宽带光耦合到薄的SOICMOS集成光路

摘要

一种用于提供光耦合进和耦合出相对薄的硅波导的装置，所述相对薄的硅波导在SOI结构的SOI层中形成，所述装置包括透镜元件和在SOI结构中界定的、用于以高效的方式提供光耦合的参考表面。波导的输入可来自光纤或光发送器件(激光器)。相似的耦合装置可用在薄的硅波导与输出光纤(单模光纤或多模光纤)之间。

权利要求

1.一种用于提供向/来自形成在绝缘体上硅SOI结构的上部硅SOI层中的相对薄的硅波导的光耦合的装置，所述绝缘体上硅SOI结构包括硅衬底、上覆的隐埋氧化物层和所述上部硅SOI层，所述薄的硅波导形成为包括沿通过所述绝缘体上硅SOI结构的厚度的一部分进入到所述硅衬底中形成的深沟槽的纳米锥尖端面终端，所述装置包括：光发送器件，其设置在通过所述上部硅SOI层进入到所述硅衬底里形成的相对浅的沟槽上；

透镜组件，其用于将传播的光信号从所述光发送器件耦合进所述薄的硅波导的所述纳米锥尖端面终端；

参考面，其界定在所述绝缘体上硅SOI结构的相邻层之间的界面处；以及透镜固定装置，其用于支撑所述透镜组件，所述透镜固定装置沿着所述深沟槽连接到所述绝缘体上硅SOI结构，用于提供在所述薄的硅波导的端面与所述透镜组件之间的聚焦对准，所述透镜固定装置包括尺寸足以跨越所述深沟槽的宽度的参考表面并提供所述透镜组件与所述薄的硅波导的所述纳米锥尖端面终端之间的光对准。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述浅的沟槽和所述深沟槽采用反应离子刻蚀工艺形成。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述装置进一步包括主动对准元件，所述主动对准元件用于调整所述透镜固定装置相对于所述薄的硅波导的纳米锥尖端面终端的定位以提供最大的耦合效率。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述主动对准元件包括引出波导和光检测器，所述引出波导邻近所述薄的硅波导的一部分设置以便外耦合所述传播的光信号的一部分，所述光检测器被耦合以接收沿所述引出波导传播的所述传播的光信号并由此产生控制信号用于调整所述透镜固定装置沿着所述深沟槽的位置，直到获得最大的耦合效率。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述装置进一步连同光纤一起使用，所述装置进一步包括：对准块，其包括顶端主表面，所述对准块包括V型槽，所述V型槽通过所述顶端主表面形成以保持所述光纤，使得所述光纤的芯与所述顶端主表面对齐，对准块与所述绝缘体上硅SOI结构匹配，使得所述顶端主表面连接到所述绝缘体上硅SOI结构，以便将所述光纤的芯与所述薄的硅波导的所述纳米锥尖端面终端对准。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述光纤包括透镜端面，作为用于耦合进/出所述薄的硅波导的所述纳米锥尖端面终端的所述透镜组件。

7.如权利要求5所述的装置，其中所述对准块进一步包括在支承所述光纤的端面的所述V型槽的末端终端形成的深沟槽，用于支承独立的透镜元件。

8.如权利要求5所述的装置，其中所述对准块包括硅。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述相对薄的硅波导具有亚微米尺寸。

10.如权利要求9所述的装置，其中亚微米尺寸的波导的纳米锥尖端面终端被配置为提供极化状态无关的耦合。

11.如权利要求1所述的装置，其中所述隐埋氧化物层具有不大于三微米的厚度。

12.如权利要求1所述的装置，其中所述硅衬底和所述隐埋氧化物层之间的界面被用作用于装置的参考面。

13.如权利要求1所述的装置，其中所述光耦合在输入光信号和薄的硅波导之间提供。

14.如权利要求1所述的装置，其中所述光耦合在薄的硅波导和输出光纤之间提供。

说明书

宽带光耦合到薄的SOI CMOS集成光路

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求2006年1月11日提交的美国第60/757,962号临时申请的权益。

技术领域

[0003] 本发明涉及一种用于提供耦合进和耦合出薄(即，亚微米尺寸)光波导的设备，且更具体地说，涉及使用参考面和透镜元件来提供光纤或透镜与薄波导间的耦合。

[0004] 发明背景

[0005] 一种常见的用于将光从外部源耦合到硅波导的现有技术是在波导和配合的光纤终端上切割或抛光末端面(end facets)。光纤终端的例子包括，但不限于：具有小切割/抛光角度或零切割/抛光角度的多模光纤或单模光纤，和产生小到1.5μm的光斑尺寸的特制形状的单模光纤或特制透镜单模光纤。光纤终端被对准来产生最大量的通过波导的光传输，然后光纤终端被固定在适当的位置。可在光纤终端和波导面上都使用抗反射(AR)涂层，以减少菲涅耳损失(Fresnel loss)。在所有这些现有技术装置中，输入端口和输出端口必须位于包含波导的圆晶裸片(wafer die)的边缘面处，由于使用这种现有技术边缘耦合约束，对器件的几何形状(例如，布局及/或尺寸)强加了相当多的限制。

[0006] 在SOI基光电装置中的SOI层中形成的极“薄”波导的开发和使用是与光耦合相关的另一个因素。对本发明来说，“薄”波导被定义为具有大约0.5μm量级的典型宽度和大约0.15μm量级的典型厚度。过去，“纳米锥(nanotaper)”或“倒锥(inverse taper)”被成功地用在波导中。然而，这种成功只是出现在研究/开发环境中，而研究/开发环境对制造条件采取严格控制。

[0007] 因此，在本领域中遗留的、对用于提供将激光器和光纤永久耦合到所使用的薄的，SOI基光波导的可制造的，高效的光耦合装置的需求将因为光电产品的大批量生产而被需要。

[0008] 发明概述

[0009] 在本领域中遗留的需求由本发明解决，本发明涉及一种用于提供耦合进和耦合出形成在SOI结构的表面SOI层中的薄(即，亚微米尺寸)光波导的设备，且更具体地说，涉及使用SOI结构本身中的参考面和使用相关的透镜元件以提供光纤或激光器与薄波导间的耦合。

[0010] 根据本发明，把在SOI结构中界定的界面(诸如，举例来说，硅衬底和上覆的隐埋氧化物(BOX)层之间的界面)用作耦合装置的参考面。薄波导在SOI层中形成，并在形成在SOI结构中的侧壁处终止，且透镜装置被用来提供输入器件和波导间的耦合。

[0011] 在本发明的一个实施方式中，在光源(光纤或激光器)和薄的波导的侧壁终端间设置独立的透镜元件。透镜被保持在固定装置中，所述固定装置设置在刻蚀到SOI结构中的沟槽中。固定装置本身包括参考表面，该参考表面与SOI基参考面相关，使得当固定装置放置在沟槽中时，透镜将与薄的波导光学对准。在此实施方式的“主动对准”构型中，可通过沿沟槽的横向长度移动固定装置，来调整透镜固定装置相对于波导终端的横向位移，直到获得最大量的光耦合。一旦获得最大量的耦合，就进行永久性地连接。

[0012] 在可选的实施方式中，透镜装置可直接与光源相结合为一体，诸如透镜光纤或包括整体透镜的激光器。就透镜光纤来说，光纤首先定位在安装在SOI结构上的独立的块组件(优选地，硅块)中。硅块形成为包括精确定位的V型槽，该V型槽支承光纤，使得光纤芯处在期望的位置以提供到薄的波导的耦合。硅块被倒装连接到SOI结构以形成永久的耦合装置，使用衬底/BOX参考面用于光纤芯与薄的波导间的光对准。

[0013] 在本发明的任意实施方式中，沿薄的波导传播的内耦合信号的一部分可被引出，并用作主动反馈信号以调整激光器/光纤和薄的波导间的对准，直到获得了最大量的耦合。另外，相同类型的对准装置可被用来将沿薄的波导传播的信号外耦合到输出光纤，或其他光输出器件(诸如，举例来说，光敏二极管)。

[0014] 本发明提供一种用于提供向/来自形成在绝缘体上硅SOI结构的上部硅SOI层中的相对薄的硅波导的光耦合的装置，所述绝缘体上硅SOI结构包括硅衬底、上覆的隐埋氧化物层和所述上部硅SOI层，所述薄的硅波导形成为包括沿通过所述绝缘体上硅SOI结构的厚度的一部分形成的深沟槽的端面终端，所述装置包括：

[0015] 透镜组件，其用于将传播的光信号耦合进/出所述薄的硅波导的所述端面终端；

[0016] 参考面，其界定在所述绝缘体上硅SOI结构的相邻层之间的界面处；以及[0017] 参考结构，其用于支承所述透镜元件，所述参考结构连接到所述SOI结构，用于提供所述薄的硅波导和所述透镜元件之间的聚焦对准。

[0018] 在一实施方式中，所述装置可连同光发送器件一起使用，所述光发送器件设置在通过所述上部硅SOI层进入到所述硅衬底里形成的相对浅的沟槽上，所述参考结构包括用于容纳所述透镜元件的独立组件，所述参考结构沿所述深沟槽设置，所述深沟槽形成为产生所述硅波导的所述端面终端，所述参考结构包括参考表面，所述参考表面具有足够跨越所述深沟槽的宽度的尺寸，并提供所述透镜元件与所述薄的硅波导的所述端面终端间的光学对准。

[0019] 在一实施方式中，所述参考结构可包括硅结构。

[0020] 在一实施方式中，所述浅沟槽和所述深沟槽可采用反应离子刻蚀工艺形成。

[0021] 在一实施方式中，所述装置可进一步包括主动对准元件，所述主动对准元件用于调整所述透镜固定装置相对于所述波导端面终端的定位以提供最大的耦合效率。

[0022] 在一实施方式中，所述主动对准元件可包括引出波导和光检测器，所述引出波导邻近所述薄的硅波导的一部分设置以便外耦合所述传播的光信号的一部分，所述光检测器被耦合以接收沿所述引出波导传播的所述传播的光信号并由此产生控制信号用于调整所述透镜固定装置沿着所述深沟槽的位置，直到获得最大的耦合效率。

[0023] 在一实施方式中，所述装置可连同光纤一起使用，所述装置进一步包括：

[0024] 对准块，其包括顶端主表面，所述对准块包括V型槽，所述V型槽通过所述顶端主表面形成以保持所述光纤，使得所述光纤的芯与所述顶端主表面对齐，对准块与所述绝缘体上硅SOI结构匹配，使得所述顶端主表面连接到所述绝缘体上硅SOI结构，以便将所述光纤的芯与所述薄的硅波导的所述端面终端对准。

[0025] 在一实施方式中，所述光纤可包括透镜端面，作为用于耦合进/出所述薄的硅波导的所述端面终端的所述透镜元件。

[0026] 在一实施方式中，所述对准块可进一步包括深沟槽，所述深沟槽在支承所述光纤的端面的所述V型槽的末端终端形成，用于支承独立的透镜组件。

[0027] 在一实施方式中，所述对准块可包括硅。

[0028] 在一实施方式中，所述相对薄的硅波导可具有亚微米尺寸。

[0029] 在一实施方式中，所述亚微米尺寸的波导可以被配置为提供极化状态无关的耦合。

[0030] 在一实施方式中，所述隐埋氧化物层可以具有不大于三微米的厚度。

[0031] 在一实施方式中，所述硅衬底和所述隐埋氧化物层之间的界面可以被用作用于装置的参考面。

[0032] 在一实施方式中，所述光耦合可以在输入光信号和薄的硅波导之间提供。

[0033] 在一实施方式中，所述光耦合可以在薄的硅波导和输出光纤之间提供。本发明的其他以及进一步的实施方式和特征，将在下面的讨论过程中并由参考附图而变得显而易见。

[0034] 附图的简要说明

[0035] 现参考附图，

[0036] 图1是包括根据本发明形成的光纤基耦合装置和激光器基耦合装置的示例性的SOI结构的等距视图；

[0037] 图2是根据本发明形成的示例性的光纤耦合装置的放大的侧视图；

[0038] 图3是光纤耦合装置的硅块部分和相关光纤的分解等距视图；

[0039] 图4是图3的硅块的等距视图，光纤定位在该块的V型槽中；

[0040] 图5是处在SOI结构之上适当位置的图4的硅块的等距视图，SOI结构包括待被光纤对齐的薄波导；

[0041] 图6是根据本发明形成的示例性的激光器耦合装置的简化的顶视图；

[0042] 图7是本发明的示例性的透镜固定装置的侧视图，详细显示了参考表面和相关的透镜组件的构型；

[0043] 图8是本发明的激光器耦合装置的侧视图，将来自激光源24的光输出显示为穿过透镜组件并被聚焦到薄SOI波导中；以及

[0044] 图9是本发明的呈现输入耦合装置和输出耦合装置的形式的示例性的装置的顶视图。

[0045] 详细说明

[0046] 图1是示例性的SOI结构10的等距视图，SOI结构10形成为包括本发明的光纤耦合装置和激光器耦合装置二者。应理解，任何个数的光纤基耦合装置及/或激光器基耦合装置可用在给出的SOI结构上。只是为讨论和解释起见在此处显示一对耦合装置。

[0047] 如所显示的，SOI结构10包括硅衬底12、隐埋氧化物(BOX)层14和亚微米厚的单晶硅表面层16(在下文中称之为“SOI层16”)。本发明的重要特征是通过利用SOI层16中的亚微米尺寸的光波导，纳米锥耦合装置可被配置成本质上与极化状态无关。就是说，TE光模和TM光模都将以基本上相同的耦合效率耦合到波导中。一个示例性的构型(用于与1310nm的传播波长结合使用)利用厚度大约为140nm的SOI层16和宽180-200nm的纳米锥尖。通过利用模场直径2.5μm的相关的透镜系统，TE模和TM模将以几乎相同的效率(例如，小于1dB极化相关损失)耦合到纳米锥尖中。应理解，可利用其他的SOI层厚度和纳米锥尖的宽度(伴随着模场直径中的相关调整)以获得满足要求的极化状态无关性能。极化状态无关耦合对其中光检测器待与波导结合使用的应用来说是重要的优势，因为光检测器能获得随机极化的单模输入耦合光的固定的响应率。

[0048] 根据本发明，SOI结构相邻层间的选定的界面用作参考表面，以提供输入元件(诸如光纤或激光器)和形成于SOI层16中的相对薄的波导间的对准。优选地，硅衬底12和BOX 14间的界面被界定为参考面(在下文中称为参考面13)，因为此界面的位置在圆晶与圆晶之间不会有很大的变化。使用此界面作为参考面，参考面13和SOI层16中的薄波导的位置间的距离可被确定并将保持基本不变。然而，应理解，结构中的任何相邻层之间的界面可被用作“参考面”，如SOI层16本身的顶面。此外，当在处理过程中其他层(诸如，举例来说，CMOS层间介电层)添加到SOI结构时，在这些层间的任何界面可用作参考面。

[0049] 参考图1，光纤18显示为定位在通过SOI结构10厚度形成的沟槽20中。在此例中，光纤18包括透镜端面(end face)19以提高光纤18与在SOI层16中形成的薄波导22间的耦合效率。光纤18的透镜端面19和薄波导22之间的对准由覆盖在SOI结构上的保持光纤的固定装置(此视图中未显示)提供，该固定装置使用参考面13以确定提供对准所需要的尺寸。保持光纤的固定装置的具体方面在下文中结合图2-5示出并描述。

[0050] 同样在图1中显示的是激光源24，其在SOI结构10中形成的相对薄的凹槽26上设置。透镜固定装置28在激光源24的输出端和薄的波导22间定位以提供激光器的输出信号进到薄的波导22中的所必须的高效的耦合。根据本发明，透镜固定装置28被定位成跨越在薄的凹槽26和波导终端侧壁32间形成的相对深的沟槽30。特别地，透镜固定装置28形成为包括接触由SOI层16形成的参考面的参考表面34，表面34的宽度足够跨越深沟槽30。重要地，透镜固定装置28中的透镜组件36相对于参考表面34形成，以使得所述透镜组件在适当位置时与薄的波导22对准。后端面(backface)监控器38可与激光源24结合使用，以接收从激光源24后面(rear facet)发出的能量，并为激光源24的合适的偏置提供反馈/控制信息。

[0051] 图2是根据本发明形成的示例性的光纤耦合装置的放大的侧视图。在此视图中再次显示了光纤18，其包括透镜端面19。同样显示了SOI结构10，其包括硅衬底12、薄的BOX层14和SOI层16，其中薄的波导22在SOI层16中形成，定位光纤18使得透镜端面19与薄的波导22光学对准。根据本发明，保持光纤的块40被用来提供期望的对准，同时将光纤18固定在形成于块40的V型槽42中的固定位置。在优选的结构中，块40包括硅，并可在下文中改作称为“硅块40”。在图2的具体视图中，块40的顶端表面44被用作参考表面，当块40安装在SOI结构10上时，所述参考表面在SOI结构10的参考面13上方保持预先确定的距离。因此，通过控制V型槽相对于参考表面44的深度，形成了当块40定位在适当位置时透镜端面19的尖端将与薄的波导22对准的装置。一薄层任意类型的公知的胶结材料或环氧材料可用以永久地将块40连接到SOI结构10。如上所述，块40优选地由硅形成，硅与SOI结构10的材料成分匹配。结果，因为块40和SOI结构10具有匹配的热胀系数(CTE)，组件在长时间内将保持对准。然而，应理解，其他材料(诸如塑料)可被用以形成块40，其中对某些应用来说CET微小的失配可以是不相干的。

[0052] 图3是硅块40和相关光纤18的分解的等距视图。在此图中明显的是沿硅块40长度的V型槽42的定位和位置。在CMOS处理工艺中公知的是通过各向异性刻蚀硅衬底的[011]晶体平面(crystallographic planesurface)，V型槽可在硅中形成。因此，也因为此原因，优选地用硅作块40的材料。通过控制V型槽蚀刻的宽度，V型槽的实际尺寸可被控制到亚微米公差。同样在图3中显示的是相对深的沟槽46，其在V型槽42的终端形成，并处于透镜端面19放置的位置。在不使用透镜光纤的实施方式中，独立的透镜元件，诸如上述与激光源结合的透镜元件，可定位成并被用来提供期望的高效率的对准。

[0053] 图4是硅块40和光纤18的相似的视图，在此例中，光纤18设置在V型槽42中，并固定到V型槽42。同样显示的还有多个连接固定装置48，其中固定装置48用以提供实际的机械对准以及块40到SOI结构10的连接。图5是在SOI结构10上的适当位置的硅块40的等距视图，特别显示出块40的参考表面44设置在SOI结构10上并连接到SOI结构10，根据本发明为了对准的目的使用参考面13作为参考表面。应理解，此类型的耦合装置可与输入光纤或输出光纤(或两者)一起使用。特别地，当输出光纤是具有相对大的芯区和数值孔径的多模光纤时，在波导输出和光纤端面间不使用透镜(组合的或分立的)也可能获得满足要求的耦合效率。另外，对多模输出光纤的情况，因为需要的对准的精确度是+/-20μm量级，多模光纤可被连接到沟槽20，因此消除了对用来提供对准的独立的块组件40的需求。

[0054] 图6是根据本发明形成的典型的激光器耦合装置的简化的顶视图。如所显示的，激光源24设置在通过SOI结构10形成的浅沟槽16上(例如，厚度为10μm量级的沟槽)。为了提高耦合效率，激光源优选地“发射极带向下”(emitter stripe down)(即，向着参考面)地安装。此构型消除了垂直公差问题，否则，将会因激光器芯片本身的厚度改变引起与激光器芯片本身的厚度改变相关的垂直公差问题。透镜固定装置28定位在深沟槽30(量级为，近似，100μm)中。两个沟槽16和30都可用常规反应离子刻蚀(RIE)工艺形成，其中“深RIE(deep RIE)”工艺优选地用以形成沟槽30。如所显示的，沟槽30在侧壁32处终止，波导22同样在侧壁32处终止。在此视图中特别明显的是参考面13定位在硅衬底12和BOX层14间的界面(如上所述，其他层可用以界定参考面，诸如BOX层14和SOI层16间的界面或，可选择地，SOI层16的顶端表面层)。不考虑用以提供参考面的界面如何，只要激光源24和包括的透镜组件36与薄的波导22适当的对准，就会获得耦合。

[0055] 因此，根据本发明，透镜固定装置28的参考面34连同透镜组件36的位置被设计成当表面34定位在深沟槽30中时，会获得对准。图7是透镜固定装置28的侧视图，详细显示了参考表面34和相关的透镜组件36的构型。在如图6示出的具体的实施方式中，光引接器(optical tap)50被用来确定激光源24和薄的波导22间所获得的对准程度。特别地，耦合波导52邻近薄的波导22的一部分设置，以便取出传播的光信号的一部分。光功率监控器54(例如，光敏二极管)用以测量传播信号中的功率，并使用此功率值确定是否获得了最大的耦合效率。这种测量可用来，举例来说，调整在深沟槽30中的透镜固定装置28的位置(如由双端箭头显示的)，直到获得最大的耦合效率。在本领域中存在不同类型的主动光对准装置，可用以完成此对准过程。光功率监控器54同样可用于激光源24的反馈/控制。

[0056] 图8是本发明的激光器耦合装置的简化的侧视图，此例中将来自激光源24的光输出显示为穿过透镜固定装置28并被聚焦到薄的波导22中。波导22在其输入点包括光模转换器，以适当地将自由空间(三维)信号耦合成用于沿波导22传播的一维信号。可通过将波导的宽度从其额定值(例如，0.5μm)绝热变小到在波导22的终端处的更窄的宽度(例如，100nm)，来构造模转换器。此绝热锥将波导22较宽部分的模场直径从近似0.5μm转变到在波导22的狭窄的尖端终端的0.75-5.0μm范围内的某一值(变量是尖端的实际尺寸和使用的光波长的函数)。取决于不同应用的性能要求，这种模转换器可能对于光纤基或激光器基耦合装置是必需的。在此视图中明显的是浅沟槽26(用以支承激光源24并且，可能，支承后端面监控器38)和深沟槽30(用以支承透镜固定装置28)。在此视图中明显的是，可通过在沟槽30内向前或向后移动固定装置28(由箭头和透镜元件28的虚构轮廓显示)来调整透镜元件28的焦点，以获得最大量耦合。

[0057] 如上所述，使用本发明的耦合装置作为耦合到薄的波导的输入耦合器或从薄的波导耦合出的输出耦合器是可能的。图9是本发明的具有输入耦合装置和输出耦合装置两种形式的示例性装置的顶视图，在此例中，以如前所描述的方式使用硅对准块(未显示)，将输入光纤18I设置成与输入透镜固定装置28I对准。来自透镜固定装置28I的输出聚焦到薄的波导22中，薄的波导22是在SOI结构中形成的光学/光电块100的输入端。块100可包括各种不同的有源及/或无源光学器件，来自块100的输出接着被耦合到薄波导22的输出端部分中，并被引导通过输出透镜固定装置28O耦合进入到输出光纤18O里。

[0058] 根据以上描述的本发明，很明显的是，可在许多方面变更本发明的实施方式。这种变更不应被认为是对本发明的主旨和范围的偏离，并且，所有这种对本领域中的技术人员来说明显的修改旨在被包含在由下面权利要求所界定的本发明的范围内。