[发明专利]光学波导光栅耦合器

说明书

技术领域

本申请案一般来说涉及光学装置，且更具体来说涉及一种光学耦合器。

背景技术

一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。

发明内容

一个方面提供一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。

另一方面提供一种方法。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剩余部分之间的腔。

又一方面提供一种方法。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

现在结合附图参考以下说明，其中：

图1A及图1B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1A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8B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一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“对比度”。

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一微米的宽度，而光纤波导在(例如)~1.5μm的波长下可具有大约10μm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。在一种方法中，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。