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CN105026968A - 光纤耦合器阵列 - Google Patents

光纤耦合器阵列 Download PDF

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CN105026968A
CN105026968A CN201380065181.XA CN201380065181A CN105026968A CN 105026968 A CN105026968 A CN 105026968A CN 201380065181 A CN201380065181 A CN 201380065181A CN 105026968 A CN105026968 A CN 105026968A
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CN
China
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waveguide
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integrated circuit
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fiber optic
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CN201380065181.XA
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G.W.泰勒
Y.张
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University of Connecticut
Opel Solar Inc
Original Assignee
University of Connecticut
Opel Solar Inc
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Abstract

一种组件包含：光纤，每个光纤具有波导纤芯；光子集成电路（IC），包含对应于光纤的平面内波导；以及具有支撑光纤的凹槽的衬底，被接合到光子IC。衬底和光子IC能够具有金属凸块，所述金属凸块协作以提供衬底与光子IC之间的机械接合和电连接。由衬底凹槽支撑的光纤的部分能够限定与光纤纤芯隔开的平坦表面。光子IC能够包含无源波导结构，该无源波导结构具有对接到对应光纤的平坦表面（用于光信号的渐逝耦合）的第一耦合截面以及对接到对应平面内波导（用于光学信号的绝热斑点大小转换）的第二耦合截面。

Description

光纤耦合器阵列
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年12月13日提交的美国临时申请号61/736,768的优先权，其通过引用整体并入本文中。
技术领域
本申请涉及用于光学集成电路的波导输入和输出耦合器。
背景技术
波导输入和输出耦合器一直是光学集成电路设计中的重要问题。已经提出或论证用于克服光纤与芯片上的波导之间的低耦合效率的各种耦合方案。基于以其将光耦合入波导或离开波导的方向，这些方案分成下述两个类别中的一个：垂直耦合（平面外）和横向耦合（平面内）。
垂直耦合典型地用并入波导层以提供单模光纤（SMF）与波导中的光学模式之间的转换的衍射光栅来完成。垂直耦合方案典型地需要光纤被定位成与晶片处于某一角度。多个光纤I/O是可能的。缺点是该方法的衍射性质取决于仅对有限的波长范围可应用的干涉测量行为，并且因此可能不适于大光谱带宽的光学耦合。它也具有强的偏振依赖性。
在横向耦合中，在横向方向上将光耦合入波导的暴露横截面以及耦合离开它，并且这一直在对接耦合配置中被报导。典型地，对于光纤与波导之间的模式转换需要透镜或斑点大小转换器（SSC）。已经论证波导与光纤阵列的多信道耦合。虽然横向耦合具有弱的偏振依赖性并且对输入带宽不敏感，但是它对光纤的垂直和横向对准提出严格的要求。而且，SSC设计需要对临界尺寸的极好控制，并且对于纳米波导而言经常需要有透镜的光纤或特殊光纤（特别在针对短波长来实施时），这增加了成本并且使集成电路的制作和封装复杂。
发明内容
一种光纤耦合器阵列组件包含：每个具有波导纤芯的多个光纤波导；光子集成电路（IC），包含对应于多个光纤波导的多个平面内波导结构；以及接合到光子IC的衬底。该衬底包含多个凹槽，所述多个凹槽支撑光纤波导。衬底和光子IC均能够具有金属凸块接合部，所述金属凸块接合部协作以在衬底与光子IC之间提供机械接合和电连接。
由衬底的凹槽支撑的光纤波导的部分能够限定与光纤波导的波导纤芯隔开的对应的多个平坦表面，并且光子IC能够包含多个无源波导结构，该多个无源波导结构对应于光子IC的多个平面内波导结构和多个光纤波导两者。每个无源波导结构能够包含对接到对应光纤波导的平坦表面的第一耦合截面和对接到光子IC的对应平面内波导结构的第二耦合截面。第一耦合截面能够被配置成提供进入对应光纤波导的光学信号的渐逝耦合（evanescent coupling）或来自对应光纤波导的光学信号的渐逝耦合，并且第二耦合截面能够被配置成提供光子IC的对应平面内波导结构与第一耦合截面之间的光学信号的绝热斑点大小转换。
在一个实施例中，从具有第一折射率的材料实现光纤波导的波导纤芯，并且从具有匹配第一折射率的第二折射率的材料实现光子IC的无源波导结构的第一耦合截面和第二耦合截面。
在另一个实施例中，从二氧化硅实现光纤波导的波导纤芯，并且也从二氧化硅实现光子IC的无源波导结构的第一耦合截面和第二耦合截面。
在又一个实施例中，每个相应的无源波导结构的第一耦合截面具有正方形横截面，该正方形横截面的大小对应于对应光纤波导的光学模式的大小。
在再一个实施例中，每个相应的无源波导结构的第二耦合截面限定沿着第二耦合截面的长度彼此垂直地重叠的多个不同层，其中每层具有在宽度上横向地逐渐减少的相对侧壁。在一个示范性配置中，第二耦合截面包含沿着第二耦合截面的长度延伸的底层、中间层和顶层，其中顶层具有对应于第一耦合截面的高度的高度以及从宽度WI横向地逐渐减少到宽度W1的相对侧壁，该宽度WI对应于第一耦合截面的宽度，其中第二层具有延伸超过顶层的部分，该部分具有相邻对应的平面内波导结构的从宽度WM横向地逐渐减少到宽度W2的相对侧壁，其中第三层具有延伸超过顶层的部分，该部分具有从宽度WM横向地逐渐减少到宽度W0的相对侧，并且其中W2< W1 < WM < WI以及W0 < WM。
能够用III-V族材料的材料系统来实现光子IC。光子IC也能够从外延层结构来实现，该外延层结构包含与p型调制掺杂量子阱界面垂直地偏移的n型调制掺杂量子阱界面。
附图说明
图1是依据本申请的光纤耦合器阵列的示意性分解视图。
图2是图1的光纤耦合器阵列的晶片部分的示意性部分等距视图。
图3是光子集成电路的无源半导体波导（PG）与由图1的光纤耦合器阵列的晶片支撑的单模光纤（SMF）的平坦表面之间的界面的示意性横截面视图。
图4是示出作为沿着光子集成电路的半导体波导（PG）的渐逝耦合引导截面的长度的传播距离的函数的、图1和3中的光子集成电路的半导体波导（PG）的渐逝耦合引导截面中的光学信号的功率和SMF中的光学信号的功率的绘图。
图5A是作为图1的光子集成电路的部分的脊波导的示范性配置的示意性横截面视图。
图5B是图5A的示范性脊波导的基本（TE）模式的轮廓的绘图。
图6是图1和图3的光子集成电路的脊波导和无源半导体波导（PG）的示范性配置的示意性等距视图。
图7是示出由图6的示范性配置的模拟产生的半导体波导（PG）的渐逝耦合引导截面和脊波导之间的光学信号的传递的绘图。
图8是图6的示范性配置中的脊波导和半导体波导（PG）的斑点大小转换器截面之间的示范性界面的示意性图解。
图9是示出作为图1的3的光子集成电路的半导体波导（PG）的渐逝耦合引导截面与SMF的大体上平坦的表面之间的间隔G的函数的、图1的光纤耦合器阵列的示范性传递效率的绘图。
图10A是描绘针对图6的示范性配置的斑点大小转换器的层的未对准的示意性视图。
图10B是示出针对以下三种情况作为沿着斑点大小转换器截面的长度的传播距离的函数的、针对图6的示范性配置的斑点大小转换器部分中的光学信号的功率的绘图：斑点大小转换器截面的第一和第二层没有未对准，在斑点大小转换器截面的第一层处未对准，以及在斑点大小转换器截面的第二层处未对准。
具体实施方式
图1图解依据本申请的光纤耦合器阵列100。耦合器阵列100包含两部分：晶片101，机械地支撑多个单模光纤（SMF）103；以及具有有源电光部件的光子集成电路（IC）105，该有源电光部件可操作地耦合到由晶片101支撑的SMF 103。SMF 103能够延伸超过晶片101的外围用于连接到如所需要的其它网络部件。光子IC 105被配置成倒转配置（其中衬底107向上），其中芯片上无源半导体波导（PG）109是其顶表面111（与衬底107相对）的组成部分。每个PG 109被配置使得其与对应SMF 103紧密接触，在该对应SMF 103中光纤横截面已经被合适地修改以提供SMF 103与PG 109之间的渐逝波耦合。如在图3和6中最佳示出的，每个PG 109包含渐逝耦合引导（ECG）截面113和斑点大小转换器（SSC）截面115。ECG截面113对接到SMF 103并且提供到SMF 103的渐逝波耦合。SSC截面115对接到是光子IC 105的顶表面111的组成部分的脊波导117，并且提供脊波导117与渐逝耦合引导（ECG）截面113之间的光学信号的低损耗绝热斑点大小转换。存在对应于特定SMF 103的一个脊波导117，其中对应PG 109（ECG截面113和SSC截面115）耦合在其间。相应PG 109的ECG截面113和SSC截面115提供对应SMF/RW对的SMF 103与RW 117之间的光学信号的光学耦合和模式转换。
该设计具有以下优点。第一，它自然适合于多个光纤波导对接以实现低成本。第二，能够很好控制针对垂直和横向方向两者的对准。第三，它能够使用标准技术来制作，使得能够放宽对临界尺寸的高要求。虽然该设计已经被执行用于如下面指出的基于平面光电子技术的光子集成电路，但是它能够容易地被适配到利用任何半导体波导的光子集成电路。
依据本申请的一个实施例，准备晶片101来保持SMF 103，如在图2中示出的。首先，使用标准技术在晶片101的一个表面（即，图2的顶表面121）上形成一组凹槽119（其能够具有V形横截面）。凹槽119能够彼此平行延伸，如示出的那样。存在用于每个SMF 103的一个凹槽119。SMF 103被放置到凹槽119中并且通过注入折射率匹配的凝胶（在图2中未示出）而被机械地固定在其中。SMF 103每个具有由包覆材料包围的纤芯123，该包覆材料使用被称为全内反射的光学技术将光限制在纤芯123中。每个SMF 103的包覆材料能够被缓冲层（未示出）涂覆，该缓冲层保护包覆层和纤芯免于潮湿和物理损坏。凹槽119的深度通过光刻（诸如，通过针对凹槽的固定的刻蚀角度）来配置，使得SMF 103的纤芯123处在晶片101的表面121之下大约1μm，如在图3中最佳示出的。然后，在SMF 103被定位在凹槽119中的情况下，被支撑在凹槽119中的SMF 103的部分（特别地，SMF 103的支撑部分的顶部包覆材料）通过抛光下至晶片101的表面121而被去除以限定SMF 103的平坦表面122，该平坦表面122在SMF 103的相应纤芯123之上近似1μm。晶片101的表面121也包含预定数目的金属凸块125（例如，示出的八个）以及预定数目的对准标记127（例如，示出的四个）。金属凸块125优选地被设置在晶片101的表面121的外围周围，如示出的那样。对准标记127优选地被设置在晶片101的表面121的外围周围，例如相邻表面121的四个角落，如示出的那样。晶片101的金属凸块125被定位成接触并且接合到设置在光子IC 105的顶表面111上的对应金属凸块129，如在图1中最佳示出的。对准标记127被用来将晶片101对准到光子IC 105，使得对应金属凸块为了接合的目的而彼此接触。晶片101能够是硅或其它合适的衬底。金属凸块125能够从铟来实现。晶片101的金属凸块125连接到通过衬底的金属通孔（TSV，未示出），该金属通孔延伸通过晶片101到相对的背表面。晶片101的背表面被安装到印刷电路板（PCB，未示出）。通过用于芯片外电I/O的合适的表面安装封装技术（诸如，管脚栅格阵列或球栅格阵列封装）将TSV电耦合到PCB上的金属迹线。其它IC能够被安装在PCB上。
光子IC 105的表面111（被描绘为图1和3的倒转配置的底表面）包含脊波导（RW）117，该脊波导（RW）117在光子IC 105的平面中引导光学信号。存在针对每个SMF 103的一个RW 117。RW 117能够是被实现为光子IC 105的部分的有源光电子器件（例如，激光器、探测器或耦合器开关）或无源光学器件（例如，无源波导）的部分。光子IC 105的表面111也包含预定数目的金属凸块129（例如，示出的八个）。优选地从铟来实现金属凸块129。金属凸块129优选地被设置在光子IC 105的表面111的外围周围，如示出的那样。金属凸块129被定位成接触并且接合到晶片101的对应金属凸块125。光子IC 105的表面111也包含对准标记（未示出），该对准标记被用来将光子IC 105对准到晶片101，使得对应金属凸块125/129为了接合的目的而彼此接触。光子IC 105的金属凸块129通过用于电I/O的通孔和/或其它金属/导体互连方案被电耦合到光子IC 105的电光部件（或电部件）。
光子IC 105被倒置翻转（衬底向上）并且借助于在两个部分上的对准标记被接合到晶片101。利用对应金属凸块125、129来执行接合，该对应的金属凸块125、129也同时被利用来执行到光子IC 105的边沿周围的凸块接合部129的电连接。这样，电连接与光连接同时执行。更具体地，当光子IC 105的金属凸块129被接合到晶片101的对应金属凸块125时，晶片101的TSV和背侧封装技术被电耦合到光子IC 105的电光部件（或电部件）以利用光子IC的电光部件（或电部件）通过PCB的金属迹线提供电I/O。
在光子IC 105被接合到晶片101的情况下，每个相应PG 109的ECG截面113的底表面对接到对应SMF 103的经抛光的表面122，并且提供到SMF 103的渐逝波耦合。具体地，通过SMF 103的纤芯123（其被设置在SMF 102的经抛光的表面122下面）与PG 109的ECG截面113（其被定位在SMF 103的纤芯123上面）之间的渐逝耦合将每个SMF 103中的光学信号耦合到对应PG 109的ECG截面113中（或反之亦然），如在图3中最佳示出的。渐逝耦合是下述过程：通过该过程，电磁波借助于渐逝、指数衰减的电磁场从一个介质被传输到另一个介质。这样的渐逝耦合能够以BeamPROP（基于BPM方法的商业3D光子模拟工具）来检查。发现的是，为了最大的功率传递效率，ECG截面113的材料的折射率（以及SSC截面115的材料的折射率）应当与SMF 103的纤芯123的材料的折射率相同。因此，在SMF 103的纤芯从SiO2来实现的情况下，则SiO2能够被用来形成光子IC 105的对应ECG截面113和SSC截面115。
在一个实施例中，ECG截面113的横截面能够是正方形形状，如在图6中示出的那样，其中边沿长度Wi被确定为大约6μm以在980nm的波长处获得在大小上可与标准SMF相比的模式。对于其中如在图3中示出的ECG截面113与SMF 103的纤芯123之间的间隔G是1μm的情况，ECG截面113的长度L0能够是大约550μm。该配置能够最大化PG 109的ECG截面113与SMF 103之间的功率传递，如从图4是明显的。ECG截面113的长度L0（在该示例中，大约550μm）也被选择以建立ECG截面113中的稳定传播模式。从SMF 103传递到ECG截面113的光学功率效率峰值为87％，其对应于大约0.6dB的损耗。这样的损耗能够归因于经抛光去掉以提供SMF 103的对接表面122的SMF 103的部分。耦合到ECG截面113中（或反之亦然）的光学模式具有匹配大约5μm的SMF 103的模式场直径（MFD）的MFD。
光学信号耦合到其中（或反之亦然）的光子IC 105的脊波导117的示范性实施例以横截面被示出在图5A中。具有大约3.356的有效折射率的RW 117的基本（TE）模式的轮廓被示出在图5B中。因为该模式的大小小于ECG截面113中的模式的大小，所以需要SSC截面115来执行光子IC 105的RW 117的较小MFD与ECG截面113的MFD（例如，大约5μm）之间的绝热斑点大小转换。
适合于980nm的SSC截面115的示范性配置被示出在图6中，并且使用BeamPROP来表征以确定其最小长度。它也能够通过在光子IC 105的顶表面111上沉积和图案化SiO2来形成。它具有三个层（在从顶部到底部的其高度内），该三个层每个执行光学模式的绝热转换。第一（顶）层具有1.9μm的高度，并且具有相对侧壁，该相对侧壁沿着300μm的长度L1从6μm的初始宽度Wi（与ECG相同的宽度）横向地逐渐减少到1μm的宽度w1。设置在第一层下面的第二（中间）层具有3μm的高度。对于第一层下面的截面（对应于长度L1），第二层具有相对侧壁，该相对侧壁从6μm的初始宽度Wi（与ECG相同的宽度）横向地逐渐减少到5μm的宽度Wm。第二层继续具有相对侧壁，该相对侧壁沿着200μm的长度L2从5μm的宽度Wm横向地逐渐减少到1μm的宽度w2。宽度Wm能够变化并且优选地大于4μm。示范性设计采用5μm的宽度Wm以实现线性横向轮廓。设置在第一和第二层两者下面的第三（底）层具有1.1μm的高度Ho。对于第一和第二层下面的截面（对应于长度L1），第三层具有相对侧壁，该相对侧壁从6μm的初始宽度Wi（与ECG相同的宽度）横向地逐渐减少到5μm的宽度Wm。它继续在第二截面下面（对应于长度L2）具有相对侧壁，该相对侧壁从5μm的宽度Wm横向地逐渐减少到4μm的宽度Wo。这些尺寸能够通过使用标准的光刻技术而容易地实现。
对于从ECG截面113进入SSC截面115的光学信号，SSC截面115的第一层的横向锥化使离开ECG截面113的光学模式的宽度变窄。SSC截面115的第一层也使离开ECG截面113的光学模式的高度变窄，并且将它耦合到设置在其下的SSC截面115的第二层。SSC截面115的第二层的横向锥化进一步使光学模式的宽度变窄。SSC截面115的第二层也进一步使光学模式的高度变窄，并且将它耦合到设置在其下的第三层。SSC截面115的第三层进一步使光学模式的宽度和高度变窄，使得它的大小与RW 117的大小相容。
对于从RW 117进入SSC截面115的光学信号，操作被反转以在宽度和高度上扩展（加宽）光学模式，使得它的大小与ECG截面113和通过渐逝耦合而被耦合到ECG截面113的SMF 103相容。
通过BeamPROP模拟能够模仿SSC截面115的性能，并且在图7中示出以RW 117的模式（在图5B中示出的）和ECG截面113的模式的重叠积分与传播距离之间的关系的结果。SSC截面115的效率能够从图中被读出为96％，对应于仅0.18dB的损耗，如果使用能够创建亚微米特征的技术诸如电子束，则该损耗甚至能够进一步被减少。
上面描述的SSC截面115能够通过在RW 117的截面被刻蚀掉之后在光子IC 105的顶表面111上沉积SiO2来形成。为了避免SSC截面115与RW 117之间的间隙的形成，额外的SiO2将被沉积在RW结构117上，如在图8中示出的。
附加的损耗能够发生在SSC截面与RW截面117之间的界面处。第一附加损耗是由不同有效折射率引起的在SSC截面115与RW 117之间的反射。这样的反射能够被计算为：
其中R是界面处的反射率并且n 1和n 2是分别针对SSC截面115的结尾处和RW 117的结尾处的局域模式的有效折射率。第二附加损耗是由如在图8中示出的相邻RW 117的SiO2层的上升引起的衍射损耗，该损耗能够通过BeamPROP中的模拟而估计为大约0.15dB。基于上面的计算，耦合器的总体插入损耗能够被获得为：
每个相应PG的总长度是大约1mm。
如在本文中描述的光纤耦合器阵列100的性能能够假定采用理想条件来模仿。实际上，当评估耦合器性能时存在应当考虑的未对准问题。首先，在图3中示出的ECG截面113与SMF 103的经抛光的表面122之间的间隔G确定它们之间的耦合系数，并且因此确定ECG截面113的长度。此外，当在晶片101上创建凹槽119并且将SMF 103的部分抛光下至晶片表面时，该间隔能够与设计的值不同。图9示出当ECG的长度是550μm时SMF 103与ECG截面113之间的传递效率与它们之间的间隔的关系。当间隔与1μm的设计值偏离-0.5μm时，传递效率从86％改变到66％；当间隔被增加到1.5μm时，传递效率改变到76％。
其次，当标准光刻技术被使用时，掩模未对准是预期的。在如图10A中示出的未对准方面，由于第一界面处的重叠效率大于第二界面处的重叠效率的事实，转换效率对第二层的未对准比对第一层更加敏感。这通过在图10b中示出的其中引入针对第一和第二层的掩模层的1μm未对准的模拟结果来验证。虽然第一层处的未对准对转换效率具有很少的影响，但是第二层处的未对准引起大约1.1dB的损耗。
如在本文中描述的光纤耦合器阵列100的设计具有主要优点在于：由于其固有低的成本，所以它适合于制造。
光子IC 105能够包含执行以下各种各样的有源光子功能中的一个或多个的光子器件：诸如激光传输、光电转换、光学信号的双向传输和光电转换、光学放大、光学调制、光学耦合和交叉耦合、以及其它光学处理功能。光子IC的光子器件也能够执行无源光子功能，诸如无源光波导。
光子IC 105能够优选地从III－V族材料的多层结构来实现，该III－V族材料的多层结构提供高速晶体管功能性的单片集成，诸如高速互补HFET晶体管和/或高速互补双极晶体管。在一个实施例中，光子IC采用平面光电子技术（POET），其提供利用反转量子阱沟道器件结构的多个器件（光电子器件、逻辑电路和/或信号处理电路）的实现，如在以下中详细描述的那样：美国专利6,031,243;于2000年4月24日提交的美国专利申请号09/556,285; 于2001年3月2日提交的美国专利申请号 09/798,316; 于2002年3月4日提交的国际申请号 PCT/US02/06802; 于1997年10月14日提交的美国专利申请号08/949,504, 于2002年7月23日提交的美国专利申请号10/200,967; 于2000年11月10日提交的美国专利申请号09/710,217; 于2002年4月26日提交的美国专利申请号60/376,238; 于2002年12月19日提交的美国专利申请号10/323,390; 于2002年10月25日提交的美国专利申请号10/280,892; 于2002年12月19日提交的美国专利申请号10/323,390; 于2002年12月19日提交的美国专利申请号10/323,513; 于2002年12月19日提交的美国专利申请号10/323,389; 于2002年12月19日提交的美国专利申请号10/323,388; 于2003年1月13日提交的美国专利申请号10/340,942，其所有通过引用整体并入于此。这些器件结构从能够被用来在共同的衬底上制作器件的外延层结构和关联的制作序列来建立。换句话说，n型和p型接触、关键刻蚀等能够被用来在共同的衬底上同时实现这些器件中的一个或多个。外延结构的特征包含：1）底部n型层结构，2）顶部p型层结构，以及3）设置在底部n型层结构与顶部p型层结构之间的n型调制掺杂量子阱界面和p型调制掺杂量子阱界面。N型和p型离子注入被用来分别接触n型和p型调制掺杂量子阱界面。N型金属接触n型离子注入和底部n型层结构。P型金属接触p型离子注入和顶部p型层结构。能够用III－V族材料（诸如，GaAs/AlGaAs）的材料系统来实现外延层结构。n型调制掺杂量子阱界面包含通过未掺杂间隔层而与一个或多个量子阱隔开的高掺杂n型材料的相对薄层（在本文中被称为“n+电荷薄片”）。p型调制掺杂量子阱界面包含通过未掺杂间隔层而与一个或多个量子阱隔开的高掺杂p型材料的相对薄层（在本文中被称为“p+电荷薄片”）。n+电荷薄片被设置在相邻顶部p型层结构的n型调制掺杂量子阱界面的（一个或多个）量子阱之上。p+电荷薄片被设置在相邻底部n型层结构的p型调制掺杂量子阱界面的（一个或多个）量子阱之下。一个或多个间隔层被设置在n型调制掺杂量子阱界面的（一个或多个）量子阱与p型调制掺杂量子阱界面的一个或多个量子阱之间。能够在底部n型层结构之下形成底部电介质分布式布拉格反射器（DBR）镜。底部DBR镜能够从AlAs和GaAs的交替层形成。AlAs层经受高温蒸汽氧化以产生化合物AlxOy，以便形成底部DBR镜。能够在顶部p型层结构之上形成顶部电介质镜。能够从SiO2和诸如硅之类的高折射率材料的交替层形成顶部电介质镜。底部和顶部镜提供光的垂直约束。顶部电介质镜能够覆盖器件结构的侧壁以提供如所需的光的横向约束。
POET能够被用来构建多个高性能晶体管器件，诸如互补NHFET和PHFET单极器件以及n型和p型HBT双极器件。POET也能够被用来构建多个光电子器件，所述多个光电子器件包含：
晶闸管VCSEL激光器；
NHFET激光器；
PHFET激光器；
晶闸管光探测器；
NHFET光探测器；
PHFET光探测器；
基于n型和p型量子阱界面中的任一（或两者）的半导体光放大器（SOA）或线性光放大器（LOA）；
基于n型和p型量子阱界面中的任一（或两者）的吸收（强度）光调制器；
基于n型和p型量子阱界面中的任一（或两者）的相位调制器；
波导开关；以及
无源波导。
值得注意的是，上面描述的方案将SMF耦合到在光子IC 105的平面内引导光学信号的平面内波导，但是它也能够同样地用于多模光纤（MMF）。对于耦合到MMF的情况，需要附加的光纤元件，诸如将MMF信号绝热地转换为SMF信号的光子灯笼（photonic lantern）。附加的光纤元件通过渐逝耦合对接到光子IC 105的ECG截面113，如上面描述的。
在本文中描述和图解了光纤耦合器阵列和对应的制作方法的几个实施例。虽然本发明的特定实施例已经被描述，但是不旨在将本发明限制于此，因为旨在本发明在范围上与本领域将允许的范围同样宽并且说明书被同样地理解。因此，虽然已经公开了耦合器波导的ECG和SSC截面的特定配置，但是，将领会的是也能够使用耦合器波导的ECG和SSC截面的其它配置。此外，虽然已经公开光子集成电路的特定类型，但是，将理解的是能够使用其它光子电路。而且，虽然已经公开特定凸块接合和封装配置，但是，将意识到的是也能够使用其它晶片级接合和封装配置。因此，本领域技术人员将领会的是，在没有偏离如要求保护的其精神和范围的情况下仍能够对提供的发明进行其它修改。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种组件，包括：
多个光纤波导，每个具有波导纤芯；
光子集成电路，包含对应于所述多个光纤波导的多个平面内波导结构；以及
衬底，被接合到所述光子集成电路，其中所述衬底包含支撑所述多个光纤波导的多个凹槽。
2.根据权利要求1的所述组件，其中：
所述凹槽是V型的。
3.根据权利要求1的所述组件，其中：
凝胶将光纤波导机械地固定在所述衬底的凹槽内。
4.根据权利要求1的所述组件，其中：
衬底包括硅晶片。
5.根据权利要求1的所述组件，其中：
衬底和所述光子集成电路两者都包括多个金属凸块接合部，所述多个金属凸块接合部协作以提供衬底与所述光子集成电路之间的接合和电连接两者。
6.根据权利要求5的所述组件，其中：
衬底提供关于所述光子集成电路的电输入和输出。
7.根据权利要求1的所述组件，其中：
由所述衬底的所述凹槽支撑的所述多个光纤波导的部分限定对应的多个平坦表面，该对应的多个平坦表面与所述多个光纤波导的波导纤芯隔开。
8.根据权利要求7的所述组件，其中：
所述光子集成电路包含多个无源波导结构，该多个无源波导结构对应于所述光子集成电路的所述多个平面内波导结构和所述多个光纤波导两者，每个无源波导结构包含：第一耦合截面，对接到对应光纤波导的平坦表面；以及第二耦合截面，对接到所述光子集成电路的对应平面内波导结构，其中所述第一耦合截面被配置成提供进入对应光纤波导或来自对应光纤波导的光学信号的渐逝耦合，并且第二耦合截面被配置成提供所述光子集成电路的对应平面内波导结构与第一耦合截面之间的光学信号的绝热斑点大小转换。
9.根据权利要求8的所述组件，其中：
在光纤波导中传播的光学信号的模式大小大于在所述光子集成电路的平面内波导结构中传播的光学信号的模式大小。
10.根据权利要求8的所述组件，其中：
从具有第一折射率的材料实现光纤波导的波导纤芯；以及
从具有匹配所述第一折射率的第二折射率的材料实现所述光子集成电路的无源波导结构的第一耦合截面和第二耦合截面。
11.根据权利要求8的所述组件，其中：
从二氧化硅实现光纤波导的波导纤芯；以及
也从二氧化硅实现所述光子集成电路的无源波导结构的第一耦合截面和第二耦合截面。
12.根据权利要求8的所述组件，其中：
每个相应无源波导结构的第一耦合截面具有正方形横截面，所述正方形横截面具有对应于对应的光纤波导的光学模式的大小的大小。
13.根据权利要求8的所述组件，其中：
每个相应无源波导结构的第二耦合截面限定沿着第二耦合截面的长度彼此垂直重叠的多个不同层，其中每个层具有在宽度上横向地逐渐减少的相对侧壁。
14.根据权利要求13的所述组件，其中：
第二耦合截面包含沿着第二耦合截面的长度延伸的底层、中间层和顶层；
顶层具有对应于第一耦合截面的高度的高度以及从宽度WI横向地逐渐减少到宽度W1的相对侧壁，所述宽度WI对应于第一耦合截面的宽度；
第二层具有延伸超过顶层的部分，所述部分具有相邻对应的平面内波导结构的从宽度WM横向地逐渐减少到宽度W2的相对侧壁；
第三层具有延伸超过顶层的部分，所述部分具有从宽度WM横向地逐渐减少到宽度W0的相对侧；以及
其中W2< W1< WM< WI，并且W0< WM。
15.根据权利要求1的所述组件，其中：
用III－V族材料的材料系统来实现所述光子集成电路。
16.根据权利要求1的所述组件，其中：
从外延层结构实现所述光子集成电路，所述外延层结构包含与p型调制掺杂量子阱界面垂直偏移的n型调制掺杂量子阱界面。
17.一种组件，包括：
多个光纤波导，每个具有波导纤芯；
光子集成电路，包含对应于所述多个光纤波导的多个平面内波导结构；以及
衬底，被接合到所述光子集成电路，其中所述衬底包含支撑所述多个光纤波导的多个凹槽；
其中由所述衬底的所述凹槽支撑的所述多个光纤波导的部分限定对应多个平坦表面，所述对应多个平坦表面与所述多个光纤波导的波导纤芯隔开；并且
其中所述光子集成电路包含多个无源波导结构，所述多个无源波导结构对应于所述光子集成电路的所述多个平面内波导结构和所述多个光纤波导两者，每个无源波导结构包含：第一耦合截面，对接到对应光纤波导的平坦表面；以及第二耦合截面，对接到所述光子集成电路的对应平面内波导结构，其中所述第一耦合截面被配置成提供进入对应光纤波导或来自对应光纤波导的光学信号的渐逝耦合，并且第二耦合截面被配置成提供所述光子集成电路的对应平面内波导结构与第一耦合截面之间的光学信号的绝热斑点大小转换。
18.根据权利要求17的所述组件，其中：
每个相应无源波导结构的第二耦合截面限定沿着第二耦合截面的长度彼此垂直重叠的多个不同层，其中每个层具有在宽度上横向地逐渐减少的相对侧壁。
19.根据权利要求18的所述组件，其中：
第二耦合截面包含沿着第二耦合截面的长度延伸的底层、中间层和顶层；
顶层具有对应于第一耦合截面的高度的高度以及从宽度WI横向地逐渐减少到宽度W1的相对侧壁，所述宽度WI对应于第一耦合截面的宽度；
第二层具有延伸超过顶层的部分，所述部分具有相邻对应平面内波导结构的从宽度WM横向地逐渐减少到宽度W2的相对侧壁；
第三层具有延伸超过顶层的部分，所述部分具有从宽度WM横向地逐渐减少到宽度W0的相对侧；以及
其中W2< W1< WM< WI，并且W0< WM。
20.根据权利要求17的所述组件，其中：
每个相应无源波导结构的第一耦合截面具有正方形横截面，所述正方形横截面具有对应于对应光纤波导的光学模式的大小的大小。

Claims (16)

1.一种组件，包括：
多个光纤波导，每个具有波导纤芯；
光子集成电路，包含对应于所述多个光纤波导的多个平面内波导结构；以及
衬底，被接合到所述光子集成电路，其中所述衬底包含支撑所述多个光纤波导的多个凹槽。
2.根据权利要求1的所述组件，其中：
所述凹槽是V型的。
3.根据权利要求1的所述组件，其中：
凝胶将光纤波导机械地固定在所述衬底的凹槽内。
4.根据权利要求1的所述组件，其中：
衬底包括硅晶片。
5.根据权利要求1的所述组件，其中：
衬底和所述光子集成电路两者都包括多个金属凸块接合部，所述多个金属凸块接合部协作以提供衬底与所述光子集成电路之间的接合和电连接两者。
6.根据权利要求5的所述组件，其中：
衬底提供关于所述光子集成电路的电输入和输出。
7.根据权利要求1的所述组件，其中：
由所述衬底的所述凹槽支撑的所述多个光纤波导的部分限定对应的多个平坦表面，该对应的多个平坦表面与所述多个光纤波导的波导纤芯隔开。
8.根据权利要求7的所述组件，其中：
所述光子集成电路包含多个无源波导结构，该多个无源波导结构对应于所述光子集成电路的所述多个平面内波导结构和所述多个光纤波导两者，每个无源波导结构包含：第一耦合截面，对接到对应光纤波导的平坦表面；以及第二耦合截面，对接到所述光子集成电路的对应平面内波导结构，其中所述第一耦合截面被配置成提供进入对应光纤波导或来自对应光纤波导的光学信号的渐逝耦合，并且第二耦合截面被配置成提供所述光子集成电路的对应平面内波导结构与第一耦合截面之间的光学信号的绝热斑点大小转换。
9.根据权利要求8的所述组件，其中：
在光纤波导中传播的光学信号的模式大小大于在所述光子集成电路的平面内波导结构中传播的光学信号的模式大小。
10.根据权利要求8的所述组件，其中：
从具有第一折射率的材料实现光纤波导的波导纤芯；以及
从具有匹配所述第一折射率的第二折射率的材料实现所述光子集成电路的无源波导结构的第一耦合截面和第二耦合截面。
11.根据权利要求8的所述组件，其中：
从二氧化硅实现光纤波导的波导纤芯；以及
也从二氧化硅实现所述光子集成电路的无源波导结构的第一耦合截面和第二耦合截面。
12.根据权利要求8的所述组件，其中：
每个相应无源波导结构的第一耦合截面具有正方形横截面，所述正方形横截面具有对应于对应的光纤波导的光学模式的大小的大小。
13.根据权利要求8的所述组件，其中：
每个相应无源波导结构的第二耦合截面限定沿着第二耦合截面的长度彼此垂直重叠的多个不同层，其中每个层具有在宽度上横向地逐渐减少的相对侧壁。
14.根据权利要求13的所述组件，其中：
第二耦合截面包含沿着第二耦合截面的长度延伸的底层、中间层和顶层；
其中顶层具有对应于第一耦合截面的高度的高度以及从宽度WI横向地逐渐减少到宽度W1的相对侧壁，所述宽度WI对应于第一耦合截面的宽度，
其中第二层具有延伸超过顶层的部分，所述部分具有相邻对应的平面内波导结构的从宽度WM横向地逐渐减少到宽度W2的相对侧壁；以及
其中第三层具有延伸超过顶层的部分，所述部分具有从宽度WM横向地逐渐减少到宽度W0的相对侧；
其中W2 < W1 < WM < WI ，并且W0 < WM。
15.根据权利要求1的所述组件，其中：
用III－V族材料的材料系统来实现所述光子集成电路。
16.根据权利要求1的所述组件，其中：
从外延层结构实现所述光子集成电路，所述外延层结构包含与p型调制掺杂量子阱界面垂直偏移的n型调制掺杂量子阱界面。
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