射和折射结构，该光学衍射和折射结构待集成在光栅耦合器上方或下方的芯片的材料层中，或者集成在光栅耦合器上方或下方的多个材料层中，或者集成在基板的后侧，该衍射和折射结构在辐射被耦合入波导中之前或者辐射被耦合出波导外之后，执行该辐射的光束整形。由于根据本专利技术提供的衍射和折射结构，可以将入射光的波前转换成出射光的任何期望的波前。如果根据离散透镜或者Fresnel透镜的原理来实施衍射和折射结构，则本专利技术能够，例如，对入射光进行准直和聚焦。这能够，例如，将入射光的光束发散性降低到如下程度：整个光束在光栅耦合器的接受角度内传播并且可以在损失极低的情况下耦合到波导中。另外，衍射和折射结构还意味着入射光的直径适用于光栅耦合器的孔径，从而使不射到光栅耦合器的光束部分造成的损失最小化。在这种情况下，入射光可以来自，例如，纤维(例如，玻璃纤维或者聚合物纤维)、另一光电集成芯片、以及直接来自于激光器(例如，HCSEL、VCSEL)。此外，能够经由衍射和折射结构将在芯片的上部材料层(所谓的“后段制程”)外的光耦合到第二光学部件中，第二光学部件例如为纤维、另一光电集成芯片、光电探测器或者微光学器件。为此，可以适配衍射和折射结构，使得实现出射光的光束发散，从而将其最高效地耦合到目标部件中。另一较大的优点是制造公差极低，因此，与使用单独部件的常规方法相比，衍射和折射结构相对于光栅耦合器的对准精确。原因是，例如，通过使用光刻生产方法来生产衍射和折射结构，由于使用了光刻对准方法而不是对单个部件进行机械定位和粘接，所以精确度和定位精度非常高。可以使用绝缘体上硅(SOI)基板，例如，作为用于生产光电集成芯片的材料系统。在根据本专利技术的芯片中，有利的是不需要任何分开的具有关联封装能力的部件。另外，可以将待耦合的部件彼此靠近地放置，从而能够降低散射损失并且减少耦合结构的孔径。集成式生成实现了相当良好的可扩展性，例如，当生产光电集成芯片上的多个耦合器时。在这种情况下，不再需要重复地对附加的单个部件进行定位和粘合。如果光学衍射和折射结构形成透镜、分束器或者偏振分离器，则将被视为特别有利。优选地在光栅耦合器上方或下方的芯片的一个或者多个材料层中以台阶形成光学衍射和折射结构，或者光学衍射和折射结构至少还包括这种台阶。波导优选的是脊形波导，该脊形波导包括在芯片的波导材料层中形成的脊。在这种配置中，将光学衍射和折射结构优选地集成在脊上方或下方的芯片的一个或者多个层中。芯片的基板优选的是半导体材料，例如硅。芯片特别优选地基于绝缘体上硅(SOI)材料。在这种材料系统的情况下，如果脊形波导形成在SOI材料的硅覆盖层中，并且光学衍射和折射结构集成在该硅覆盖层上方的芯片的一个或者多个层中，则将被视为有利。光栅耦合器可以是一维或者二维光栅耦合器。光栅耦合器优选的是Bragg光栅或者还优选地至少包括这种Bragg光栅。衍射和折射结构优选的是二维的并且优选地处于与波导材料层平行的平面中。对于最佳耦合效率，如果衍射和折射结构在两个维度上与位置相关，具体地是沿着所述波导的纵向的维度与位置相关，以及沿着与该维度垂直的维度即垂直于所述波导的纵向的维度与位置相关，这被视为特别有利。衍射和折射结构优选地形成二维Fresnel透镜。波导优选的是具有脊的SOI脊形波导，该脊形成在二氧化硅层上的SOI材料的波导硅层中，并且该脊的纵向沿着在该SOI脊形波导中引导的辐射的传播方向延伸。对于最佳耦合效率，如果衍射和折射结构是二维的并且处于与波导硅层平行的平面中，其中衍射和折射结构在两个维度上与位置相关，具体地是沿着所述SOI波导的脊的纵向的维度与位置相关，以及沿着与该维度垂直的维度即垂直于所述SOI波导的脊的纵向的维度与位置相关，这被视为特别有利。网优选地位于脊的旁边，该网的层高低于脊的层高。可替代的但同样优选的，配置提供了已经从脊的旁边移除了至少部分波导硅层。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电集成芯片(2)，所述光电集成芯片具有：基板(20)；多个材料层，所述多个材料层布置在所述基板(20)的上侧(21)；光波导，所述光波导集成在所述芯片(2)的一个或多个波导材料层中；以及光栅耦合器(60)，所述光栅耦合器形成在所述光波导中，并且在所述波导材料层的出层平面方向上引起在所述波导中引导的辐射的光束偏转，或者在所述波导材料层的入层平面方向上使辐射的光束偏转以耦合到所述波导中；其特征在于：光学衍射和折射结构(100、100a)被集成在所述光栅耦合器(60)上方或下方的所述芯片(2)的材料层中，或者集成在所述光栅耦合器(60)上方或下方的多个材料层中，或者集成在所述基板(20)的后侧，并且在所述辐射被耦合入所述波导中之前或者所述辐射被耦合出所述波导外之后执行所述辐射的光束整形。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.29 DE 102014219663.91.一种光电集成芯片(2)，所述光电集成芯片具有：基板(20)；多个材料层，所述多个材料层布置在所述基板(20)的上侧(21)；光波导，所述光波导集成在所述芯片(2)的一个或多个波导材料层中；以及光栅耦合器(60)，所述光栅耦合器形成在所述光波导中，并且在所述波导材料层的出层平面方向上引起在所述波导中引导的辐射的光束偏转，或者在所述波导材料层的入层平面方向上使辐射的光束偏转以耦合到所述波导中；其特征在于：光学衍射和折射结构(100、100a)被集成在所述光栅耦合器(60)上方或下方的所述芯片(2)的材料层中，或者集成在所述光栅耦合器(60)上方或下方的多个材料层中，或者集成在所述基板(20)的后侧，并且在所述辐射被耦合入所述波导中之前或者所述辐射被耦合出所述波导外之后执行所述辐射的光束整形。2.根据权利要求1所述的光电集成芯片(2)，其特征在于：所述光学衍射和折射结构(100、100a)形成透镜、分束器或者偏振分离器。3.根据前述权利要求中的任一项所述的光电集成芯片(2)，其特征在于：所述光学衍射和折射结构(100、100a)利用在所述光栅耦合器(60)上方或者下方的所述芯片(2)的一个或多个材料层中的台阶形成，或者所述光学衍射和折射结构(100、100a)至少还包括这样的台阶。4.根据前述权利要求中的任一项所述的光电集成芯片(2)，其特征在于：所述波导是脊形波导(50)，所述脊形波导包括在所述芯片(2)的波导材料层中形成的脊，以及所述光学衍射和折射结构(100、100a)被集成在所述脊上方或者下方的所述芯片(2)的一个或多个层中。5.根据前述权利要求中的任一项所述的光电集成芯片(2)，其特征在于：所述脊形波导(50)被形成在SOI材料的硅覆盖层中，以及所述光学衍射和折射结构(100、100a)被集成在所述硅覆盖层上方的所述芯片(2)的一个或多个层中。6.根据前述权利要求中的任一项所述的光电集成芯片(2)，其特征在于：所述衍射和折射结构(100)是二维的并且处于与所述波导材料层(40)平行的平面中，以及所述衍射和折射结构(100)在两个维度上与位置相关，具体是：沿着所述波导的纵向的维度与位置相关；以及沿着与该维度垂直的维度即垂直于所述波导的纵向的维度与位置相关。7.根据前述权利要求中的任一项所述的光电集成芯片(2)，其特征在于：所述衍射和折射结构(100)形成二维Fresnel透镜。8.根据前述权利要求中的任一项所述的光电集成芯片(2)，其特征在于：所述波导是具有脊(51)的SOI脊形波导(50)，所述脊(51)形成在二氧化硅层(30)上的SOI材料的波导硅层(40)中，并且所述脊(51)的纵向沿着在所述SOI脊形波导中引导的辐射的传播方向延伸，以及所述衍射和折射结构(100)是二维的并且处于与所述波导硅层(40)平行的平面中，所述衍射和折射结构(100)在两个维度上与位置相关，具体是：沿着所述SOI波导的脊的纵向的维度与...

【专利技术属性】
技术研发人员：汉乔·里，马文·亨尼格斯，斯特凡·梅斯特，克里斯托夫·泰斯，大卫·塞利克，大卫·斯托拉雷克，拉尔斯·齐默尔曼，哈拉尔德·H·里希特，
申请(专利权)人：柏林工业大学，斯科雅有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE