光耦合器制造技术

描述了一种光互连装置及其制作方法。所述装置包括：平面内激光腔，其沿着第一方向传输光束；弗朗兹

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光耦合器
相关申请的交叉引用
[0001]本PCT申请要求于2019年1月3日提交的名称为“光耦合(OPTICAL COUPLING)”的美国临时专利申请第62/788116号的权益，所述申请通过引用整体并入本文。


[0002]本文所描述的实施方式涉及光耦合结构，并且更具体地涉及波导和光纤之间的光耦合。

技术介绍

[0003]示例实施方式大体上涉及光子集成电路(PIC)横向耦合器领域。例如，示例实施方式提供梯度折射率(GRIN)波导横向耦合器。
[0004]云计算、企业网络和数据中心网络继续推动地铁和长途线路对光纤通信带宽需求的增长，并且数据中心内机架间布线高达100Gbps及以上。使用单模光纤(SMF)的光纤传输系统通常用于此类高容量通信系统。普通光纤传输系统包括与单模光纤耦合的侧面(边缘)发射激光二极管。已经提出了各种耦合结构来提高激光器和单模光纤之间的耦合效率。此类通常采用的耦合结构包括DFB激光器与SMF的对接耦合(光路的直接对准)，或者在激光器和波导之间以及类似地在波导和SMF之间集成柱面透镜或者柱面透镜和渐变折射率棒透镜的组合。然而，这些系统具有体积大和组装成本高的缺点。
[0005]使用互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容工艺，例如以光子IC(PIC)的形式，可以获得用于生产紧凑型光通信系统的技术。然而，由于波导
‑
光纤接口处的模式失配，PIC波导和外部光纤之间的高效耦合可能是主要挑战。由于波导模式的引导性质，当光纤在波导平面的外部时(例如，当波导/>‑
光纤接口不垂直于波导限定的传播方向时)，波导和外部光纤之间耦合的模式失配尤其会是更大的挑战。目前，光栅耦合件通常用于将平面外部光纤耦合到波导。例如，光栅耦合件通常用作波导横向耦合器。然而，光栅耦合件可能难以设计和制造，并且通常导致光束功率的显著损耗。
[0006]因此，在本领域中需要用于将PIC波导耦合到外部光纤的改进的方法、装置和/或类似物，以获得更紧凑和高效的装置来代替当前的互连光耦合器。

技术实现思路

[0007]示例实施方式提供光互连装置和用于制造装置的方法。各种示例实施方式提供通用耦合器、用于制造用于向外部光纤进行模式转移的通用耦合器的方法等。
[0008]公开了一种将激光输出端连接到外部光纤的光互连装置。互连装置构建在衬底的顶部表面上。光互连装置包括：激光腔模块，其沿着第一方向传输来自激光器的光束；光调制器模块，其沿着第一方向传输光束，其中光束具有第一斑点大小；模式转移模块，其包括：锥形结构，其沿着第一方向设置在光调制器模块之后；以及通用耦合器，其用于控制光束传播方向，其中锥形结构将光束的第一斑点大小扩展到第二斑点大小，其中第二斑点大小大
于第一斑点大小；以及外部光纤，其附接到表面透镜，其中表面透镜接收来自通用耦合器的扩展的光束并且将光束聚焦到外部光纤。
[0009]可选地，锥形结构线性地改变其横截面大小。
[0010]可选地，锥形结构非线性地改变其横截面大小。
[0011]在一个示例性实施方式中，外部光纤沿着第一方向设置，并且通用耦合器是平面内耦合器以将扩展的光束传输到平面内放置的外部光纤中。
[0012]在另一个示例性实施方式中，外部光纤沿着垂直于第一方向的第二方向设置，并且通用耦合器是竖直耦合器，其被配置为在垂直于所述第一方向的第二方向上反射所述扩展的光束。
[0013]可选地，光调制器模块是包括波导和波导中的GeSi通道的弗朗兹
·
凯尔迪什(Franz Keldysh)(或FK)调制器。
[0014]可选地，在通用耦合器之后的光束的扩展的第二斑点大小匹配外部光纤的芯部的直径。
[0015]可选地，外部光纤是单模光纤。
[0016]可选地，第二光斑至少是第一光斑的两倍大。
[0017]可选地，光调制器模块具有抗反射涂层。
[0018]另一个实施方式公开了一种制作光互连设备的方法，所述方法包括首先提供Si衬底，所述Si衬底具有构建光互连设备的顶部表面和具有嵌入的氧化物层的底部表面。所述方法还包括制作激光腔、邻近激光腔的光调制器模块和机械转移模块，其全部都沿着相同的方向顺序设置。激光腔模块被配置为传输平面内激光，光调制器模块耦合到激光腔模块，并且机械转移模块具有用于将平面内激光扩展到更大束斑的锥形结构，以及用于控制激光向外部单模光纤的传播方向的通用耦合器。然后将激光腔模块、光调制器模块和机械转移模块封装成集成的光互连系统。最后，激光器和集成的光互连系统与表面透镜和外部单模光纤组装在一起。
[0019]一种方法包括形成通用耦合器，所述通用耦合器被配置为当外部光纤沿着第一方向放置时将扩展的光束沿着第一方向传输到外部光纤中。
[0020]另一个方法包括在外部单模光纤垂直于第一方向放置的情况下，将通用耦合器形成为邻近锥形结构的倾斜镜结构。倾斜镜结构被配置为将来自锥形结构的激光的方向改变90度进入表面透镜和外部单模光纤，并且倾斜镜结构涂覆有高反射金属材料。
[0021]可选地，锥形结构线性地改变其横截面大小。
[0022]可选地，锥形结构非线性地改变其横截面大小。
[0023]可选地，制作激光腔模块包括图案化多个平面内激光光栅并且在多个平面内光栅结构上沉积SiN层和SiOx层。
[0024]可选地，制作光调制器模块包括以下步骤：形成硅调制器结构；在Si衬底的顶部表面上的光模块区域的第一子区域中沉积氧化硅层；图案化光模块区域的第一子区域中的硅调制器结构，暴露硅衬底的底部表面的嵌入的氧化物层；在光模块区域的第一子区域中的沟槽壁上执行硅的选择性外延生长；在选择性外延硅的顶部执行硅的非选择性外延生长以过度填充第一子区域的沟槽；对所述沟槽进行CMP，其中控制所述CMP以暴露所述沟槽外部的氧化硅层，并且在所述沟槽内部留下预定的凹陷深度；以及对光模块区域进行退火。
[0025]可选地，形成光模块还包括以下步骤：形成锗调制器结构；在光模块区域的第二子区域中沉积氮化硅层；在光模块区域的第二子区域中的氮化硅上沉积氧化硅层；图案化所述光模块区域的第二子区域中的锗调制器结构，其中所述图案化暴露沟槽内部的Si衬底的底部表面上的嵌入的氧化物层；在光模块区域的第二子区域中的沟槽壁上执行硅的选择性外延生长；在所述光模块区域的第二子区域中的沟槽的壁上的选择性外延硅上执行混合硅和锗的选择性外延生长；在选择性外延硅的顶部执行混合硅和锗的非选择性外延生长，以过度填充沟槽；对所述沟槽进行CMP，其中控制所述CMP以暴露所述沟槽外部的氧化硅层，并且在所述沟槽内部留下预定的凹陷深度；以及最后对光模块区域进行退火。
[0026]可选地，在光模块区域的第二子区域中形成锗调制器结构还包括：图案化锗调制器结构以与沟槽的壁间隔开；在邻近锗调制器结构的空间中沉积多晶硅；通过注入N型离子在锗调制器结构中的每个的一侧掺杂N++；通过注入P型离子在所述锗调制器结构的另一侧掺杂P++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】1.一种光互连设备，包括：衬底，所述衬底具有顶部表面，其中所述顶部表面包括：激光腔模块，所述激光腔模块沿着第一方向传输来自激光器的光束；光调制器模块，所述光调制器模块沿着所述第一方向传输所述光束，其中所述光束具有第一斑点大小；模式转移模块，所述模式转移模块包括：锥形结构，所述锥形结构沿着所述第一方向设置在所述光调制器模块之后；以及通用耦合器，所述通用耦合器被配置为控制所述光束的传播方向，其中所述锥形结构将所述光束的所述第一斑点大小扩展到第二斑点大小，其中所述第二斑点大小大于所述第一斑点大小；以及外部光纤，所述外部光纤附接到表面透镜，其中所述表面透镜接收来自所述通用耦合器的所述扩展的光束并且将所述光束聚焦到所述外部光纤。2.根据权利要求1所述的光互连设备，其中所述激光腔模块、所述光调制器模块和所述模式转移模块一体地制作在所述衬底上。3.根据权利要求1所述的光互连设备，其中所述外部光纤沿着所述第一方向设置，并且其中所述通用耦合器是平面内耦合器，其被配置为将所述扩展的光束传输到所述外部光纤中。4.根据权利要求1所述的光互连设备，其中所述外部光纤沿着垂直于所述第一方向的第二方向设置，并且其中所述通用耦合器是竖直耦合器，其被配置为在垂直于所述第一方向的第二方向上反射所述扩展的光束。5.根据权利要求1所述的光互连设备，其中所述光调制器模块是包括波导的弗朗兹
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凯尔迪什(Franz Keldysh)(FK)调制器，并且所述波导包括其中的GeSi通道。6.根据权利要求1所述的光互连设备，其中在所述通用耦合器之后的所述光束的所述第二斑点大小对应于所述外部光纤的芯部的直径。7.根据权利要求1所述的光互连设备，其中所述外部光纤是单模光纤。8.根据权利要求1所述的光互连设备，其中所述第二斑点大小至少是所述第一斑点大小的两倍。9.根据权利要求1所述的光互连设备，其中所述光调制器模块具有抗反射涂层。10.一种制作光互连设备的方法，包括：提供具有顶部表面和底部表面的Si衬底，其中所述顶部表面被分成激光腔区域、集成到所述激光腔区域的光调制器模块区域和机械转移区域，其全部沿着相同的方向顺序设置，其中所述底部表面具有嵌入的氧化物层；在所述Si衬底的所述顶部表面上的所述激光腔区域中制作激光腔模块，其中所述激光腔模块被配置为传输平面内激光；在所述Si衬底的所述顶部表面上制作与所述激光腔模块连接的光调制器模块；制作机械转移模块，所述机械转移模块包括：锥形结构，其被配置为将所述平面内激光扩展到更大束斑；通用耦合器，其被配置为控制所述激光进入外部单模光纤的传播方向；将所述激光腔模块、所述光调制器模块和所述机械转移模块封装成集成的光互连系统；以及组装所述激光器、所述集成的光互连系统、表面透镜和所述外部单模光纤。
11.根据权利要求10所述的制作所述光互连设备的方法，其中在所述激光区域中制作所述激光腔模块包括：图案化激光腔和多个平面内光栅结构；图案化对准标记；以及在所述多个平面内光栅结构上沉积SiN层和SiOx层。12.根据权利要求10所述的制作所述光互连设备的方法，其中在连接到所述激光腔模块的所述光模块区域中制作所述光调制器模块包括：形成硅调制器结构，包括：在所述Si衬底的所述顶部表面上的所述光模块区域的第一子区域中沉积氧化硅层；图案化所述光模块区域的所述第一子区域中的所述硅调制器结构，暴露所述硅衬底的所述底部表面的所述嵌入的氧化物层；在所述光模块区域的所述第一子区域中的沟槽壁上执行硅的选择性外延生长；在所述选择性外延硅的顶部执行硅的非选择性外延生长以过度填充所述第一子区域的所述沟槽；对所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森，
申请(专利权)人：迈络思科技有限公司，
类型：发明
国别省市：