光学波导光栅耦合器制造技术

本发明专利技术涉及一种包含结晶无机半导体衬底(110)的设备(100)。平面光学波导核心(120)位于所述衬底上方以使得所述平面光学波导核心的第一长度直接在所述衬底上。光学散射结构(130)的规则阵列位于所述平面光学波导核心的第二长度内。腔(160)位于所述衬底中所述规则阵列与所述衬底之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请案一般来说涉及光学装置，且更具体来说涉及ー种光学耦合器。
技术介绍
ー些光学装置利用形成于衬底上的平面波导，例如绝缘体上硅(SOI)或InP上的InGaAsP。通常，必需将所述平面波导耦合到光纤波导以将光学信号传输到所述平面波导或从所述平面波导传输光学信号。
技术实现思路
ー个方面提供ー种包含结晶无机半导体衬底的设备。平面光学波导核心位于所述 衬底上方以使得所述平面光学波导核心的第一长度直接在所述衬底上。光学散射结构的规则阵列位于所述平面光学波导核心的第二长度内。腔位于所述衬底中所述规则阵列与所述衬底之间。另ー方面提供ー种方法。所述方法包含提供具有位于其上方的平面光学波导核心的半导体衬底。光学散射结构的规则阵列位于所述平面光学波导核心内。移除所述衬底的一部分以形成位于所述规则阵列与所述衬底的剰余部分之间的腔。又一方面提供ー种方法。所述方法包含提供结晶半导体衬底，所述结晶半导体衬底具有位于其上方的平面波导、位于平面光学波导核心内的光学散射结构的规则阵列及位于所述衬底与所述规则阵列之间的间隙。光纤波导经定位以照射所述规则阵列，以便将来自所述光纤波导的光耦合到所述平面波导。附图说明现在结合附图參考以下说明，其中图IA及图IB图解说明设备的实施例，所述设备包含经配置以将光纤光学波导介接到平面光学波导的光学散射元件的规则阵列；图2图解说明可用于(例如)图IA的设备中的光栅耦合器的实施例，所述光栅耦合器包含光学散射元件的规则阵列；图3A及图3B图解说明光学系统的实施例，所述光学系统包含光栅耦合器(例如(举例来说)图2的光栅耦合器)，所述光栅耦合器经配置以将来自光纤光学波导的光学信号耦合到平面光学波导(图3A)或将来自平面光学波导的光学信号耦合到光纤光学波导(图 3B);图4图解说明光学系统的实施例，所述光学系统包含光栅耦合器(例如(举例来说)图5A的光栅耦合器)，所述光栅耦合器经配置以将光学信号的偏振模式分离；图5A及5B图解说明光栅耦合器的实施例，所述光栅耦合器包含平面光学波导及经配置以将光学信号的偏振模式分离的光栅元件的规则阵列；图6A及6B图解说明制造与图2的光栅耦合器一致的光栅耦合器的方法的实施例；图7A到7L图解说明实施图6A的方法的方法的实施例；图8A及SB呈现与图2的光栅耦合器一致且通过与(例如)由图7A到7L所描述的方法一致的方法形成的光栅耦合器的实施例的显微图；及图9图解说明制造与图的设备一致的设备的方法的实施例。具体实施例方式平面光学波导通常在波导核心与波导包覆层之间具有相对高的折射率对比度。此些波导可传播具有低于ー微米的模式宽度的单模式光学信号且因此可具有类似大小的宽 度。然而，光纤波导可传播具有最高约十微米的模式宽度的单模式光学信号，其中光纤的直径具有类似大小。模式大小的差导致所述平面波导与所述光纤波导之间的显著模式不匹配。此不匹配可使得所述平面波导与所述光纤波导之间的光学信号的耦合困难或不切实际。各种实施例通过在波导的核心层中的光栅元件的规则阵列与下伏衬底之间形成腔来大致改进经由所述规则阵列在平面波导与光纤波导之间进行的光学耦合。所述腔增加平面波导核心与在光栅附近的平面波导包覆层之间的折射率差，借此增加所述规则阵列的耦合效率。此耦合效率增加可使得光栅耦合器在先前未受益于此些耦合器的使用的光学应用中的使用变为可行。下文中，两种邻近介质之间的折射率的差称为“折射率对比度”或简称为“对比反 o如上文所简要描述，在一些情况中，平面波导可具有一微米或小于ー微米的宽度，而光纤波导在(例如广1.5 的波长下可具有大约IOym的直径。大小的差通常导致传播模式的巨大不匹配。当所述不匹配颇大时，多数信号可损失于光纤波导与平面波导之间的反射及辐射上。减轻光纤波导与平面半导体波导之间的不匹配的各种方法是可能的。在ー种方法中，将在下伏于所述平面波导的衬底的小面附近的平面转换器对接耦合到所述光纤。此有时是借助(例如)具有强模态限制的大核心波导或具有弱模态限制的小核心波导来完成。此方法可使用多个材料层以帮助使所述光纤模式与所述平面波导模式大小匹配，使制造更复杂且更昂贵。在另ー实例中，可使用光栅耦合器来介接接近垂直于光学装置的表面对准的光纤波导。所述光栅耦合器可包含所述平面波导内的形成分散式散射的周期性图案。借助适当选择光栅參数，散射可使光纤波导与平面波导之间的传播充分地匹配。然而，由于光栅散射光，因此光学信号的能量的相当大分率可在所述光栅处损失。当所述光栅耦合器下方的包覆层的折射率接近于其中形成光栅的波导的有效折射率时，此问题尤其严重。在基于GaAs/AlGaAs及InP/InGaAsP的平面装置中，包覆层与核心波导层之间的此低对比度是常见的，但此些材料系统可出于其它原因而在各种平面光学波导应用中是所要的。虽然已在其中折射率对比度相对大的材料系统(例如，绝缘体上硅(SOI))中实施平面光栅耦合器，但在低对比度材料系统中无已知实施方案。因此，在平面光学技术中未满足需要在其中波导核心材料与衬底材料之间折射率对比度颇小的材料系统中实施光栅耦合器。专利技术者已认识到，可通过移除衬底的下伏于光栅的一部分来克服使用平面光栅耦合器的上述常规实践的限定。特定来说，在衬底中光栅下方形成凹坑或腔，借此将光栅下方的包覆层的折射率从衬底材料的折射率减小到空气的折射率(例如，约I)或减小到具有低介电常数的电介质材料的折射率。图IA图解说明包含光栅耦合器的平面光学设备100。在设备100中，半导体衬底110支撑具有厚度T的平面波导核心120。平面波导核心120是(例如)通过常规微电子制造方法由位于衬底110上方的半导体层形成，如下文所描述。邻近于平面波导核心120的衬底110可充当波导包覆层。衬底110可为各种半导体材料(例如，GaAs或InP)中的任一者。光学散射元件的规则阵列形成光学光栅130。 图IB更详细地图解说明光栅130的一部分。光栅130是位于平面波导核心120的区域内的光学散射结构135的大致规则的ー维或ニ维阵列。光栅130是由光栅元件宽度W、光栅高度H及光栅间距P(即，邻近光学散射结构135的中心之间的距离)表征。“大致规则的”意指P及W在光栅130内是大致恒定的，或P及/或W跨越光栅130单调地变化(例如，啁啾)。返回到图1A，光纤波导140位于邻近于光栅130处，且经配置以经由光栅130将光学信号传输到平面波导核心120或从平面波导核心120接收光学信号。光纤波导140的端部145通过间隙150 (例如，自由空间间隙)与光栅130隔开。借此,光纤波导140可将光学信号传输到平面波导核心120或从平面波导核心120接收光学信号。衬底110中的腔160位于光栅130与衬底110的邻近表面之间。由于腔160，波导核心120在所述腔上方的部分通过间隙165与衬底110分离。腔160充当用于光栅130附近的平面波导核心120的包覆层。腔160具有小于衬底110的折射率的折射率。与其中光栅130直接位于衬底上的类似装置的耦合相比，低折射率腔160的存在増加了光纤波导140与平面波导核心120之间的耦合效率。在光纤波导140与光栅130之间传播的光学信号可为(例如，由激光源产生的)相干光。此些光学信号通常具有高斯(Gaus本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈龙，章力明，克里斯托弗·多尔，尼古拉斯·杜普伊斯，
申请(专利权)人：阿尔卡特朗讯，
类型：
国别省市：